煤矿智能化建设需破障前行

版次:m3    作者:王世雅来源:    2019年09月07日

国家能源集团神东大柳塔煤矿调度员用手机与井下工作人员进行4G视频通话

智能化无人开采在陕煤集团黄陵矿区成为常态

同煤集团塔山煤矿8222工作面智能化操作平台

国家能源集团神东煤炭集团锦界煤矿智能控制指挥中心外,员工在休息、讨论工作

“智能”翅膀 煤炭机遇

煤矿智能化建设需破障前行

本报记者 王世雅

从煤炭行业自动化、可视远程干预、工作面自动找直、基于透明工作面智能割煤、全智能自适应开采等智能化关键技术的发展来看,我国煤矿正处在自动化和可视化远程干预阶段之间,即煤矿智能化1.0时代和2.0时代之间。

智能化建设的“一盘棋”中,如果标准体系、传输网络等顶层设计各做各的,最终会造成系统操作复杂,不仅增加工作量,还易使系统变成数据孤岛。煤矿建设过程中,要考虑预期效果,坚持设备系统协同发展。

在传感技术与计算科学技术的不断突破中,一种更加高级的煤炭智能化无人开采理念应运而生,即智能自适应开采技术模式。该模式包括三维激光扫描技术、惯性导航结合无线定位的复合导航定位技术等。

与航天、军工、钢铁、物流、电力等行业相比,煤矿智能化建设才刚刚起步。

虽然全国152处煤矿已建成183个智能化采煤工作面,但这些煤矿仅占2823处正常生产煤矿的5.38%。很多煤矿已实现井下无人值守、有人巡视,地面调度中心成为煤矿的中枢神经,但在系统化集成应用等领域仍存在诸多问题。此外,智能化建设技术标准与规范缺失、技术装备保障力度不足、研发平台不健全、高端人才匮乏等问题也困扰着煤矿企业。

一种普遍的认识是,我国仍处于煤矿智能化建设的初级阶段。在此过程中,煤矿企业有哪些困惑和诉求,未来智能化建设应朝什么方向发展,如何加快智能化建设的脚步,是煤炭人特别关心的话题。

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智能化开采技术和装备是智慧煤矿核心

要对智慧煤矿复杂系统进行总体规划并建设综合管控平台,煤矿企业就应该逐步建立起地质及矿井采、掘、机、运、通信息动态管理“一张图”系统,同时继续完善智能快速掘进系统,加快研发和应用智能化无人开采工作面协同控制系统、煤矿井下环境感知及安全管控系统等

“煤矿的智能化建设是一个复杂的系统工程,无论开采技术,还是装备体系、管理体系、培训体系等,都应与传统的煤矿有本质区别。”北京大学教授、博士生导师毛善君在近期辽宁能源集团召开的“四化”和“一优三减”工作推进会上说。

以智能化开采为例,它与传统的开采模式有何不同?中国工程院院士王国法有自己的理解。

“智能化开采区别于一般自动化开采的显著特点是设备具有自主学习和自主决策功能,具备自感知、自控制、自修正的能力。具备这些能力的智能化综采系统才能充分响应生产环境变化,实现真正意义上的智能化开采。”王国法说。

在王国法眼里,智能化开采技术和装备是智慧煤矿的核心。王国法介绍,经过近10年的技术攻关和创新,我国煤炭智能化无人开采技术和装备研发已取得阶段性进展,以陕煤集团黄陵矿区常态化远程监控无人操作的智能化开采模式和同煤集团塔山煤矿研发的20米特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备为代表,我国煤矿已实现多种形式的智能化无人开采。

记者了解到,现如今,多数煤矿企业已建成大容量光纤以太网和百兆同步数据网,形成了完善的网络管理系统、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”得到推广;煤炭地质云平台正式上线;部分矿井应用了4G通信系统,正向5G迈进;无人驾驶矿车也逐渐展露身影。

