智能化技术：保障煤矿安全高效生产

来源：《中国电业》 时间：2020-09-22 15:52

智能化技术：煤矿安全高效生产的保障

徐州中矿数字化矿山技术研究所所长 刘景勇

　　7月28日，国家能源局和国家煤矿安全监察局下发《关于开展首批智能化示范煤矿建设推荐工作有关事项的通知》（简称《通知》），从国家层面组织相关单位开展首批智能化示范煤矿建设。《通知》提出，到2021年底，将建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿，初步形成煤矿开拓设计、地质保障、生产、安全等主要环节的信息化传输、自动化运行技术体系，基本实现掘进工作面减人提效、综采工作面内少人或无人操作、井下和露天煤矿固定岗位的无人值守与远程监控。

　　智能矿山是未来煤炭企业升级发展的必然趋势，智能化技术将从根本上改变煤矿工人的作业方式和工作条件。近年来，我国对煤矿智能化技术进行了大量的研究，在井工煤矿采煤、掘进智能化工作面和露天煤矿远程自动化采煤、无人驾驶等技术取得了突破性进展，对于提升煤矿安全生产水平、提升企业效率效益和保障煤炭稳定供应具有重要的意义。

智能化综采工作面

　　2019年10月21日，黄陵矿业集团有限责任公司联合应急管理部煤矿智能化开采技术创新中心、华北科技学院发布了全国首个“智能化无人综采工作面”企业标准（简称智能工作面标准），首次对“智能化无人综采”“综合智能化控制系统”“记忆截割”“自动跟机”“机架协同”“监控中心”“地面指挥控制中心”“井下监控中心”作出定义，创新提出了“智能化无人综采工作面”技术标准，是煤炭行业首个关于智能化开采领域的技术标准，填补了国内煤炭行业智能化无人开采工作面标准的空白，达到了国际领先水平。

　　《通知》要求：采煤工作面液压支架配备电液控制系统，采煤机和刮板输送机具备状态监测、远程控制、故障诊断功能，乳化液泵具备流量调节功能，工作面各设备具备协同控制功能，已实现或部分实现远程操控。

　　业内认为智能化综采工作面系统的集成主要是以综采工作面智能控制系统为核心，同时将采煤机控制系统、支架电液控制系统、工作面“三机”通信控制系统、运输控制系统、泵站控制系统和供电系统进行集成，最终实现对综合机械化采煤工作面设备的协调管理与集中控制。集成系统在地面的调度中心建立综采工作面检测控制平台，以实现工作面的设备检测、诊断和数据分析、数据发布等功能。

　　参照“智能工作面标准”，我国一些煤矿积极推行智能工作面建设。应急管理部办公厅负责人李豪文近日透露，三年后，煤矿的采煤、掘井智能化工作面将由目前的280处达到1000处，这部分煤矿的产能将占到10亿至15亿吨。到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化。

　　目前我国建设智能化综采工作面的有国家能源集团宁煤金凤煤矿、黄陵矿业集团二号煤矿、同煤集团同忻煤矿、山能集团菏泽郭屯煤矿、淮河矿业集团张集煤矿等。

　　同忻煤矿实现智能化综放工作面关键技术突破，一名工人可完成五名工人的工作量，达到“5G下井，工人出井”。把井下放煤控制设备全部搬到了地面联合楼创新工作室里，真正实现了井下放煤与地面操控同频共振。智能化综放工作面关键技术荣获中国煤炭工业协会“千万吨级综放工作面关键技术及示范工程项目科学技术一等奖”。

　　2020年6月22日，国家能源集团神东煤炭榆家梁煤矿43101薄煤层综采工作面贯通，成为国内首个贯通的智能化薄煤层综采工作面。这里煤层厚度仅有1.0~1.7米，支架下供人行走的通道高约1.2米、宽约0.8米，上下两边都是液压支架及设备构筑的“铜墙铁壁”。在这个长达351米的工作面上，井下的工作人员基本靠“钻”“爬”“跪”。煤矿科研人员在“采煤机记忆割煤、支架自动跟机拉架、远程干预控制”的基础上，首创性采用“精确三维地质模型和扫描构建工作面绝对坐标数字模型的自主智能割煤”技术，较大程度解决了智能化开采煤岩无法识别的难题。另外工作面配有特种机器人代人巡检，初步实现了工作面无人化开采，为国内外薄煤层和较薄煤层开采提供了技术依据和参考经验。

