对煤矿智能化发展的认识和思考

文/刘 峰

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，是一项久久为功的时代使命，煤炭智能化开采必将开启煤炭行业高质量发展的新篇章

2020年2月，国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安全监察局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部八部门联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了我国煤矿智能化的发展方向，吹响了我国煤矿智能化建设的号角。

当前，我国大型煤炭生产企业都已启动了煤矿智能化建设，制定了煤矿智能化建设规划，明确了建设任务和目标。然而，我国煤矿分布区域广泛，开采地质条件差别较大，智能化建设的难度也很大。考虑到各煤炭生产企业的效益情况，煤矿智能化建设的力度和进度也不尽相同。因此，对我国煤矿智能化发展要有清醒的认识。

一 煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑

1.煤矿智能化代表着煤炭工业先进生产力的发展方向

科技革命和产业变革加速了人类文明的演化进程，改变了人类的生产方式、生活方式甚至思维方式。进入新世纪以来，新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，科技创新呈现出新的发展态势和特征。学科交叉融合加速，新兴学科不断涌现，科技发明呈现非线性增长，重大颠覆性创新不时出现，信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术等广泛渗透，带动几乎所有领域发生了以绿色、智能、泛在为特征的群体性技术革命，以深度学习为代表的算法、海量数据处理及超级计算等“算力”的不断突破，推动了人工智能的快速发展。

新一代人工智能呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征，与工业领域的深度融合正在引发深远的产业变革。人工智能必将加速煤炭生产方式的变革进程，对煤炭开采、加工、利用和转化等都会带来根本性的变化，推动煤炭工业转型升级。煤矿智能化正是将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行。

2.煤矿智能化是煤炭革命乃至能源革命的本质要求

党的十八大以来，习近平总书记从保障国家能源安全的全局高度，提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略，揭示了新时代我国能源发展的特点规律和方向趋势，指出了今后一段时期我国能源发展的使命任务、方向目标和战略举措，成为新时代指导我国能源事业创新发展的行动纲领。第十三届全国人大第三次会议政府工作报告指出，“保障能源安全。推动煤炭清洁高效利用，发展可再生能源，完善石油、天然气、电力产供销体系，提升能源储备能力。”煤炭在我国能源体系中发挥着兜底和基础性保障作用。2019年我国原煤产量38.5亿吨，煤炭消费量占能源消费总量的57.7%。

2019年5月，中央全面深化改革委员会第八次会议审议通过了《关于在山西开展能源革命综合改革试点的意见》。随后，山西省启动了能源革命综合改革试点，聚力实现从“煤老大”到“全国能源排头兵”的历史性跨越，推出了15项变革性、牵引性、标志性重大举措，“变革煤炭开采方式”和“创新煤炭利用方式”位居前两项。可见，煤炭安全绿色智能化开采和清洁高效低碳化利用是建设现代化煤炭经济体系、实现煤炭工业高质量发展的主攻方向，是提高能源供给质量、推动能源革命的必然选择。

3.煤矿智能化是破解行业发展难题的重要手段

当前，煤炭工业发展面临着生产产能过剩和先进产能不足的矛盾，灾害威胁加重与安全生产保障的矛盾，规模资源开发与生态环境约束的矛盾。在国家有关部门和主要产煤省区地方政府的领导推动下，截至2019年底，煤炭行业累计退出产能9亿吨以上，供给质量显著提高。智能化是未来现代化煤矿的典型特征，智能化产能应属于先进产能。近日，国家发改委等六部门联合印发了《关于做好2020年重点领域化解过剩产能工作的通知》（发改运行〔2020〕901号），提出“持续推进煤炭上大压小、增优汰劣”“合理有序释放先进产能，实现煤炭新旧产能有序接替”。

我国煤炭企业正处于由劳动密集型向人才技术密集型转变的阶段，生产一线用工人数较多。煤矿智能化正是以无人或少人开采为目标，能够极大提高生产效率，最大程度减少现场作业人数，达到“无人则安、少人则安”的目标。此外，我国14个大型煤炭基地9个分布在黄河流域，包括陕北、晋北、晋中、晋东、黄陇、神东、宁东、鲁西、河南。规模化煤炭开采加剧了黄河流域的水土流失和生态环境不和谐。煤炭资源的智能绿色开发，不仅能够应对采深增加导致的恶劣开采环境，高效率地开采出矿产资源，更能促使金山银山有机融入到绿水青山中，形成具有新时代特征的矿业开发模式。

