科技創新驅動 智能開采引領大力推進煤炭工業高質量發展

文 /劉 峰 曹文君 張建明 曹光明

煤炭智能開采是推進煤炭生產方式和發展模式深層次變革的重要方式，是實現煤炭工業高質量發展的必由之路

當前，我國煤炭工業正處在全面深化改革、加速轉型升級、實現高質量發展的關鍵時期。煤炭智能開采是推進煤炭生產方式和發展模式深層次變革的重要方式，是實現煤炭工業高質量發展的必由之路，是行業應對資源約束和安全挑戰的戰略選擇。煤炭企業要大力弘揚創新精神，依靠科技創新驅動煤礦智能化發展，助推煤炭工業高質量發展。

一、堅持創新引領，變革生產方式，煤炭智能開采成為高質量發展的核心技術支撐

我國煤炭資源豐富、品種齊全、分布廣泛，但與先進產煤國家相比，煤田地質構造復雜，自然災害多，資源開發基礎理論研究滯后，安全高效綠色化開采和清潔高效低碳化利用關鍵技術亟待突破，煤炭高質量發展面臨著諸多挑戰，煤礦智能化成為破解行業發展難題的戰略選擇。

1. 煤炭智能開采是煤炭工業高質量發展的本質要求

煤炭智能開采是新一代采礦業技術競爭的核心，代表著行業先進生產力的發展方向。煤炭智能開采是指煤礦地測、采掘、運通、安全保障、生產管理等主要系統具有自感知、自學習、自決策與自執行的基本能力。煤炭智能開采可以充分發揮煤礦全要素生產作用，實現效率變革，促進煤炭行業由要素驅動型向創新驅動型轉變；可以帶動建立新技術、新產品、新模式等突出優勢，實現路徑變革，增強煤炭企業的核心競爭力；可以推動煤炭開采向清潔生產方向轉變，解決煤炭開發利用與生態文明建設之間的突出矛盾，實現產業升級和可持續發展。

2. 煤炭智能開采是煤炭生產方式變革的必由之路

我國煤炭資源開采條件差異較大，既有賦存穩定的特厚煤層，也有地質條件差的薄煤層。尤其一些老礦區，地質條件復雜，五大災害俱全，巷道系統復雜，自動化水平低，開采難度大。加快推進煤炭生產方式變革，集約、高效、經濟地開采煤炭資源，以最合理的資源擾動和勞動消耗，保障國民經濟和社會發展的能源需求，已成為煤炭革命的最緊迫要求。煤炭智能開采正是采用先進的技術與裝備實現生產過程的少人化和無人化，從而達到生產過程的低消耗、低排放和低擾動，有力推動我國能源供給革命。

3. 煤炭智能開采是促進煤礦安全生產的有效途徑

我國煤炭行業安全生產水平和生產效率，之所以與先進產煤國家存在差距，重要原因之一就是我國煤炭企業尚處于勞動密集型向人才技術密集型轉變的階段，企業用工人數較多，機械化、自動化、信息化水平低。煤炭智能開采正是以信息化、數字化、自動化為基礎，以無人或少人化開采為目標，能夠極大提高勞動生產率，減少井下現場作業人員。以智能化綜采工作面為例，可以減少工作面作業人數一半以上。目前，我國已建成安全高效礦井（露天）901處，產量占全國的56.42%，百萬噸死亡率僅為0.0015，在實現高產高效的同時，充分體現了“少人則安、無人則安”的安全理念。因此，煤炭智能開采對于實現煤礦安全高效生產具有極為重大的意義。

二、認識不斷加強，內涵持續深化，實現煤炭智能開采已成為行業基本共識

歷史經驗表明，全球經濟版圖變化和大國的興衰，科技革命往往是關鍵節點和分水嶺。實踐告訴我們，核心關鍵技術是等不來、要不來的，自主創新才是強國之路。改革開放以來，我國煤炭工業的跨越式發展正是依靠煤炭科技的持續創新，全體煤炭從業人員的不懈奮斗而實現的。

