智能開采工作面建設(shè)解決方案及對策建議

王 昕，張學(xué)亮，劉 清

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

0 引言

在20世紀(jì)90年代，國內(nèi)一些學(xué)者陸續(xù)提出了智能采礦[1-3]的一些概念，以實(shí)現(xiàn)綜采工作面無人化為目標(biāo)的智能開采發(fā)展理念及其關(guān)鍵技術(shù)被陸續(xù)提出。方新秋等研究人員[4]提出基于自動化與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合的無人工作面概念、系統(tǒng)模型和技術(shù)框架；謝和平等研究人員[5]指出通過“自動化-智能化-無人化”煤炭開采技術(shù)變革以實(shí)現(xiàn)科學(xué)開采并為建立現(xiàn)代煤炭工業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)造條件；張良等研究人員[6]提出了綜采工作面遙控型無人開采和智能型無人化開采2步走的技術(shù)路線；李首濱[7]通過分析歸納總結(jié)了智能化開采1.0/2.0/3.0/4.0這4個(gè)階段，并對每個(gè)階段進(jìn)行了簡要闡釋；王存飛等研究人員[8]對透明工作面概念、技術(shù)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究探討；郭金剛等研究人員[9]指出綜采工作面智能化開采的內(nèi)涵。

2018年以來，王國法團(tuán)隊(duì)[10-14]在煤礦智能化、智能開采方向進(jìn)行了深入研究，給出了4種開采模式，預(yù)測了采煤、液壓支架、工作面直線度、協(xié)同控制、超前支護(hù)及輔助作業(yè)等5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。葛世榮團(tuán)隊(duì)[15]在分析智能化采煤技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，定義了煤礦智能開采工作面[16]，指出了從自動化、數(shù)字化到智能化演變過程中的數(shù)字化開采技術(shù)范疇；提出融合應(yīng)用5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和仿生智能技術(shù)的數(shù)字孿生智采工作面[17]；系統(tǒng)論述了煤礦機(jī)器人相關(guān)技術(shù)[18]，為煤礦機(jī)器人研發(fā)技術(shù)體系的建立奠定基礎(chǔ)。

綜合領(lǐng)域內(nèi)專家的研究與分析，我國煤礦進(jìn)入了初級智能化階段，目前處于向透明工作面開采技術(shù)發(fā)展的階段。智能開采工作面建設(shè)是煤礦智能化建設(shè)的核心，是煤礦智能化建設(shè)的首要任務(wù)，本文針對智能開采工作面建設(shè)相關(guān)問題，在系統(tǒng)論述煤礦智能開采工作面建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述煤礦智能開采工作面分級配置及解決方案，并對煤礦智能開采工作面建設(shè)提出建議，旨在對井工煤礦智能開采工作面建設(shè)提供有益借鑒。

1 煤礦智能開采工作面建設(shè)現(xiàn)狀

煤礦智能開采工作面建設(shè)與國家及行業(yè)政策緊密聯(lián)系。2013年以來，《智慧礦山建設(shè)規(guī)范》(DB37/T 2322-2013)、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030年)》《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 34679-2017)、《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51272-2018)、《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》《智能化煤礦(井工)分類、分級技術(shù)條件與評價(jià)》(T/CCS 001-2020)、《智能化采煤工作面分類、分級技術(shù)條件與評價(jià)指標(biāo)體系》(T/CCS 002-2020)、《關(guān)于開展首批智能化示范煤礦建設(shè)的通知》《智能化示范煤礦管理暫行辦法》《煤礦智能化專家?guī)旃芾頃盒修k法》等標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)政策陸續(xù)發(fā)布，有力地推動了智能化示范煤礦和智能化采煤工作面的建設(shè)工作；2019-2020年，貴州、河南、山東、山西、陜西等省份陸續(xù)出臺了煤礦智能化驗(yàn)收辦法；2020年12月，《國家能源集團(tuán)智能礦山“十四五”規(guī)劃》發(fā)布，明確智能礦山分為初級、中級和高級智能化；2021年1月，《國家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南》(試行)發(fā)布，對煤礦智能化建設(shè)進(jìn)行了分級分類，分為初級、中級和高級智能化煤礦；2021年3月，《智能化煤礦建設(shè)指南》(2021年版)征求意見稿發(fā)布，確定了智能化煤礦建設(shè)的指導(dǎo)思想、基本原則、建設(shè)目標(biāo)、設(shè)計(jì)要求、建設(shè)內(nèi)容等。