二 我国煤矿智能化发展目前处于示范培育阶段

1.煤矿智能化建设正在点面突破、系统延伸

“十二五”期间，我国煤矿智能化发展开始萌芽破土；“十三五”至“十四五”期间，煤矿智能化发展进入示范培育阶段；2025年至2030年，煤矿智能化发展将进入成熟阶段；2030年至2035年将进入再造提升阶段。2013年底，国家能源集团在锦界煤矿建成首个井工煤矿数字矿山示范矿井。2014年，陕煤集团黄陵矿业在1号煤矿率先实现了“工作面有人巡视、无人操作”的智能开采工作模式。2015年，国家能源集团建成了大柳塔区域（四矿）亿吨级中央指挥中心，开创了神东亿吨级矿井群协同智能管控新模式。

2014年5月，中国煤炭工业协会在陕西神木组织召开“全国煤炭行业两化深度融合型智能矿山现场会”，启动行业智能矿山建设；2019年5月，又在山东枣庄组织召开“全国煤矿薄煤层智能开采现场推进会”，智能矿山建设成为行业广泛共识。在智能化采煤工作面率先取得突破后，井下主运系统、变电所、排水泵房、瓦斯抽采站等生产单元实现了远程监控和无人值守，巷道快速掘进有望取得突破。据应急管理部《全国安全生产专项整治三年行动计划》新闻发布会披露，目前我国采煤、掘井智能化工作面约为280处，到2022年力争采掘智能工作面达到1000个以上，有智能化工作面的矿井产能达到10～15亿吨。

2.国家煤矿机器人与智能化政策出台正逢其时

2 017年7月，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，对抢抓人工智能重大发展机遇、构筑人工智能发展优势作出重大部署。我国拥有全球最为丰富的人工智能和机器人应用场景，人工智能等前沿技术的融合发展给煤炭开采带来重大突破与变革。2019年1月，国家煤矿监察局发布《煤矿机器人重点研发目录》，为我国煤矿机器人研发和应用明确了方向。2020年，八部委联合发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》明确提出了煤矿智能化发展的三阶段目标：到2021年，建成多种类型、不同模式的智能化示范煤矿；到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化；到2035年，各类煤矿基本实现智能化。

全国主要产煤省（区）纷纷出台了煤矿智能化发展实施意见和方案。2019年6月，山东省出台了《关于加强全省煤矿智慧化建设和智能化改造的指导意见》，12月出台了《山东省煤矿智能化建设实施方案》，明确1～2年时间冲击地压煤矿和大型煤矿实现智能化开采、2025年全省煤矿基本实现智能化、2030年全面建成智能化煤矿的目标。2019年9月，河南省出台了《河南省煤矿智能化建设实施方案》，提出了三年建设目标。2019年10月，贵州省出台了《深入推进贵州省煤矿智能化、机械化升级改造攻坚方案（2019—2020年）》。2020年5月，安徽省出台了《关于加快煤矿智能化发展的实施意见》，山西省出台了《山西省煤矿智能化建设实施意见》；6月，内蒙古自治区出台了《关于加快全区煤矿智能化建设的实施意见》。

3.夯实地基与增强内核成为当前两大主要任务

以5G、工业互联网等为基础的数字基础设施可看作是煤矿智能化的“地基”，智能化生产技术与系统是其“内核”。在夯实先进通信网络、数据中心、大数据服务、云计算服务、工业互联网平台等数字基础设施的同时，应从基础理论和关键技术及创新应用方面不断增强内核。以煤矿智能化基础原理、模型和算法为重点布局煤矿智能化基础理论：一是时空变化条件下的矿井地质精准建模理论方法；二是面向矿井复杂环境的自适应感知理论方法；三是矿山多源异构数据融合及信息动态关联理论方法；四是复杂条件下采掘设备群的智能控制理论方法；五是面向复杂矿井环境的动态协同控制与决策理论方法。

以智能装备和机器人为基础，以数据和算法为核心，全面提升矿井感知、数据处理、装备系统、智能控制等能力，突破煤矿智能化共性关键技术：一是4D-GIS透明地质技术；二是井下视频高效处理及VR技术；三是井下大容量快速通信技术；四是井下精确定位与设备导航技术；五是辅助运输系统连续化和无人化技术；六是智能化无人快速掘进技术；七是重大危险源智能感知与预警预报技术；八是高可靠性智能装备（终端）技术；九是煤矿机器人路径规划与长时供电技术；十是露天开采无人化连续作业技术。

