一文读懂！煤矿智能化前世今生

　　数字化、自动化、信息化、智能化，这些概念究竟是什么关系？事实上，我国煤炭工业几十年来有一条综合机械化发展的主线。理解了这条主线，就会理解，数字化、自动化、信息化，是你中有我、我中有你的关系，是智能化发展的基础，也是从不同视角对智能化的表征，彼此交融。

　　我国煤矿综合机械化发展，大概起步于上世纪70年代末80年代初；全面进入综合机械化发展，是在上世纪80年代中期。那时，我刚刚研究生毕业，来到煤炭科学研究总院（以下简称煤科院）。国家支持煤炭部搞“百套引进”计划，吸收消化国外先进装备和技术，核心是提高煤炭生产力水平，支撑国家经济和社会发展。

　　煤矿综合机械化最早是比较简单的。上世纪80年代中期，综采和高档普采两种长壁开采方式同时发展。所谓高档普采，就是工作面使用采煤机落煤、使用单体液压体支护。所谓综采，是实现工作面落煤、运煤、支护等全过程的机械化。

　　当年，在计划经济体制下，国家统一从国外引进了130多套综采设备，分配给各矿务局，但很多煤矿分到设备后，却不肯让设备下井。对于煤矿来说，越简单的生产方式越容易组织生产。而液压支架和配套设备安装工程量大，在井下设备坏了怎么办，推不动怎么办，没有产量怎么办？这些问题都是煤矿的顾虑。这就造成了早期对综合机械化认识上的分歧，在推广综采时遇到了很多困难，而且引进的液压支架，不是针对我国煤矿条件设计的，适应性也不好。一些煤矿在使用综采设备过程中出现很多事故，比如支架平衡千斤顶被拉断了、工作面片帮冒顶导致支架推不动，等等。

　　一直到上世纪90年代，业界对推行综合机械化的分歧还是很大，特别是对综采放顶煤开采的认识长期不能统一。支持者认为综放是特厚煤层开采的最有效方法，反对者则抓住其安全和回采率等问题加以否定。

　　煤矿推行机械化开采的前提条件是支护。在综合机械化发展过程中，先要解决支架适应性、可靠性问题，保障工作面支得住、走得动。当时，煤科院北京开采所是煤炭工业部液压支架技术归口研发单位。从“六五”到“十五”国家科技攻关计划，液压支架一直是科技攻关的重点，也同时带动了工作面成套设备的配套研发。

　　1995年以后，虽然争议依然存在，但全国大型煤矿基本接受了综合机械化开采方式，逐渐认识到综合机械化开采是安全高效开采的根本途径。2000年以后，我们提出高效集约、建设安全高效矿井的概念和目标。

　　实际上，在综合机械化发展过程中，已经应用了自动化技术，自动化是综合机械化的组成部分。从1990年到1995年，我们已经有了电液控制系统的研发思路。

　　1988年，我们去当时的神华集团推广电液控制系统应用。当时，神东矿区建设借鉴美国煤矿高效集约化长壁开采模式和经验，开始大规模引进电液控制液压支架和世界先进装备，实施装备高端化，开采集约化。

　　1995年，我写了第一篇关于电液控制系统国产化可行性研究报告，建议研发国产化电液控制系统，推动北京开采所联合德国Maco公司，建立天玛电液控制系统合资公司，研发和推广液压支架电液控制系统。

　　2003年，兖矿集团首次在半个工作面成功应用了天玛电液控制系统。自此，电液控制系统国产化逐渐开始有了起色。同年，我们在当时的晋城煤业集团寺河矿研发了5.5米电液控制大采高液压支架，这是高端综采装备国产化的真正开始。

　　随后，煤炭行业“黄金十年”来临，高端电液控制液压支架从6米、7米、8米到10米，快速发展和大规模应用起来。

　　在不同的发展阶段，煤炭工业的发展主题不同。2000年以后，煤炭工业发展主题是建设高产高效矿井。煤矿开采以高效为目标，煤矿感受到高端装备带来的安全和经济效益。2005年至2009年，中国煤炭科工集团、神华集团、中煤能源集团合作完成重大装备国产化项目——年产600万吨大采高综采成套技术与装备，全面推进了综采高端装备国产化，该项目获得国家科技进步奖二等奖。

