王國法院士：智能裝備，撐起“智慧”煤礦的明天

為貫徹能源安全新戰(zhàn)略，保障煤炭及相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，前不久，國家能源局發(fā)布了《中華人民共和國煤炭法(修訂草案)》(征求意見稿)(下稱《征求意見稿》)。據(jù)了解，此次征求意見稿是自1996年《中華人民共和國煤炭法》發(fā)布以來，第一次大規(guī)模修訂。

在征求意見稿中，就煤炭智能生產(chǎn)技術(shù)裝備的研究、應(yīng)用和重大工程示范作了專門要求，以期推動(dòng)煤炭生產(chǎn)的提質(zhì)增效和安全生產(chǎn)。

中國工程院院士、中國煤炭科工集團(tuán)(煤炭科學(xué)研究總院)首席科學(xué)家王國法在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示：“總體來看，當(dāng)前我國煤礦智能化發(fā)展處于一個(gè)培育示范推廣階段，企業(yè)的實(shí)踐也表明，煤礦智能化是未來煤炭行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，要堅(jiān)定不移地沿著這一方向向前推進(jìn)。”

發(fā)展趨勢 核心支撐

我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富，能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新中國成立以來，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)量的70%、消費(fèi)總量的60%以上。

“在我國一次能源中，煤炭是最經(jīng)濟(jì)和可清潔高效利用的能源。”王國法指出，盡管近一兩年來，煤炭占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)量的比例略有下降，但在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將在我國能源結(jié)構(gòu)中占較大比例，仍是我國的戰(zhàn)略能源，是我國能源安全的“壓艙石”。

面對煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求，和實(shí)現(xiàn)安全高效綠色開采和更加清潔高效利用的發(fā)展目標(biāo)，煤礦智能化是核心技術(shù)支撐已成為行業(yè)共識。

王國法表示，煤炭領(lǐng)域的智能化信息化是將大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等信息技術(shù)與煤炭開發(fā)技術(shù)與裝備進(jìn)行深度融合，形成全面自主感知、實(shí)時(shí)高效互聯(lián)、智能分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測預(yù)警、精準(zhǔn)協(xié)同控制的煤礦智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效智能運(yùn)行。“這也是煤炭工業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。

今年2月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等8部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》(以下簡稱《指導(dǎo)意見》)，明確了煤礦智能化發(fā)展的階段目標(biāo)、主要任務(wù)以及相關(guān)保障措施。

“該指導(dǎo)意見推動(dòng)了行業(yè)進(jìn)一步凝聚共識、統(tǒng)一思想。”令王國法感到欣喜的是，除了煤炭企業(yè)自身，例如三大移動(dòng)運(yùn)營商、華為公司等信息技術(shù)的龍頭企業(yè)都以前所未有的高漲熱情參與煤礦智能化建設(shè)。

的確，煤礦智能化既是未來趨勢，更是發(fā)展需求。

“當(dāng)前我國煤炭領(lǐng)域在信息化智能化建設(shè)方面，主要聚焦減少煤礦井下作業(yè)人員。”過去30多年，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)原副校長孫繼平教授一直從事煤礦安全生產(chǎn)信息化與智能化等研究創(chuàng)新工作，他作為國務(wù)院煤礦事故調(diào)查專家組組長參加了10起煤礦重特大事故調(diào)查工作。

他對煤礦井下智能化、無人化發(fā)展的迫切性有著深刻體會(huì)。“事故調(diào)查表明，煤礦井下作業(yè)人員越多，發(fā)生事故的概率越大，事故傷亡人數(shù)越多。因此，減少煤礦井下作業(yè)人員，是減少煤礦重特大事故和傷亡人數(shù)的有效措施。減少煤礦井下作業(yè)人員也是降低煤礦用人成本，解決招工難的有效措施。”孫繼平說。

他表示，我國在煤礦井下無人和少人作業(yè)方面還需加大研發(fā)力度，如采煤工作面無人和少人作業(yè)，掘進(jìn)工作面無人和少人作業(yè)，礦用車輛無人駕駛，供電、輸送機(jī)和排水無人值守等。

部分領(lǐng)跑 “井下”待突破

煤礦智能裝備是煤礦智能化的核心，煤礦智能化對裝備適應(yīng)性和可靠性的要求極高。

以井下開采為例，孫繼平告訴《中國科學(xué)報(bào)》，煤礦井下巷道斷面小、巷道長度達(dá)10余千米、有瓦斯等爆炸性氣體、礦塵大，瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、沖擊地壓、頂板等事故威脅著煤礦安全生產(chǎn)，這也是提升煤炭科技裝備面臨的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。“因此，需要針對煤礦井下特殊環(huán)境和特殊要求，研發(fā)適用于煤礦安全生產(chǎn)需求的技術(shù)和裝備。”

事實(shí)上，自新中國成立以來，我國綜合機(jī)械化水平有著巨大提升，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)力和生產(chǎn)方式的大跨越，這為智能裝備發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)條件。

王國法表示，煤礦智能裝備和煤礦機(jī)器人的內(nèi)涵是一致的，是指具有自感知、自決策和自動(dòng)運(yùn)行功能，可替代人工完成煤礦特殊作業(yè)的機(jī)器。

2019年1月，國家煤礦安監(jiān)局正式公布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》，提出了重點(diǎn)研發(fā)的掘進(jìn)、采煤、運(yùn)煤、安控和救援5類、38種煤礦機(jī)器人，并對每種機(jī)器人的功能提出了具體要求，力爭把煤礦工人從惡劣環(huán)境與危險(xiǎn)繁重的勞動(dòng)中解放出來。

