内蒙古煤矿智能化建设标准研究与实践

 

刘道园１,２,赵旭晔１

(１. 中煤科工集团智能矿山有限公司,山西省太原市,０３００００; ２. 内蒙古智能矿山建设专家委员会,内蒙古自治区呼和浩特市,０１００００)

 

摘 要 介绍了内蒙古煤矿智能化建设标准的编制背景,结合自治区各类煤矿实际,研 究提出了 “以人为本、务实创新”的标准建设原则以及应遵循的 “１２３３３智能化建设理念”. 研究制定的内蒙古煤矿智能化建设标准包括:智能化基础平台标准、智能井工煤矿标准、智能露天煤矿标准和智能选煤厂标准;实践证明,这些标准有效推动了全区智能煤矿建设;自 ２０２１年１１月２日开始截至２０２２年６月１５日,内蒙古自治区首批９０处智能化建设煤矿已经完成验收.

 

关键词 煤矿智能化建设标准;减人提效;基础平台标准;智能井工煤矿标准;智能露 天煤矿标准;产业深度融合

 

作者简介:

刘道园 (１９８３－), 男, 宁夏石嘴山人, 博士, 中煤科工集团智能矿山有限公司副总经理, 内蒙古智能矿山学会会长, 主要从事信息技术研究和智能煤矿建设标准研究. E-mail: ldyzero＠１６３com

 

点击左下角“阅读原文”

 

１ 内蒙古煤矿智化能建设标准的编制背景

 

煤矿智能化作为煤炭工业先进生产力的代表, 引领着行业未来的发展方向,不仅是煤炭工业高质 量发展的核心技术支撑,也是破解当前煤炭行业发 展难题的重要手段.自２０１６年开始,国家为提倡煤矿智能化建设,国家发展改革委、国家能源局等部门联合发布了多个指导文件,从２０１６年４月７日编 制的 «能 源 技 术 革 命 创 新 行 动 计 划 (２０１６－２０３０ 年)»[１]到２０２１年６月５日公布的 «煤矿智能化建 设指南 (２０２１年版)»[２],河南、贵州、甘肃、陕 西、山西、内蒙、新疆等各地方政府根据地方特点 制定并发布了一系列相关标准和规范.

 

２０２１年１２月７日,国家能源局发布了 «智能化示范煤矿验收管理办法 (试行)»[３],建立智能 化煤矿分类、分级评价体系,明确了智能化煤矿设 计、建设、评价、验收等系列技术规范与标准体 系;２０２２年１月２４日,山西省能源局发布了 «全 省煤矿智能化建设指导手册»[４],明确了煤矿智能 化建设的目标、内容、技术路径、实施步骤、投资 范围,规 范 了 智 能 化 煤 矿 ９ 大 系 统 的 技 术 标 准; ２０２０年１２月３０日,贵州省能源局发布了 «贵州 省智能煤矿评定办法 (暂行)»[５],提出了煤矿智 能化验收的标准及办法;２０２０年１２月２１日,山 东省发展和改革委员会、山东省教育厅等１３个部 门联合发布了 «关于加快推进全省煤矿智能化发展 的实施意见»[６],以解决煤矿面临的灾害问题为主, 同时强调 关 注 科 技 创 新、人 才 队 伍 建 设[７];２０２１ 年３月１２日,陕西省发展和改革委员会、陕西省 应急管理厅、陕西煤矿安全监察局发布了 «陕西省 煤矿智能化建设指南 (试行)»,提出按照矿井建 设条件将全省矿井分为 A、B、C３类,根据建设 条件分类推进;２０２１年８月,内蒙古能源局等发 布了 «内蒙古自治区煤矿智能化建设验收办法 (试 行)»和 «内蒙古自治区煤矿智能化建设基本要求 及评分方法 (试行)»,提出了煤矿智能化建设标 准及验收办法.

