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    • 論文
    主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

    學習強國|王國法院士:煤礦智能化愿景一定能實現

    2022-05-23   來源:學習強國

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    王國法院士學術思想專題 


    數字化、自動化、信息化、智能化,這些概念究竟是什么關系?事實上,我國煤炭工業幾十年來有一條綜合機械化發展的主線。理解了這條主線,就會理解,數字化、自動化、信息化,是你中有我、我中有你的關系,是智能化發展的基礎,也是從不同視角對智能化的表征,彼此交融。


    綜合機械化是智能化的基礎

      

      我國煤礦綜合機械化發展,大概起步于上世紀70年代末80年代初;全面進入綜合機械化發展,是在上世紀80年代中期。那時,我剛剛研究生畢業,來到煤炭科學研究總院(以下簡稱煤科院)。國家支持煤炭部搞“百套引進”計劃,吸收消化國外先進裝備和技術,核心是提高煤炭生產力水平,支撐國家經濟和社會發展。

      

      煤礦綜合機械化最早是比較簡單的。上世紀80年代中期,綜采和高檔普采兩種長壁開采方式同時發展。所謂高檔普采,就是工作面使用采煤機落煤、使用單體液壓體支護。所謂綜采,是實現工作面落煤、運煤、支護等全過程的機械化。

      

      當年,在計劃經濟體制下,國家統一從國外引進了130多套綜采設備,分配給各礦務局,但很多煤礦分到設備后,卻不肯讓設備下井。對于煤礦來說,越簡單的生產方式越容易組織生產。而液壓支架和配套設備安裝工程量大,在井下設備壞了怎么辦,推不動怎么辦,沒有產量怎么辦?這些問題都是煤礦的顧慮。這就造成了早期對綜合機械化認識上的分歧,在推廣綜采時遇到了很多困難,而且引進的液壓支架,不是針對我國煤礦條件設計的,適應性也不好。一些煤礦在使用綜采設備過程中出現很多事故,比如支架平衡千斤頂被拉斷了、工作面片幫冒頂導致支架推不動,等等。

      

      一直到上世紀90年代,業界對推行綜合機械化的分歧還是很大,特別是對綜采放頂煤開采的認識長期不能統一。支持者認為綜放是特厚煤層開采的最有效方法,反對者則抓住其安全和回采率等問題加以否定。

      

      煤礦推行機械化開采的前提條件是支護。在綜合機械化發展過程中,先要解決支架適應性、可靠性問題,保障工作面支得住、走得動。當時,煤科院北京開采所是煤炭工業部液壓支架技術歸口研發單位。從“六五”到“十五”國家科技攻關計劃,液壓支架一直是科技攻關的重點,也同時帶動了工作面成套設備的配套研發。

      

      1995年以后,雖然爭議依然存在,但全國大型煤礦基本接受了綜合機械化開采方式,逐漸認識到綜合機械化開采是安全高效開采的根本途徑。2000年以后,我們提出高效集約、建設安全高效礦井的概念和目標。

      

      實際上,在綜合機械化發展過程中,已經應用了自動化技術,自動化是綜合機械化的組成部分。從1990年到1995年,我們已經有了電液控制系統的研發思路。1988年,我們去當時的神華集團推廣電液控制系統應用。當時,神東礦區建設借鑒美國煤礦高效集約化長壁開采模式和經驗,開始大規模引進電液控制液壓支架和世界先進裝備,實施裝備高端化,開采集約化。

      

      1995年,我寫了第一篇關于電液控制系統國產化可行性研究報告,建議研發國產化電液控制系統,推動北京開采所聯合德國Maco公司,建立天瑪電液控制系統合資公司,研發和推廣液壓支架電液控制系統。

      

      2003年,兗礦集團首次在半個工作面成功應用了天瑪電液控制系統。自此,電液控制系統國產化逐漸開始有了起色。同年,我們在當時的晉城煤業集團寺河礦研發了5.5米電液控制大采高液壓支架,這是高端綜采裝備國產化的真正開始。隨后,煤炭行業“黃金十年”來臨,高端電液控制液壓支架從6米、7米、8米到10米,快速發展和大規模應用起來。

      

