国家能源集团煤矿智能化建设路径研究
丁 震 赵永峰 尤文顺 吴晓旭 李浩荡
(国家能源集团煤炭运输部，北京市东城区，100011)
摘 要 分析了国家能源集团煤矿智能化建设现状，提出了国家能源集团煤矿智能化建设4条建设原则，制定了近期、中长期发展目标，重点研究了国家能源集团煤矿智能化的建设路径和重点任务；认为，应加强煤矿智能化建设的顶层设计，在融合先进技术、突破关键技术、建设示范工程上重点发力，分类分步有序推进煤矿智能化建设；最后指出，随着煤矿智能化建设的不断推进，现有传统开采模式必将被全新的智能化开采模式取代。
关键词 煤矿智能化 煤矿机器人 智能掘进 无人驾驶 透明矿山
随着煤炭行业供给侧结构性改革的不断深入、高质量发展的不断推进和“四个革命、一个合作”能源安全新战略的不断实施，发展智慧煤矿已成为煤炭工业发展的必由之路，是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。2018年，国家标准《煤炭工业智能化矿井设计规范》(GB/T 51272-2018)的发布,为我国煤矿智能化全面建设积累了宝贵经验。2019年1月，国家煤矿安监局组织推进5类38种煤矿机器人研发,为加快煤矿智能化发展奠定了政策基础。2020年3月，8部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，为煤矿智能化发展指明了方向。目前，我国煤矿智能化发展还处于初级阶段，一些学者已从智慧矿山定义、框架、关键技术、信息化标准等方面进行了探索研究，我国已在神东、宁煤、黄陵、陕北、山东等矿区的一些矿井实现了自动化、少人化开采，建立了千兆光纤网络，实现数据、视频、语音三网合一，形成了不同条件下的典型和示范。
1 集团煤矿智能化建设现状
2011年，国家能源集团牵头承担了“十二五”国家科技部863计划“数字矿山关键技术研究与示范”重点项目，在煤矿数字化、智能化建设方面不断探索，于 2013年和2018年，分别在锦界煤矿和准能露天煤矿建成了数字矿山示范矿井。2019年，国家能源集团下发了《智能矿山建设方案》， 2020年2月，下发了《综采工作面智能化建设技术要求》和《选煤厂智能化建设技术要求》，目前正在积极组织推进。截止2020年9月底，全集团智能开采工作面达到20个，智能选煤厂达到20个，智能掘进工作面达到10个，煤矿机器人研发应用21种102台，200吨级和300吨级矿用卡车无人驾驶正在现场测试。
1.1 井工煤矿智能化
(1)智能煤矿。2013年底，在锦界煤矿建成了首个井工煤矿数字矿山示范矿井。2015年，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。2020年，神东集团的补连塔煤矿、上湾煤矿、锦界煤矿，宁煤集团的金凤煤矿、乌海老石旦煤矿等5个智能矿山示范项目建设均已立项，计划2021年年底建成后在集团推广。
(2)智能采煤。自2004年起，国家能源集团一直积极探索实践自动化(智能)工作面包括以下3个阶段。
第一阶段：2004-2008年，主要代表有神东集团哈拉沟煤矿、上湾煤矿、大柳塔煤矿、榆家梁煤矿等，实现了采煤机记忆割煤，支架自动跟机拉架等功能。
第二阶段：2009-2017年，主要代表有神东集团的锦界煤矿、石圪台煤矿、榆家梁煤矿、大柳塔煤矿以及宁煤集团的羊场湾煤矿、枣泉煤矿、乌东煤矿等，增加了集中控制、远程干预、视频拼接、三岗合一等功能。
第三阶段：2018-2020年，主要代表有神东集团的榆家梁煤矿以及宁煤集团的枣泉煤矿等，增加了全景视频、工作面数字化建模、自主智能割煤、工作面巡检机器人、电缆自动拖拽装置等功能。
