我國煤質管理及其先進技術發展研究

鄭劍平，孫翠芝，程子曌，許紅娜，仝 莉

(1.中國煤炭加工利用協會，北京市朝陽區，100013；2.中國煤炭工業協會咨詢中心，北京市朝陽區，100013)

煤炭是我國重要的一次能源，經初步核算，2021年我國全年能源消費總量52.4億t標準煤，比2020年增長5.2%。煤炭消費量增長4.6%，原油消費量增長4.1%，天然氣消費量增長12.5%，電力消費量增長10.3%。煤炭消費量占能源消費總量的56.0%，比2020年下降0.9個百分點；天然氣、水電、核電、風電、太陽能發電等清潔能源消費量占能源消費總量的25.5%，比2020上升1.2個百分點[1-2]。煤炭在實現“雙碳”目標過程及能源安全方面發揮著兜底保障的作用，立足能源結構以煤為主的基本國情、大力推動煤炭清潔高效利用[3-5]、提升商品煤質量成為解決我國能源問題的重要路徑。

近年來，煤炭企業認真貫徹落實習近平總書記關于保障能源安全的重要指示精神，進一步加強煤質管理體系建設，不斷推進煤質管理信息系統建設，大力推廣先進的煤質在線檢測技術及設備，智能化采制樣技術也進入生產實際應用階段，既保障了商品煤質量的提升，又促進了煤炭清潔高效利用[6]。

1 我國煤質管理及先進技術應用

1.1 煤炭企業煤質管理體系建設

1.1.1 煤質管理體系

目前，我國大型煤炭企業已建立了較為完善的煤質管理體系，形成了集團公司-礦業公司-各礦(廠)的三級煤質管理機構，成立了公司煤質管理領導小組、煤炭經銷中心、煤質科等煤質管理部門[7]。集團公司層面主要以宏觀管理為主，大部分企業以集團營銷公司為主體，建立集團公司煤質管理體系，主要負責對煤炭產品的質量進行改進、協調解決質量管理過程中出現的問題、對煤質管理工作進行指導和監督、審核確定年度煤質指標計劃；礦業公司層面是公司的煤質管理部門，主要負責集團公司煤炭產品的日常管理工作和有關獎罰考核，結合市場和礦(廠)的生產實際，確定產品品種、質量等級，編制產品質量計劃；各礦(廠)層面的煤質科是煤質管理工作的主體，負責井下原煤、出礦商品煤的采、制、化及選煤過程的煤樣化驗工作，對本礦的煤質全面負責。

選煤廠主要負責選煤生產過程中煤樣的采取及化驗，用于指導選煤生產。

1.1.2 煤質管理制度

目前，我國煤質管理制度已經較為完善。行業層面主要有《商品煤質量管理暫行辦法》 《煤礦安全生產標準化管理體系考核定級辦法(試行)》 《煤礦安全生產標準化管理體系基本要求及評分方法(試行)》等制度規范；各集團層面主要有《集團煤質管理辦法》《商品煤生產質量考核辦法》等煤質管理制度；礦業公司和各礦(廠)層面主要有《公司煤質管理實施細則》 《煤質管理及考核辦法》 《商品煤質量、計量糾紛處理辦法》 《掘進工作面灰分/水分管理規范》 《煤炭產品質量內部市場化管理考核辦法》 《月度煤質專題分析會》等具體煤質管理辦法。

企業煤質管理制度的建立，進一步細化和完善了原煤、選煤產品、商品煤、外采統銷煤的相關考核指標和規定，加大了商品煤和外采統銷煤質量的管理考核力度，對煤炭生產和儲裝運銷發揮了良好的監督約束和激勵作用，有效保證了煤質檢測和煤質管理工作的正常開展。