      在不同的發展階段,煤炭工業的發展主題不同。2000年以后,煤炭工業發展主題是建設高產高效礦井。煤礦開采以高效為目標,煤礦感受到高端裝備帶來的安全和經濟效益。2005年至2009年,中國煤炭科工集團、神華集團、中煤能源集團合作完成重大裝備國產化項目——年產600萬噸大采高綜采成套技術與裝備,全面推進了綜采高端裝備國產化,該項目獲得國家科技進步獎二等獎。

      

      煤礦智能化發展尚處于初級階段

      

      在煤礦綜合機械化不斷升級發展的基礎上,我們提出了煤礦智能化概念。2010年,國家發改委和工信部組織開展智能制造專項研究,我們申報了煤礦綜采智能化系統項目,被列入國家智能制造專項。

      

      煤礦智能化先從工作面開始,首個項目在陜煤集團紅柳林礦業公司7米大采高工作面展開。同時該集團黃陵礦業公司也找到了我們。

      

      紅柳林礦以厚煤層為主,開采條件好,適合超大采高智能化綜采,也是國內外第一個成功實現7米超大采高智能化綜采的煤礦。

      

      黃陵礦區煤層有薄煤層、中厚煤層和厚煤層。2011年,我們在黃陵一礦開始設計首個1.1米至2.2米薄煤層和中厚較薄煤層智能化工作面,解決了無人化作業等一系列難題,比如工作面三角煤的自動截割等。2014年,該智能化開采工作面建成并通過鑒定,成為全國第一個智能化示范工作面,開創了“工作面一人巡視,無人操作”常態化遠程控制采煤“黃陵智能化開采模式”。

      

      智能開采成為煤炭行業發展的新主題。最初的“自動化”以實現液壓支架電液控制為支撐和標志;現在的“智能化”,要實現基于工作面全時空信息感知、智能決策、全自動化運行,工作面內不需要人工操作。

      

      對煤礦智能化概念的糾纏并無太大意義,那如何界定智能化?智能化至少要具備三個基本要素——裝備的自感知、自決策、自執行。當然,設備不可能一開始就達到理想的智能化程度,但我們在判斷時,要看是否具備智能化的基本要素。煤礦智能化是一個不斷發展的過程,智能化系統和裝備需要不斷迭代升級。

      

      黨的十九屆四中全會以后,人工智能、5G、大數據、區塊鏈等新技術得到重視,各行各業開始推廣智能化。從煤炭工業發展角度看,實現高質量發展需要以科技創新作為核心驅動力,而支撐煤炭行業高質量發展的核心,在于全面推進煤礦智能化建設。

      

      2019年,我和中國工程院10位院士一起,向中辦和國辦提交了一份“關于加快煤礦智能化發展的建議”的院士建議。此份建議是八部委發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》的重要基礎,涵蓋了發展原則、分階段目標、主要任務以及保障措施等?!蛾P于加快煤礦智能化發展的指導意見》的出臺,使煤礦智能化建設真正上升到國家層面。

      

      從智能化開采到全礦井智能化,涉及層面很多。對于井工煤礦來說,智能化系統更復雜。在頂層設計里,我們梳理出至少上百個子系統,再把系統歸納為十大應用系統。我們團隊這幾年的研究成果,就是把煤礦智能化建設架構全部清晰化、細節化,研發出十大應用系統關鍵技術,并找到不同類型煤礦智能化建設的有效路徑和落地實施方案,研究建立煤礦智能化的基礎理論和技術標準體系。

      

      2019年至今,我們開展了一系列典型智能化煤礦系統頂層設計和所需裝備研發,針對不同類型礦井條件,探索不同建設路徑。比如,在張家峁煤礦全面智能化改造中,提出煤礦智能化系統與關鍵裝備的研發,取得十大創新成果,為已生產煤礦智能化升級提供了樣板;在巴拉素煤礦和可可蓋煤礦,我們從設計規劃開始,全面植入智能化基因,全系統、全環節統一進行智能化設計和礦井建設施工。

      

      目前,煤礦智能化尚處于初級階段或培育示范階段,一些關鍵技術還存在瓶頸。我們應力爭突破瓶頸,形成全面的智能化技術支撐。

      

      按照當前速度,用不了很長時間,煤礦智能化就會像綜合機械化一樣,逐漸完善并走向成熟。在綜合機械化發展早期,很多采煤隊不愿用綜采設備,覺得單體支柱搬起來就能走,液壓支架又大又重,安裝搬家耗時耗力。但到了后來,沒人愿意搬單體支柱了。智能化也一樣。發展到成熟階段,不搞智能化就沒人愿意干了。

