科技创新驱动 智能开采引领大力推进煤炭工业高质量发展

文 /刘 峰 曹文君 张建明 曹光明

煤炭智能开采是推进煤炭生产方式和发展模式深层次变革的重要方式，是实现煤炭工业高质量发展的必由之路

当前，我国煤炭工业正处在全面深化改革、加速转型升级、实现高质量发展的关键时期。煤炭智能开采是推进煤炭生产方式和发展模式深层次变革的重要方式，是实现煤炭工业高质量发展的必由之路，是行业应对资源约束和安全挑战的战略选择。煤炭企业要大力弘扬创新精神，依靠科技创新驱动煤矿智能化发展，助推煤炭工业高质量发展。

一、坚持创新引领，变革生产方式，煤炭智能开采成为高质量发展的核心技术支撑

我国煤炭资源丰富、品种齐全、分布广泛，但与先进产煤国家相比，煤田地质构造复杂，自然灾害多，资源开发基础理论研究滞后，安全高效绿色化开采和清洁高效低碳化利用关键技术亟待突破，煤炭高质量发展面临着诸多挑战，煤矿智能化成为破解行业发展难题的战略选择。

1. 煤炭智能开采是煤炭工业高质量发展的本质要求

煤炭智能开采是新一代采矿业技术竞争的核心，代表着行业先进生产力的发展方向。煤炭智能开采是指煤矿地测、采掘、运通、安全保障、生产管理等主要系统具有自感知、自学习、自决策与自执行的基本能力。煤炭智能开采可以充分发挥煤矿全要素生产作用，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；可以带动建立新技术、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；可以推动煤炭开采向清洁生产方向转变，解决煤炭开发利用与生态文明建设之间的突出矛盾，实现产业升级和可持续发展。

2. 煤炭智能开采是煤炭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，也有地质条件差的薄煤层。尤其一些老矿区，地质条件复杂，五大灾害俱全，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，集约、高效、经济地开采煤炭资源，以最合理的资源扰动和劳动消耗，保障国民经济和社会发展的能源需求，已成为煤炭革命的最紧迫要求。煤炭智能开采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，有力推动我国能源供给革命。

3. 煤炭智能开采是促进煤矿安全生产的有效途径

我国煤炭行业安全生产水平和生产效率，之所以与先进产煤国家存在差距，重要原因之一就是我国煤炭企业尚处于劳动密集型向人才技术密集型转变的阶段，企业用工人数较多，机械化、自动化、信息化水平低。煤炭智能开采正是以信息化、数字化、自动化为基础，以无人或少人化开采为目标，能够极大提高劳动生产率，减少井下现场作业人员。以智能化综采工作面为例，可以减少工作面作业人数一半以上。目前，我国已建成安全高效矿井（露天）901处，产量占全国的56.42%，百万吨死亡率仅为0.0015，在实现高产高效的同时，充分体现了“少人则安、无人则安”的安全理念。因此，煤炭智能开采对于实现煤矿安全高效生产具有极为重大的意义。

二、认识不断加强，内涵持续深化，实现煤炭智能开采已成为行业基本共识

历史经验表明，全球经济版图变化和大国的兴衰，科技革命往往是关键节点和分水岭。实践告诉我们，核心关键技术是等不来、要不来的，自主创新才是强国之路。改革开放以来，我国煤炭工业的跨越式发展正是依靠煤炭科技的持续创新，全体煤炭从业人员的不懈奋斗而实现的。

1. 新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，为煤炭科技创新开辟了广阔空间

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。目前，我国研发人员总量世界第一，发明专利申请量和授权量居世界首位，国家综合创新能力列世界第17位，科技创新正从外源性向内生性转变。我国煤炭科技已实现了从跟踪、模仿到部分领域并跑、领跑的转变。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、新型煤化工技术达到国际领先水平，煤机装备实现了国产化，装备制造水平位于世界先列。未来煤炭科技创新将呈现出新的发展态势和特征：煤炭基础研究、应用研究和技术开发的边界愈加模糊，技术创新链条更加灵巧，技术更新和成果转化不断加快，煤炭企业之间的竞争将体现为包含资本、技术、人才等的创新体系之间的竞争。

