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科技創新
煤礦智能化建設:全面推進 重點突破
2022-02-21 15:19:29   來源: 中國煤炭報

煤礦智能化建設已成為行業內一項具有高度共識、頗具市場活力、企業積極擁護的創新型工作。剛剛過去的2021年,煤炭企事業單位智能化建設不斷“提速、加碼”。目前,煤礦智能化建設取得了哪些重大進展,仍有哪些難題待解,下一步如何突破?本報記者近期進行了采訪、梳理。

全面推進,重點煤企

智能化建設成效顯著

據國家能源局日前舉辦的新聞發布會消息,初步統計,全國有近400處煤礦正在開展智能化建設,總投資規模超過1000億元,已完成投資約470億元,建成智能化采掘工作面687個!吧偃搜惨,無人操作”智能采煤工作面邁向常態化應用,減人增安提效的效果日益顯現,智能化煤礦在去冬今春煤炭安全增產增供中發揮了重要作用。

在生產煤礦總計4000多處的情況下,正在推進智能化建設的煤礦有近400處,占到了約十分之一。而在這近400處煤礦中,大型企業、大型煤礦的智能化建設起到了良好的示范作用。

國家能源集團煤炭與運輸產業管理部副主任尤文順介紹,國家能源集團已掌握5類智能采煤、5類智能掘進、3類卡車無人駕駛、5類機器人等關鍵核心技術,應用機器人200余臺(套),替代800余名操作人員;已建成智能化采煤工作面41處,智能掘進工作面25處、智能選煤廠41處。

中煤能源集團建成220余個智能化輔助生產系統,自主研發的智能井筒巡檢機器人、智能噴漿機器人等在王家嶺煤礦等8處煤礦應用。

晉能控股集團已建成43個井下無人值守變電所、10個無人值守水泵房,20部帶式輸送機實現了集中控制,5處煤礦應用了智能巡檢或撿矸機器人。

山東能源集團投入63億元實施智能化建設,建成133個智能化采掘工作面、24個5G+智能礦山應用場景,9處首批國家級智能化示范礦井具備驗收條件。金雞灘煤礦建成國內一流的智能化綜放工作面,日產煤炭5萬噸以上,而單班人數只有80人左右,采煤工作面只有5人。

陜煤集團所屬煤礦13類792個生產輔助系統全面實現智能集控,自動化控制率達到100%,累計完成巡檢機器人、選矸機器人、管路拆卸安裝和氣體移動監測機器人等不同類型機器人的應用實踐。

露天煤礦是我國煤炭生產體系的重要組成部分。在井工煤礦加快智能化建設的同時,2021年露天煤礦的智能化建設也明顯提速。

目前,我國露天煤礦總計約450余處,總產能近10萬噸/年。據了解,我國約有95%的露天煤礦采用單斗—卡車工藝。在露天煤礦的生產成本中,卡車運輸環節約占60%;卡車運輸環節占勞動定員的45%左右,占用了大量的人力。從安全的角度來看,我國露天煤礦的卡車運輸環節事故起數占總事故起數的60%以上。因此,目前露天煤礦智能化建設一般圍繞礦用卡車開展,比如礦用卡車無人駕駛等。

中煤集團將“東露天礦智能化建設關鍵技術與工程示范”列為重大科技專項進行重點攻關。2021年以來,中煤集團加大力度推進礦用卡車無人駕駛編組研究。2021年11月,中煤集團在平朔東露天煤礦采用國內領先的智能感知系統、深度融合激光雷達、毫米波雷達、北斗定位等多種感知技術,對復雜環境機群設備的三維高精定位、系統仿真及測試、礦山決策指揮系統、作業設備感知以及智能控制技術進行深入研究,實現了車鏟對位、自主導航、自主卸載、主動避障、復雜路況無人駕駛以及指定區域精準卸載等。

其他企業也在積極探索礦用卡車無人駕駛。國家能源集團準能公司黑岱溝露天煤礦實現多臺無人駕駛礦用卡車與電鏟多工作面同時編組運行作業。寶日席勒露天煤礦完成極寒型復雜氣候環境露天煤礦無人駕駛卡車編組安全示范工程評審和科技成果鑒定。國家電投集團白音華露天煤礦完成2個編組、12臺無人駕駛寬體自卸車聯合試運轉。華能集團伊敏煤電公司實現無安全員情況下的有人駕駛車輛與無人駕駛車輛混編作業。

除了礦用卡車無人駕駛,中煤平朔公司也在探索鉆機的無人值守!耙郧耙慌_鉆機1個班需要2名司機在現場,4個班就需要8名司機。我們要實現遠程值守,將來職工在調度室工作,1個人就可控制三五臺鉆機!敝忻浩剿饭旧a技術管理中心主任陳再明介紹,中煤平朔公司的智能化探索基于生產現場實際,看著也許不那么酷炫,但可以實實在在地“改善職工作業環境”。

