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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

学习强国|王国法院士:煤矿智能化愿景一定能实现

2022-05-23   来源:学习强国

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王国法院士学术思想专题 


数字化、自动化、信息化、智能化,这些概念究竟是什么关系?事实上,我国煤炭工业几十年来有一条综合机械化发展的主线。理解了这条主线,就会理解,数字化、自动化、信息化,是你中有我、我中有你的关系,是智能化发展的基础,也是从不同视角对智能化的表征,彼此交融。


综合机械化是智能化的基础

  

  我国煤矿综合机械化发展,大概起步于上世纪70年代末80年代初;全面进入综合机械化发展,是在上世纪80年代中期。那时,我刚刚研究生毕业,来到煤炭科学研究总院(以下简称煤科院)。国家支持煤炭部搞“百套引进”计划,吸收消化国外先进装备和技术,核心是提高煤炭生产力水平,支撑国家经济和社会发展。

  

  煤矿综合机械化最早是比较简单的。上世纪80年代中期,综采和高档普采两种长壁开采方式同时发展。所谓高档普采,就是工作面使用采煤机落煤、使用单体液压体支护。所谓综采,是实现工作面落煤、运煤、支护等全过程的机械化。

  

  当年,在计划经济体制下,国家统一从国外引进了130多套综采设备,分配给各矿务局,但很多煤矿分到设备后,却不肯让设备下井。对于煤矿来说,越简单的生产方式越容易组织生产。而液压支架和配套设备安装工程量大,在井下设备坏了怎么办,推不动怎么办,没有产量怎么办?这些问题都是煤矿的顾虑。这就造成了早期对综合机械化认识上的分歧,在推广综采时遇到了很多困难,而且引进的液压支架,不是针对我国煤矿条件设计的,适应性也不好。一些煤矿在使用综采设备过程中出现很多事故,比如支架平衡千斤顶被拉断了、工作面片帮冒顶导致支架推不动,等等。

  

  一直到上世纪90年代,业界对推行综合机械化的分歧还是很大,特别是对综采放顶煤开采的认识长期不能统一。支持者认为综放是特厚煤层开采的最有效方法,反对者则抓住其安全和回采率等问题加以否定。

  

  煤矿推行机械化开采的前提条件是支护。在综合机械化发展过程中,先要解决支架适应性、可靠性问题,保障工作面支得住、走得动。当时,煤科院北京开采所是煤炭工业部液压支架技术归口研发单位。从“六五”到“十五”国家科技攻关计划,液压支架一直是科技攻关的重点,也同时带动了工作面成套设备的配套研发。

  

  1995年以后,虽然争议依然存在,但全国大型煤矿基本接受了综合机械化开采方式,逐渐认识到综合机械化开采是安全高效开采的根本途径。2000年以后,我们提出高效集约、建设安全高效矿井的概念和目标。

  

  实际上,在综合机械化发展过程中,已经应用了自动化技术,自动化是综合机械化的组成部分。从1990年到1995年,我们已经有了电液控制系统的研发思路。1988年,我们去当时的神华集团推广电液控制系统应用。当时,神东矿区建设借鉴美国煤矿高效集约化长壁开采模式和经验,开始大规模引进电液控制液压支架和世界先进装备,实施装备高端化,开采集约化。

  

  1995年,我写了第一篇关于电液控制系统国产化可行性研究报告,建议研发国产化电液控制系统,推动北京开采所联合德国Maco公司,建立天玛电液控制系统合资公司,研发和推广液压支架电液控制系统。

  

  2003年,兖矿集团首次在半个工作面成功应用了天玛电液控制系统。自此,电液控制系统国产化逐渐开始有了起色。同年,我们在当时的晋城煤业集团寺河矿研发了5.5米电液控制大采高液压支架,这是高端综采装备国产化的真正开始。随后,煤炭行业“黄金十年”来临,高端电液控制液压支架从6米、7米、8米到10米,快速发展和大规模应用起来。

  