三 煤矿智能化发展面临技术、人才和标准的制约

1.关键核心技术不足成为煤矿智能化发展的难点

我国煤炭产业基础薄弱，行业研发投入较低，技术创新能力偏弱，试验验证、计量标准、检验检测、信息服务等技术服务体系不完善。矿用大功率重载设备、关键基础件和软件系统依赖国外进口，智能化建设急需的工业互联网技术、软件技术、大数据技术、智能装备、智能传感器等亟待取得突破。由于煤矿地下空间存在易燃易爆气体，且巷道狭长和机电设备众多，多数地面成熟技术必须加以改进或重新开发才能在井下应用。如5G技术必须优化无线传输速率时隙配比，才能满足井下数据实时上传需求。

掘进与辅助运输是目前煤矿生产系统中用工多、事故伤亡人数多的两个领域，现已成为煤矿智能化建设的最大短板。掘进工作面目前普遍没有实现设备集中控制、远程操作；辅助运输尚未全部实现连续运输，部分煤矿还在使用小绞车等运输工具，架空乘人装置等未达到远程监控和无人值守。尽管已研发成功机电硐室巡检机器人、皮带巡检机器人、水仓清淤机器人、巷道喷浆机器人、智能瓦检机器人、选矸机器人等，但离危险作业岗位的机器人完全替代还有较长距离。井下工作场所粉尘、高温、噪声等污染依然严重，距离实现智能无尘少人工作面目标尚远。

2.智能化相关人才匮乏成为煤矿智能化发展的痛点

煤矿智能化发展必将颠覆煤炭行业传统的就业格局，在提高生产效率的同时，提供的工作岗位远比目前要少，煤矿一线更加迫切需要具备煤炭开采、信息技术、软件管理、人工智能等相关知识的复合型技术人才，迫切需要一支技术过硬、富有创新精神的技能型队伍。我国人工智能产业人才总量不足，高端数据科学家严重匮乏。近些年，煤炭企业人才流失严重，行业高等学校部分专业招生困难，煤矿采掘一线招工接替问题凸显，专业人才的短缺严重影响着煤矿智能化的发展。

近期，中国煤炭工业协会面向行业高等学校开展了煤矿智能化人才培养情况的专项调研。调研发现，目前行业高校的本科、研究生培养层次均设置了煤矿智能化相关专业，包括机器人工程、智能制造工程、物联网工程等，涵盖了煤矿智能化建设的所需专业。部分高校还按照新工科建设要求，将采矿工程等传统优势专业升级为智能采矿专业。然而，智能化人才培养涉及人工智能、信息通信、机器人、软件控制等多个学科，相关高校在师资力量、配套教材、实验室建设等方面明显不足，而且行业企业尚不能满足高校在校生的实习和实践需要，影响着智能化人才培养的水平和进度。

3.智能化相关标准缺失成为煤矿智能化发展的堵点

煤炭领域的国家和行业标准主要包括国家标准（GB）、能源标准（NB）、煤炭标准（MT）、安全标准（AQ）四类。截至2019年底，中国煤炭工业协会管理的现行国家标准303项，协助主管部门归口管理的现行行业标准1490项；中国煤炭建设协会管理的现行国家标准170项。近年来，发布煤矿智能化领域国家标准3项、行业标准4项，在研相关标准计划18项。行业内也陆续启动了地方标准、团体标准和企业标准的研制工作。山西省发布了智能煤矿建设规范的地方标准；中国煤炭学会、中国煤炭加工利用协会组织开展了智能煤矿和智能化工作面的分类分级评价、智能化选煤厂建设规范等团体标准；陕煤黄陵集团制定了智能化综采工作面设计、安装验收、运行质量、操作、回撤的企业标准；中国煤炭工业协会联合阳煤集团、中国移动、华为公司启动了5G+工业互联网与智能矿山建设的系列企业标准研制工作。

在中国煤炭工业协会的统筹协调下，煤炭行业开展了煤矿智能化标准体系的相关研究工作。中国煤炭科工集团王国法院士团队开展了煤矿智能化标准体系研究，已形成研究成果。中国煤炭工业协会联合国家能源集团、中煤能源集团、华能煤业、华北科技学院等启动了智能露天煤矿标准体系研究。中国煤炭加工利用协会联合神东煤炭集团、淮河能源集团等启动了智能化洗选标准体系的研究。中国煤炭工业协会与中国煤炭学会将联合启动煤矿智能化团体标准专项计划，以中国煤炭学会为主来发布煤矿智能化领域团体标准。

