郑煤集团拥有直管矿井 10 座、兼并重组矿井 37 座，主要分布在郑州矿区，其中直管矿井中煤与瓦斯突出矿井 8 座、水文地质条件复杂矿井 5 座，兼并重组矿井井型产能普遍较小、装备水平较低。郑州矿区煤层为“三软”不稳定煤层，存在开采条件复杂、自然灾害严重、劳动用工多、安全风险大、开采成本高等突出问题。为解决面临的问题，郑煤集团公司立足生产实际，结合矿井产能、服务年限、开采地质条件、灾害治理、采掘接替等情况，把智能化建设作为矿井安全、高效、绿色发展的重要途径，推动企业高质量发展。文章来源：《智能矿山》2024年第9期 “视角·观点”栏目
作者简介：刘道玉，教授级高级工程师，博士，现任郑煤集团生产管理部副总经理，主要从事机电自动化、智能化方面的研究与应用工作。E-mail：dyliu2009@126.com引用格式：刘道玉，刘永生.郑州矿区复杂地质条件煤矿智能化建设模式思考[J].智能矿山，2024，5（9）：10-17.点击文末左下角“阅读原文”，免费下载阅读pdf全文关注微信公众号，了解更多矿山智能化建设进展
郑煤集团公司老矿井多，基础条件较差，装备水平不高，主力矿井采煤工作面平均月产量约 8 万t，掘进工作面平均月进尺不足 100 m，原煤平均单位成本超过 400 元，人工费用占成本约 40%。要提升效益、走出困境，必须提升矿井装备机械化、智能化水平，提高生产效率，降低人力成本。
煤矿“招工难、留人难”问题日益突出，35 岁以下的青壮劳动力不愿到煤矿采掘一线工作，老员工自然退休、新员工补充不足，员工结构年龄老化日趋严重，倒逼矿井也必须走机械化、智能化开采之路，改善井下作业环境，降低职工劳动强度，减少井下用工人数。通过梳理 10 座直管矿井及兼并重组矿井智能化建设基础和条件，确立了“机械化为基础、自动化为主导、信息化为支撑、智能化为方向”的建设思路，分类分级确立矿井智能化建设目标和任务，见表 1。
（1） 对可采储量 10 a 以上、自动化信息化基础较好矿井，如新郑煤电公司、白坪煤业公司、告成煤矿、杨河煤业公司、芦沟煤矿等 5 座矿井，利用 1～2 a全面推进信息化、智能化建设，建成省级智能化煤矿，创建国家级智能化示范煤矿。
（2） 对服务年限 5 a 以上矿井，如大平煤矿、磴槽煤矿，机械化、自动化基础较薄弱，利用 2～3 a，先期主要进行机械化、自动化升级改造，完善信息化基础设施，进一步进行采掘智能化建设，2025 年底前建成省级智能化煤矿。（3） 对临近关闭退出的矿井，如超化煤矿、教学二矿，主要进行排水、供电、压风、主通风、主煤流运输、主提升等子系统自动化建设，正常运维现有自动化、信息化子系统。（4） 产能较小及兼并重组矿井 （30 万 t/a 及以下），机械化、自动化基础较差，重点进行采掘机械化改造提升，机电自动化子系统建设。首先实现综合机械化采煤，稳步提升掘进机械化水平，有序推进主排水系统、井上下供电系统、主通风机、压风机系统、主煤流运输系统等远程监测监控和自动化运行，进一步对资源储量较好的矿井，进行采掘工作面智能化改造。