(3)智能生产辅助系统。2013年，神东集团和宁煤集团等矿井井下供电、通风、排水等岗位以及地面主通风机、供电、压风、供暖等固定岗位实现了可视化远程集中控制+有人巡视+无人值守。2018年7月，神东集团大柳塔煤矿实现了主运输无人值守，神东集团其余矿井和宁煤集团部分矿井主运系统已具备无人值守条件，正在积极推进其他煤矿智能生产辅助系统建设。
(4)智能煤矿基础条件。2013年，国家能源集团在示范矿井建设了万兆宽带信息网，自主研发了生产控制和生产管理一体化平台。神东集团全部13个矿井、宁煤集团部分矿井已实现4G+万兆网络全覆盖，正在积极推进一体化平台升级改造及5G+万兆网络应用。
(5)智能煤矿机器人。截止2020年9月底，已研发应用了3种掘进类机器人(掘进机器人、钻锚机器人、喷浆机器人)；研发应用了4种采煤类机器人(综采工作面机器人群、采煤机机器人、超前支护机器人、露天矿穿孔爆破机器人)；研发应用了2种运输类机器人(选矸机器人、露天矿卡车无人驾驶系统)；研发应用了7种安控类机器人(工作面巡检机器人、巷道巡检机器人、露天、井工带式输送机巡检机器人、危险气体巡检机器人、钻孔机器人、抓举机器人、变电所轨道式巡检机器人、水泵房轮式巡检机器人、停送电机器人、矿用开槽机器人)；研发应用了2种救援类机器人(蛇形、履带救援机器人)。
1.2 露天煤矿智能化
2018年，准能公司建成了露天煤矿数字矿山示范工程，打造了一体化生产控制、管理平台，正在对300吨级矿卡进行无人驾驶改造，已完成封闭场所测试，2020年10月份开始重载测试；神宝公司2019年8月在封闭区域对2台100吨级矿卡进行了无人驾驶测试，正在对220吨级矿卡进行无人驾驶改造，已完成封闭场所测试，2020年10月份开始汇编重载测试；神延露天煤矿31台220吨级矿卡无人驾驶已立项，正在组织实施，计划2021年建成智能矿山(露天)示范工程。
1.3 选煤厂智能化
2018年，国家能源集团在神东集团上湾建成了智能化选煤厂，实现了无人值守+有人巡视。2019年9月份，国家能源集团发布了选煤厂智能化建设技术标准要求。2020年2月，宁煤集团所属10个选煤厂全部实现了“无人值守，有人巡视”。准能集团、包头矿业等公司以及神东集团其余选煤厂正在进行智能化改造和建设。
2 集团煤矿智能化建设原则
(1)坚持统筹规划、分类施策。统筹兼顾国家能源集团所属煤矿基础条件、生产现状，加强顶层设计，科学制定总体规划，合理确定近期及中长期目标；根据煤层赋存条件、资源储量、井型规模、煤矿基础等情况，分类分级制定实施方案，指导煤矿智能化建设。
(2)坚持需求牵引、重点突破。以保障职工安全、减轻职工劳动强度、危险区域少人(无人)为导向，运用动态三维建模、协同控制、5G车联网等技术，突破井工智能采掘、露天无人驾驶等技术瓶颈，实现煤矿重要场所、危险岗位安全智能。
(3)坚持试点先行、有序推进。遴选不同开采条件的煤矿开展示范项目建设，以点带面推动煤矿智能化建设；结合集团煤矿机械化、自动化、信息化、智能化现状，有序推进煤矿智能化建设。
(4)坚持自主创新、开放合作。整合信息化技术力量，坚持智能开采理念，加强自主创新，开展关键技术攻关；深化产学研用合作，秉承互利共赢，培育战略合作伙伴，协同推进煤矿智能化集成创新。
3 集团煤矿智能化建设路径及重点任务
3.1 加强顶层设计，制定建设规划、标准
(1)编制发展规划。按照中长期建设目标，编制煤矿智能化建设发展规划，指导煤矿智能化建设；子分公司结合本单位煤矿赋存条件、矿井产能、灾害防治等，制定具体建设方案和实施细则，明确实施路径和保障措施，形成层次分明、相互衔接、规范有效的规划体系。
(2)建立标准体系。总结煤矿数字化建设经验，凝炼煤矿智能化示范工程技术成果，完善智能煤矿、智能选煤厂、智能采煤、智能掘进、卡车无人驾驶、煤矿机器人等技术条件和评价指标，配套发布煤矿智能化建设、评价、验收规范，建立健全煤矿智能化建设分类分级标准体系。