1. 新一輪科技革命和產業變革孕育興起，為煤炭科技創新開辟了廣闊空間

科技革命和產業變革加速了人類文明的演化進程，改變了人類的生產方式、生活方式甚至思維方式。目前，我國研發人員總量世界第一，發明專利申請量和授權量居世界首位，國家綜合創新能力列世界第17位，科技創新正從外源性向內生性轉變。我國煤炭科技已實現了從跟蹤、模仿到部分領域并跑、領跑的轉變。大型礦井建設、特厚煤層綜放開采、燃煤超低排放發電、高效煤粉型工業鍋爐、新型煤化工技術達到國際領先水平，煤機裝備實現了國產化，裝備制造水平位于世界先列。未來煤炭科技創新將呈現出新的發展態勢和特征：煤炭基礎研究、應用研究和技術開發的邊界愈加模糊，技術創新鏈條更加靈巧，技術更新和成果轉化不斷加快，煤炭企業之間的競爭將體現為包含資本、技術、人才等的創新體系之間的競爭。

2. 人工智能影響深遠，正成為煤炭革命甚至能源革命的牽引技術

人工智能具有溢出帶動性很強的“頭雁”效應，不僅能夠推動行業智能化升級與改造，實現“有中生新”，還能催生出新的應用從而派生新產業形態，實現了“無中生有”。人工智能與能源技術的融合將極大地推動能源結構轉型，未來必將深刻影響煤炭生產、加工、利用和轉化的發展模式與形態，加速煤炭革命。煤炭智能開采正在引領煤礦生產方式的變革和升級，未來深入發展不僅能夠創造出新的需求，而且通過先進技術的交叉融合和集成創新應用，將不斷催生新技術、新產品、新裝備和新模式，實現煤礦生產從機械化向自動化、智能化發展，推動行業技術水平整體躍升。

3. 概念內涵逐步明晰，煤炭智能開采得到政府、行業與企業的高度認可

煤炭智能開采是一個不斷發展的過程，智能化程度也在不斷加深，其概念和定義也在不斷完善中。2017年7月，國務院發布《新一代人工智能發展規劃》，頂層設計了我國新一代人工智能發展的目標、路徑和任務。2019年初，國家煤監局發布了《煤礦機器人重點研發目錄》，大力推動煤礦現場作業的少人化和無人化。近年來，全行業已就煤炭智能開采的發展方向取得共識，并充分認識到煤炭智能開采的階段性發展特征。廣大煤炭企業也深刻認識到以智能開采為核心的煤礦智能化將成為未來企業競爭的重要陣地，是提升企業核心競爭力的主要手段，從而實現了從被動建設向主動建設的轉變。

三、突破智能開采，破解技術難題，煤礦智能化發展已具備較好的基礎

我國煤礦信息化的發展經歷了不同階段。第一階段以實現礦山各業務的信息化管理和機械化采煤為標志；第二階段把真實礦山的整體以及和它相關的現象整合起來，以數字的形式呈現，實現礦山虛擬現實和自動化采煤；第三階段實現對礦山的智能感知、自動分析和智能決策，以遠程控制的無人或少人智能化開采為標志。

1. 開采技術持續進步，煤炭智能開采首先取得重大突破

我國煤炭開采從建國初期的人力落煤，發展到上世紀60年代的炮采，到80年代推行綜合機械化采煤，現在向智能化采煤的方向發展，目前煤炭開采技術水平處于世界領先地位。以改革開放初期引進100套綜采設備為起點，我國自主研發了3.5m至8.8m的一次采全高系列成套裝備。采煤機滾筒直徑達4.3m，截割功率2×1100kW，液壓支架最大高度達8.8m，工作阻力26000kN，刮板輸送機裝機功率3×1600kW，滿足年產1500萬噸工作面配套需求。放頂煤技術成為我國煤炭開采領域具有世界影響力的標志性技術。2001年成功研發出世界首套兩柱掩護式放頂煤液壓支架及電液控制自動化綜放成套技術，2004年向澳大利亞技術輸出。14～20m特厚煤層大采高綜放成套技術與裝備在大同等礦區成功推廣應用。

2012年，陜煤化集團紅柳林礦建成了國內首個智能化采煤工作面，初步實現了“工作面有人巡視、無人操作”的工作模式。近年來，智能化采煤技術不斷完善，逐步解決了液壓支架跟機自動化、采煤機記憶截割、工作面視頻監控、遠程集中控制和工作面直線度控制等技術難題。目前，各大礦區已開始推進智能化采煤工作面建設。山東能源棗莊礦業集團的11個采煤工作面、陜煤化集團黃陵礦業公司所屬四對礦井全部實施了智能化開采，形成了薄煤層、中厚煤層到厚煤層智能化開采的全覆蓋。