依据上述建设思路，根据不同矿井煤层赋存条件、资源储量、井型规模、灾害治理等实际情况，编制了 《郑煤集团公司煤矿智能化建设 （发展） 方案 （2021—2025 年）》，从总体要求、主要任务、保障措施等 3 个方面，规划部署 2021—2025 年郑煤集团公司煤矿智能化建设工作，按照“从装备升级改造到系统集成应用，从条件简单矿井到条件复杂矿井”的建设步骤，明确不同类型矿井智能化建设时间表和路线图。郑煤集团所属直管矿井采煤已基本实现械化，掘进机械化水平差距较大，尤其岩巷掘进，鉴于此，采煤方面主要围绕装备自动化、智能化升级，掘进方面主要围绕机械化、自动化作业线建设。直管骨干矿井重点推进采煤技术装备自动化、智能化升级，推广应用乳化液保障系统、两巷超前支护液压支架、锚网索主动加强支护，试点应用10 000 kN 高阻力液压支架、大截深采煤机，推广综采工作面安装拆除“变形金刚”装置，取消综采工作面安装使用单体柱和倒链；兼并重组矿井重点推进采煤装备机械化升级改造。遴选不同开采条件的矿井开展示范项目建设，以点带面推动采煤工作面智能化建设，构建“记忆割煤+自动跟机移架+时序放煤+可视化人工干预”的智能化采煤模式。以新郑煤电公司、告成煤矿、白坪煤业公司等矿井为试点，建设智能化低位放顶煤工作面；以芦沟煤矿为试点，建设轻型支架智能化工作面，形成覆盖不同煤厚放顶煤智能化采煤模式。智能化采煤工作面正常回采比未改造前减岗7～9 人/班，人均工效超过 70 t/工。告成煤矿 23041智能化综采放顶煤工作面如图 1 所示，实现了步进式推移刮板输送机，跟机模式下自动将刮板输送机推出蛇形段，根据邻架支架姿态，自动调整支架的高度、角度、侧护板 （根据邻架角度，判断是否倒架），工作面支架 （除过渡支架外） 根据设置动作参数或记忆动作参数，实现自动依次放煤或隔架放煤。
图1 告成煤矿 23041 智能化综采放顶煤工作面
先期重点推进掘进装备机械化替代人工作业，实现由炮掘、半机械化向全面机械化转变，降低职工劳动强度。在此基础上，推进自动化、智能化建设，减少工作面作业人数。直管矿井煤巷掘进使用掘进机、液压锚杆钻车、掘锚一体机、巷道修复机等，岩巷掘进使用硬岩掘进机、钻装机组、凿岩台车、远距离喷浆机等，淘汰岩巷工作面耙渣机作业线、人工打眼以及煤巷掘进工作面人工“破装”作业方式。兼并重组矿井推广应用挖装机、小型掘进机等轻型掘进设备。“三软”煤层煤巷掘进需边掘边支、及时支护，掘进机掘出 1 个支护排距后要立即支护，以白坪煤业公司、新郑煤电公司、杨河煤业公司等为试点，推动掘进机远程可视化控制、临时支护、永久支护机械化作业，实现人机分离，探索掘、支、锚、护协同机械化作业线。构建了煤巷“掘锚一体机+辅助机械化作业线+液压锚杆钻车滞后补强打锚索”、岩巷“硬岩掘进机+液压锚杆钻车+辅助机械化作业线”智能化掘进模式。智能化掘进工作面比未改造前减岗 3～5 人/班，人均工效大于 0.2 m/工，促进了单进水平提升。新郑煤电公司 22202 下付巷智能化掘进工作面如图 2 所示，利用交接班期间地面远程控制掘进机截割作业，探索地面截割、井下支护作业模式。
图 2 新郑煤电公司22202 下副巷远程截割作业
全面推进机电固定设备自动化、智能化改造，做到设备监控、环境监测全覆盖，供电、排水、压风、主煤流运输等生产场所基本实现无人值守或集中控制。截至目前，郑煤集团公司直管骨干矿井机电大型固定设备整体综合自动化率达到 83.5%，变电所 自 动 化 率 为 78.7%， 排水 泵 房 自 动 化 率 为96.3%，空压机房自动化率为 93.3%，主煤流运输自动化率为 78.1%，主提升系统监测监控率为 77.8%，主通风机监测监控率率为 83.3%。机电固定岗位累计减少用工 400 余人，较好地实现了减人提效目标。告成煤矿主煤流运输多机智能协同控制系统如图 3 所示，实现了-100 m 水平 7 部带式输送机及上仓带式输送机共 12 部带式输送机集控、钢丝芯在线监测、AI 视频分析、巡检机器人等技术融合，地面智能化集控中心对带式输送机进行日常远程开、停机运行，现场岗位操作工由原来的每班 18 人，减少至现在 3 人巡检，减少岗位人员 45 人，实现了减人提效。