2. 人工智能影响深远，正成为煤炭革命甚至能源革命的牵引技术

人工智能具有溢出带动性很强的“头雁”效应，不仅能够推动行业智能化升级与改造，实现“有中生新”，还能催生出新的应用从而派生新产业形态，实现了“无中生有”。人工智能与能源技术的融合将极大地推动能源结构转型，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。煤炭智能开采正在引领煤矿生产方式的变革和升级，未来深入发展不仅能够创造出新的需求，而且通过先进技术的交叉融合和集成创新应用，将不断催生新技术、新产品、新装备和新模式，实现煤矿生产从机械化向自动化、智能化发展，推动行业技术水平整体跃升。

3. 概念内涵逐步明晰，煤炭智能开采得到政府、行业与企业的高度认可

煤炭智能开采是一个不断发展的过程，智能化程度也在不断加深，其概念和定义也在不断完善中。2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，顶层设计了我国新一代人工智能发展的目标、路径和任务。2019年初，国家煤监局发布了《煤矿机器人重点研发目录》，大力推动煤矿现场作业的少人化和无人化。近年来，全行业已就煤炭智能开采的发展方向取得共识，并充分认识到煤炭智能开采的阶段性发展特征。广大煤炭企业也深刻认识到以智能开采为核心的煤矿智能化将成为未来企业竞争的重要阵地，是提升企业核心竞争力的主要手段，从而实现了从被动建设向主动建设的转变。

三、突破智能开采，破解技术难题，煤矿智能化发展已具备较好的基础

我国煤矿信息化的发展经历了不同阶段。第一阶段以实现矿山各业务的信息化管理和机械化采煤为标志；第二阶段把真实矿山的整体以及和它相关的现象整合起来，以数字的形式呈现，实现矿山虚拟现实和自动化采煤；第三阶段实现对矿山的智能感知、自动分析和智能决策，以远程控制的无人或少人智能化开采为标志。

1. 开采技术持续进步，煤炭智能开采首先取得重大突破

我国煤炭开采从建国初期的人力落煤，发展到上世纪60年代的炮采，到80年代推行综合机械化采煤，现在向智能化采煤的方向发展，目前煤炭开采技术水平处于世界领先地位。以改革开放初期引进100套综采设备为起点，我国自主研发了3.5m至8.8m的一次采全高系列成套装备。采煤机滚筒直径达4.3m，截割功率2×1100kW，液压支架最大高度达8.8m，工作阻力26000kN，刮板输送机装机功率3×1600kW，满足年产1500万吨工作面配套需求。放顶煤技术成为我国煤炭开采领域具有世界影响力的标志性技术。2001年成功研发出世界首套两柱掩护式放顶煤液压支架及电液控制自动化综放成套技术，2004年向澳大利亚技术输出。14～20m特厚煤层大采高综放成套技术与装备在大同等矿区成功推广应用。

2012年，陕煤化集团红柳林矿建成了国内首个智能化采煤工作面，初步实现了“工作面有人巡视、无人操作”的工作模式。近年来，智能化采煤技术不断完善，逐步解决了液压支架跟机自动化、采煤机记忆截割、工作面视频监控、远程集中控制和工作面直线度控制等技术难题。目前，各大矿区已开始推进智能化采煤工作面建设。山东能源枣庄矿业集团的11个采煤工作面、陕煤化集团黄陵矿业公司所属四对矿井全部实施了智能化开采，形成了薄煤层、中厚煤层到厚煤层智能化开采的全覆盖。

2. 技术条件臻于成熟，煤矿智能采掘重大技术难题有望破解

近年来，煤炭生产企业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。多数煤炭企业集团已建成大容量光纤以太网和百兆同步数据网，形成完善的网管系统、网络安全系统、数据库系统和存储系统。地理信息系统已在煤矿大规模应用，安全生产“一张图”有序推广，煤炭地质云平台正式上线，4G通信在部分矿井应用，井下视频识别验证启动。国家能源集团、山西焦煤集团等建设了数据中心，利用大数据、云计算等新技术推动煤炭产业与互联网经济不断融合。