2. 技術條件臻于成熟，煤礦智能采掘重大技術難題有望破解

近年來，煤炭生產企業陸續實施了礦井信息基礎設施的升級改造，包括傳感器、攝像儀等信息感知設備，井上下傳輸網絡和數據中心等信息服務設施。多數煤炭企業集團已建成大容量光纖以太網和百兆同步數據網，形成完善的網管系統、網絡安全系統、數據庫系統和存儲系統。地理信息系統已在煤礦大規模應用，安全生產“一張圖”有序推廣，煤炭地質云平臺正式上線，4G通信在部分礦井應用，井下視頻識別驗證啟動。國家能源集團、山西焦煤集團等建設了數據中心，利用大數據、云計算等新技術推動煤炭產業與互聯網經濟不斷融合。

據統計，我國1.3m以下的薄煤層約占保有儲量的20%左右，尤其是四川、重慶、湖南、湖北、福建、廣西等地區薄煤層占保有儲量的50%以上。相比于中厚煤層，由于受到環境和空間的制約，薄煤層開采難度大，工作面生產效率和產量低，智能化開采需求更為急迫。近年來，國家能源集團、中煤能源、山東能源、同煤集團、陽煤集團、重慶能投、貴州盤江煤電、淮北礦業等煤炭生產企業實施了薄煤層智能化開采，取得了良好的效果。針對井下復雜多變的地質條件，國家能源集團、陽煤集團、陜煤化集團、山東能源集團、重慶能投集團等還進行了礦井智能全斷面掘進技術攻關，有力推動了我國煤礦智能化發展。

3. 產學研聯合攻關，礦井智能化建設從局部向全系統延伸

近年來，全行業積極開展了煤礦GIS、井下物聯網系統、煤礦現場總線、礦井移動設備無線接入、綜采成套裝備智能系統、大型固定設備無人值守、薄煤層自動開采等創新研究工作，實現了開采、運輸、提升、通風、供電、排水等生產環節的自動化，膠帶主運輸系統、井下變電所、井下排供水泵房、地面主通風機房等主要生產系統實現了遠程監控和無人值守，運煤皮帶機器人巡檢、地面煤場無人機盤煤等技術成功應用。國家能源集團、山西焦煤集團、兗礦集團、中國平煤神馬集團等多年來持續推進數字礦山的整體建設，實現了異構網絡的逐步融合和大數據關聯。

煤炭行業正在或將從五個方面提升智能化水平：在橫向覆蓋范圍方面，從單個工作面、向單個煤礦、再向煤炭企業集團，甚至整個礦區延伸；在產業鏈延伸方面，從煤炭生產的數字化、向煤礦生產經營的數字化、再向煤化工、煤電、物流等整個產業鏈的數字化延伸；在應用系統集成程度方面，從專業系統集成、向部分業務局部集成、再向相關系統全面集成應用拓展；在操作手段方面，從人工近距離操作、向無人遠程遙控、再向系統自適應調控延伸；在發展層次方面，從技術應用向更高層次的商業模式創新提升。

四、聚合各方力量，強化協同創新，推動煤礦智能化走向新的輝煌

我國煤礦智能化處于起步階段，目前存在著如下制約和不利因素：一是缺乏先進的礦用高精度高可靠性傳感器；二是井下無線傳輸距離相對較短；三是煤礦智能化專業軟件缺乏；四是精通智能技術和煤炭業務的混合型人才嚴重匱乏；五是適應煤礦智能化的基礎設施、標準體系、創新機制等亟待完善。因此，我們既要看到目前已取得的成績和智能化發展強勁態勢，增加信心，又要清醒認識到我們的短板和不足，增加緊迫感。

1. 堅持開放合作創新精神，確立煤礦智能化發展新理念和新目標

開放合作是煤炭創新發展的必由之路。智能開采是一個典型的多學科多技術交叉領域，煤炭生產企業、專業研究機構和高等院校等相關各方應建立平等互利、合作共贏的科技創新共同體，共同解決煤礦智能化面臨的重大科學問題與技術難題。確立煤礦智能化發展的新理念，必須深刻認識到新科技革命以“數據密集型科學發現”為主要基礎特征，未來數據分析將發揮越來越重要的作用。煤礦智能化的發展要以煤炭供給側結構性改革為主線，把握煤炭開采與智能技術融合發展契機，發揮智能技術在產業升級、產品開發、服務創新等方面的巨大引領作用，實現2020年建成100個初級智能化示范煤礦，2025年全部大型煤礦基本實現智能化的發展目標。