图3 告成煤矿主煤流运输智能协同控制系统
郑煤集团公司所属矿井辅助运输装备较为落后，存在大量小绞车群运输方式，环节多、效率低、安全风险大。为解决此问题，以连续化运输装备替代小绞车群运输为抓手，推广应用各种动力单轨吊车、无轨胶轮车、普轨卡轨运输车、履带运输车、弯道推车机、变频控制无极绳连续牵引绞车等新型辅助运输设备，推行大巷、采区辅助运输连续化，实现采区辅助运输到工作面无转载连续运输。新采区优先设计单轨吊运输方式，新掘进工作面推广应用单轨吊、无轨胶轮车或其他连续运输方式，综采工作面安装、回撤逐步实现单轨吊运输。推进建设井下辅助运输可视化预警及车辆定位跟踪系统，提升辅助运输信息化和安全保障水平。以告成煤矿为试点，建立矿井地质信息库，地质数据、工程数据实现数字化存储和多业务系统共享，为安全高效采掘提供地质保障。以白坪煤业公司为试点，构建通风设备、设施、参数全感知融合系统，实现通风参数智能感知、通风网络自动解算、风量智能调控以及通风设施灾变联动控制等。推广应用大功率履带钻机、智能化钻机、高效煤水分离设备，淘汰低扭矩框架式钻机，提升瓦斯治理钻机台效。建设通风压风与瓦斯抽采系统，全面推广主通风机自动化倒机和远程启停常态化运行，推进矿井水、火、瓦斯、顶板、粉尘等灾害监测与防控系统融合，提升矿井灾害防控能力。因地制宜开展煤矿工业网络升级扩容，根据不同井 型 、 不同 应 用 场 景 ， 推进 传 统 工 业 以 太 网 、F5G、5G、UWB、WiFi6 等“有线+无线”灵活组网，推广部署 WiFi6/5G/UWB 融合基站，满足物联网感知、工业控制、视频监控等综合承载要求，并实现多场景一网融合。建设矿井数据中心、综合管控平台，探索 5G 场景落地应用。截至目前，郑煤集团公司已建成集团视频私有云存储平台，所属 10 座直管矿井已全部完成可视化系统建设，7 座矿井已完成万兆网络建设，5 座矿井已完成标准化数据中心、智能化综合管控平台建设。研究探索煤矿物联网高效接入与深度分析应用技术，建立矿井数据治理体系，框架如图 4 所示，提高矿井智能感知、分析、决策能力，实现矿井装备生产状态信息的全面感知、实时高效交互、智能分析及安全生产预警。深入挖掘利用安全、生产及经营数据，实现矿井采、掘、机、运、通、环境、人员、经营等全流程智能协同管控。
图4 矿井数据治理体系框架
探索人工智能在人员危险行为识别报警、设备管控、环境保障、工程质量视觉评价、机器人巡检、灾害分析预警等方面的应用。告成煤矿试点建设井下 AI 视频识别系统，智能抓拍井下重点区域违规行为。推广应用无人机巡线、胶带机巷巡检机器人、井筒巡检机器人、煤仓机器人、水仓清挖机器人、搬运机器人、选矸机器人等先进技术装备，替代人工劳动或危险作业。芦沟煤矿、新郑煤电公司、告成煤矿实现了无人机对地面矿区架空供电线路巡查。告成煤矿试点应用副井筒巡检机器人，替代人工巡查井筒装备、管线，新郑煤电公司、告成煤矿大坡度带式输送机巷实行机器人巡检。新郑煤电公司西翼上仓带式输送机巷 5G+巡检机器人应用如图 5 所示，从视频图像、声音、温度、气体成分、粉尘浓度等方面，智能识别带式输送机及运行环境存在的异常现象，精准识别各种安全隐患和事故风险，取得了良好效果。