 

在多重政策的推动下,智能矿山建设已进入加 速发展期[８].截至２０２２年３月,全国智能化采掘 工作面超８００个,与２０２０年相比增加６５％;全国 矿山事故下降４６８％,煤矿百万吨死亡率创历史 新低[９].截至２０２２年８月,部分采煤省煤矿智能 化建设情况见表１.

 

从表１可看出,在煤矿智能化建设标准的指导 下,这些省份均已取得不错的阶段性成果.但政策制定路径、智能矿山推进程度及政策执行情况,各有侧重,例如贵州省侧重生产设备全机械化及智能化,山东省则侧重解决冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害.同时,各省煤矿智能化建设及标准推行过程中存在以下共性问题.

 

(１)煤矿智能化建设成本高,周期长.煤矿智 能化建设还未形成系统性建设流程,建设单位的技 术能力参差不齐,还处在 “摸着石头过河”阶段, 且煤炭行业属于特殊行业,智能化设备成本较高, 导致部分效益差的矿井建设智能矿山存在困难.

 

(２)有 些 煤 矿 对 智 能 化 建 设 重 视 程 度 不 够, 缺乏一定的积极性.部分地区和煤矿片面地认为 煤矿智能化建设投入成本高,没有足够的技术支 撑,建设成果 显 现 缓 慢,又 怕 承 担 失 败 的 风 险, 仅仅满足于在安全生产前提下完成生产任务,故 对煤矿智能化建设呈观望的态度,导致煤矿智能 化建设相对滞后.

 

(３)有些煤矿智能化建设人才短缺,智能化系 统存在一定运维困难.由于社会普遍认知中传统煤 矿的形象还难以改变,安全生产成果没有得到广泛 宣传,导致煤矿很难吸引高素质、高学历的人才, 而且人才流失较为严重,难以支撑煤矿智能化建设 以及后期的运维等工作.

 

(４)有些地方煤矿智能化建设工作不够细化, 执行上有一定困难.部分省份只是围绕国家发布的 «关于加快煤矿智能化发展的指导意见»[１０]印发了 本省的智能化标准、规范,并未因地制宜地制定详 细的建设内容以及验收标准,导致煤炭企业找不到 建设内容和方向.

 

内蒙古自治区一直在积极推动煤矿智能化建设,探索适合全区煤矿智能化建设的标准和指导意见,但适用于所有煤矿智能化建设的标准还不存在,不同条件煤矿的智能化建设路径也不尽相同. 因此,制定能反映内蒙古自治区各煤矿普遍诉求的标准及其实施路径,最大程度解决煤矿智能化建设及标准推行过程中存在的共性问题至关重要.

 

２ 内蒙古煤矿智能化建设标准编制理念及其原则

 

目前制约内蒙古全区煤矿智能化发展的主要原因是缺乏高素质的技能型人才[１１],９０后员工占比 不足１０％,００后员工占比不足１％.

 

因此,内蒙古煤矿智能化建设坚持 “以人为本、务实创新”的原则,以自动化、信息化、智能 化技术为基础,以 “技术创新”和 “服务创新”为 手段,以保障员工生命安全、减少员工劳动强度、 提升员工幸福感为己任,以实现煤矿减人、提效、 增安为目标,为煤炭企业解决用工问题,吸引高素 质人才,支撑煤炭企业 “数智化”转型,保障企业 经济高质量发展.

 

内蒙古煤矿智能化建设标准要遵循 “１２３３３煤 矿智能化建设理念”,即:１ 个建设原则、２ 个坚 持、３点注意、３个重点、３个阶段,如图１所示.

 

(１)１个建设原则:“以人为本、务实创新”.

 

(２)２个坚持:一是坚持 “整体规划,分步实施”的建设路径,依据煤矿现有开采条件、装备能 力、配套设施和业务需求为导向,循序渐进地推进 煤矿智能化建设进程;二是坚持煤矿智能化建设水平由初级向高级缓慢迭代,可以小步快跑,但不可 跨越式建设.