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中煤平朔集團露天煤礦電鏟卡車聯合作業

啃下“硬骨頭”,智能化建設場景更加豐富

從經濟效益和實際的角度,煤礦智能化建設一般從條件較好的采煤工作面開始。掘進、條件相對復雜工作面則是更難啃的“硬骨頭”。2021年的煤礦智能化建設,在這些“硬骨頭”方面也取得了不少新進展。

掘進速度慢一直是影響礦井采掘接續的重要因素。掘進環境更加復雜,巖石更硬,智能化建設的難度也更大。

陜西煤業總經理王世斌介紹,從2018年起,陜煤集團就著力突破掘進效率低、安全保障不足、勞動用工多等難題。經過不懈努力,目前,陜煤集團累計建設應用了全斷面掘錨一體機、護盾式智能快速掘進機器人、懸臂式掘錨護一體機、綜掘機+鉆錨平臺等四大類快掘系統50套。

全斷面掘錨一體機快掘系統率先在榆北曹家灘煤礦研發應用,創造了日進尺91米、月進尺2020米的記錄。目前,該系統已在陜煤集團15處煤礦進行定制化推廣應用,均突破所在礦區進尺最高水平。

護盾式智能快速掘進機器人系統在小保當一號煤礦應用以來,已完成1條6000米順槽掘進,在煤層夾矸厚度達1.8米的情況下,月進尺最高達1052米。

在條件復雜的關中和彬黃礦區,陜煤集團重點針對支護環節用時長、強度大、效率低等問題,研發形成了懸臂式掘錨護一體機和綜掘機+鉆錨平臺兩類快速掘進作業模式,實現分次、集中、高效支護作業,相比常規掘進,效率可提高30%以上。

據了解,陜煤集團所屬36處生產礦井的掘進工作面個數由283個減少至170個,綜合單進水平由252米/個/月提高至348米/個/月,單班作業人數由15人至20人,減至8人至10人,掘進裝備水平和效率顯著提升。

淺埋深堅硬薄煤層智能開采關鍵技術與工程示范也是我國2021年煤礦智能化重大進展之一。

陜西是目前我國煤炭主產區之一。而陜北地區煤田從0.5米的極薄煤層到10米以上的特厚煤層均有賦存。礦區的可采煤層有7層,其中1.3米以下薄煤層資源約占總儲量的20%,硬度為f4左右。薄煤層空間有限,煤機功率受到限制,現有薄煤層裝備難以滿足礦區協調開采和生產接續的需要。

“淺埋深堅硬薄煤層協調開采面臨著成套裝備小尺寸與大功率、大適應范圍和高可靠性要求之間的矛盾!标兾饔猩饘倏毓杉瘓F副總經理吳群英介紹。

針對這些問題,陜煤集團張家峁礦業公司、中國煤炭科工集團開采研究院有限公司等就淺埋深堅硬薄煤層智能開采關鍵技術與工程示范進行聯合攻關。

項目首創堅硬薄煤層開采裝備群配套新模式與快速開采新工藝,機面高度由855毫米降低至739毫米,實現了堅硬薄煤層1.1米的最低采高,割煤速度最高達14米/分;采用了采煤機半懸機身、全懸截割部新結構,研發出高適應高可靠性薄煤層開采成套裝備;構建了基于地質建模、煤巖分界、工作面調直和路徑規劃決策控制的堅硬薄煤層“預測—修正—執行”智能化開采技術路徑。

吳群英介紹,該項目實現了陜北侏羅紀1.1米至1.3米淺埋深堅硬薄煤層安全高效開采,生產效率提高20%,工作面內無人操作,最高日產能從不足700噸提升至超過3000噸,創造直接經濟效益9億元以上。該項目也獲得2021年度中國煤炭工業協會科學技術獎特等獎。

2021年,千米深井超長工作面智能化開采也取得關鍵性突破。

中國煤炭科工集團開采研究院科創中心副主任任懷偉介紹,煤礦千米深井高應力、強采動、大變形,開采效率低。千米深井超長工作面智能化開采研發項目在中煤集團新集公司口孜東煤礦首次實現了350米超長工作面6.5米以上大采高安全高效智能開采。該工作面每天割煤5刀至8刀,平均采高5.5米,最大采高6.5米,裝備監測監控可靠性、適應性和自動化水平顯著提高,推進期間工作面工效提升了38.28%。

啃下一塊塊“硬骨頭”,我國煤礦智能化建設的應用場景也逐漸豐富起來。

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安裝礦鴻操作系統的巡檢機器人

打破數據孤島,建立標準體系

智能化建設是一項系統工程,不僅體現在直接生產上,也體現在大數據應用、系統集成上。

“智能化建設過程中面臨的數據規范、數據挖掘、數據孤島等瓶頸問題尚未根本解決!敝袊禾靠乒ぜ瘓F副總經理劉見中表示,企業內部數據繁多,外部數據難以打通,無法形成數據產業生態。