  在不同的发展阶段,煤炭工业的发展主题不同。2000年以后,煤炭工业发展主题是建设高产高效矿井。煤矿开采以高效为目标,煤矿感受到高端装备带来的安全和经济效益。2005年至2009年,中国煤炭科工集团、神华集团、中煤能源集团合作完成重大装备国产化项目——年产600万吨大采高综采成套技术与装备,全面推进了综采高端装备国产化,该项目获得国家科技进步奖二等奖。

  

  煤矿智能化发展尚处于初级阶段

  

  在煤矿综合机械化不断升级发展的基础上,我们提出了煤矿智能化概念。2010年,国家发改委和工信部组织开展智能制造专项研究,我们申报了煤矿综采智能化系统项目,被列入国家智能制造专项。

  

  煤矿智能化先从工作面开始,首个项目在陕煤集团红柳林矿业公司7米大采高工作面展开。同时该集团黄陵矿业公司也找到了我们。

  

  红柳林矿以厚煤层为主,开采条件好,适合超大采高智能化综采,也是国内外第一个成功实现7米超大采高智能化综采的煤矿。

  

  黄陵矿区煤层有薄煤层、中厚煤层和厚煤层。2011年,我们在黄陵一矿开始设计首个1.1米至2.2米薄煤层和中厚较薄煤层智能化工作面,解决了无人化作业等一系列难题,比如工作面三角煤的自动截割等。2014年,该智能化开采工作面建成并通过鉴定,成为全国第一个智能化示范工作面,开创了“工作面一人巡视,无人操作”常态化远程控制采煤“黄陵智能化开采模式”。

  

  智能开采成为煤炭行业发展的新主题。最初的“自动化”以实现液压支架电液控制为支撑和标志;现在的“智能化”,要实现基于工作面全时空信息感知、智能决策、全自动化运行,工作面内不需要人工操作。

  

  对煤矿智能化概念的纠缠并无太大意义,那如何界定智能化?智能化至少要具备三个基本要素——装备的自感知、自决策、自执行。当然,设备不可能一开始就达到理想的智能化程度,但我们在判断时,要看是否具备智能化的基本要素。煤矿智能化是一个不断发展的过程,智能化系统和装备需要不断迭代升级。

  

  党的十九届四中全会以后,人工智能、5G、大数据、区块链等新技术得到重视,各行各业开始推广智能化。从煤炭工业发展角度看,实现高质量发展需要以科技创新作为核心驱动力,而支撑煤炭行业高质量发展的核心,在于全面推进煤矿智能化建设。

  

  2019年,我和中国工程院10位院士一起,向中办和国办提交了一份“关于加快煤矿智能化发展的建议”的院士建议。此份建议是八部委发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的重要基础,涵盖了发展原则、分阶段目标、主要任务以及保障措施等。《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的出台,使煤矿智能化建设真正上升到国家层面。

  

  从智能化开采到全矿井智能化,涉及层面很多。对于井工煤矿来说,智能化系统更复杂。在顶层设计里,我们梳理出至少上百个子系统,再把系统归纳为十大应用系统。我们团队这几年的研究成果,就是把煤矿智能化建设架构全部清晰化、细节化,研发出十大应用系统关键技术,并找到不同类型煤矿智能化建设的有效路径和落地实施方案,研究建立煤矿智能化的基础理论和技术标准体系。

  

  2019年至今,我们开展了一系列典型智能化煤矿系统顶层设计和所需装备研发,针对不同类型矿井条件,探索不同建设路径。比如,在张家峁煤矿全面智能化改造中,提出煤矿智能化系统与关键装备的研发,取得十大创新成果,为已生产煤矿智能化升级提供了样板;在巴拉素煤矿和可可盖煤矿,我们从设计规划开始,全面植入智能化基因,全系统、全环节统一进行智能化设计和矿井建设施工。

  

  目前,煤矿智能化尚处于初级阶段或培育示范阶段,一些关键技术还存在瓶颈。我们应力争突破瓶颈,形成全面的智能化技术支撑。

  

  按照当前速度,用不了很长时间,煤矿智能化就会像综合机械化一样,逐渐完善并走向成熟。在综合机械化发展早期,很多采煤队不愿用综采设备,觉得单体支柱搬起来就能走,液压支架又大又重,安装搬家耗时耗力。但到了后来,没人愿意搬单体支柱了。智能化也一样。发展到成熟阶段,不搞智能化就没人愿意干了。