　　目前智能化无人开采技术在煤矿已经逐渐常态化，这一技术成果的成功应用，为生产一线的工人带来了诸多利好，安全性大大提高，主要表现在以下方面。

　　1.采煤工作面液压支架配备电液控制系统彻底颠覆了过去的工作方式，在黄陵一号矿，原来五人的作业量现在一人就可以完成，远程干预作业方式、自动跟机作业代替了原来的穿梭支架作业方式及人工操作，职工劳动强度大幅减轻，工作效率大大提升。避免了过去井下操作时各种自然灾害的威胁，将采煤机司机从危险的环境中解放出来，改变了煤矿工人的行业形象，也提升了安全系数。

　　2.故障诊断预警及时排除故障。以前井下大型综采设备监测监控系统不完善，设备出现故障，很难在第一时间查出故障点，需要停机检修，影响正常生产。现在设备出现故障预警或因故障停机后，检修工根据综采工作面“三机”故障诊断系统很快判断设备的故障点在哪里，第一时间排除故障，确保设备正常开机，保证原煤正常回采。

　　3.安全管理与生产效率双提升。“智能化技术的运用，将工人从直接面对高风险的环境和高强度的体力劳动中解放出来，既保障了员工安全，也提高了生产效率。”贵州发耳煤业有限公司总经理肖国强说。现在全方位、全过程、全时刻、多视角的掌握井下生产动态代替了过去跟班队长汇报井下生产动态，远程干预、超前预控管理代替了依托人的现场管理方式，生产任务也在安全系数更大的环境下轻松完成。

智能化掘进工作面

　　《通知》要求：掘进工作面设备具备状态监测、故障诊断和自动控制功能。

　　近年来，相对于国内煤矿辅助生产系统和综采技术装备自动化、信息化、智能化的快速发展，掘进智能化技术进展相对缓慢。这与两者的工作环境有一定关联。一般而言，掘进比开采面临的环境要复杂得多，在行业内，采掘工期比例一般为1:3，工序比较繁杂，包括截割、支护、运输、通风除尘、安全管控等工序，智能化也更难展开。国内研究掘进智能化的科研院所和企业目前大多侧重于实现视频管理功能与远程监控功能，相对而言，掘锚一体化、掘支运三位一体高效快速掘进系统则取得一定程度的工艺与装备创新。

　　国外煤矿掘进工作面技术装备仍处于半自动化水平，目前尚无智能快速掘进成套技术与装备。国内在重型掘进机、连续采煤机、全断面掘进机研制和应用方面有一定突破。掘进自动化技术在远程可视控制、自动截割轮廓成形控制、遥控、工况监测等技术方面有一定突破，但智能掘进技术工业化应用尚未取得实质性突破，成套智能快速掘进装备应用尚处在起步阶段。目前国内代表性的设备及系统有中国铁建重工快速掘锚成套装备、三一重装远程智能控制掘进机、中国煤炭科工集团太原研究院“掘支运三位一体高效快速掘进系统”、山西科达自控“掘进工作面远程监控系统”。高效掘进技术在国能、中煤、陕煤、河南能源、山能集团等公司项目的不同地质条件下有示范应用。

　　随着智能化技术在现代工业的广泛应用，三一重装国际控股有限公司开始着力研发无人化、自动化、智能化的矿用设备，并在2019年正式推出了掘进机远程智能控制系统。2019年末，掘进机远程智能控制系统在河南能源化工集团赵固二矿11012工作面正式投入使用，开辟了全新的掘进工作模式。