1.1.3 煤質管理流程

煤炭企業從長期實踐中總結出來的“事前預測有措施、事中控制有手段、事后處置有方法”的煤質管控流程，即采煤工作面回采前先按照國標對煤層采樣進行化驗，根據化驗數據、工作面地質水文情況編制預測報告，并按照市場和用戶需求制定出有針對性的煤質管控措施；在選煤生產過程中，對灰分進行快速檢測，根據檢測結果和用戶要求，實時調整生產工藝參數；在商品煤銷售過程中，及時檢驗并出具化驗報告，當出現不合格批次產品時，能夠及時與銷售部門溝通，采取調整流向、降檔銷售、港口配煤等事后處置措施，確保用戶獲得滿意的產品。

1.2 煤質管理信息系統建設

1.2.1 建設概況

煤質管理信息系統是指以煤礦、集團公司中心化驗室日常業務為基礎，利用先進的網絡和數據庫技術，通過局域網或互聯網進行日常煤質化驗數據傳輸的系統，該系統將實驗室各項業務劃分為若干個模塊，綜合處理整合實驗室業務[8-9]。

目前，國內大多數礦(廠)煤質管理機構都劃歸到企業自身的煤炭運銷公司管理。因此煤質管理信息系統主要依托煤炭企業開發的煤炭運銷管理系統，并結合各自特點進行有針對性地開發應用，實現煤炭質量日常檢測數據錄入、上傳、結算和查詢等功能；該系統也可以與集團公司煤炭營銷系統進行有效對接，便于商品煤、原煤信息調度和商品煤銷售統一管理。系統設計研發單位主體一般為各大型煤炭企業信息控制管理中心(分公司)，結合企業煤質管理的實際需求進行自主開發。

1.2.2 主要功能模塊

煤質管理信息系統主要包含大數據監控子系統和業務管理子系統兩大部分，系統設計方案的原則都是基于實驗室CNAS認可準則的要求，通過數據采集，利用現代化的信息技術對原始數據進行加工處理，運用數學計算模型和工具進行科學地統計分析，為企業煤質管理和決策提供支持。

(1)大數據監控子系統主要通過抽取業務層數據(原煤、商品煤煤質信息)，對其進行深入挖掘分析，通過監控大屏，以圖文形式將各業務環節及煤炭生產全過程管理中的關鍵指標數據的分析板塊進行展示，包含監控首頁、煤層監控、原煤監控、選煤生產監控、商品煤監控、檢裝監控、市場監控等模塊，實現對煤炭品種、數量、質量、生產工藝不同維度的數據匯總統計、異常預警、趨勢分析、決策分析等功能。

(2)業務管理子系統主要覆蓋煤炭地質勘探、煤層、原煤、選煤、商品煤管理(商品煤的裝車數據和化驗數據可從檢測站管理系統上傳)等各環節，實現業務流程線上編制、審核、審批、上報等功能，達到煤質管理全過程信息化。通過關鍵崗位視頻監控方式，不僅可以實時監測煤場裝卸車點、化驗室等重點操作位置的情況，對煤質進行監督管理，還可以實時分析煤炭產品的結構變化，為領導經營決策提供數據支持。

1.2.3 應用效果

一是實現了煤層煤樣、生產煤樣、商品煤樣的“采、制、化、裝車”數據的自動采集，數據采集去人工化，避免人為錄入數據和隨意修改結果，減少人員填寫記錄和計算的時間，使得化驗數據上報更加快速、準確，實現與檢測設備數據庫的對接；二是實現了各類煤質報表查詢、煤質數據分析，能夠生成折線圖與柱狀圖直觀地展示煤質的變化趨勢，可以對商品煤港口數據與礦區數據進行比較，并能夠實時地將煤質分析、煤質指標、煤質考核等電子資料上傳下載；三是實現了對產品數量質量的動態監控與管理，及時了解生產數據，快速掌握煤質動態，指導實際生產組織工作；四是實現了對煤質管理部門的檢測業務、安全管理、行政管理等各項業務的實時管理，為煤質數據的有效性提供依據，保證所有與煤質相關的數據在系統中可查、可依。