煤礦智能開采工作面建設(shè)與國家科研投入力度緊密聯(lián)系。通過科技部863計(jì)劃“數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”重點(diǎn)項(xiàng)目，國家能源集團(tuán)分別在錦界煤礦和準(zhǔn)能露天煤礦建成了數(shù)字礦山示范礦井[19]。國家“863計(jì)劃”“煤炭智能化掘采技術(shù)與裝備”項(xiàng)目通過自主創(chuàng)新研制11臺套煤炭智能化掘采重大裝備，在豎井掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制、巖巷掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)控制、工作面設(shè)備精確定位、液壓支架智能耦合控制、帶式輸送機(jī)高壓變頻驅(qū)動、礦用防爆高比能量蓄電池動力等方面取得了重要技術(shù)突破，項(xiàng)目于2016年6月通過技術(shù)驗(yàn)收。2017年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“煤礦智能開采技術(shù)與裝備研發(fā)”項(xiàng)目研制適合復(fù)雜煤層條件的智能化開采成套裝備系統(tǒng)，大幅提升行業(yè)科技水平和生產(chǎn)安全保障能力。2018年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目《千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及示范》[20]研究特厚煤層智能化綜放開采技術(shù)與裝備、煤矸識別與智能放煤控制等技術(shù)，提升綜放開采工作面的智能化科技水平。

煤礦智能開采工作面建設(shè)與綜采工作面控制系統(tǒng)裝備發(fā)展緊密聯(lián)系。2008年，北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司在國家能源寧夏煤業(yè)集團(tuán)石溝驛煤業(yè)有限責(zé)任公司完成國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)整套工業(yè)性試驗(yàn)并通過鑒定[21]；2011年，完成綜采自動化系統(tǒng)研制與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備集控；2014年，在陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司一號煤礦實(shí)現(xiàn)了可視化遠(yuǎn)程人工干預(yù)模式下的智能化開采；2016年，在鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司采用引進(jìn)的慣性導(dǎo)航技術(shù)，研發(fā)了綜采工作面自動找直系統(tǒng)；2019年以來，在國家能源神東煤炭集團(tuán)榆家梁煤礦較薄煤層工作面進(jìn)行了三維激光掃描數(shù)字化建模技術(shù)研究，開展基于透明地質(zhì)條件的數(shù)字化開采試驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)了截割路徑規(guī)劃的自主割煤。2021年4月，在國家能源集團(tuán)第一期煤礦智能化高級研修班上，中國煤炭科工集團(tuán)有限公司發(fā)布了智能開采解決方案。智能開采工作面發(fā)展階段如圖1所示。

圖1 智能開采工作面發(fā)展階段

近年來，以北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司、鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司、天津華寧電子有限公司等為代表的國產(chǎn)綜采自動化、智能化裝備企業(yè)逐步發(fā)展，有力促進(jìn)了煤礦智能開采工作面的建設(shè)。從2015年的3個(gè)智能化采掘工作面到2020年494個(gè)，比2019年的275個(gè)增加80%[22]。2021年6月，中國煤炭工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《煤炭工業(yè)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)意見》提出，到“十四五”末期，建成煤礦智能化采掘工作面1 000處以上。

