能源跨越之路（二、煤炭跨入“無人開采”時代）

　　在陜煤化黃陵礦業(yè)一號煤礦地面指揮中心，采煤機司機劉錦和綜采支架工何厚水嫻熟地操縱著控制系統(tǒng)按鈕，而此時在井下400米的地方，大量煤炭資源已連續(xù)不斷地開采出來。這一在黃陵一礦看似再平常不過的場景，卻是全國幾代煤炭工人曾經(jīng)夢寐以求的——煤炭開采終于實現(xiàn)了無人化。

　　煤炭開采業(yè)歷來是“高危行業(yè)”，在終年不見天日的井下，不僅黑暗潮濕，更“潛伏”著水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災(zāi)害，時刻威脅著煤礦工人的生命安全。21世紀(jì)以來，盡管我國煤礦百萬噸生產(chǎn)死亡率逐年下降，但要讓煤礦工人從這種惡劣的工作環(huán)境中解放出來，實現(xiàn)無人化開采才是真正的“治本之策”。

　　2015年4月，黃陵一礦自動化工作面率先達到了工作面內(nèi)“有人巡視、無人操作”的常態(tài)化生產(chǎn)，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)“零”事故，開創(chuàng)了綜采工作面采場無人化采煤的先河。同年5月19日，國家安監(jiān)總局、國家煤監(jiān)局組織了“全國煤礦自動化開采技術(shù)現(xiàn)場會”，在全國推廣黃陵一礦智能化無人開采技術(shù)等先進經(jīng)驗。至此，我國采煤方法經(jīng)歷了人力、炮采、普采和綜采，正向自動化、智能化方向發(fā)展，初步實現(xiàn)了無人化開采。

　　初探無人化開采

　　“無人化是世界煤炭開采技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是當(dāng)前實現(xiàn)我國煤炭行業(yè)安全高效生產(chǎn)的迫切需要，而目前我國也已走在世界煤炭無人化技術(shù)研究的前列。”中國煤炭科工集團董事長、煤炭科學(xué)研究總院院長王金華說。（王金華關(guān)于無人開采的更多精彩言論，請查看今日二條推送）

　　據(jù)記者了解，“十二五”期間，依托國家863計劃“煤炭智能化掘采技術(shù)與裝備”和國家發(fā)展改革委“煤炭綜采成套裝備智能系統(tǒng)”等重點專項支撐，中國煤炭科工集團、天地科技股份有限公司聯(lián)合中國平煤神馬集團、山西太重煤機、中國礦業(yè)大學(xué)等企業(yè)科研院所高校開展了自動化無人開采技術(shù)的研發(fā)工作，取得了開創(chuàng)性的成效。在此基礎(chǔ)上，神華、中煤、陜煤、同煤、陽煤、兗煤、晉煤、平煤、冀中能源、國投新集等大型煤炭企業(yè)也都開始進行探索與嘗試。中國煤炭科工集團天瑪公司（以下簡稱“天瑪公司”）的成套智能化無人開采技術(shù)率先在陜煤化集團黃陵礦業(yè)公司一號煤礦實現(xiàn)突破。

　　“早在公司成立之初就把智能無人化開采作為中國煤炭科工集團的重點研究和產(chǎn)業(yè)方向。”天瑪公司董事長張良說，“我們希望通過自動化設(shè)備代替工人進行煤礦現(xiàn)場開采，直接減少采煤工作面作業(yè)人員數(shù)量直至無人化，從而減少人員傷亡、保障安全、達到無人則安。真正讓一線采煤工人遠離危險、惡劣的工作環(huán)境，讓采煤變成一項安全、受人尊敬的體面工作。”

