持续推进煤矿智能化 促进我国煤炭工业高质量发展

刘 峰 曹文君 张建明

(中国煤炭工业协会，北京市朝阳区，100013)

当前，我国煤炭工业正处于全面深化改革、加速转型升级、实现高质量发展的关键时期,也是提升自主创新能力、进入世界先进采煤国家行列的重要机遇期。近年来,在党中央的领导和国务院相关部门的支持下,煤炭行业供给侧结构性改革取得重要进展,过剩产能得到有效化解,市场供需基本平衡,产业结构不断优化,经济运行质量和效益明显提升,为建设现代化煤炭经济体系奠定了良好基础。在此背景下，科学谋划煤炭科技未来,大力推进煤矿智能发展,提升我国煤炭工业发展的科学化水平,促进我国现代煤炭经济体系建设，显得非常重要而紧迫。

1 科技创新对煤炭工业高质量发展的重要性

新时代发展的核心要义是高质量发展。煤炭工业高质量发展必须以新发展理念为引领，坚持实施创新驱动发展战略，将发展动能从依靠要素投入、投资驱动的传统动能转向创新驱动的新动能，不断激发行业发展的内生活力、动力和潜力，持续推动开发布局、产业结构、生产格局、供给质量、发展动力的变革。

1.1 科技创新是煤炭工业跨越式发展的关键所在

新中国成立以来，煤炭产量从1949年的3243万t增加到2018年的36.8亿t(2013年产量最高39.74亿t)，累计生产煤炭860亿t，占全国一次能源生产总量的76%左右，支撑了国内生产总值由123亿美元到13.6万亿美元的增长。煤炭供给实现了从短缺匮乏到丰富充裕的巨大转变，大型煤炭企业采煤机械化程度由新中国成立初期的0.73%提高到2018年的97.9%，掘进机械化程度由1.99%提高到56.3%；全国煤矿人均年生产效率由1949年的100 t/(人·a)左右提高到目前的1000 t/(人·a)，部分煤矿人均效率达到2万t/(人·a)。

我国煤炭开采从建国初期的人力落煤，发展到20世纪60年代的炮采，80年代推行综合机械化采煤，相继自主研发了3.5～8.8 m的一次采全高系列成套装备，目前正逐步向智能化采煤的方向发展。经过广大煤炭科技工作者的不懈努力和艰苦奋斗，形成了较为完善的采场岩层控制理论，建立了以液压支架与围岩“三耦合”原理为基础的综采理论与技术体系，以及包含保水开采、充填开采、煤与瓦斯共采、无煤柱开采的绿色开采技术体系，发展出先进的放顶煤技术、切顶卸压无煤柱自成巷开采技术和以超高水、膏体、固体为充填物的井下充填开采技术。煤炭开采技术实现了从跟踪、模仿到并跑、领跑的转变，有力支撑了我国煤炭工业的跨越式发展。

1.2 科技创新是破解当前行业矛盾和发展难题的制胜之招

当前，煤炭工业发展面临煤炭总量过剩和先进产能不足的矛盾、规模资源开发与刚性环境约束的矛盾、灾害威胁加重与安全生产保障的矛盾。煤炭产业基础相对薄弱，产业链比较脆弱。行业关键装备、核心技术等原创性突破不足，高端产品远未能满足需求。煤炭开发利用产业链大而不强、宽而不深，且缺乏对全球资源的整合和控制能力，整体处于价值链中低端。2018年，我国煤炭消费量占能源消费总量的59%，首次降至60%以下。根据国家统计局2019年前三季度统计数据，我国能源消费总量同比增长3.3%，增速比2019年上半年和2018年同期均回落0.1个百分点。2018年能源结构持续优化，清洁能源消费比2017年同期提高1.2个百分点，煤炭消费比重下降1.5个百分点。

在新能源和可再生能源快速发展、煤炭消费占比下降的趋势下，在现实发展环境的倒逼之下，煤炭行业必须紧紧依靠科技创新，积极采用新技术、新工艺、新装备，促进煤炭生产向机械化、信息化、智能化和绿色开采的方向发展，促使煤炭行业由劳动密集型向人才技术密集型转变，使之发展成为具有高科技特点的新产业。加快煤炭科技创新，能够不断强化创新引领，优化人才、技术、资金等创新资源配置，扩大中高端产品供给，提升煤炭产品的附加值，提高煤炭供给体系的质量和效率，有效破解煤炭行业发展不平衡不充分的难题。

1.3 科技创新是行业未来高质量发展的核心动力

新时代高质量发展是体现新发展理念的发展，是以质量第一、效益优先为原则的发展，是从要素驱动转向创新驱动的发展。我国煤炭资源丰富，长期为经济和社会发展提供了强大的、无法取代的能源保障。在未来相当长一段时期内，煤炭作为我国主体能源的地位作用不会改变，这是由我国的能源资源禀赋特点决定的。煤炭行业高质量发展意味着更多依靠科技创新，更多依靠劳动力素质提高，更多依靠内生动力的提升。