 

(３)３点注意:一是注意要从本矿现状出发, 遵循煤矿智能化建设总体标准,一矿一策,设计先 行,明确建设目标、建设内容、保障能力及运行措 施,规避投资风险;二是注意煤矿智能化建设初期重点建设智能化基础平台和提升装备保障能力,以 数据、算力、算法、网络建设为核心构建自动化、 信息化、智能化基础架构和提升生产装备能力;三是注意煤矿智能化建设工作应实现整体与局部协同建设.

 

(４)３个重点:一是井工煤矿智能化重点提升采煤、掘进等重要生产装备的技术保障能力,通过智能化基础平台赋能采煤、掘进、主运、辅运、综 保、安全等子系统向 “少人、无 人、智 能 化”升 级;二是露天煤矿智能化重点提升采剥装备技术保障能力,通过智能化基础平台赋能采剥、保障、安 全等子系统向智能化升级;三是选煤厂智能化重点提升仪器仪表与保护装置的技术保障能力,支撑生 产工艺环节的自动化,通过智能化基础平台赋能整 体工艺流程,推动选煤厂从自动化向智能化升级.

 

(５)３ 个 阶 段:第 １ 阶 段 为 ２０２１－２０２２ 年, 业务上解决 “有和无”的问题,技术上解决 “连不 连”的问题.煤矿完善相应的生产、安全、经营子 系统,通过智能化基础平台把各子系统的数据 “纵 到底的连通”;第２阶段为２０２２－２０２３年,业务上 解决 “用不用”的问题,技术上解决 “通不通”的 问题.要真正把已建设的智能化基础平台和各子系 统用起来,通过智能化基础平台把各子系统的业务 “横到边的打通”;第３阶段为２０２３－２０２５年,业 务上解决 “好不好”的问题,技术上解决 “动不动”的问题.以业务为导向,在使用过程中找问 题,进行升级改造,以 “横到边、纵 到 底”为 基 础、以 “数据高内聚、业务低耦合”为系统架构原 则,进一步实现智能化赋能,让各子系统形成 “联 动”.最终支撑全矿形成智能化雏形,进而实现真 正的减人、增安、提效的目标.

 

３ 内蒙古煤矿智能化建设标准设计

 

内蒙古煤矿智能化标准具体包括智能化基础平台标准、智能井工煤矿标准、智能露天煤矿标准和智能选煤厂标准,其核心内容如图２所示.

 

３.１

智能化基础平台标准设计

 

“智能化” 是 将 信 息 化 技 术、自 动 化 技 术 和 智能化技术 (AI、５G、Mems等技术)相互融合 产生的 “技 术 驱 动 力”,即 基 于 数 据、算 力、算 法,结合技术创新和服务创新的手段,通过网络 对生产工具和企业经营赋能,推动生产工具由自 动化向智能化升级,企业经营由人为凭经验决策向智能化系统提供辅助决策转变.所以智能化基础平台 (即:智能化运算平台、智能化煤矿信息基础设施)以数据、算力、算法、网络建设为核 心构建 全 矿 井 智 能 化 基 础 架 构, 适 用 于 井 工 煤 矿、露天煤矿和选煤厂,为其智能化提供基础技 术支撑能力.

 

３.１.１ 智能化运算平台

 

智能化运算平台为煤矿智能化提供数据、算 力、算法支撑,解决当前煤矿存在算力资源失衡、 数据管理混乱、算法缺失等问题.算力资源应实现 CPU、GPU 算力按需弹性配置.数据平台汇聚煤 矿安全、生产、经营类数据,形成数据高内聚、业 务低耦合的架构,具备为第三方应用提供关联支撑能力.实现人工智能平台部署,按需为煤矿生产、 安全场景提供算法支撑保障能力,同时拓展机器人 集群管理及设备远程健康管理,在此过程中形成煤 矿自己的核心数据资产,减少重复投资,助力 “数 智化”转型.