据统计，我国1.3m以下的薄煤层约占保有储量的20%左右，尤其是四川、重庆、湖南、湖北、福建、广西等地区薄煤层占保有储量的50%以上。相比于中厚煤层，由于受到环境和空间的制约，薄煤层开采难度大，工作面生产效率和产量低，智能化开采需求更为急迫。近年来，国家能源集团、中煤能源、山东能源、同煤集团、阳煤集团、重庆能投、贵州盘江煤电、淮北矿业等煤炭生产企业实施了薄煤层智能化开采，取得了良好的效果。针对井下复杂多变的地质条件，国家能源集团、阳煤集团、陕煤化集团、山东能源集团、重庆能投集团等还进行了矿井智能全断面掘进技术攻关，有力推动了我国煤矿智能化发展。

3. 产学研联合攻关，矿井智能化建设从局部向全系统延伸

近年来，全行业积极开展了煤矿GIS、井下物联网系统、煤矿现场总线、矿井移动设备无线接入、综采成套装备智能系统、大型固定设备无人值守、薄煤层自动开采等创新研究工作，实现了开采、运输、提升、通风、供电、排水等生产环节的自动化，胶带主运输系统、井下变电所、井下排供水泵房、地面主通风机房等主要生产系统实现了远程监控和无人值守，运煤皮带机器人巡检、地面煤场无人机盘煤等技术成功应用。国家能源集团、山西焦煤集团、兖矿集团、中国平煤神马集团等多年来持续推进数字矿山的整体建设，实现了异构网络的逐步融合和大数据关联。

煤炭行业正在或将从五个方面提升智能化水平：在横向覆盖范围方面，从单个工作面、向单个煤矿、再向煤炭企业集团，甚至整个矿区延伸；在产业链延伸方面，从煤炭生产的数字化、向煤矿生产经营的数字化、再向煤化工、煤电、物流等整个产业链的数字化延伸；在应用系统集成程度方面，从专业系统集成、向部分业务局部集成、再向相关系统全面集成应用拓展；在操作手段方面，从人工近距离操作、向无人远程遥控、再向系统自适应调控延伸；在发展层次方面，从技术应用向更高层次的商业模式创新提升。

四、聚合各方力量，强化协同创新，推动煤矿智能化走向新的辉煌

我国煤矿智能化处于起步阶段，目前存在着如下制约和不利因素：一是缺乏先进的矿用高精度高可靠性传感器；二是井下无线传输距离相对较短；三是煤矿智能化专业软件缺乏；四是精通智能技术和煤炭业务的混合型人才严重匮乏；五是适应煤矿智能化的基础设施、标准体系、创新机制等亟待完善。因此，我们既要看到目前已取得的成绩和智能化发展强劲态势，增加信心，又要清醒认识到我们的短板和不足，增加紧迫感。

1. 坚持开放合作创新精神，确立煤矿智能化发展新理念和新目标

开放合作是煤炭创新发展的必由之路。智能开采是一个典型的多学科多技术交叉领域，煤炭生产企业、专业研究机构和高等院校等相关各方应建立平等互利、合作共赢的科技创新共同体，共同解决煤矿智能化面临的重大科学问题与技术难题。确立煤矿智能化发展的新理念，必须深刻认识到新科技革命以“数据密集型科学发现”为主要基础特征，未来数据分析将发挥越来越重要的作用。煤矿智能化的发展要以煤炭供给侧结构性改革为主线，把握煤炭开采与智能技术融合发展契机，发挥智能技术在产业升级、产品开发、服务创新等方面的巨大引领作用，实现2020年建成100个初级智能化示范煤矿，2025年全部大型煤矿基本实现智能化的发展目标。