1.3 煤質在線檢測技術的應用發展

近年來，煤質在線檢測裝置已開發利用主動探測和被動探測γ射線技術，發展了有源和無源技術。在線檢測系統主要有在線灰分儀、在線水分儀，通過灰分和水分數據計算出煤的發熱量，從而構建完整的煤炭灰分、水分和發熱量在線測量系統。其中重點在于灰分在線測量技術的研究，主要分為雙能量γ射線透射技術、X射線在線灰分儀、天然射線灰分儀、中子活化分析技術、激光誘導擊穿光譜分析技術。目前各類技術都有成功的應用案例[10-11]。如丹東東方測控技術公司采用雙能量γ射線透射技術，開發出了γ射線在線灰分儀[12-13]；開封市測控技術公司開發出天然γ射線無源灰分儀[14-15]；清華大學基于激光誘導擊穿光譜技術，提出了主導因素模型，并應用于煤中的碳(C)、氫(H)、氮(N)、硫(S)等主要元素的檢測，效果優于常規的檢測方法[16-17]。

煤質在線檢測技術可實時獲取煤質分析指標，顯著提升了煤質檢測效率。隨著煤質在線及旁線檢測技術的成熟，選煤廠也開始對生產過程進行實時監控。

1.4 煤炭采制樣技術機械化、智能化、標準化技術的發展

1.4.1 機械化采制樣技術的發展

隨著煤炭行業不斷加強技術創新和裝備創新力度，并著力研究開發機械化采制樣技術和裝備，2000年后，煤炭機械化采樣機開始對電力、鋼鐵行業的入廠煤和入爐煤進行檢測，并且在煤礦、港口也得到迅速推廣及應用，如在煤礦坑口處設置機械化采樣和在線、旁線檢測設備，對生產過程中的煤炭進行實時管理。2009年，又陸續研發了電腦控制聯動制樣系統，對簡單功能實現監督報警，提高了煤炭實時制樣的效率。2013年開始研發無人值守煤樣自動制樣系統，推廣燃料智能化管理系統。2017年，在煤炭傳統制樣與生產線自動制樣系統的基礎上，結合先進的機器人技術與自動化技術，將智能機器人應用于煤炭制樣領域研發生產機器人智能制樣系統[18]。目前，機械化采制樣已應用于輸煤帶式輸送機、火車車皮、汽車、煤堆等場所，與人工采樣相比，機械化采制樣不受人為因素影響，大大提高了采樣效率，并保證了采制樣的精度和煤樣代表性[19]。

1.4.2 智能化采制樣技術的發展

隨著科技的發展，煤炭質量檢測技術智能化已成為必然。如何將新型智能機器人技術、自動化技術與商品煤的采制樣相結合，成為煤炭檢驗實現智能化、信息化、標準化轉型升級的關鍵。

目前，我國已初步開發研制了智能化采樣技術與裝備，智能化機械臂采樣系統全過程無膠帶一體化的設計，有效地解決了采樣環節中樣品堵塞、殘留及偏倚精密度差等問題，提高了系統的智能化水平，采制樣效率更高，并可連續作業，系統設置有各類安全預警，安全穩定性更好。

智能機器人制樣系統[20-21]以先進的機器人技術、智能控制技術和信息化技術作為執行載體，可以完成煤樣的識別感知、制備、轉運、稱量、封裝、寫碼、存儲等流程，輸出滿足國家標準要求的多批次各級樣品，能夠實現自感知、自判斷、自適應、自執行。通過兩級破碎、三級縮分，最終可制備出1份6 mm全水樣、1份3 mm存查樣、1份0.2 mm分析樣、1份0.2 mm存查樣的樣品，該系統具有性能可靠、代表性好，功能可靠、穩定性好，制樣高效、快捷性好，模塊設計、維護性好等特點，可有效與智能采樣系統相結合，實現采制過程的智能化。