　　2020年5月，河南省首个智能化掘进工作面，赵固二矿11012上顺槽掘进工作面通过验收。该工作面利用可视化技术，全方位展现掘进工作面场景，以激光指向为基准，自动规划截割路径及控制，并对截割轨迹实时监测、截割断面自动定位，实现作业人员远离危险作业区域，在遇到水、火、瓦斯等重大灾害事故时，可最大程度减少人员伤亡，减少作业人员接触煤尘时间，降低职业病发病率。同时实现了掘进自动化、成巷标准化，开辟了全新的掘进工作模式。

　　智能化掘进工作面项目的成功应用，为国内综掘智能化建设提供了示范工程，提高了我国煤机装备的智能化水平，为综掘工作面最终实现煤矿巷道掘进施工的少人化、无人化奠定技术基础。

　　中国煤炭科工集团首席科学家王虹提出：充分运用5G、云计算、大数据、物联网、人工智能，打造协同、智能、高效、安全的智能掘进工作面。未来智能化无人掘进可分两步走：一是可视远程干预、智能自适应，二是利用动态支护、掘锚机器人、煤矿盾构、大巷远程控制技术打造智能开采、掘进先行的新趋势。

露天煤矿自动采矿和无人驾驶技术

　　《通知》提出：露天生产矿智能化生产系统应实现动态调度，采场设备具备协同控制功能，采场爆破实现远程监控和危险预警，运输车辆具备实时定位功能，煤流运输线实现集中控制，排土和卸煤设备具备状态监测和故障诊断功能。

　　2020年3月，国家发展改革委员会等八部委发布了《关于加快煤矿智能化发展指导意见》，其中提到：到2025年，大型露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输。通过矿用无人驾驶车辆的应用，构建无人驾驶作业集群，可以有效减少工程现场作业人员数量，提升人员安全水平，减少甚至杜绝矿区运输环节的安全生产事故。

　　矿区无人驾驶车辆主要指的是无人驾驶矿卡，该产品作为智慧矿区的一个子模块，解决矿区的运输问题，直接关系到矿区的采矿效率，所以矿区都非常重视。一方面无人驾驶可以减少矿区的安全事故，另一方面可以改善司机的工作环境，减少司机的人员成本。

　　美国卡特彼勒公司在1996年推出了第一辆无人驾驶矿用卡车，无人驾驶技术便开始在国外矿山建设开发中得到应用和发展。近年来，国务院和相关政府主管部门陆续颁布了多项鼓励矿山信息化、数字化和无人化建设的发展规划，越来越多的中国公司加入矿用无人驾驶车辆、技术方案的开发。随着人工智能技术、传感器性能、通讯速度的迭代升级，无人驾驶技术和车辆已经在内蒙古、新疆、河南等地的多个矿区落地运营。

　　国家能源集团、中煤集团、华能集团、河南能源化工集团等数十家矿业生产企业都已经在积极探索智慧矿山，部署“5G+无人驾驶”示范试点应用。矿用无人驾驶运营方面，与国外主要由重型机械制造商主导不同，在国内，这个市场涌现出易控智驾、踏歌智行、跃薪智能、盟识科技等多家矿用无人驾驶科技公司。

　　盟识（上海）科技有限公司与博雷顿科技有限公司联合开发的无人驾驶纯电矿卡（型号为BRTI95E），是矿山行业最主流的百吨级宽体矿卡车型，长9.3米，宽3.7米，高4.4米，标载65吨。BRTI95E额定输出功率420千瓦，动力充沛、无换挡冲击、驾驶平稳连贯，非常适合无人驾驶控制。标配350.1千瓦时磷酸铁锂电池，充电时间约1小时，在重载下坡工况可以实现1天以上充一次电，节油率可以超过85%，对于能源消耗占比很高的矿山场景，配合无人驾驶技术，极具节能降本优势。

　　崎岖的路况，艰苦的条件，沉重的卡车，煤矿招聘运煤司机困难重重。无人驾驶+5G技术，彻底解决煤矿的运输难题。雷达和高清摄像头是矿车的“眼睛”，北斗卫星导航系统为矿车指路，“云端大脑”保障生产安全有序，矿产资源开采迎来智能时代。