　　在煤矿综合机械化不断升级发展的基础上，我们提出了煤矿智能化概念。2010年，国家发改委和工信部组织开展智能制造专项研究，我们申报了煤矿综采智能化系统项目，被列入国家智能制造专项。

　　煤矿智能化先从工作面开始，首个项目在陕煤集团红柳林矿业公司7米大采高工作面展开。同时该集团黄陵矿业公司也找到了我们。

　　红柳林矿以厚煤层为主，开采条件好，适合超大采高智能化综采，也是国内外第一个成功实现7米超大采高智能化综采的煤矿。

　　黄陵矿区煤层有薄煤层、中厚煤层和厚煤层。2011年，我们在黄陵一矿开始设计首个1.1米至2.2米薄煤层和中厚较薄煤层智能化工作面，解决了无人化作业等一系列难题，比如工作面三角煤的自动截割等。2014年，该智能化开采工作面建成并通过鉴定，成为全国第一个智能化示范工作面，开创了“工作面一人巡视，无人操作”常态化远程控制采煤“黄陵智能化开采模式”。

　　智能开采成为煤炭行业发展的新主题。最初的“自动化”以实现液压支架电液控制为支撑和标志；现在的“智能化”，要实现基于工作面全时空信息感知、智能决策、全自动化运行，工作面内不需要人工操作。

　　对煤矿智能化概念的纠缠并无太大意义，那如何界定智能化？智能化至少要具备三个基本要素——装备的自感知、自决策、自执行。当然，设备不可能一开始就达到理想的智能化程度，但我们在判断时，要看是否具备智能化的基本要素。煤矿智能化是一个不断发展的过程，智能化系统和装备需要不断迭代升级。

　　党的十九届四中全会以后，人工智能、5G、大数据、区块链等新技术得到重视，各行各业开始推广智能化。从煤炭工业发展角度看，实现高质量发展需要以科技创新作为核心驱动力，而支撑煤炭行业高质量发展的核心，在于全面推进煤矿智能化建设。

　　2019年，我和中国工程院10位院士一起，向中办和国办提交了一份“关于加快煤矿智能化发展的建议”的院士建议。此份建议是八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的重要基础，涵盖了发展原则、分阶段目标、主要任务以及保障措施等。《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的出台，使煤矿智能化建设真正上升到国家层面。

　　从智能化开采到全矿井智能化，涉及层面很多。对于井工煤矿来说，智能化系统更复杂。在顶层设计里，我们梳理出至少上百个子系统，再把系统归纳为十大应用系统。我们团队这几年的研究成果，就是把煤矿智能化建设架构全部清晰化、细节化，研发出十大应用系统关键技术，并找到不同类型煤矿智能化建设的有效路径和落地实施方案，研究建立煤矿智能化的基础理论和技术标准体系。

　　2019年至今，我们开展了一系列典型智能化煤矿系统顶层设计和所需装备研发，针对不同类型矿井条件，探索不同建设路径。比如，在张家峁煤矿全面智能化改造中，提出煤矿智能化系统与关键装备的研发，取得十大创新成果，为已生产煤矿智能化升级提供了样板；在巴拉素煤矿和可可盖煤矿，我们从设计规划开始，全面植入智能化基因，全系统、全环节统一进行智能化设计和矿井建设施工。

　　目前，煤矿智能化尚处于初级阶段或培育示范阶段，一些关键技术还存在瓶颈。我们应力争突破瓶颈，形成全面的智能化技术支撑。

　　按照当前速度，用不了很长时间，煤矿智能化就会像综合机械化一样，逐渐完善并走向成熟。在综合机械化发展早期，很多采煤队不愿用综采设备，觉得单体支柱搬起来就能走，液压支架又大又重，安装搬家耗时耗力。但到了后来，没人愿意搬单体支柱了。智能化也一样。发展到成熟阶段，不搞智能化就没人愿意干了。