　　事實上，早在2008年，天瑪公司自主研制的SAC液壓支架電液控制系統(tǒng)應(yīng)用于神華寧煤集團石溝驛煤礦，實現(xiàn)了我國第一套完全自主知識產(chǎn)權(quán)液壓支架電液控制系統(tǒng)首套應(yīng)用，翻開了我國煤礦智能化開采國產(chǎn)化的篇章。SAC液壓支架電液控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，讓全國300多個綜采工作面用上自主創(chuàng)新的國貨精品，打破了國外長期壟斷，實現(xiàn)了對進口產(chǎn)品的替代。

　　2012年，為加大無人化開采研發(fā)力度，天瑪公司成立了無人化項目部，組建了以“綜采工作面無人化開采”為核心的80人專業(yè)研發(fā)團隊，并提出智能化無人開采“可視化遠程干預(yù)”和“智能自適應(yīng)”兩步走的技術(shù)發(fā)展路線，拉開了“智能化無人開采”探索的序幕。

　　在監(jiān)控中心采煤

　　“2013年，我?guī)е悄芑椖康近S陵一礦進行考察。在與礦上技術(shù)人員接洽交流的過程中，礦方有進一步改進工作面條件的需求，該礦條件又好，我就琢磨著，我們應(yīng)該可以更進一步合作，嘗試推進工作面無人化操作技術(shù)。”至今回想起來，智能無人化開采團隊項目部經(jīng)理黃曾華還很激動，“有了這個想法我就有點按捺不住，2014年剛過完春節(jié)我就帶隊冒著大雪去了黃陵一礦，進行進一步的論證考察。”

　　黃曾華回京后，將所有想法寫成方案向上匯報并得到迅速回饋，公司將該項目作為頭號重點項目，并得到黃陵公司的大力支持。隨后，天瑪公司的技術(shù)人員來到了現(xiàn)場，開始進行工程部署和現(xiàn)場定制化開發(fā)，尤其在可視化和控制系統(tǒng)方面進行攻關(guān)。

　　“技術(shù)設(shè)備不是一到礦上就能應(yīng)用，各個礦井條件千差萬別，新技術(shù)裝備的應(yīng)用在現(xiàn)場都有個磨合的過程。”黃曾華告訴記者。

　　據(jù)他介紹，無人化開采，首先要解決的是如何將在井下就地開采的采煤機轉(zhuǎn)移到監(jiān)控中心，當(dāng)技術(shù)條件達到在監(jiān)控中心可以采煤的時候，問題來了——長期在井下采煤的一線工人還無法轉(zhuǎn)變在地面也能采煤的思想，第一次在監(jiān)控中心試采，采煤工人兩手直哆嗦，遲遲不敢下手操作，并一再質(zhì)疑：“這樣真的行嗎？”時任黃陵一礦機電礦長的徐建軍見狀鼓勵他：“真的可以，如果出了什么問題，一切后果我來承擔(dān)，你放心操作。”這一刀切下去，讓大家興奮不已，意味著工作面無人操縱成為可能。

　　此后，黃陵一礦成功以順槽控制中心遠程干預(yù)的方式創(chuàng)造了連續(xù)3個工作循環(huán)采場無人的記錄。生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)班操作人員由11人減少至3人，在采煤工作面支架支護區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了“無人化”操作。實現(xiàn)了第一次突破，給所有人以最大的鼓舞。

　　把操作臺搬到地面

　　接著，嘗到甜頭的黃陵一礦提出，是不是可以把采煤機遠程干預(yù)操作臺搬到地面呢？研究團隊又嘗試和黃陵一礦一起解決遠程割煤監(jiān)控，一鍵啟動的難題。在此過程中發(fā)現(xiàn)，將采煤機遠程干預(yù)操作臺挪到地面，沒有井下安全標(biāo)準(zhǔn)、防爆要求等的約束，實現(xiàn)無人化開采反而更順手。

　　2014年5月，從項目提出到應(yīng)用到工作面，不到兩個月，首個智能化無人工作面在黃陵一礦誕生，該工作面首次實現(xiàn)了地面采煤常態(tài)化應(yīng)用，建立了我國第一個“無人化采煤”工作面。

