面向煤機裝備領域專利分析及發展趨勢研究

孫銘蔚，趙 曦，王 斌，方寬福，夏 青

（中機生產力促進中心有限公司，北京 100044）

0 引言

目前，在國內能源產業格局中，產生碳排放的化石能源占能源消耗總量的84%，而不產生碳排放的清潔能源僅占能源消耗總量的16%。其中煤炭產業作為我國基礎能源占據重要地位，煤電正從主體能源向基礎性和調節性電源轉變。在一定時期內，煤炭依然是我國的主體能源、支柱能源，煤炭行業擔負著國家能源安全的兜底保障作用。煤機與煤炭行業伴生發展，煤機市場已由快速增長轉向為穩中有增。近年來，煤礦機械朝著高端化、智能化、綠色化、綜合化的方向發展，煤機維修、備品配件、全壽命周期服務市場以及新一代智能裝備升級、數據服務系統研制為煤機裝備的發展提供廣闊空間。

本文基于全球視野下的煤機裝備專利信息，側重采煤機領域專利分析，從專利視角明晰采煤機產業技術發展趨勢，為煤機裝備產業技術創新和產業發展提供參考。

1 國內煤機裝備發展現狀

根據報告[1]相關數據顯示，在“十三五”期間，如圖1所示，國內煤機市場規模年均增長12.9%。由于快速掘進裝備、掘錨一體機等智能化煤礦建設重點發展的裝備大量應用，2019年、2020年掘進機產量相對其他產品快速增長。采煤機產量逐年遞增，實現穩中有增。

圖1 2012—2020年我國煤機行業市場規模情況

《煤炭工業“十四五”高質量發展指導意見》[2]指出，到“十四五”末煤礦數量繼續優化，高端智能煤機需求將不斷加大，如圖2所示，全國煤礦控制在4000處左右，大型現代化煤礦產能比重大幅提高，其中國內煤炭產量達到41億t左右，全國建成智能化生產煤礦1000處，建成千萬噸級礦井65處。《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》[3]指出，到2025年大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化，到2035年各類煤礦基本實現智能化。煤炭高效開采、礦井減人/無人化需求和智慧礦山建設步伐明顯加速。在未來一二十年內，無論是新建智能化工作面，還是現有項目智能化改造，空間均很可觀，高端智能煤機裝備的需求將不斷加大。

圖2 2017—2020年煤機行業主要產品產量

2 國內采煤機裝備領域專利分析

2.1 采煤機專利申請趨勢分析

2002—2020年中國和全球采煤機領域專利申請趨勢如圖3所示，進入21世紀后，中國和全球采煤機領域相關專利申請呈現出快速增長的態勢，在經過快速發展之后，受煤機行業需求增速回落的影響，我國采煤機產量有所下降，從2012年的1600臺下降至2015年525臺，降幅達67%，與采煤機相關的申請專利熱情也有所回落。《煤炭工業“十三五”規劃》出臺以后，作為煤炭行業的裝備支撐，煤機產品在新增煤炭產能、煤礦企業整合拉動的機械化程度提高、現有煤炭機械設備更新替代等有利因素的帶動下，采煤機需求有所增長，專利申請數量也快速增加。尤其是2019年申請量達到了高峰期，中國申請量超過了2800件，全球申請量超過了3200件。2020年開始，伴隨高質量發展和綠色低碳轉型，采煤機專利申請數量有所下降。從專利申請趨勢可以發現，中國的采煤機行業雖然起步較晚，早期發展較慢，但隨著中國經濟發展的加速和煤炭開采量的不斷增加，對煤炭開采的自動化程度和開采效率的要求也越來越高，這在很大程度上激發了企業和科研單位的技術研發熱情。

圖3 采煤機專利申請趨勢圖（2002—2020年）

同時，專利申請量的大幅增加，在一定程度上也反映了中國在采煤機領域的研發能力和市場競爭力得到了很大的提升。如圖4所示，我國采煤機領域發明專利占比40.22%、實用新型占比59.32%、外觀設計占比0.46%。如圖5所示，全球發明專利占比68.73%、實用新型占比31.02%、外觀設計占比0.25%。全球發明專利占比遠超過中國的該占比，這一方面反映出申請人希望通過實用新型專利制度，相對快速地獲得專利權，以便盡快投入生產使用，快速占據市場的意圖；另一方面也說明中國在采煤機領域的專利質量和技術水平與世界其他國家仍存在較大的差距，更適于申請實用新型專利。

圖4 中國采煤機專利申請的類型

圖5 全球采煤機專利申請的類型

2.2 全球專利申請量分析

根據圖6顯示數據，中國是采煤機領域專利申請數量最多的國家，達20964件，是第二名美國的4倍，是第三名德國的22倍，遠大于前十名中其他九名專利申請量之和。近幾年國內來越來越重視采煤機領域知識產權成果的保護，但申請數量上的巨大差距，并不能真實反映中國和外國的技術研發能力以及行業發展狀況。如前所述，中國的專利申請絕大部分為實用新型專利，而國外申請人大部分為發明專利，在專利質量和技術含量上仍存在較大差距。