為推進新技術與煤炭工業融合,2021年10月26日,煤炭行業“煤智云”大數據中心建設項目啟動。該項目由中國煤炭工業協會發起,中國煤炭科工集團牽頭,聯合行業內外優勢資源共同打造。煤炭行業“煤智云”大數據中心包含基礎設施層、平臺支撐層、智能應用層、運營運維體系等六大模塊,圍繞煤礦和礦區生產運營的采集、傳輸、存儲、建模、分析、可視化等全過程的數據價值利用,旨在構建數據產業結構、建立行業標準體系、打通信息交互鏈條。

企業層面,2021年,國家能源集團攜手華為公司推出礦鴻操作系統。

“一臺國產采煤機使用操作系統3種、通信協議3種、芯片161種,全部為進口!眹夷茉醇瘓F神東煤炭公司副總經理賀海濤說,主控器、顯示器、交換機、保護器使用不同的操作系統,不同的核心控制單元之間需要不同的通信協議,不同協議之間轉換耗時費力,嚴重制約煤礦智能化建設。

礦鴻操作系統統一數據入口、統一協議與數據標準,成了不同設備之間、不同應用之間、不同操作系統之間的“萬能語言”,為后續數據應用與價值挖掘打下基礎。

目前,礦鴻操作系統已在神東煤炭集團4處礦廠、6個場景應用,適配20種設備、398個應用單元。

陳再明介紹,中煤平朔公司也在加快建設露天煤礦信息化基礎系統,即“五個一”。包含地下、地面所有地理地質信息的一張圖,由5G、4G、光纖等構成的互聯互通的一張網,可控制采剝、洗選、外運、裝車的一個生產平臺,一個安全監控平臺以及包含所有數據的一朵云。

標準體系建設是煤礦智能化建設的重要保障。中國煤炭工業協會科技發展部副主任張建明介紹,2021年行業持續完善煤礦智能化標準體系,在智能化綜采工作面、煤礦5G通信、煤礦機器人、露天煤礦無人駕駛等方面啟動了標準制定工作,全年發布、立項煤礦智能化相關標準達100項,包括發布能源行業標準5項,立項能源行業標準14項,立項中國煤炭工業協會團體標準22項,立項中國煤炭學會團體標準51項、中國煤炭加工利用協會團體標準8項。

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晉能控股煤業集團塔山煤礦與網格化安全管理模式雙向補充的礦山云圖——智能決策平臺

前路漫漫,關鍵核心技術仍需突破

全行業推進智能化建設的熱情高漲,取得的成果豐碩,但煤礦智能化建設仍處在初級階段,仍存在各種問題。

國家礦山安全監察局安全基礎司司長孫慶國認為,目前煤礦智能化建設還存在三方面問題。一是關鍵核心技術仍需突破,比如煤巖識別、高可靠智能傳感器、支護自動化等技術。二是重大裝備研發生產能力有待進一步提高,礦山裝備原始創新能力不足,特別是露天采礦使用的大型裝備不少依賴進口。三是標準、規范建設仍需推進,智能化設備接口不夠統一。

山東能源集團黨委書記、董事長李偉同樣表示,目前煤礦智能化建設的一些核心技術仍需突破,比如煤巖識別等。地面的智能化水平尚處于初級階段,相關技術要應用到井下,還需解決匹配、融合的問題。

對于下一步煤礦智能化建設,國家能源局煤炭司司長魯俊嶺表示,應重點抓好典型示范,復制推廣先進理念和有效經驗模式;強化創新,組織一批技術先進、經濟適用的高新技術裝備進行推廣應用;加強監督管理和協調聯動,共同做好煤礦智能化建設。

孫慶國建議,深化系統觀念,實現互聯互通;加強科技攻關,提高成套裝備的國產化水平和煤機裝備制造能力;加強數據標準化建設,形成標準體系;通過校企聯合,加強智能化人才培養。

煤炭企業也充分認識到智能化建設仍處于初級階段的現實,全力推進智能化建設。

劉見中介紹,為推進煤炭行業“煤智云”大數據中心建設,中國煤炭科工集團牽頭成立了院士、首席科學家負責的專項工作組和建設運營團隊,計劃2年內完成建設任務,確保2023年上線運行。

尤文順表示,國家能源集團全力全域全速推進煤礦智能化建設,力爭在2022年實現“五個100%”(采煤工作面100%智能化、掘進工作面100%智能化、選煤廠100%智能化、固定崗位100%無人值守、煤礦智能化技術以及建設100%覆蓋),2025年煤礦全部實現智能化,2035年建成神東、寧煤、準能3個智能礦區。

日前,國家能源集團印發文件,對在智能化建設中表現優異的煤礦按等級給予80萬元、100萬元以及120萬元的獎懲,將煤礦智能化完成情況與子分公司績效掛鉤,嚴格考核,激發職工智能化建設的熱情。

“展望2022年,對煤礦智能化的認識將更加統一,智能化煤礦系統架構更加清晰,煤礦數字化基礎進一步夯實,頂層數據治理結構進一步完善,數據采集與傳輸、數據存儲、數據服務、數據信息安全等進一步規范!敝袊こ淘涸菏、中國煤炭科工集團首席科學家王國法說。

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神東煤炭集團哈拉溝煤礦成立大學生智能化采煤班創新工作室,為大學生提供創新平臺


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