　　當(dāng)年，由中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的現(xiàn)場評審專家組一致認為，該項目是我國煤炭開采從綜合機械化開采到無人化開采的轉(zhuǎn)折點，讓煤礦工人看到了實現(xiàn)“無人化采煤”的曙光，達到了國際領(lǐng)先水平。中國在煤炭開采行業(yè)首次以引領(lǐng)者的身份進入了一個以“智能化無人開采”為標(biāo)志的煤礦安全生產(chǎn)新時代。

　　時任國家安監(jiān)總局副局長、國家安全生產(chǎn)應(yīng)急救援指揮中心主任王德學(xué)一行深入1001工作面了解智能化無人開采技術(shù)后，高興地說：“黃陵礦業(yè)一號煤礦在水、火、瓦斯、煤塵、頂板‘五害俱全’的情況下，實現(xiàn)綜采工作面無人化開采，讓人心靈感到震撼，這不僅是深入貫徹習(xí)近平總書記提出的紅線意識和紅線理論的具體表現(xiàn)，是一項創(chuàng)舉，一次采煤技術(shù)的歷史性跨越，更是一場煤礦開采根本性的革命，為我國煤炭事業(yè)的發(fā)展和安全生產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展探索出了一條嶄新的道路，成為全國煤炭行業(yè)實施無人化開采技術(shù)的先行者，代表了我國煤炭事業(yè)的前進方向，可以稱之為‘國煤一號’。”

　　“讀懂”煤礦

　　智能化無人工作面的成功背后凝聚了我國煤礦科技人員眾多心血與智慧。在煤礦復(fù)雜的地質(zhì)條件、惡劣的環(huán)境、各種次生災(zāi)害下如何對數(shù)百臺的綜采設(shè)備陣列實現(xiàn)智能化控制并非易事，需要不斷創(chuàng)新，“讀懂”煤礦。

　　無人化開采技術(shù)研發(fā)過程中，涉及視頻、語音、井下通訊、數(shù)據(jù)傳輸、煤巖界面識別、采煤機位置檢測等多項技術(shù)，并需要在各項技術(shù)基礎(chǔ)上集成、創(chuàng)新。其中，“煤巖界面識別”是實現(xiàn)無人化開采的一項關(guān)鍵技術(shù)，國外嘗試了20多年至今沒有結(jié)果。國內(nèi)的專業(yè)技術(shù)人員也曾試驗音頻、紅外、炭檢測等多項技術(shù)，均無突破性進展。

　　面對“煤巖界面識別”等高難度技術(shù)短期難以攻破的實際境況，王金華提出兩步走戰(zhàn)略：第一步，采用視覺沉浸技術(shù)，把人的眼、耳感官延伸到工作面，在實現(xiàn)跟機自動化的基礎(chǔ)上遠程干預(yù)式的“無人化”采煤；第二步，在不間斷地對“煤巖界面識別”“自動找直”“防飄、防扎”等相關(guān)課題深入研究取得突破性成果后，實現(xiàn)完全智能化無人化采煤。

　　第一步戰(zhàn)略可以使采煤工人“身臨其境”監(jiān)控采煤生產(chǎn)，實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心對工作面設(shè)備進行遠程操控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程出現(xiàn)偏離，可及時進行人工遠程干預(yù)，從而達到工作面內(nèi)無人開采的目的。在此模式下，實現(xiàn)了一定程度的無人化開采，但眾多人工開采不會遇到的問題相繼出現(xiàn)：采煤作業(yè)粉塵影響視頻效果、液壓支架自動移架直線度難以保證、綜采設(shè)備姿態(tài)控制和防碰撞等等一系列難題擺在了技術(shù)人員的眼前。