 

３.１.２ 智能化煤矿信息基础设施

 

煤矿信息基础设施对有线网络、无线网络、综 合自动化及调度系统等方面提出要求.构建以万兆 工业环网、５G 无线网络等网元为基础的 “新型云 网架构”,积极推进５G 多频融合组网建设,降低 组网成本,满足数据传输及时延需求.关注网络安 全,实现专网与外网、控制网与管理网的隔离与管控.鼓励煤矿推进４G、５G (多频)、WiFi、Iot等融合组网,实现煤矿一网管控,鼓励各煤矿积极进 行各类５G 业务场景科技创新.对于环境监测类数 据、井下人员数据、非标准机电设备监测控制类等 数据,采 用 统 一 的 数 据 交 互 标 准 规 范 协 议, 对 “采、掘、机、运、通、给/排水”等主要生产环节 进行集成、联动控制[１２].

 

３.２

智能井工煤矿标准设计

 

３.２.１ 智能掘进系统

 

掘进工作面煤层赋存条件差异较大,且存在劳 动强度高、作业环境差等问题,为了确保掘进作业 顺利 进 行,标 准 要 求:巷 道 掘 进 应 采 用 掘、支、 锚、运过程及辅助作业高效的掘进技术体系,提高 全机械化作业的能力.建设远程集控平台,实现设 备的远程集中控制.鼓励煤矿积极探索新型锚网支 护材料的应用,攻克自动铺网、自动安装锚杆等技 术难题.除此以外,应鼓励煤矿在矿山安全、生 产、降低人员劳动强度等方面进行革新.

 

３.２.２ 智能采煤系统

 

目前采煤智能化技术相对成熟,全自治区大中 型煤矿基本完成了智能化升级改造.智能采煤系统 应实现采煤、支护、运输三大系统智能协同作业, 通过地面/巷道监控系统对综采设备的智能监测及 远程集中控制.鼓励煤矿积极采用远距离集中供液 电、国产惯导等技术;同时,鼓励煤矿在矿山安 全、生产、降低人员劳动强度等方面进行革新.

 

３.２.３ 主运输系统

 

煤矿主运输系统依据不同的运输方式实现差 异化建设,智能化建设重点应关注运输系统的远 程集控、智能联动以及无人值守.带式输送机应 具备完善的监测、保护装置以及关键位置视频覆 盖,实现集中协同控制和煤流平衡.立井提升系 统应具 备 对 箕 斗 运 行 状 态 和 保 护 装 置 的 监 测 监 控,实现 定 量 给 煤、 自 动 卸 载、 预 警 制 动 等 功 能.鼓励积极探索带式输送机顺煤流启动技术以 及井壁和罐道的淋水、锈蚀、变形、异物等监测功能,同时鼓励常态化使用巡检机器人代替人工 进行输送带巡检.

 

３.２.４ 辅助运输系统

 

煤矿应建设完善的智能辅助运输系统.轨道运输应实现机车位置的精准定位、远程控制、配套设 施完备且自动化.无轨胶轮车运输应实现车辆的精 准定位、车辆运行状态、驾驶员状态、红绿灯管控 及各类违章行为的实时管控和报警.副立井提升系 统应具备完善的保险装置及自动控制、安全闭锁、 变频调速、故障诊断、运行状态在线监测等功能. 采用混合运输情况下,不同运输方式之间的接驳应 实现机械化作业.鼓励探索无轨胶轮车无人驾驶技 术和架空乘人装置实现水平静止乘降.

 

３.２.５ 综合保障系统

 

综合保障部分从地质、通风、排水、压风、供电５个方面提出智能化建设要求.地质保障系统实 现地质、工程等数据的数字化动态管理并适时更 新,可以满足生产需求.通风、压风、排水、供电 均应实现无人值守与远程控制.综合保障各子系统 数据统一汇聚数据平台,实现数据的共享,为智能 联动控制提供数据支撑.

 

３.２.６ 井工煤矿安全管控系统

 

煤矿煤层赋存条件不尽相同,因此各煤矿应依 据自身条件及灾害类型进行差异化的安全管控智能 化建设.煤矿按需建设完善灾害监测监控系统,实 现灾害数据的采集、监测、自动上传及分析,实现 本地报警功能,灾害数据统一汇聚数据平台.基于 数据平台建设并完善灾害综合防治系统,具备双预 控管理机制,实现多种灾害监测数据的融合分析与 入井人员装备的互联互通.