2018年，全社会研究与试验发展(R&D)经费支出19677.9亿元，占GDP比重2.18%；基础研究经费1090.4亿元，首次突破千亿元大关，占R&D经费的比重为5.5%；研发人员总量达到418万人·年，居世界第一；国际科技论文总量和被引次数稳居世界第二；发明专利申请量和授权量居世界首位，科技进步贡献率达58.5%。然而，煤炭行业的创新驱动水平还有待提升。全行业研发经费投入强度尚达不到全社会平均水平，基础研究投入更是严重不足，每万人发明专利拥有量离全国11.5件的平均水平相差较大。根据国家统计局发布的第四次全国经济普查结果，2018年，煤炭开采和洗选业规模以上工业企业法人单位R&D经费支出146.5亿元，比2013年下降6.5%;R&D经费与营业收入之比为0.58%。行业高质量发展迫切需要现代煤炭技术体系的引领，需要高质量科技供给的支撑，需要更高水平的开放合作创新的推动。

2 持续推进我国煤矿智能化建设与发展

新一代人工智能与工业领域的深度融合正在引发深远的产业变革，成为新一轮科技革命和产业变革的核心驱动力。人工智能必将成为煤炭革命的引领技术，未来必将深刻影响煤炭生产、加工、利用和转化的发展模式与形态，加速煤炭革命。煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，代表着煤炭先进生产力的发展方向。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)、运通、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行。因此，必须持续推进我国煤矿智能化建设与发展。

2.1 从需求端看，煤矿智能化已成为煤炭企业生产方式变革的必由之路

我国煤炭资源开采条件差异较大，既有赋存稳定的特厚煤层，也有地质条件很差的薄煤层。尤其一些老矿区，地质条件复杂，各种灾害齐全，巷道系统复杂，自动化水平低，开采难度大。加快推进煤炭生产方式变革，以最合理的资源扰动和劳动消耗，集约、高效、经济地开采煤炭资源，已成为煤炭生产企业的最紧迫需求。煤矿智能化正是采用先进的技术与装备实现生产过程的少人化和无人化，从而达到生产过程的低消耗、低排放和低扰动，这是煤炭生产革命的必由之路。

近年来，广大煤炭生产企业积极开展了煤矿智能化基础建设，陆续实施了矿井信息基础设施的升级改造，包括传感器、摄像仪等信息感知设备，井上下传输网络和数据中心等信息服务设施。2014年，陕煤集团黄陵矿业一号煤矿率先实现了“工作面有人巡视、无人操作”的智能开采工作模式。2019年，国家能源神东煤炭集团在榆家梁矿成功试验了基于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。目前，国家能源集团、中煤能源、兖矿集团、山东能源、平煤集团、陕煤集团、山西焦煤、同煤集团、阳煤集团、重庆能投、淮北矿业等企业都在积极开展智能工作面建设，全国已建成100多个智能化采煤工作面，实现了减人提效的示范目标，取得了良好的应用效果。

2.2 从供给端看，煤矿智能化支撑技术与装备研发取得了较大的进展

2019年10月在北京召开的第十八届中国国际煤炭采矿技术交流及设备展览会，以“智能高效、绿色发展”为主题，集中展示了近年来煤炭行业的智能化技术与成果。中国煤炭科工集团展示了煤矿大脑、透明矿井、智能开采、智能掘进、智能运输、矿山物联网、智能安全保障、绿色矿山与智能洗选、智能制造9个领域的科技成果和产品装备。北京龙软科技展示了煤矿专题图形处理系统、煤矿安全生产动态诊断系统、透明矿山系统、安全云系统等技术成果。兖矿北斗天地展示了矿用5G智能传输平台、基于高精度惯导的智能综采作业导向系统、煤矿生产精益管理系统、工业企业多级绿色云数据中心解决方案等技术成果。山西科达自控展示了智慧矿山整体解决方案、智慧矿山一张网、矿山机器人、矿山无人值守控制系统等技术成果。

智能装备是煤矿智能化的“地基”，智能技术是煤矿智能化的“内核”。当前煤矿智能化发展要以夯实“地基”和增强“内核”为本，将煤矿智能化产业作为一个开放系统，在开放合作中打造出更强创新力、更高附加值的产业生态。高新技术企业要聚焦煤矿智能化的薄弱环节，以自主可控、安全高效为目标，强化自身优势和发力重点，加强智能化技术与装备的自主创新研发。煤炭生产企业要结合自身的实际情况，充分认识煤矿智能化发展的难度和阶段性特征，制定科学合理的煤矿智能化建设规划，坚持“一矿一策”，在煤矿智能化的道路上行稳致远。

