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略，保障煤炭及相關產業高質量發展，前不久，國家能源局發布了《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》)。據了解，此次征求意見稿是自1996年《中華人民共和國煤炭法》發布以來，第一次大規模修訂。

　　在征求意見稿中，就煤炭智能生產技術裝備的研究、應用和重大工程示范作了專門要求，以期推動煤炭生產的提質增效和安全生產。

　　中國工程院院士、中國煤炭科工集團（煤炭科學研究總院）首席科學家王國法在接受《中國科學報》采訪時表示：“總體來看，當前我國煤礦智能化發展處于一個培育示范推廣階段，企業的實踐也表明，煤礦智能化是未來煤炭行業發展的必然趨勢，要堅定不移地沿著這一方向向前推進。”

　　發展趨勢 核心支撐

　　我國煤炭資源儲量豐富，能源結構以煤炭為主。據統計，新中國成立以來，煤炭占我國一次能源生產量的70%、消費總量的60%以上。

　　“在我國一次能源中，煤炭是最經濟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和消費量的比例略有下降，但在未來相當長一段時間內，煤炭仍將在我國能源結構中占較大比例，仍是我國的戰略能源，是我國能源安全的“壓艙石”。

　　面對煤炭工業高質量發展的要求，和實現安全高效綠色開采和更加清潔高效利用的發展目標，煤礦智能化是核心技術支撐已成為行業共識。

　　王國法表示，煤炭領域的智能化信息化是將大數據、人工智能、云計算等信息技術與煤炭開發技術與裝備進行深度融合，形成全面自主感知、實時高效互聯、智能分析決策、自主學習、動態預測預警、精準協同控制的煤礦智能系統，實現礦井的安全高效智能運行。“這也是煤炭工業實現高質量發展的必然要求。

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

　　“該指導意見推動了行業進一步凝聚共識、統一思想。”令王國法感到欣喜的是，除了煤炭企業自身，例如三大移動運營商、華為公司等信息技術的龍頭企業都以前所未有的高漲熱情參與煤礦智能化建設。

　　的確，煤礦智能化既是未來趨勢，更是發展需求。

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

　　他對煤礦井下智能化、無人化發展的迫切性有著深刻體會。“事故調查表明，煤礦井下作業人員越多，發生事故的概率越大，事故傷亡人數越多。因此，減少煤礦井下作業人員，是減少煤礦重特大事故和傷亡人數的有效措施。減少煤礦井下作業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方面還需加大研發力度，如采煤工作面無人和少人作業，掘進工作面無人和少人作業，礦用車輛無人駕駛，供電、輸送機和排水無人值守等。

　　部分領跑 “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《中國科學報》，煤礦井下巷道斷面小、巷道長度達10余千米、有瓦斯等爆炸性氣體、礦塵大，瓦斯、水災、火災、沖擊地壓、頂板等事故威脅著煤礦安全生產，這也是提升煤炭科技裝備面臨的難點和痛點。“因此，需要針對煤礦井下特殊環境和特殊要求，研發適用于煤礦安全生產需求的技術和裝備。”

　　事實上，自新中國成立以來，我國綜合機械化水平有著巨大提升，實現了生產力和生產方式的大跨越，這為智能裝備發展奠定了良好的基礎條件。

　　王國法表示，煤礦智能裝備和煤礦機器人的內涵是一致的，是指具有自感知、自決策和自動運行功能，可替代人工完成煤礦特殊作業的機器。

　　2019年1月，國家煤礦安監局正式公布了《煤礦機器人重點研發目錄》，提出了重點研發的掘進、采煤、運煤、安控和救援5類、38種煤礦機器人，并對每種機器人的功能提出了具體要求，力爭把煤礦工人從惡劣環境與危險繁重的勞動中解放出來。

　　“從全球來看，我國在解決復雜條件開采的技術裝備領域處于引領水平。其中，發展最快的應當是煤礦綜采智能裝備體系，或稱綜采機器人群。而掘進機器人群差距則相對較大。”王國法說。

　　經過多年發展，我國煤炭綜采技術裝備已從依賴進口到全部國產化。特別在近10年來，我國通過智能化開采技術與裝備的創新研發，突破多項關鍵技術，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與裝備方面實現領跑。

　　此外，在部分企業的積極推動下，我國已建成一批以工作面智能化開采和數字化信息化管理系統為標志的先進煤礦。

　　王國法認為，未來，要特別重視共性關鍵技術和短板技術的研發工作。

　　孫繼平也表示，目前，綜采工作面已實現采煤機、液壓支架、刮板輸送機等聯動和記憶割煤；帶式輸送機根據運煤量自動調速。煤礦安全監控系統、礦井人員精確定位系統，以及礦用膠輪車運輸、礦用電機車和礦井供電等監控系統，礦井移動和礦井救災等通信系統等已推廣應用。

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

　　借5G之勢 分類分級推進

　　盡管我國智能煤礦建設取得了重要進展，但必須看到的是，智能化程度遠未達到理想狀態。

　　“煤礦是一個非常復雜的巨系統，其中至少包括100個以上的子系統。”王國法把智能化煤礦建設重點分為十大智能系統，包括煤礦智慧中心及綜合管理系統、煤礦安全實時通信網絡及地下精準位置服務系統等。“十大主要智能系統分別由若干個相關煤礦智能化子系統組成，數以百計的煤礦智能化子系統協同運行，構成煤礦智能化巨系統。”

　　作為新一代信息技術的代表，5G技術的商業化運營為智能煤礦發展帶來了新的機遇。

　　王國法表示，5G在煤礦的應用與5G的商業化應用基本是同時起步的。5G技術具有大帶寬、廣連接和低時延的優勢，契合了煤礦智能化發展需要更廣泛數據接入、更大數據傳輸帶寬和更低延時控制的要求，為打通煤礦智能化開采上下行傳輸的高速通道奠定了基礎。

　　近年來，在信息技術企業的支持投入下，我國已在部分礦區布局井下5G網絡、基站等。

　　王國法說，未來，要進一步開發5G基站設備，滿足井下組網的要求。此外，還要根據應用場景進一步提升5G技術，包括網絡切片技術，邊緣計算的技術，云計算相關技術，以解決“云、邊、端”控制流程的各種相關難題。

　　孫繼平最早進行礦用5G研究，研究了礦用5G技術及其適用范圍，他表示，礦用5G宜采用本質安全型防爆、用于控制的礦用5G應具有較強的抗干擾能力、采煤工作面和掘進工作面地面遠程控制與井下車輛無人駕駛地面遠程控制宜選用礦用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直接在煤礦井下應用。”孫繼平強調，還需根據煤礦井下特殊需求，研究礦用5G技術和系統，而不僅僅是對現有地面5G產品進行防爆改造。

　　面對未來，王國法表示，我國各地煤層賦存條件、開采技術條件具有復雜性和多樣性，區域發展不平衡性比較突出。據此，要分類分級推進煤礦智能化建設工作。“我們已經起草制定了煤礦智能化技術標準體系、智能化煤礦分類分級技術條件與評價標準、智能化開采工作面技術條件與評價標準等，即將發布實施，為全國不同層次煤礦智能化建設明確建設目標，提供建設標準和技術指導，推動我國煤礦智能化整體發展。”