　　我们提出的煤矿智能化愿景，就是实现煤矿全时空信息实时感知、安全风险双重预防闭环管控，生产过程全部自动化作业，让职工更幸福、企业更高质量地发展。这是符合科学规律的，是一定能够实现的。

　　当前，煤炭行业虽面临政策、环境等压力，但能源保供基本面依然决定煤炭行业有很好的发展机遇。落后产能逐渐淘汰，产业集中度进一步提高，有助于发挥智能化集约化矿井的产能优势。毫无疑问，今后煤矿要发展智能化。“双碳”目标对于优势煤炭企业来说，其实更多是利好。

　　今后一个时期，我国能源需求仍将保持增长，但不确定性因素增加，这就需要应对煤炭需求的弹性要求。有人提出要搞煤炭战略储备，建应急煤矿。我认为煤炭与油气不同，存放久了会自燃，不应与油气、粮食等一样进行产品战略储备，而应科学布局产能储备。

　　在此背景下，我提出建设以煤矿智能化为支撑的煤炭柔性生产供给体系，该体系只有借助智能化技术才能实现。

　　柔性生产供给体系实际上是从智能制造领域引伸来的概念。智能制造柔性生产线可满足个性化产品需求，提供订单式生产选择。煤炭生产要满足弹性需求，柔性生产供给体系是一个必然方向。因此，我们提出了建立智能柔性煤炭生产供给体系的科学构想，提出了柔性生产供给体系模型和技术架构，界定了相关概念，比如什么是柔性生产供给体系、什么是柔性度系数。

　　从国家能源发展和能源安全战略出发，我认为建设智能柔性煤炭生产供给体系是保障国家能源安全、建设现代能源体系中最贴近实际的一条路径。建设柔性生产供给体系，需要煤矿智能化技术的支撑，即在需求旺盛的时候，柔性生产供给体系能在保证安全生产的情况下，快速增加产量；在市场低迷的时候，也可以快速减少产量，不会对矿山造成较大的系统和人员成本等损失。

　　此外，我还提出了建设5G+ABCD智能化支撑技术体系，构建现代能源与矿业治理体系。应用5G通信技术与人工智能、区块链、云计算、大数据等技术相结合，建设“煤智云”煤炭行业智能化大数据中心，建立一个从矿井、集团、省级到国家层面的四级全国煤炭和能源智能管理和交易平台。

　　要满足柔性生产供给，必须使信息能在全国范围共享。我们对柔性生产供给系统运行模式提出了设想，要有全国智能系统平台、中间服务机构等，及时把需求端、生产端的信息连接起来，便于提前预测煤炭的消费需求变化，及时调整煤矿生产计划。

　　我最新提出的6S智能化煤矿概念，也是我们对煤矿智能化本质的思考。智能化煤矿的基本要求是什么？6S（Safety、Security、Sustainability、Sensitivity、Service、Smartness）最符合煤矿智能化的特征和要求。具体而言，第一是安全，煤矿要保证系统、设备、信息、功能等各方面的安全。第二是可靠，运行系统、设备要可靠。第三是可持续，资源可持续、生态可持续、发展可持续，保证运行质量和效率。第四是系统敏感性或系统柔性，系统的柔性主要体现在技术核心要素、技术架构上，这需要对供需链条上的信息敏感、对响应敏感等。第五是系统的全面服务，建立新型的服务体系，从提供设备向提供全生命周期增值服务转变。第六是智慧，系统智能与人文智慧高度融合，形成煤矿综合智慧生态。

　　社会科技发展进入智能化时代。新一代信息技术与传统产业融合发展，是社会基本发展规律。我们科研人员需要做的，是适应规律，要在社会科技变革、工业的过程中不掉队，使煤炭行业实现健康、高质量发展。