1.4.3 采制樣標準化建設情況

目前我國煤炭采制樣方法標準主要有人工采制樣標準《商品煤樣人工采取方法》(GB 475-2008)、《煤樣的制備方法》(GB 474-2008)；機械化采制樣標準有《煤炭機械化采樣 第1部分：采樣方法》(GB/T 19494.1-2004)、《煤炭機械化采樣 第2部分：煤樣的制備》(GB/T 19494.2-2004)、《煤炭機械化采樣 第3部分：精密度測定和偏倚試驗》(GB/T 19494.3-2004)等。

煤炭采制樣方面的標準制定歷史較早，其中GB 475和GB 474于1964年制定，經過1975年、1983年、1996年和2008年的4次修訂后，成為當前標準文本GB 475-2008。該標準詳細規定了煤炭人工采樣的術語和定義，主要包括采樣的一般原則和采樣精密度、采樣方案的建立、各采樣程序的確定、采樣方法、人工采樣工具、煤樣的包裝和標識、采樣報告以及采樣精密度核驗和偏倚試驗等。GB 474-2008詳細還規定了煤樣制備的術語和定義，主要包括試驗的構成、破碎、混合、縮分和空氣干燥，各種煤樣的制備及存查樣等要求。

為適應煤炭生產、加工利用和貿易發展的需要，我國于2004年制定了《煤炭機械化采樣》(GB/T 19494-2004)系列標準，代替了GB 474和GB 475中關于煤炭機械采樣和制樣部分，更好地對應了ISO標準。該系列標準對煤炭機械化采制樣做了詳細說明和規范，規定了煤炭機械化采樣的術語和定義(包括采樣的一般原則和精密度、采樣方案的建立、移動煤流采樣方法、靜止煤采樣方法、煤樣的包裝和標識以及采樣報告等)、煤炭機械化采樣精密度測定和偏倚試驗的術語和定義(包括采樣、制樣和化驗精密度測定方法以及偏倚試驗等)。

目前已發布實施的5項國家標準對我國煤炭采制環節做出了明確的規定，煤質檢驗檢測人員都要嚴格按照國標的要求執行，當前主流的智能化采制樣系統均可滿足相關國標的規定。

2 煤炭行業煤質管理現狀及其存在的問題

2.1 重視程度不夠，相關責任主體不明確

通過加強煤質管理促進了煤炭行業的健康發展，但行業整體對煤質管理的重視程度還不夠[22]。部分煤炭企業在生產過程中，由于追求短期的經濟效益而忽視了煤炭綠色清潔高效利用，導致商品煤質量指標偏低，致使劣質煤炭產品進入市場流通，降低了煤炭資源利用率，增大了運輸成本，限制了煤炭資源的高質利用。另外，盡管相關規章制度都已經制定，但在實際生產過程中并未按章執行，使得煤炭產品出現質量問題時，存在各方責任不明確、相互推諉等問題，導致煤炭企業的市場信用度下降，不利于煤炭產品的品牌建設。

2.2 信息化水平發展不平衡，思想認識不到位

盡管我國煤質管理制度已經較為完善，然而煤質信息管理系統技術還處于初步開發應用階段，行業的煤質管理信息化水平發展不平衡，煤炭企業間信息化管理水平也參差不齊。部分煤炭企業的煤質管理信息系統已經可以實現煤質的綜合分析，并能很好地服務于日常煤質管理；但還有些煤炭企業信息化水平較低，只是進行簡單的數據填報，相關的檢測數據也沒法追溯。另外，還有部分煤質管理技術人員思想認識還不到位，阻礙了信息化工作的有效開展。還有些煤質管理信息化系統軟硬件系統不太匹配，兼容性不好，易出現系統卡頓、宕機現象，導致數據失真和丟失。