2. 加强煤炭智能基础理论研究，促进煤矿智能技术融合应用

可以预见，煤矿智能化必将引发煤炭开采、利用与转化新的研究方向，甚至有可能突破已有或成熟的理论框架。煤矿智能化是对煤炭行业发展影响最大的技术革命，未来研究将会不断进入没有道路的“无人区”。因此，我们必须加强研判，统筹谋划，协同创新，稳步推进，夯实煤矿智能化基础。煤矿智能技术创新研究与攻关，既包含“从0到1”的基础研究和原始创新，也包含“从1到n”的应用开发。基础理论研究是技术应用的发动机，煤炭科研院所和高等学校应在智能基础研究和原始创新上提前布局。

3. 聚焦“卡脖子”技术难题，建立煤矿智能化技术体系

多数煤矿作业位于“不可见”的地下，具有大量的未知因素和不确定性，因此煤矿智能化应从人机协作到人机融合的混合增强智能方向发展。我国目前有煤矿5800处左右，拥有海量数据产生能力和巨大应用需求，具有发展智能化得天独厚的优势。近期，煤矿智能化应聚焦突破如下关键核心技术：精准探测与地理信息精细建模技术、新一代矿井感知传感技术与装备、复杂地质条件智能掘进技术、露天煤矿连续化作业关键技术、不同运输场景的智能主/辅运输技术、重大危险源与危险行为的智能预报预警技术、大型设备故障诊断与综合健康管理技术等。

4. 加大智能化人才培养力度，为煤矿智能化发展提供智力支持

我国煤炭高等院校人工智能教育起步较晚，基础薄弱。近几年，煤炭企业人才流失严重，煤矿采掘一线招工接替问题凸显。我们应把人才作为创新发展的第一要素，妥善解决对技术人员评价不合理、用人机制不科学和收入分配机制不健全等问题；应建立鼓励探索、宽容失败的文化，让不同的思想能够在相对宽松的环境中碰撞和交流；应注重培养一线和青年科技人才，加快形成一支富有创新精神、敢于承担风险的知识型、技能型人才队伍；应打造多种形式的煤矿智能化人才培养平台，加大对高端科学家和高层次人才的吸引力度，为煤矿智能化发展提供充足的人才保障。

5. 发挥产学研用协同优势，持续提升煤矿智能化发展水平

我国目前还没有出台专门推动煤矿智能化的发展规划和指导性政策。煤矿智能化发展不仅应有全局规划蓝图，更要结合矿区实际进行布局，建立宏观、中观、微观上下贯通的煤炭智能化创新发展体系。我们应围绕智能基础领域、技术开发应用的关键环节，建立行业智能化研发体系，同时还应研究煤矿智能技术与装备的准入政策，降低技术成果转化成本。针对我国煤矿生产条件差异较大、开采地质条件复杂的特点，应研究制定加快煤矿智能化的规划和政策。煤炭企业应在资金、人员、技术等方面加大投入力度，破除组织、人员、装备、系统、工作制度等方面的制约，确保煤矿智能化工作持续推进。

6. 准确定位企业自身特色，科学制定并有序实施煤矿智能化发展规划

我国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，尤其是一些老矿区实现煤矿智能化的难度更大。现有矿区和矿井应采用先进技术进行智能化改造和升级，推进固定岗位的无人值守和危险岗位的机器人作业。新矿区和新建矿井应从矿区规划、矿井建设阶段就进行智能化设计，建设关键生产要素好、全员生产工效高、全系统要素效率优的高质量煤矿。煤炭生产企业应结合自身条件，做好煤矿智能化顶层设计，有步骤、分阶段开展工作，实现分散建设向集成化方向跨越，高效有序地推动煤矿智能化发展。

煤炭智能化对于实现煤炭安全高效绿色开采，推动煤炭工业高质量发展有着重要意义。我们应不断夯实科技基础，强化煤矿智能化战略导向，加强高质量科技供给，实现煤矿智能化从点的突破到系统能力的提升，推动我国煤矿生产向更安全、更高效、更集约的方向不断进步。