2 智能開采工作面解決方案

智能開采的基礎(chǔ)是采煤工作面各設(shè)備在單機(jī)自動化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單機(jī)智能化，采煤工作面控制系統(tǒng)在集成控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能協(xié)同控制。煤礦智能開采工作面建設(shè)過程中，應(yīng)結(jié)合國家政策要求和各煤礦實(shí)際情況，分類施策、分級實(shí)施，建成初級、中級、高級智能化煤礦和智能開采工作面，實(shí)現(xiàn)煤礦智能開采少人化/無人化。

2.1 智能開采工作面分級原則

截止2020年底，全國尚有煤礦4 700余處，主要產(chǎn)能分布在內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆、貴州、山東、安徽、河南等省份，各地煤層賦存條件差異較大，主要煤礦區(qū)生產(chǎn)技術(shù)條件、區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求具有差異性、多樣性和復(fù)雜性，發(fā)展煤礦智能化特別是智能開采工作面，既要有統(tǒng)一的目標(biāo)和要求，又要立足實(shí)際、因地制宜。

根據(jù)《智能化煤礦建設(shè)指南》(2021年版)征求意見稿要求，根據(jù)煤層賦存條件、工作面設(shè)計(jì)參數(shù)、產(chǎn)能指標(biāo)等要求，建設(shè)不同模式的智能化采煤工作面，條件適宜的薄及中厚煤層實(shí)現(xiàn)智能化少人開采，逐步推廣應(yīng)用采煤機(jī)自適應(yīng)截割、液壓支架自適應(yīng)支護(hù)、智能放頂煤、刮板輸送機(jī)智能運(yùn)輸、智能供液、綜采設(shè)備群智能協(xié)同控制等技術(shù)。鼓勵條件適宜的工作面應(yīng)用基于地質(zhì)模型的智能化開采實(shí)踐。

根據(jù)《智能化煤礦驗(yàn)收辦法(試行)》(征求意見稿)，智能化井工煤礦建設(shè)條件分為Ⅰ(高級)、Ⅱ(中級)、Ⅲ(初級)級，綜合評分應(yīng)滿足≥85分、84～70分、<70分，分別采用對應(yīng)的智能化分級評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收和評價(jià)打分，評價(jià)結(jié)果細(xì)分為高級(≥85分)、中級(75～84分)、初級(60～74分)智能化煤礦，權(quán)重從高到低按采煤系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、主煤流運(yùn)輸系統(tǒng)、信息基礎(chǔ)設(shè)施、通風(fēng)與壓風(fēng)系統(tǒng)、供電與供排水系統(tǒng)、輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、地質(zhì)保障系統(tǒng)、智能化園區(qū)與經(jīng)營管理系統(tǒng)等10個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算得到最終評分。

根據(jù)《智能化采煤工作面分類、分級技術(shù)條件與評價(jià)指標(biāo)體系》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，智能化采煤工作面分為Ⅰ(高級)、Ⅱ(中級)、Ⅲ(初級)級，綜合評分應(yīng)滿足≥85分、84～70分、69～60分，低于60分未達(dá)標(biāo)。

綜合分析以上政策標(biāo)準(zhǔn)，給出智能開采工作面分級原則如下。

(1)充分考慮煤礦實(shí)際煤層賦存和開采技術(shù)條件，合理確定智能開采工作面建設(shè)等級，在綜合機(jī)械化采煤基礎(chǔ)上，充分利用已有裝備，逐步提升單機(jī)自動化、智能化水平，同時(shí)發(fā)展綜合自動化、智能化水平。

(2)充分考慮煤礦設(shè)備更新和經(jīng)濟(jì)狀況，結(jié)合老舊設(shè)備淘汰計(jì)劃情況，有序確定智能開采工作面建設(shè)等級及其建設(shè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

(3)充分考慮煤礦自身現(xiàn)有人才資源情況，結(jié)合人才培養(yǎng)計(jì)劃，有序確定智能開采工作面建設(shè)等級，確保人才配備到位。

通過以上智能開采工作面分級確定原則，做到分級合理明確、建設(shè)經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)維保障可靠。