2.3 煤質在線檢測設備高精度產品開發不足

煤灰分檢測技術在實際應用過程中，一般測量精度都在0.3%～0.5%以內，但對于煉焦煤來說，每級精煤灰分相差0.5%，因此亟需灰分在線檢測設備的測量精度達到±0.25%，甚至需要達到±0.2%；在線測灰儀對于煤質適應性不好的情況下，當煤質發生較大變化時，測試結果往往誤差較大，導致無法準確檢測煤炭質量，難以精準指導生產。

2.4 采制樣系統推廣應用程度不夠

我國采制化設備的機械化、智能化建設雖已取得了較大突破，但仍存在著推廣應用程度不夠的問題。采樣方面，大部分煤炭企業已采用自動化、機械化方式來代替人工方式，但系統可靠性、采樣代表性仍有待進一步提高；在制樣和化驗環節，基本以人工方式為主，整體機械化、智能化水平較低。機械化采樣設備在實際生產應用過程中，還存在故障率較高的現象，尤其運行時間過長后，設備老化更易發生故障。同時，智能化采制化系統在行業推廣應用程度不夠，相關實用案例較少，煤樣的代表性、檢測結果準確性仍需生產實際數據來驗證，相關技術尚需研究。

3 煤質管理創新發展方向

3.1 加強煤質管理體系建設，繼續完善煤質管理制度

在煤質管理體系建設方面，要進一步加強煤質管理體系建設，落實企業質量管理主體責任。完善煤質管理制度建設，包括監管機制、考核機制、激勵機制等，建立以質計價的內部市場收購機制，形成煤炭產品生產、運輸、銷售環節的良性循環。從礦井生產準備、采區接替、煤炭開采到選煤生產，嚴格各項工序的質量管理，使每個生產環節都處于可控狀態。進一步提高煤炭入選率，實現產品結構多元化，增強產品市場競爭力。

3.2 進一步開發和完善煤質管理信息系統，實時監控煤質信息

在煤質信息化管理方面，要進一步開發和完善煤質管理信息系統，提高煤質管理的決策指揮能力。運用現代計算機網絡技術、數據庫技術，根據企業的具體管理體系，構建集團煤質管理信息系統，實現煤質管理信息業務操作流程、數據統計、煤質數據查詢和預測的自動化處理，實現集團公司對煤質信息的全面掌握與實時監控，保證及時快速獲取各種煤質數據，以便為公司整體決策提供科學依據。

3.3 加大高精度國產化煤質在線檢測技術及其設備的研發力度

在煤炭質量在線監測方面，要進一步推廣應用在線監測技術與裝備，提高生產過程中的煤質監測與管理水平。研究單位要加大高精度國產化的煤質在線檢測設備的研發力度，灰分在線檢測設備的測量精度盡量能夠達到±0.25%以內，以滿足不同用戶對產品質量的監測要求。

3.4 推廣應用智能化采制樣技術

在機械化智能化采制樣方面，要進一步推廣應用機械化采樣、智能化采樣裝備與技術，提高采樣精度和采樣代表性，降低采樣過程中的勞動強度。科研單位和設備廠家要進一步加強智能化采制化技術與裝備的研發力度，通過智能化采樣系統、智能機器人制樣系統、智能化煤樣封裝轉運系統、全自動煤質測試分析系統等智能化裝備的無縫對接，實現煤炭的“采、制、轉、存、化”一體化布局，實現采制化系統智能化，不斷提高煤質管理水平。

4 結語

梳理了我國煤質管理及其技術發展現狀，系統分析了煤質管理體系、信息化系統、在線檢測、智能化采制樣等方面存在的問題。在煤質管理及煤質技術未來發展方面，認為需加強煤質管理體系建設、完善煤質管理信息系統、加大高精度國產煤質在線檢測設備研發力度、大力推廣應用智能化采制化系統，以實現煤質管理的高效化、智能化。源頭提升商品煤質量是在開采過程中進行有效的煤炭識別，為煤炭行業的高質量發展做出貢獻。