 

３.２.７ 经营管理系统

 

经营管理系统的智能化建设应从煤矿运营、政 府监管层面做出要求.煤矿应建设完善的经营管理 系统,实现人、财、物、产、供、销等方面的精细 化管理.应建设完善的矿井智能化管理体制 (包括 合理的智能化建设规划、标准的智能化运行规定和 作业规程、适宜的智能化考核机制及办法、专业的 智能化运维团队),为煤矿智能化建设、运维及迭 代升级提供保障.

 

３.３

智能露天煤矿标准设计

 

３.３.１ 智能采剥

 

智能采剥部分的智能化要求根据煤矿生产工艺 流程进行智能化建设.穿孔设备、单斗挖掘机、破碎站、带式输送机、矿用卡车等相关设备均应具备 完善的监测、保护装置,满足环保、安全相关作业 要求,实现远程控制.对于间断式或半连续开采工 艺的煤矿,鼓励采用无人驾驶系统,实现常态化无 人驾驶编组运行,着力提高运输效率.

 

３.３.２ 智能保障

 

露天煤矿智能保障从 “地测采”信息管理、爆 破管理、辅助设备集中管控及管理体制方面提出要 求.煤矿应具备完善的 “地测采”管理系统,实现 地质数据的一体化、数字化动态管理.排水系统及 供配电系统实现远程控制及无人值守.拥有完善的 管理体制以及专业的智能化运维团队,为智能采剥 提供支撑.鼓励使用机器人代替人工巡检;鼓励使 用无人机、三维激光扫描仪进行航空测绘,适时更 新 “地测采”管理系统,实现与生产的联动,更好 地指导生产工作.

 

３.３.３ 露天煤矿安全管控系统

 

露天煤矿安全管控是各个煤矿均需要重点关注 的部分,对边坡监测、运输、消防和人员方面提出 要求.边坡监测需对边坡危险区域进行实时监测和 预警.运输安全要求矿区所有生产和辅助作业的车 辆实现精准定位,对运行状态、驾驶员违章行为进 行实时监控,保障运输安全.消防要求对易发生火 灾的区域具备完善的火灾变量装置和感温装置,实 现火灾监测、分析和报警功能.基于人工智能平 台,实现智能化的电子门禁、人员定位、考勤、轨 迹追踪、作业时长统计、关键岗位脱岗识别、危险 区域电子围栏等功能.

 

３.４

智能选煤厂标准设计

 

智能选煤厂对仪器仪表、保护装置、工艺流程、 生产过程智能控制方面提出要求.按需配置完善检 测仪表、保护装置,实现生产环节监测、控制、人 员定位、供配电、计量等全过程的实时感知和自动 控制,能够满足全过程数据统一汇聚.通过智能化 基础平台赋能整体工艺流程,实现选煤厂初级智能 化要求 (智能调节、智能分选、智能计量).鼓励机 器人的常态化使用 (巡检、捡矸),鼓励探索煤质在 线监测、智能加药、提高筛分效率等方面的科技创 新,进一步推动选煤厂由自动化向智能化升级.

 

４ 内蒙古煤矿智能化建设标准应用实践与发展展望

 

４.１

内蒙古煤矿智能化建设标准的应用实践

 

根据前述标准,研究制定了 «内蒙古自治区煤矿智能化建设验收办法»,自２０２１年１１月２日到 ２０２２年６月１５日,内蒙古自治区首批９０处智能 化建 设 煤 矿 已 经 完 成 验 收,并 取 得 良 好 的 推 动 效果.

 

(１)截至目前,全区第一批矿井入井人数平均 减少１１人,工作面开切眼内工作人员不超过５人, 掘进工作面人数不超过８人,在一定程度上实现了 煤矿智能化建设减人增效的目标.