毛善君表示,从煤炭行业自动化、可视远程干预、工作面自动找直、基于透明工作面智能割煤、全智能自适应开采等智能化关键技术的发展来看,我国煤矿正处在自动化和可视化远程干预阶段之间,即煤矿智能化1.0时代和2.0时代之间。“可以说,我国煤矿的智能化建设在全世界范围内已经取得了很大的进步,改变了其落后的形象。”毛善君说。

“下一步,我们要对智慧煤矿复杂系统进行总体规划,建设综合管控平台,实现数据全面标准化、数据统一存储和实时传输,并可以进行大数据分析;要逐步建立起地质及矿井采、掘、机、运、通信息动态管理‘一张图’系统,将三维空间图形展示与时间动态信息结合,动态反映全矿井信息。”王国法说,“同时,我们要继续完善智能快速掘进系统,改进掘进工艺技术,破解快速支护、自主连续掘进等关键技术难题,构建适用于不同煤层条件的煤矿智能化快速掘进工艺技术与装备体系;要加快研发和应用智能化无人开采工作面协同控制系统、智能化运输管理系统、煤矿井下环境感知以及安全管控系统等。”

煤矿智能化建设是一个不断进步的过程。王国法表示,其发展不仅受制于物联网、大数据、人工智能等科技的发展,同时还受煤炭开采基础理论、工艺方法、围岩控制理论等因素的制约,是一个多学科交叉融合的复杂问题。

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应用问题要引起足够重视

煤矿井下智能化工作面最新的技术是采煤机的记忆截割,但是采煤机不能随着煤层的起伏变化自动生成隔离线,其空间姿态跟煤层难以适应

王国法表示,目前,我国煤矿智能化发展尚处于初级阶段,存在研发投入滞后于企业需求等问题。

来自陕煤集团黄陵矿业公司一号煤矿,从事煤矿机电技术管理工作的薛振江称,智能化工作面在全方位视频监控、变频调速、工艺流程、数据集中化共享等方面存在优势,不过也存在着未开发煤岩识别系统和找平系统、软件有待继续优化、上窜下滑控制系统有待开发、远程供液需要进一步优化等问题。

“在工作面顶板出现变化时,系统不能及时自动调节采煤机滚筒高度,必须由人工进行干预。日常生产过程中,一个小班工作结束后,如人员未干预,可能出现工作面运输机上窜下滑、煤壁不平整等情况,达不到工程质量要求的‘三平一直’。智能化综采工作面系统在使用过程中偶尔会出现视频死机、卡屏等现象,对系统断电重启后方可运转。”薛振江说。

毛善君也指出,工作面生产环境状态不透明对采煤机自适应的能力造成影响。此外,煤岩层识别困难、传感器数量不能满足设备智能化需求、工作面成套装备如何与地质模型空间耦合、工作面信号传输缺乏稳定性、缺乏统一的管控平台和标准体系、缺少对设备全生命周期可视化的智能管控等问题也存在。

“以采煤工作为例,井下智能化无人开采工作面最新的技术是采煤机的记忆截割,但是采煤机不能随着煤层的起伏变化自动生成隔离线,其空间姿态跟煤层难以自适应。”毛善君表示,智能化建设的“一盘棋”中,如果标准体系、传输网络等顶层设计各做各的,最终会造成系统操作复杂,不仅增加工作量,还易使系统变成数据孤岛。

“所以,我们在建设智能化系统时,要考虑预期效果,坚持设备系统协同发展。”毛善君表示。

智能化系统的使用还给煤矿管理模式、培训体系等带来深远影响。在人才培养方面,陕煤集团红柳林矿业公司职工感受颇深。

2016年,该公司25207智能化综采工作面正式开工建设。此工作面采高6.3米,使用美国大功率电牵引采煤机,配套国产大采高液压支架、大功率刮板运输机和转载机等先进装备。面对成套的智能化设备,如何组织安装、调试、运行,实现安全生产,是该公司面临的首要问题。