  

  我们提出的煤矿智能化愿景,就是实现煤矿全时空信息实时感知、安全风险双重预防闭环管控,生产过程全部自动化作业,让职工更幸福、企业更高质量地发展。这是符合科学规律的,是一定能够实现的。

  

  新形势下的煤矿智能化发展方向

  

  当前,煤炭行业虽面临政策、环境等压力,但能源保供基本面依然决定煤炭行业有很好的发展机遇。落后产能逐渐淘汰,产业集中度进一步提高,有助于发挥智能化集约化矿井的产能优势。毫无疑问,今后煤矿要发展智能化。“双碳”目标对于优势煤炭企业来说,其实更多是利好。

  

  今后一个时期,我国能源需求仍将保持增长,但不确定性因素增加,这就需要应对煤炭需求的弹性要求。有人提出要搞煤炭战略储备,建应急煤矿。我认为煤炭与油气不同,存放久了会自燃,不应与油气、粮食等一样进行产品战略储备,而应科学布局产能储备。

  

  在此背景下,我提出建设以煤矿智能化为支撑的煤炭柔性生产供给体系,该体系只有借助智能化技术才能实现。

  

  柔性生产供给体系实际上是从智能制造领域引伸来的概念。智能制造柔性生产线可满足个性化产品需求,提供订单式生产选择。煤炭生产要满足弹性需求,柔性生产供给体系是一个必然方向。因此,我们提出了建立智能柔性煤炭生产供给体系的科学构想,提出了柔性生产供给体系模型和技术架构,界定了相关概念,比如什么是柔性生产供给体系、什么是柔性度系数。

  

  从国家能源发展和能源安全战略出发,我认为建设智能柔性煤炭生产供给体系是保障国家能源安全、建设现代能源体系中最贴近实际的一条路径。建设柔性生产供给体系,需要煤矿智能化技术的支撑,即在需求旺盛的时候,柔性生产供给体系能在保证安全生产的情况下,快速增加产量;在市场低迷的时候,也可以快速减少产量,不会对矿山造成较大的系统和人员成本等损失。

  

  此外,我还提出了建设5G+ABCD智能化支撑技术体系,构建现代能源与矿业治理体系。应用5G通信技术与人工智能、区块链、云计算、大数据等技术相结合,建设“煤智云”煤炭行业智能化大数据中心,建立一个从矿井、集团、省级到国家层面的四级全国煤炭和能源智能管理和交易平台。

  

  要满足柔性生产供给,必须使信息能在全国范围共享。我们对柔性生产供给系统运行模式提出了设想,要有全国智能系统平台、中间服务机构等,及时把需求端、生产端的信息连接起来,便于提前预测煤炭的消费需求变化,及时调整煤矿生产计划。

  

  我最新提出的6S智能化煤矿概念,也是我们对煤矿智能化本质的思考。智能化煤矿的基本要求是什么?6S(Safety、Security、Sustainability、Sensitivity、Service、Smartness)最符合煤矿智能化的特征和要求。具体而言,第一是安全,煤矿要保证系统、设备、信息、功能等各方面的安全。第二是可靠,运行系统、设备要可靠。第三是可持续,资源可持续、生态可持续、发展可持续,保证运行质量和效率。第四是系统敏感性或系统柔性,系统的柔性主要体现在技术核心要素、技术架构上,这需要对供需链条上的信息敏感、对响应敏感等。第五是系统的全面服务,建立新型的服务体系,从提供设备向提供全生命周期增值服务转变。第六是智慧,系统智能与人文智慧高度融合,形成煤矿综合智慧生态。

  

  社会科技发展进入智能化时代。新一代信息技术与传统产业融合发展,是社会基本发展规律。我们科研人员需要做的,是适应规律,要在社会科技变革、工业革命的过程中不掉队,使煤炭行业实现健康、高质量发展。

  

(作者系中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家,本文由王国法口述、《中国煤炭报》记者王世雅整理)


  责任编辑:宫在芹

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