3.2 融合先进技术，夯实智能建设基础
(1)开发智能一体化管控平台。总结数字矿山生产管理和生产控制平台建设经验，运用统一数据标准，对煤矿海量多源异构数据进行融合、分析、利用，构建全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能一体化管控平台。
(2)建设煤矿云计算数据中心。利用国家能源集团数据资源和平台，基于大数据、人工智能、机器学习、边缘计算等技术，结合煤炭开采机理，建设煤矿云计算数据中心，集成共享煤矿系统数据，就近部署、按需供给，实现煤矿生产运营和大数据深度融合。
(3)推进煤矿信息网络升级。结合煤矿安全生产及智能开采需求等实际，应用5G、工业互联网、物联网等先进信息网络技术，构建以万兆网为骨干、混合无线高速接入的安全高效矿用通信网络，实现井下工控网络深度融合，为煤矿智能感知、智能分析、智能决策、远程控制提供通信保障。
(4)健全网络信息安全体系。依托国家能源集团网信安全规划，构建煤矿“垂直分层、水平分区、边界控制、主机监测、内部审计、统一管理”的纵深防御体系，提升煤矿网络安全远程监控、态势感知及应急处置能力，提高煤矿网络安全防护水平，防范和遏制重大网络安全事件。
3.3 突破关键技术，重点环节实现智能
(1)井工采煤工作面。总结提炼国内外薄、中厚、厚及特厚煤层智能开采技术成果，突破精准地质探测、煤岩识别、惯导精准定位、两巷自动超前支护、动态三维建模、参数智能调整、多机协同控制、人员安全感知等关键技术，实现不同开采条件的采煤工作面无人操作、有人巡视、远程控制并常态化运行。
(2)井工掘进工作面。总结国内外煤巷、半煤岩巷、岩巷智能掘进技术成果，集中突破自主导航、自主截割、截割断面监测、智能锚护、远程监控、粉尘治理等关键技术，开展不同条件的智能快速掘进成套装备研发，通过掘进支护平衡及掘进支护平行作业，实现煤巷掘锚机组快速掘进作业线[19],掘进工艺实现掘、支、运等平行作业，掘进设备实现智能远程控制，掘进系统实现安全智能高效。
(3)井工辅助运输。总结煤矿轨道机车、钢丝绳牵引车、无轨胶轮车等信息化管理经验，突破目标实时监测、井下导航定位、自动避障停车、路径规划等关键技术，应用车辆失速保护装置、安全辅助驾驶、无人驾驶、智能调度等新技术，有轨运输实现地面远程驾驶，无轨运输实现无人驾驶，混合运输实现自动接驳。
(4)露天卡车无人驾驶。总结露天煤矿智能运输安全生产监控系统建设经验，对露天卡车进行线控改造，实现转向、制动、举升精确控制；采用5G、卫星定位、基站和路侧感知单元等，实现车辆控制信号可靠传输；基于环境感知、智能网联、边缘计算、路径规划、自主决策等技术，研发无人驾驶系统与标准作业流程高度融合[20],实现矿用卡车“装、运、卸”作业过程无人化。
(5)煤矿机器人。对照《煤矿机器人重点研发目录》，结合集团煤矿安全生产实际，突破机器人井下防爆、高精度定位、运移避障、自主平衡、路径规划等关键技术，积极开展掘进、采煤、运输、安控、救援等五大类38种机器人研发和应用，把员工从危险环境和繁重劳动中解放出来，推进智能化少人(无人)。
(6)固定岗位无人值守。总结煤矿运输、通风、供电、排水等系统固定岗位无人值守经验，突破智能感知、精确传感、多源信息融合等关键技术，应用温度、声音、图像等智能识别技术，设备工况实现实时监测、智能报警、远程诊断，煤矿固定岗位实现可视化远程控制、无人值守、有人巡视。
3.4 建设示范工程，引领智能煤矿建设
(1)井工煤矿示范工程。推进不同开采条件的智能井工煤矿示范项目建设，建成智能采煤工作面、智能快速掘进工作面，固定岗位无人值守等，实现煤矿开拓、采掘、运输、通风、安全保障、经营管理等过程智能化；总结凝炼“少人采煤、远程掘进、危险区域无人”等建设成果，健全完善智能井工煤矿建设标准。