为此,该公司从78名学过信息自动化专业的高学历职工中抽调了15人,组成技术团队成立了智能化管理中心,全面负责矿井智能化综采工作面的建设、运行、维护和管理。技术人员采用网查资料、翻阅书籍、请教厂家、与科研项目课题组联合技术攻关等方式,破解了工作面倾斜角度大、支架护帮板与煤机滚筒联动困难等难题。

不过,该公司相关负责人表示,智能化综采工作面的阶段性成功,虽是一个历史性突破,但是煤层分布不均匀等因素导致采煤过程中推溜不整齐、设备设施配合不理想等问题经常出现,要实现真正全智能化无人开采还有很多的工作要做,其关键是培养好并用好与其相适应的科技人才。

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有步骤分阶段地向集成化跨越

智能化建设必须在管理理念、投入力度、研发团队建设等方面下大功夫,从未来发展趋势看,应从5个方面提升智能化水平

“实际上,无论是目前的‘可视远程干预式’综采智能化,还是基于工作面直线度控制的综采智能化,都只是实现智能化无人开采技术的有效路径。从严格意义上讲,这两种方式还不能完全离开人的智慧,需要发挥机器和人的各自的特长,规避各自的短处。”不久前,中国煤炭科工集团北京天地玛珂电液控制系统有限公司总经理兼总工程师李首滨发表了题为《煤炭智能化无人开采的现状与展望》的文章,提出了自己的看法。

李首滨认为,目前,煤炭智能化无人开采仍然处于综采自动化结合可视化远程干预的半自动阶段,仍须在管理观念、投入力度、研发团队建设等方面下大功夫。

“我建议,国家有关部门组织开展煤炭智能化无人开采基础理论和短板技术专项攻关,制定煤矿智能化建设相关标准与政策法规,支持煤炭智能化无人开采重大装备研发和高端煤机制造产业发展,建设一批智能化示范煤矿,建立全国煤矿大数据中心。”王国法表示,应加快推进信息化、数字化与矿业的交叉融合,积极推动智能化开采模式示范矿井建设。

王国法称,煤矿智能化建设应充分发挥市场在资源配置中的决定性作用,完善相关支持政策,激发煤矿企业的内生动力和创新力;准确把握新一轮科技革命和产业变革趋势,加强中长期战略研究,加大资金和技术投入,注重人才培养;加强统筹规划,因地制宜建设一批效果突出、带动性强的示范工程,形成煤矿智能化产业发展模式,推进煤矿智能化向纵深发展;加强基础理论研究,鼓励开展多元化合作,秉承互利共赢,形成煤炭行业新的优势。

随着物联网、虚拟现实、人工智能等技术的兴起,煤炭行业将新型技术应用到煤炭智能化无人开采中成了一种不可阻挡的趋势。在传感技术与计算机科学技术的不断突破中,一种更加高级的煤炭智能化无人开采理念应运而生,即智能自适应开采技术模式。该模式包括三维激光扫描技术、惯性导航结合无线定位的复合导航定位技术等。

“尽管我们进行了大量的理论与实践的探索,但受限于当前技术条件水平,煤炭行业对智能自适应开采技术模式的探索尚停留在理论层面。”李首滨表示。

相关专家表示,从未来发展趋势看,煤炭行业应该从5个方面提升智能化水平。在横向覆盖范围方面,从单个工作面向单一煤矿,再向集团公司,甚至整个矿区延伸;在产业链延伸方面,从煤炭生产数字化向煤矿生产经营数字化,再向煤化工、煤电、物流等整个产业链数字化延伸;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。

“未来,煤矿智能化发展将会颠覆传统就业格局,复合型人才越来越抢手。”中国煤炭学会理事长刘峰表示,“要注重培养一线和青年科技人才,打造多种形式的煤矿智能化人才培养平台,加大对科学家和高层次人才的吸引力度。”

此外,刘峰还认为,煤矿企业应站在安全、集约、高效和可持续发展的战略高度,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建设跨越。