2. 加強煤炭智能基礎理論研究，促進煤礦智能技術融合應用

可以預見，煤礦智能化必將引發煤炭開采、利用與轉化新的研究方向，甚至有可能突破已有或成熟的理論框架。煤礦智能化是對煤炭行業發展影響最大的技術革命，未來研究將會不斷進入沒有道路的“無人區”。因此，我們必須加強研判，統籌謀劃，協同創新，穩步推進，夯實煤礦智能化基礎。煤礦智能技術創新研究與攻關，既包含“從0到1”的基礎研究和原始創新，也包含“從1到n”的應用開發?；A理論研究是技術應用的發動機，煤炭科研院所和高等學校應在智能基礎研究和原始創新上提前布局。

3. 聚焦“卡脖子”技術難題，建立煤礦智能化技術體系

多數煤礦作業位于“不可見”的地下，具有大量的未知因素和不確定性，因此煤礦智能化應從人機協作到人機融合的混合增強智能方向發展。我國目前有煤礦5800處左右，擁有海量數據產生能力和巨大應用需求，具有發展智能化得天獨厚的優勢。近期，煤礦智能化應聚焦突破如下關鍵核心技術：精準探測與地理信息精細建模技術、新一代礦井感知傳感技術與裝備、復雜地質條件智能掘進技術、露天煤礦連續化作業關鍵技術、不同運輸場景的智能主/輔運輸技術、重大危險源與危險行為的智能預報預警技術、大型設備故障診斷與綜合健康管理技術等。

4. 加大智能化人才培養力度，為煤礦智能化發展提供智力支持

我國煤炭高等院校人工智能教育起步較晚，基礎薄弱。近幾年，煤炭企業人才流失嚴重，煤礦采掘一線招工接替問題凸顯。我們應把人才作為創新發展的第一要素，妥善解決對技術人員評價不合理、用人機制不科學和收入分配機制不健全等問題；應建立鼓勵探索、寬容失敗的文化，讓不同的思想能夠在相對寬松的環境中碰撞和交流；應注重培養一線和青年科技人才，加快形成一支富有創新精神、敢于承擔風險的知識型、技能型人才隊伍；應打造多種形式的煤礦智能化人才培養平臺，加大對高端科學家和高層次人才的吸引力度，為煤礦智能化發展提供充足的人才保障。

5. 發揮產學研用協同優勢，持續提升煤礦智能化發展水平

我國目前還沒有出臺專門推動煤礦智能化的發展規劃和指導性政策。煤礦智能化發展不僅應有全局規劃藍圖，更要結合礦區實際進行布局，建立宏觀、中觀、微觀上下貫通的煤炭智能化創新發展體系。我們應圍繞智能基礎領域、技術開發應用的關鍵環節，建立行業智能化研發體系，同時還應研究煤礦智能技術與裝備的準入政策，降低技術成果轉化成本。針對我國煤礦生產條件差異較大、開采地質條件復雜的特點，應研究制定加快煤礦智能化的規劃和政策。煤炭企業應在資金、人員、技術等方面加大投入力度，破除組織、人員、裝備、系統、工作制度等方面的制約，確保煤礦智能化工作持續推進。

6. 準確定位企業自身特色，科學制定并有序實施煤礦智能化發展規劃

我國煤炭企業在以往信息化建設過程中，出現了前期建設和后期發展相沖突的問題，“信息孤島”現象嚴重，生產全過程的數字化鏈條未能打通，尤其是一些老礦區實現煤礦智能化的難度更大?，F有礦區和礦井應采用先進技術進行智能化改造和升級，推進固定崗位的無人值守和危險崗位的機器人作業。新礦區和新建礦井應從礦區規劃、礦井建設階段就進行智能化設計，建設關鍵生產要素好、全員生產工效高、全系統要素效率優的高質量煤礦。煤炭生產企業應結合自身條件，做好煤礦智能化頂層設計，有步驟、分階段開展工作，實現分散建設向集成化方向跨越，高效有序地推動煤礦智能化發展。

煤炭智能化對于實現煤炭安全高效綠色開采，推動煤炭工業高質量發展有著重要意義。我們應不斷夯實科技基礎，強化煤礦智能化戰略導向，加強高質量科技供給，實現煤礦智能化從點的突破到系統能力的提升，推動我國煤礦生產向更安全、更高效、更集約的方向不斷進步。