(2)露天煤矿示范工程。推进智能露天煤矿示范项目建设，依托5G、车联网、大数据、人工智能等技术，研究攻关智能铲装、卡车无人驾驶、辅助设备远程操控等关键技术，实现边坡变形的在线监测、预警与灾害预报[21]，实现钻爆、采剥、运输、排土等关键环节单机装备智能作业、多机装备智能协同；总结凝炼“采区卡车无人驾驶、地面系统无人值守”建设成果，健全完善智能露天煤矿建设标准。
(3)选煤厂示范工程。推进不同工艺的智能选煤厂示范项目建设，应用重介质分选智能控制、煤泥水处理智能控制、智能巡检、机器视觉、设备移动控制等技术，实时检测原煤参数(粒度、密度)，实现选煤工艺环节智能化；总结凝炼“生产计划智能决策、工艺参数智能设定、生产过程智能监控”建设成果，健全完善智能选煤厂建设标准。
3.5 分类分步实施，全面建设智能煤矿
(1)智能井工煤矿。神东矿区及周边赋存条件相似煤矿推广上湾煤矿、锦界煤矿、补连塔煤矿示范智能煤矿建设技术，宁东矿区推广金凤煤矿、红柳煤矿示范智能煤矿建设技术，乌海、新疆、大雁、平庄等区域煤矿推广老石旦煤矿、乌东煤矿、准东二矿示范智能煤矿建设技术。
(2)智能露天煤矿。露天煤矿推广西湾露天煤矿、宝日希勒露天煤矿示范智能煤矿建设技术，间断工艺推广电铲智能铲装、卡车无人驾驶、辅助设备远程控制技术；卡车运输推广应用神宝露天煤矿智能运输安全生产监控技术。
(3)智能选煤厂。选煤厂推广上湾示范智能选煤厂建设技术，固定岗位推广可视化远程控制、无人值守、有人巡视，生产工艺推广原煤智能破碎运输、智能干选、智能重介、智能跳汰、智能配煤装车等。
(4)井工智能采煤。不同开采条件的采煤工作面根据实际选择推广应用榆家梁透明开采、锦界煤矿的预测割煤和远程集中控制、枣泉煤矿的自主截割和远程干预单向割煤、石圪台煤矿的高智能采煤、乌东煤矿的急倾斜智能采煤等技术。
(5)井工智能掘进。煤巷推广掘锚一体机、TBM智能快速掘进系统；复杂条件下煤巷推广全断面智能快速掘进系统，半煤岩巷推广掘锚一体机智能快速掘进系统；综掘系统推广远程控制技术，连掘系统推广自动调机、固定路线自动运行技术，掘锚系统推广掘锚运破多机智能协同控制技术。
4 煤矿智能化未来展望
随着第四次工业革命的不断深入，人工智能与煤炭开采深度融合，煤矿智能化不断推进，煤炭开采技术巨大的变革必将引起煤矿管理模式的变革，现有传统开采管理模式必将被全新的煤炭智能开采模式取代。
(1)人员队伍专业化。培育煤矿智能化专业服务队伍，为煤炭智能开采提供全流程专业化服务。按照专业性质的不同，逐步建立采掘、机电、运输、通风、安全等多支煤矿智能化专业服务队伍，实现优质、高效、精干的专业化服务。
(2)生产运行区域化。针对当前一个矿区多个煤矿生产，建立区域多矿井安全生产可视化中央指挥系统，推进区域生产的集中控制和业务协同，实现区域内全部煤矿、选煤厂与装车站的生产自动排程和数据关联分析，智能管控、整体协同。
(3)煤炭开采透明化。根据矿区地质地形数据库勘探资料，模拟矿区的地形地貌，建立真实三维可视化地层仿真模型，建立可视化矿井及采掘工作面，实时了解井上下的地貌、水文地质、采掘工程等信息，实现煤炭开采全过程模拟推演，持续优化完善。
5 结语
当煤矿智能化发展到一定阶段，井下地质条件、开采行为全部透明，全新的煤炭智能开采模式实现后，煤矿职工安全得到保障、工人劳动强度大幅降低，危险区域实现无人(少人)，最终实现矿井“无人化”，达到安全高效生产，煤炭开采工人的尊严和社会地位得到提升，实现由“井下操作”向“地面远控”、“黑领矿工”向“金领采煤师”、“傻大粗”向“高精尖”、“高危高风险”向“本质安全”的四大转变。