      

      我們提出的煤礦智能化愿景,就是實現煤礦全時空信息實時感知、安全風險雙重預防閉環管控,生產過程全部自動化作業,讓職工更幸福、企業更高質量地發展。這是符合科學規律的,是一定能夠實現的。

      

      新形勢下的煤礦智能化發展方向

      

      當前,煤炭行業雖面臨政策、環境等壓力,但能源保供基本面依然決定煤炭行業有很好的發展機遇。落后產能逐漸淘汰,產業集中度進一步提高,有助于發揮智能化集約化礦井的產能優勢。毫無疑問,今后煤礦要發展智能化?!半p碳”目標對于優勢煤炭企業來說,其實更多是利好。

      

      今后一個時期,我國能源需求仍將保持增長,但不確定性因素增加,這就需要應對煤炭需求的彈性要求。有人提出要搞煤炭戰略儲備,建應急煤礦。我認為煤炭與油氣不同,存放久了會自燃,不應與油氣、糧食等一樣進行產品戰略儲備,而應科學布局產能儲備。

      

      在此背景下,我提出建設以煤礦智能化為支撐的煤炭柔性生產供給體系,該體系只有借助智能化技術才能實現。

      

      柔性生產供給體系實際上是從智能制造領域引伸來的概念。智能制造柔性生產線可滿足個性化產品需求,提供訂單式生產選擇。煤炭生產要滿足彈性需求,柔性生產供給體系是一個必然方向。因此,我們提出了建立智能柔性煤炭生產供給體系的科學構想,提出了柔性生產供給體系模型和技術架構,界定了相關概念,比如什么是柔性生產供給體系、什么是柔性度系數。

      

      從國家能源發展和能源安全戰略出發,我認為建設智能柔性煤炭生產供給體系是保障國家能源安全、建設現代能源體系中最貼近實際的一條路徑。建設柔性生產供給體系,需要煤礦智能化技術的支撐,即在需求旺盛的時候,柔性生產供給體系能在保證安全生產的情況下,快速增加產量;在市場低迷的時候,也可以快速減少產量,不會對礦山造成較大的系統和人員成本等損失。

      

      此外,我還提出了建設5G+ABCD智能化支撐技術體系,構建現代能源與礦業治理體系。應用5G通信技術與人工智能、區塊鏈、云計算、大數據等技術相結合,建設“煤智云”煤炭行業智能化大數據中心,建立一個從礦井、集團、省級到國家層面的四級全國煤炭和能源智能管理和交易平臺。

      

      要滿足柔性生產供給,必須使信息能在全國范圍共享。我們對柔性生產供給系統運行模式提出了設想,要有全國智能系統平臺、中間服務機構等,及時把需求端、生產端的信息連接起來,便于提前預測煤炭的消費需求變化,及時調整煤礦生產計劃。

      

      我最新提出的6S智能化煤礦概念,也是我們對煤礦智能化本質的思考。智能化煤礦的基本要求是什么?6S(Safety、Security、Sustainability、Sensitivity、Service、Smartness)最符合煤礦智能化的特征和要求。具體而言,第一是安全,煤礦要保證系統、設備、信息、功能等各方面的安全。第二是可靠,運行系統、設備要可靠。第三是可持續,資源可持續、生態可持續、發展可持續,保證運行質量和效率。第四是系統敏感性或系統柔性,系統的柔性主要體現在技術核心要素、技術架構上,這需要對供需鏈條上的信息敏感、對響應敏感等。第五是系統的全面服務,建立新型的服務體系,從提供設備向提供全生命周期增值服務轉變。第六是智慧,系統智能與人文智慧高度融合,形成煤礦綜合智慧生態。

      

      社會科技發展進入智能化時代。新一代信息技術與傳統產業融合發展,是社會基本發展規律。我們科研人員需要做的,是適應規律,要在社會科技變革、工業革命的過程中不掉隊,使煤炭行業實現健康、高質量發展。

      

    (作者系中國工程院院士、中國煤炭科工集團首席科學家,本文由王國法口述、《中國煤炭報》記者王世雅整理)


      責任編輯:宮在芹

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