 

(２)推动了煤矿５G 网络建设,完成行业５G ７００MHz与 X (２.１、２.６、３.５、４.９等)GHz频段 融合组网,实现５G 不同频段的场景化部署应用, 首次打通了全行业内第一个５G VoNR HiFi级别的 视频语音通话,通过 TDD与 FDD不同帧频结构混 合应用,降低了５G 组网成本４５％,提高网络稳定 性及传输可靠性３５％.为井下５G 高清视频通话、 采掘、运输、机电设备运行和 “一通三防”等提供 了更优质的无线通信保障,为构建矿井智能化应用 系统集群、推动煤矿高质量发展奠定坚实基础.

 

(３)提高了煤矿开采装备的保障能力,能够较 大程度上使部分煤矿生产作业劳动力得到解放,降 低了工作人员劳动强度,提升了员工幸福感.

 

４.２

内蒙古煤矿智能化建设发展展望

 

煤矿智能化建设是一个长期的迭代升级和持续 改进的过程,并不是一次达标的验收工程,目前内 蒙古煤矿智能化建设还存在一些问题,需要在推进 过程中逐步完善.通过固有标准去规划智能矿山高 级阶段不太切合实际,各类自动化、信息化、智能 化技术还在不断进步,在与矿山业务不断地融合、 迭代过程中还会出现更多、更好的技术创新应用和 服务创新模式.在未来煤矿智能化建设中,应进行 以下积极探索.

 

(１)积极探索新型智能化技术与煤炭产业的深度融合,通过基于业务需求和技术创新并行驱动的 “新型云网架构”(即:云、雾、边３级弹性算力体系),实现多种网络深度融合,云网高度协同,向 下支 撑 万 物 互 联、 向 上 支 撑 业 务 互 通, 协 同 联动[１３].

 

(２)积极探索边缘算力技术,实现边缘端实时数据分析和智能化处理,提升处理效率,保障智能 化终端高效安全运行.

 

(３)积极探索 Mems技术的应用,推动终端传感设备的智能化升级,构建更灵敏、更多元、更 准确的终端数据收集/传感设备.

 

(４)积极探索５G 和 AI技术的应用,推动形 成一批实用、适用、好用且多元化的智能终端产 品,以真正解决煤矿生产过程中的痛点问题.

 

(５)积极探索煤矿生产装备与智能化的深度融合,提升装备技术水平,打造更多、更好、更可靠 的智能化生产装备.

 

(６)积极探索智能化矿井与绿色低碳协同发展的新模式.

 

(７)积极探索智能化矿井与煤炭下游产业以及产需协同和煤炭精加工的新模式、新技术.

 

(８)积极探索智能化矿井人才队伍建设及运维保障的新模式、新机制.

 

５ 结论

 

(１)煤矿智能化建设标准必须与应用实际相结 合,即要 “接地气”.在一定时期中、一定程度上、 一定范围内,这些标准能反映绝大多数煤矿诉求, 并便于政府部门推动.

 

(２) 内 蒙 古 煤 矿 智 能 化 建 设 标 准 遵 循 的 “１２３３３煤矿智能化建设理念”,推动了全区煤矿向 智能化先进生产力方向的发展,突出了 “以人为 本,务实创新”原则,达到了减人提效的目的,保 障了煤矿安全生产,推动了煤炭企业高质量发展.

 

(３)煤矿智能化建设标准的制定,要做好整体 建设规划,循序渐进.同时要以科技创新、服务创 新为手段,寻求适用的、可实现的煤矿智能化建设 路径,逐步实现煤矿智能化建设过程的中、长期发 展目标.

 

(４)煤矿智能化建设是一个长期迭代升级和持 续改进的过程.未来需要在新型智能化技术与煤炭 产业的深度融合、生产装备与智能化的深度融合、 边缘端实时数据分析和智能化处理、５G 和 AI技 术在煤矿应用等领域进行不懈探索,助力煤炭行业 向 “智能、绿色、高效、环保”的可持续性新型煤 炭数字化生态转型.

 

参考文献（略）