2.3 强化指导，多方联合，促进煤矿智能化发展

煤矿智能化可以充分发挥全要素生产作用，实现效率变革，促进煤炭行业由要素驱动型向创新驱动型转变；可以建立起新技术、新产品、新模式等突出优势，实现路径变革，增强煤炭企业的核心竞争力；可以加速煤炭由传统能源向清洁能源转变，解决煤炭开发利用与生态文明建设之间的矛盾，推动产业转型升级和可持续发展。

发展和建设煤矿智能化，应采取因地制宜、分类施策的原则。因此，提出以下阶段发展目标：到2021年，建成一批智能化示范矿井，初步形成煤矿主要生产环节的信息化传输、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；到2025年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，建立煤矿智能化建设技术规范与标准体系，实现煤矿主要系统的智能化决策和自动化协同运行，井下重点岗位机器人作业，露天煤矿实现智能连续作业和无人化运输；到2035年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。

为持续推进煤矿智能化发展，2019年7月，由国家能源局、国家煤监局、中国煤炭工业协会指导，中国煤炭学会、中国煤炭科工集团发起，联合大型煤炭生产企业、高等院校、高技术企业等共27家单位组建成立煤矿智能化创新联盟，助力我国煤矿智能化发展。

2.4 聚焦煤矿智能化前沿科学问题，构建成熟稳定的煤矿智能化技术体系

以推动人工智能技术与现代煤炭开发利用深度融合为主线，围绕工业物联网基础平台、智能装备和机器人、煤矿大数据三大方向持续攻关，从基础理论、支撑体系、关键技术、创新应用4个层面构筑技术群和产品群，坚持多元合作、跨界联合、开放共享，构建煤矿智能化产业生态体系。

以煤矿智能化基础原理、模型和算法为重点，结合人工智能理论发展布局煤矿智能化基础理论研究：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，提高智能系统的鲁棒性；三是矿山多源异构数据融合及信息动态关联理论方法，支持矿山复杂信息处理；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协同控制与决策理论方法，支持人机物的虚实融合与动态调度。

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，包括4D-GIS透明地质技术、井下视频高效处理及VR技术、井下大容量快速通信技术、开采装备精确定位与导航技术、辅助运输系统连续化和无人化技术、智能化无人快速掘进技术、重大危险源智能感知与预警预报技术、高可靠性智能装备(终端)技术、煤矿机器人路径规划与长时供电技术、露天开采无人化连续作业技术。

3 科学谋划煤炭科技未来创新发展

我们要以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，着眼于建设世界科技强国和能源革命的中长期发展目标，以建设现代化煤炭经济体系的重大需求为牵引，以全球视野、全局思维系统谋划新时代煤炭科技创新，明确未来发展重点、发展路径和发展方法，为现代化煤炭经济体系建设提供保障。

我国大型矿井建设、特厚煤层综放开采、燃煤超低排放发电、高效煤粉型工业锅炉、新型煤化工技术已达到国际领先水平。然而，煤炭科技的整体水平特别是产业关键领域，与国际先进水平相比仍存在着较大差距，同建设世界科技强国的目标要求还不相适应。科技创新体系是创新能力的基础和保障，健全科技创新体系的关键是提升创新主体能力和激发创新活力。加强煤炭科技创新体系建设，必须加速建设定位明确、功能互补的科研平台体系，培育世界级领军企业，鼓励更多企业开展原创性研究，系统提升煤炭院校人才培养、学科建设、科技研发三位一体创新水平，建设世界一流科研院所和具有鲜明行业特色的科学研究中心，发展面向市场的新型研发机构和科技服务机构，尤其注重高质量科技人才培养和团队建设，打造人才培养高地。

煤炭行业现阶段的科研水平、创新能力决定了我们短期内无法在所有领域齐头并进、全面开花。我们应采取非对称创新战略，明确未来一段时期煤炭科技的主攻方向和突破口，着力解决技术软肋和制约发展的技术瓶颈问题，尤其要注重支撑一个技术群或多个技术群的基础技术；应聚焦产业发展需求不动摇，坚持关键技术自主可控不动摇，大幅增强技术创新引领能力和融通创新能力；应在依靠全球创新的同时考虑建立“备胎计划”，补齐短板，为卡脖子关口提供备选方案。

4 结语

煤炭行业应深刻学习领会习近平总书记关于科技创新的重要论述和指示精神，提升推动煤炭科技发展的本领和能力；将习近平总书记关于科技创新的重要论述作为科技工作的根本遵循，深刻理解“发展是第一要务，人才是第一资源，创新是第一动力”的科学内涵和“把科技发展主动权牢牢掌握在自己手里”的重大意义，紧紧围绕国家对科技事业的重大战略部署，把握煤炭科技发展的正确方向，将“面向世界科技前沿、面向现代化煤炭经济体系、面向行业重大需求”作为煤炭科技创新的战略着力点，以煤炭安全绿色智能化开采和清洁高效低碳化利用为主攻方向，保持定力，把握主动，加强煤炭基础理论研究，攻关核心关键技术，推进煤炭工业高质量发展。