　　團隊科研人員長期深入煤礦井下一線作業(yè)現(xiàn)場、充分借鑒其他行業(yè)先進技術(shù)手段、與國內(nèi)外一流的科研院所進行交流，在自動化開采向智能化無人開采的路上不斷披荊斬棘：他們將用于火箭導(dǎo)彈的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)引入煤礦井下，成功的實現(xiàn)了工作面直線度的檢測和智能控制；將納米涂層應(yīng)用于攝像頭減少煤塵在鏡面的累積；通過紅外線熱成像儀對采煤機滾筒進行增強現(xiàn)實以消除粉塵的阻擋；使用多種位姿傳感器融合檢測設(shè)備姿態(tài)并自主控制……

　　最終，“國產(chǎn)裝備智能化無人開采技術(shù)研究與工程實踐”項目獲得中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎，“智能煤礦建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與示范工程”獲得國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎，“煤炭綜采工作面智能化無人開采技術(shù)及裝備”獲得中國工業(yè)大獎表彰獎。短短五年時間，已申請煤礦智能化無人開采相關(guān)發(fā)明專利60余項，其中獲得授權(quán)40余項，形成了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤礦智能化無人開采技術(shù)專利體系。

　　“國煤一號”引領(lǐng)無人化

　　2015年5月，時任陜煤集團黃陵礦業(yè)公司董事長范京道在“全國煤礦自動化開采技術(shù)現(xiàn)場會”上介紹，一號煤礦智能化無人綜采工作面運行一年，生產(chǎn)原煤190萬噸，開機率97.3％，完全能夠滿足礦井正常生產(chǎn)需要。成本比國外同類設(shè)備降低一半以上的同時，每年可節(jié)約人工成本500萬－600萬元。

　　國家安監(jiān)總局副局長、國家安全生產(chǎn)生產(chǎn)應(yīng)急救援指揮中心孫華山在該會議上強調(diào)，要學(xué)習(xí)推廣黃陵一號煤礦智能化無人開采技術(shù)等先進經(jīng)驗，發(fā)揮典型示范帶動作用，提升煤礦機械化、自動化、信息化和智能化“四化”水平，促進產(chǎn)煤地區(qū)和大型集團企業(yè)實現(xiàn)減礦、減面、減產(chǎn)、減人“四減”要求，推動更多煤礦實現(xiàn)“零死亡”目標(biāo)，促進全國煤礦安全生產(chǎn)形勢持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)。

　　為加快成果轉(zhuǎn)化及技術(shù)應(yīng)用推廣，王金華帶領(lǐng)團隊針對煤礦各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境形成了不同“智能化無人開采技術(shù)”成套解決方案，并在神華集團、陜煤化集團、冀中能源、陽煤集團等15個礦區(qū)50多個綜采工作面進行了推廣應(yīng)用。

　　在寧煤金鳳煤礦、棗礦濱湖煤礦等實現(xiàn)了薄煤層綜采工作面的智能化無人開采，在提升開采效率的同時將人員降到零，為薄煤層礦井提高效益，解決企業(yè)生存問題提供了一條有效途徑；在淄礦集團巴彥高勒煤礦、淮南張集煤礦、兗礦轉(zhuǎn)龍灣煤礦、陜煤紅柳林煤礦等復(fù)雜地質(zhì)條件中厚或大采高工作面，實現(xiàn)智能化少人開采，減少工作面作業(yè)人員50%以上，有效降低了煤礦工人的勞動強度，改善了勞動環(huán)境，提高了煤礦安全生產(chǎn)水平。

　　2016年6月1日，國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《能源技術(shù)革命和創(chuàng)新行動計劃2016-2030》提出：“我國2030年實現(xiàn)智能化開采，重點煤礦區(qū)基本實現(xiàn)工作面無人化、順槽集中控制。”相信在科技不斷發(fā)展和國家政策強力支持下，從工作面局部無人開采到實現(xiàn)全工作面無人開采的那天，將加速到來。（文丨武曉娟）