2.2 智能開采工作面分級解決方案

根據(jù)《智能化煤礦建設(shè)指南》(2021年版)征求意見稿，《國家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南》(試行)對智能采煤的分級建設(shè)要求見表1。

表1 國家能源集團(tuán)智能采煤分級建設(shè)要求

續(xù)表1

《國家能源集團(tuán)煤礦智能化建設(shè)指南》(試行)根據(jù)初級、中級、高級建設(shè)要求，對智能采煤工作面配置功能要求做了規(guī)定。各省智能化采煤工作面相關(guān)驗(yàn)收辦法一般規(guī)定了功能性配置指標(biāo)及其分?jǐn)?shù)，并規(guī)定了達(dá)標(biāo)應(yīng)滿足的分?jǐn)?shù)要求。

以國家能源集團(tuán)智能采煤工作面建設(shè)基本要求為依據(jù)，智能開采工作面初級、中級、高級智能化解決方案分別見表2、表3和表4。

表2 智能開采工作面初級智能化解決方案

表3 智能開采工作面中級智能化解決方案

表4 智能開采工作面高級智能化解決方案

續(xù)表4

(1)初級智能化解決方案。智能開采工作面初級智能化解決方案，側(cè)重于綜采工作面自動化層面全面解決方案。工作面液壓支架安裝電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)具備記憶截割能力，綜采工作面所有設(shè)備接入一整套集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)正常割煤、三角煤區(qū)域的自動化割煤、移架等操作，液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等動作通過集控系統(tǒng)邏輯控制，采煤過程自動操作為主、人工干預(yù)為輔。

(2)中級智能化解決方案。在智能開采工作面初級智能化配置的基礎(chǔ)上，著眼于“三機(jī)”智能化水平提升，在“三機(jī)”自主智能化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間智能協(xié)同。通過裝備慣導(dǎo)系統(tǒng)，在人工操作記憶割煤示范刀或自適應(yīng)記憶割煤模式的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)采煤工作面截割三維曲線的測定，通過智能算法，確定工作面直線度，并在下一刀回采過程中，對綜采工作面直線度進(jìn)行調(diào)整，減少人工干預(yù)調(diào)整程度。采煤工作面“三機(jī)”設(shè)備在統(tǒng)一平臺下，實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)推進(jìn)。人員能夠在地面或遠(yuǎn)程進(jìn)行日常操作和集中管控。通過升級兩巷超前支護(hù)設(shè)備和設(shè)備列車，實(shí)現(xiàn)整體隨工作面協(xié)同推進(jìn)。

(3)高級智能化解決方案。在智能開采工作面中級智能化配置的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)感知、決策、控制的智能化。構(gòu)建綜采透明地質(zhì)模型，在綜采數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)采煤路徑規(guī)劃、采煤機(jī)自主截割，各設(shè)備智能協(xié)同推進(jìn)。綜采工作面設(shè)備信息、圍巖信息、安全信息實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)融合，綜采工作面設(shè)備及其周邊區(qū)域形成綜采智能中心。

3 智能開采工作面建設(shè)對策建議

3.1 統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)

隨著煤礦智能化政策的推進(jìn)，作為煤礦智能化的重要組成部分，智能開采工作面設(shè)計(jì)需要與智能礦山建設(shè)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，統(tǒng)一建設(shè)理念、統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)、統(tǒng)一綜合管控、統(tǒng)一智能技術(shù)與裝備。特別需要指出的是，少人是智能開采工作面建設(shè)的重要指標(biāo)體現(xiàn)，以煤礦“新基建”技術(shù)作為載體，將“高可靠、智能化、少人化”作為建設(shè)的主攻方向，讓智能開采工作面建設(shè)落實(shí)有路徑、有技術(shù)、有裝備。