四 煤矿智能化建设是一项久久为功的长期任务

1.多种模式并存是当前煤矿智能化的发展途径

煤矿智能化不是一蹴而就的。煤炭企业在以往信息化建设过程中，出现了前期建设和后期发展相冲突的问题，“信息孤岛”现象严重，生产全过程的数字化链条未能打通，数据流未能贯通勘探规划、采矿设计、生产管理、安全监控、风险分析、应急响应等全过程。煤矿智能化就是要在以往的信息化、机械化和自动化的基础上，结合不同煤矿的煤层赋存条件和灾害特点，形成多种模式并存的智能化建设格局。其中，采煤工作面已经形成薄与极薄煤层智能综采、中厚煤层智能综采、厚煤层智能综采、特厚煤层智能综放四种智能化开采模式。

目前，行业内已建成多个具有不同特色的智能化采煤工作面，掘进工作面正在开展多种新型设备的应用试验，未来必将形成多种智能掘进模式。中煤能源建成了国内首个深部冲击地压煤层大采高智能化工作面——门克庆煤矿3103智能化工作面；同煤集团在同忻矿建成全国首个特厚煤层智能综放工作面；山东能源枣矿集团在滨湖矿建成了薄煤层智能化开采示范工作面；兖矿集团在赵楼煤矿建成千米深井常态化运行智能综放工作面。陕煤集团榆北煤业曹家滩矿正在试验首台煤矿大断面快速掘锚成套装备，新汶矿业集团新巨龙矿井正在试验首台6.33米直径的煤矿岩巷全断面掘进机“新矿1号”；淮北矿业集团袁店二矿正在试验首台大倾角矿用盾构机“淮盾1号”。

2.因矿施策、示范先行是当前煤矿智能化建设方法

我国现有煤矿5200处左右，分布地域广泛，不同地区煤矿的开采地质条件差别较大，矿井规模和开采复杂程度也不同。尤其是老矿井的智能化改造，由于矿井基础条件的不同，改造的难度和资金投入有着明显差别。今年受新冠肺炎疫情的影响，行业亏损面扩大，企业利润普遍下降。1—5月，煤炭开采和洗选业利润同比下降31.2%。煤矿智能化建设需要大量的资金投入，煤炭生产企业要做好煤矿智能化顶层设计，充分考虑具体建设煤矿的条件特点，因矿施策，有步骤、分阶段开展工作，实现分散建设向集成化方向跨越。

全国部分采煤省（区）已先行启动了智能化示范煤矿和示范工作面的建设工作。山西省启动了10座智能化示范煤矿和50个智能化综采示范工作面的建设工作；内蒙古自治区要求2020年内完成26个煤矿智能化建设试点项目；河南省要求2020年内建成5～10个省级智能化示范煤矿，力争创建3～5个国家级智能化示范煤矿。煤炭生产企业纷纷启动了智能化示范煤矿的建设。国家能源集团开展了6个井工矿、3个露天矿、20个露天洗煤厂的智能化示范建设；河南能源启动了4个井工矿的智能化示范建设；中国平煤神马集团开展了平宝煤业智能化示范建设；阳煤集团开展了新元煤矿5G智能化示范建设；铁法煤业开展了小青煤矿智能化示范建设；川煤集团开展了龙滩煤矿智能化示范建设。目前，国家能源局、国家煤监局正在启动智能化示范建设煤矿的申报工作。

3.自感泛联、数驱智采是煤矿智能化的未来图景

“自主感知、泛在联接、数据驱动、智能开采”成为煤矿智能化发展的未来图景。未来智能矿山将通过各种智能传感设备实现对矿山环境实时变化的多维主动感知，通过网络实现矿山人与人、人与物、物与物的广泛联接，通过数据采集与分析实现数据驱动决策，通过智能生产管控实现煤炭资源的智能化开采。煤矿智能化发展将把每个矿山工作人员带入到数字世界中，必将重塑煤矿生产的组织方式，再造生产流程，展现出更加美好的矿山开采前景。

总之，煤矿智能化建设是一项久久为功的时代使命，将促使新一代信息技术、高端智能装备、高水平复合型人才扎根于行业土壤，使煤炭行业从传统资源依赖型、劳动密集型转变为技术密集型、知识密集型的高科技行业；彻底将煤炭人从危险复杂的井下环境中解放出来，能够体面地、心怀使命感和幸福感地工作，为煤炭工业源源不断地注入创新血液和活力；在开采金山银山的同时，更要为后代留下绿水青山，煤炭智能化开采将开启煤炭行业高质量发展的新篇章。

兖矿集团智能化开采调度中心

山东能源枣矿集团滨湖煤矿薄煤层智能化采煤工作面