“從全球來看，我國在解決復(fù)雜條件開采的技術(shù)裝備領(lǐng)域處于引領(lǐng)水平。其中，發(fā)展最快的應(yīng)當(dāng)是煤礦綜采智能裝備體系，或稱綜采機(jī)器人群。而掘進(jìn)機(jī)器人群差距則相對較大。”王國法說。

經(jīng)過多年發(fā)展，我國煤炭綜采技術(shù)裝備已從依賴進(jìn)口到全部國產(chǎn)化。特別在近10年來，我國通過智能化開采技術(shù)與裝備的創(chuàng)新研發(fā)，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在薄和較薄煤層智能化綜采，大采高和超大采高智能化綜采以及特厚煤層綜放開采智能化技術(shù)與裝備方面實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。

此外，在部分企業(yè)的積極推動(dòng)下，我國已建成一批以工作面智能化開采和數(shù)字化信息化管理系統(tǒng)為標(biāo)志的先進(jìn)煤礦。

王國法認(rèn)為，未來，要特別重視共性關(guān)鍵技術(shù)和短板技術(shù)的研發(fā)工作。

孫繼平也表示，目前，綜采工作面已實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等聯(lián)動(dòng)和記憶割煤;帶式輸送機(jī)根據(jù)運(yùn)煤量自動(dòng)調(diào)速。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、礦井人員精確定位系統(tǒng)，以及礦用膠輪車運(yùn)輸、礦用電機(jī)車和礦井供電等監(jiān)控系統(tǒng)，礦井移動(dòng)和礦井救災(zāi)等通信系統(tǒng)等已推廣應(yīng)用。

“煤礦井下無人開采是當(dāng)前急需的煤炭開采關(guān)鍵技術(shù)，包括采煤工作面、掘進(jìn)工作面無人或少人作業(yè)，煤礦井下車輛無人駕駛，煤礦井下供電、帶式輸送機(jī)、水泵房等無人值守等。目前，已有皮帶巡檢機(jī)器人等在煤礦井下應(yīng)用。”孫繼平說。

借5G之勢 分類分級推進(jìn)

盡管我國智能煤礦建設(shè)取得了重要進(jìn)展，但必須看到的是，智能化程度遠(yuǎn)未達(dá)到理想狀態(tài)。

“煤礦是一個(gè)非常復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其中至少包括100個(gè)以上的子系統(tǒng)。”王國法把智能化煤礦建設(shè)重點(diǎn)分為十大智能系統(tǒng)，包括煤礦智慧中心及綜合管理系統(tǒng)、煤礦安全實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)及地下精準(zhǔn)位置服務(wù)系統(tǒng)等。“十大主要智能系統(tǒng)分別由若干個(gè)相關(guān)煤礦智能化子系統(tǒng)組成，數(shù)以百計(jì)的煤礦智能化子系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，構(gòu)成煤礦智能化巨系統(tǒng)。”

作為新一代信息技術(shù)的代表，5G技術(shù)的商業(yè)化運(yùn)營為智能煤礦發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。

王國法表示，5G在煤礦的應(yīng)用與5G的商業(yè)化應(yīng)用基本是同時(shí)起步的。5G技術(shù)具有大帶寬、廣連接和低時(shí)延的優(yōu)勢，契合了煤礦智能化發(fā)展需要更廣泛數(shù)據(jù)接入、更大數(shù)據(jù)傳輸帶寬和更低延時(shí)控制的要求，為打通煤礦智能化開采上下行傳輸?shù)母咚偻ǖ赖於嘶A(chǔ)。

近年來，在信息技術(shù)企業(yè)的支持投入下，我國已在部分礦區(qū)布局井下5G網(wǎng)絡(luò)、基站等。

王國法說，未來，要進(jìn)一步開發(fā)5G基站設(shè)備，滿足井下組網(wǎng)的要求。此外，還要根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)一步提升5G技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，邊緣計(jì)算的技術(shù)，云計(jì)算相關(guān)技術(shù)，以解決“云、邊、端”控制流程的各種相關(guān)難題。

孫繼平最早進(jìn)行礦用5G研究，研究了礦用5G技術(shù)及其適用范圍，他表示，礦用5G宜采用本質(zhì)安全型防爆、用于控制的礦用5G應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力、采煤工作面和掘進(jìn)工作面地面遠(yuǎn)程控制與井下車輛無人駕駛地面遠(yuǎn)程控制宜選用礦用5G。

“煤礦井下有瓦斯等易燃易爆氣體，礦井無線傳輸衰減大等特殊性，制約著5G直接在煤礦井下應(yīng)用。”孫繼平強(qiáng)調(diào)，還需根據(jù)煤礦井下特殊需求，研究礦用5G技術(shù)和系統(tǒng)，而不僅僅是對現(xiàn)有地面5G產(chǎn)品進(jìn)行防爆改造。

面對未來，王國法表示，我國各地煤層賦存條件、開采技術(shù)條件具有復(fù)雜性和多樣性，區(qū)域發(fā)展不平衡性比較突出。據(jù)此，要分類分級推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)工作。“我們已經(jīng)起草制定了煤礦智能化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、智能化煤礦分類分級技術(shù)條件與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、智能化開采工作面技術(shù)條件與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等，即將發(fā)布實(shí)施，為全國不同層次煤礦智能化建設(shè)明確建設(shè)目標(biāo)，提供建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指導(dǎo)，推動(dòng)我國煤礦智能化整體發(fā)展。”