3.2 制定智能開采工作面建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

煤礦智能化建設(shè)示范明確提出，建設(shè)以采掘生產(chǎn)為核心，融合人員、設(shè)備、環(huán)境為一體的智能化井工煤礦[23]。針對不同地質(zhì)條件，分級分類推進(jìn)智能開采工作面建設(shè)，提出切實(shí)可行的分級分類建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，是指導(dǎo)煤炭行業(yè)智能開采工作面建設(shè)的重要方面。

3.3 加強(qiáng)智能開采工作面運(yùn)維

智能開采工作面受制于地質(zhì)條件的變化，現(xiàn)階段還不能完全脫離人員高效運(yùn)行，仍然需要人工遠(yuǎn)程干預(yù)和控制。建立智能開采工作面運(yùn)維專家決策系統(tǒng)，融合智能開采工作面自身和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)人工智能挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能開采工作面設(shè)備及環(huán)境的“預(yù)測、預(yù)判、預(yù)控”。

3.4 補(bǔ)齊輔助環(huán)節(jié)智能化短板

智能開采工作面建設(shè)除了作為生產(chǎn)主體的采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)等的智能協(xié)同控制以外，超前兩巷支護(hù)、設(shè)備列車?yán)?、油脂耗材補(bǔ)充等均是智能開采工作面建設(shè)面臨的短板環(huán)節(jié)。加強(qiáng)對兩巷超前區(qū)域作業(yè)工序梳理，研制機(jī)器人化超前支護(hù)裝備及輔助作業(yè)平臺，解決諸如超前單體支護(hù)、錨桿退錨、管路拆除等作業(yè)環(huán)節(jié)人員數(shù)量問題，減輕工人勞動強(qiáng)度，才能實(shí)現(xiàn)智能開采工作面整體水平的提升。

3.5 培養(yǎng)智能開采全面解決方案提供商

隨著智能開采工作面建設(shè)的逐步推進(jìn)，在實(shí)際實(shí)施過程中，需要落地到具體的裝備系統(tǒng)上。智能開采工作面建設(shè)對煤礦用戶與裝備系統(tǒng)生產(chǎn)廠家均提出了較高的要求。由于種種原因，目前的智能開采工作面建設(shè)以廠家為主導(dǎo)，多數(shù)用戶為被動接受，用戶參與度低，導(dǎo)致一些智能開采工作面建設(shè)遲遲達(dá)不到理想的運(yùn)行狀態(tài)[24]。隨著智能開采工作面建設(shè)的推進(jìn)，需要兩方積極配合，提高應(yīng)用成效。在智能開采工作面建設(shè)方面，我國還沒有形成一個(gè)強(qiáng)有力的智能開采全面解決方案提供商，可以結(jié)合用戶不同生產(chǎn)地質(zhì)條件及需求，針對諸多存量設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，為不同用戶定制相關(guān)智能化服務(wù)內(nèi)容，并納入到生產(chǎn)中，降低成本，提高效益，最終讓智能開采工作面建設(shè)成為“交鑰匙”工程。

3.6 提升員工智能化專業(yè)技術(shù)能力與水平

智能開采工作面建設(shè)對員工綜合素質(zhì)提出了更高的要求，煤炭企業(yè)應(yīng)加快智能開采專業(yè)人才隊(duì)伍儲備，依托各種培訓(xùn)平臺，提升員工智能化專業(yè)技術(shù)能力與水平，最終讓煤礦工人從“黑領(lǐng)”走向“白領(lǐng)”。

4 結(jié)語

煤礦智能開采工作面建設(shè)尚處于初級階段，煤礦智能開采初級、中級、高級建設(shè)解決方案需要煤礦企業(yè)和解決方案供應(yīng)商共同磨合，才能不斷完善，增強(qiáng)各種開采類別條件下的適應(yīng)性。相信隨著煤礦智能開采工作面建設(shè)工作的逐步推進(jìn)，煤炭行業(yè)會走出一條適合自身的智能化建設(shè)之路。