　　在鄂尔多斯达拉特旗一家露天煤矿，数十辆无人驾驶矿车在矿区穿梭，完成矿产运输。据了解，这是一种基于5G技术的无人矿车驾驶系统，技术人员可以一人操控多车在固定路线进行无人驾驶运输。露天矿无人驾驶技术的应用解决了以下安全生产中的问题。

　　1.减人提效。大部分露天矿作业环境恶劣、危险系数高，招募运输司机和管理比较困难。矿车无人驾驶技术可以很好解决这一问题，不仅能节约司机工资和后勤管理成本，同时车辆利用率和作业效率亦有大幅度提升。比如澳大利亚矿业技术集团在2017年初称，在其矿上，人工驾驶每辆矿卡每年可工作5500~6000小时，而在无人化后每年能工作7000小时。在节省司机成本、提升车辆效率的同时，无人驾驶车辆燃料和维护成本也大幅降低。据澳大利亚铁矿石出口商FMG集团测算，其137台自动驾驶矿车生产效率比传统人工运输提升了30%。巴西著名铁矿石生产和出口商淡水河谷公司给出的数据是：无人驾驶还可使燃料成本下降10%以上、使车辆维护费用降低10%、使轮胎磨损降低25%。

　　2.符合绿色矿山建设要求。我国绿色矿山建设要求露天矿山建设有无人驾驶矿车系统。无人驾驶系统还能帮助矿山企业优化业务管理流程，提升整体生产经营管理和决策水平；形成集中管控，对汽车运输、协同生产、应急处理等生产过程进行全面监测和集中控制；优化剥离、采装、运输和地面生产过程，提高资源利用率，实现节能减排、绿色开采。

煤矿大脑，用智能化守护安全生产

　　《通知》要求：煤矿信息管理网主干网络传输速率应不低于1000兆比特每秒；已建成或部分建成集生产、安全、调度、设备管理、人员位置、洗选、储装运等为一体的煤矿综合管控信息平台，具备对井上下各系统统一协调管控的条件。

　　近年来，智能化建设的新高潮正在全国兴起，企业的积极性空前高涨，走智能化发展道路是所有产业的最佳选择。在煤矿智能化的浪潮下，由精英数智科技股份有限公司与华为、煤科院联合打造的“煤矿大脑”已在多地多矿投入使用，“煤矿大脑”通过先进的云、边、端一体化架构打造煤矿安全态势感知与信息共享体系化协同的“大脑”，依托人工智能视频识别和智能感知技术，实现煤矿安全隐患智能感知及告警、决策，解决煤矿安全生产问题，智能守护煤矿安全生产，实现无人则安，少人则安。

　　煤矿企业安全生产过程中，工作过程不透明，固有风险大且随时变化，“人管人”存在人情、腐败、懈怠、造假等风险，同时人员长时间从事枯燥繁重易工作，容易懈怠出错，导致人员“三违”行为时有发生。现有的自动化、信息化监控系统存在监控盲区，无法做到类人判断，不能真正对煤矿生产过程安全隐患进行精准判断、动态监控，导致伤亡事故时有发生。

　　“煤矿大脑”秉持“使人远离危险、看护人、保护人”的人文精神，解决煤矿安全问题。智能感知煤矿生产过程中人员“三违”行为，设备运行状态，作业环境变化等安全隐患，解决煤矿安全生产管理难题，通过智能感知突破现有自动化、信息化瓶颈，促进煤矿智能化安全生产。

　　以山西省为例，引入“煤矿大脑”后，省内众多煤矿企业率先实现了煤炭智能化，并实现了“降本增效”的综合效益：AI分析算法从云端下发的矿点，实时风险预警，识别率已达到98%；集中监管分矿点IT基础设施，运维成本降低65%；整柜一体化全栈IT设备，开局成本降低75%，真正帮助煤炭行业保障安全生产，最终实现整个产业的智能化升级。

　　用科技创新驱动高质量发展，是煤炭行业贯彻新发展理念、破解行业发展难题的关键。我国多种类型、不同模式的智能化示范煤矿正在积极建设，基于智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系正在形成，通过智能化技术，加速实现减人提效，推动煤矿安全、高效、绿色发展。

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