圖6 全球采煤機領域專利申請量排名

2.3 主要申請人

采煤機領域申請量排名前10的申請人，其累計申請量約占全部采煤機專利申請量的16%。中國采煤機相關專利主要申請人排名如圖7所示。其中中國礦業大學以其學科優勢和特點，成為該領域申請量最多的申請人，達到了913件，遠多于其他申請人；排名第二、第三的三一重型裝備有限公司和天地上海采掘裝備科技有限公司分別達到565件和385件。三一重型裝備有限公司憑借其研發能力和對知識產權的重視，已逐步成為該領域的龍頭企業。

圖7 中國采煤機領域專利申請人排名

全球采煤機相關專利主要申請人排名如圖8所示。由圖1-8可以看出，中國礦業大學不僅是中國專利申請量最多的專利權人，同時也是全球申請量最多的專利權人。排名前十的申請人中，中國的企業和高校占了6名。但是通過對最能體現研發和創新能力的發明專利占比進行分析，能反映出，即使是中國的龍頭企業和知名高校，核心技術和關鍵創新能力仍有較大的提升空間。這與行業現狀也是相符的，與GOODMAN公司、SULLIVAN公司、JOY公司等國外企業相比，國內企業還存在較大的差距。

圖8 全球采煤機領域專利申請人排名

2.4 重要技術領域主要申請人分布

從專利技術領域分布能夠體現出各個公司的主導技術與核心產品方向。由圖9可以看出，掏槽或使礦物完全落離礦層的機器的零部件或附件（分類號：E21C35）是專利主要申請人技術較為集中的領域，其中天地科技股份有限公司、三一重型裝備有限公司和天地上海采掘裝備科技有限公司三個申請人在該領域申請的專利數量最多，在該領域的技術實力較強。

圖9 中國采煤機重要技術領域主要申請人分布

全球采煤機重要技術領域主要申請人分布如圖10所示，圖10中顯示掏槽或使礦物完全落離礦層的機器的零部件或附件（分類號：E21C35）是專利主要申請人技術較為集中的領域，中國主要專利申請人同樣也在該領域申請的專利數量較多。這說明全球技術研發的重點方向是基本一致的。

圖10 全球采煤機重要技術領域主要申請人分布

2.5 專利地圖

專利地圖是該領域的技術布局可視化表現形式，高峰代表了技術聚焦的領域，低谷則意味著技術盲點（潛在的機會或者待開拓的領域）。中國采煤機領域的專利地圖如圖11所示，可以直觀看出中國采煤機領域技術聚集在噴霧裝置、除塵設備、綜采支架等方面，而在煤巖識別、機器視覺等方面則是技術分布較少的領域。

圖11 中國采煤機專利地圖

而通過圖12全球采煤機領域的專利地圖可得，全球采煤機領域技術聚焦在開采方法、煤柱、施工方法、除塵系統等方面，而在齒座、行走輪、刀頭等方面是專利分布較少的領域。

圖12 全球采煤機專利地圖

2.6 高價值專利分析

表1是中國采煤機領域高價值專利排名前10的專利。表2全球采煤機領域高價值專利排名前10的專利。從表1、表2統計數據顯示，中國采煤機領域高價值專利排名前10位的申請人均是外國企業，其中久益集團占比最高達70%，但沒有一家中國企業或高校，說明中國缺乏高價值專利。

表1 中國高價值專利Top10

表2 全球高價值專利Top10

2.7 高被引專利分析

表3是中國采煤機領域高被引專利排名前10的專利，表4是全球采煤機領域高被引專利排名前10的專利。從表中數據得出，全球最高被引專利的被引用數量是中國的27倍，中國的專利被引用數量遠遠低于全球高被引專利的被引用數量，說明中國專利在技術性、創新性方面還是落后于世界其他國家。

表3 中國高被引專利Top10

表4 全球高被引專利Top10

3 結束語

基于以上相關數據分析，對國內采煤機裝備產業提出如下三點發展建議：

建議采煤機企業加大科研投入。中國是目前最大的專利申請地，但國內專利申請絕大部分為實用新型專利，而國外申請大部分為發明專利。說明我國專利質量明顯低于國外，我國采煤機領域整體科研水平與國外相比較為薄弱，采煤機企業尚未形成對專利技術的整體布局。建議采煤機生產制造企業提高研發創新能力，掌握關鍵核心技術，獲得高質量專利，提升企業競爭力。

建議建立產業技術創新聯盟。中國礦業大學不僅是中國專利申請量最多的專利權人，同時也是全球申請量最多的專利權人，說明我國礦業類高校具有科技創新先發優勢。建議采煤機企業加強與中國礦業大學等礦業類龍頭高校合作，成立聯合開發、優勢互補、成果共享、風險共擔的制造業技術創新戰略聯盟。合作建立重點工程實驗室、工程技術研究中心、研發機構和中試、推廣基地，針對共性、關鍵性、前沿性的技術共同研究開發，促進科技與產業深度融合，形成產業鏈上下游協同創新體系。

建議加強智能開采技術裝備研究。我國相比國外在機器視覺等領域專利布局較少，煤機裝備智能化水平有待提高，建議企業重點突破采煤機與監測、控制等多模型耦合決策、設備生命周期管理、智能體群體協同等關鍵技術，建設工作面顯示與信息傳輸系統，突破全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，提高裝備自動化智能化水平。