图5 新郑煤电公司西翼上仓带式输送机巷 5G+智能巡检机器人
面对煤矿智能化快速发展趋势，矿井急需既懂煤矿开采又熟悉信息技术的复合型人才，支撑智能化日常建设、常态化运行的专业化运维队伍。要求煤矿企业基于这一变化和发展趋势，设置高效精干的智能化管理机构，理顺智能化管理体制，加快人才队伍培养。新郑煤电公司、告成煤矿、白坪煤业公司、杨河煤业公司、芦沟煤矿等 5 座矿井已成立专门的智能化管理科室，鼓励有条件的矿井建立专业的智能化运行维护队伍。就目前矿井情况看，智能化专业人才引进较为困难，主要依靠企业内部挖掘培养、自我提升。为避免出现建而不用现象，制定出台智能化系统运维考核管理方法，重点考核采掘工作面生产班岗位人数、采煤机记忆截割率、液压支架自动跟机率、掘进机智能截割率、支护机械化率、单进水平，机电子系统远程集控、无人值守运行率等，持续提升已建成智能化项目常态化运行水平，更好地发挥智能化系统运行效能。
3.1 存在问题
（1） 理念认知方面
煤矿开展全面智能化建设需投入大量资金、人力、物力资源，且需要高素质的技术人员支撑，部分矿井取得了一定的技术、经济与社会效益，但部分矿井投入产出比明显较低，导致部分矿井智能化建设意愿不强烈，对煤矿智能化建设的重要性和紧迫性认识不足，存在观望和畏难情绪，片面强调地质条件复杂、装备技术不成熟等问题，担心出问题、影响产量的思想压力，不愿用、不敢用、不会用。未认识到煤矿智能化建设的实质是推动煤矿装备升级、人员素质提升、管理理念转变的重要举措。部分矿井忽视智能化建设的系统性，只重视装备投入，忽视了人员培训、系统优化、装备配套等工作，重投入轻应用，重硬件轻软件，重平台轻数据，重展示轻操控，“盆景式”系统运行华而不实。
（2） 技术装备制约方面
受制于设备稳定性和可靠性、智能系统运维难度及地质复杂程度等因素，很多矿井建成了智能化采掘工作面，但智能化开机率较低，距离常态化运行差距较大。部分智能化技术装备与矿井地质条件融合度不够，智能化综采放顶煤工艺在复杂地质条件下，自动跟机移架、放煤 （特别是工作面端头割三角煤区域），还需进一步摸索实践，自动拉架、伸收护巷板过程中，支架柱脚浮煤清理问题，发生片帮、流煤带来的瓦斯问题，电液控系统电源模块、电磁阀滤芯、传感器、传输线缆等日常运行过程中出现损坏、故障较多，运维人员力量不足，都制约着系统常态化运行效果。
“三软”煤层围岩不稳定、可掘性差，易发生冒顶、片帮，掘进机掘出 1 个支护排距后立即进行支护，一种方式是采用悬臂式掘进机加装临时支护和机载钻臂的掘锚护一体机，机载钻臂存在锚杆锚索施工定位操作不灵便、钻进效率低 （尤其遇到半煤岩时）、前置式钻臂截割过程中振动大、易损坏等问题，制约了设备使用效率；另一种方式是采用掘进机和液压锚杆钻车交替作业模式，掘进与支护工序不连续，影响作业效率，设备交替作业期间掘进工作面空顶时间较长，不利于安全生产。
（3） 日常运维方面
智能化系统建好是任务，管好、用好是目的，需专业技术和技能人才队伍支撑。当前矿井普遍智能化建设、运维人才不足，智能化煤矿运维保障体系尚未建立，采掘智能化系统装备“搬家倒面”涉及智能化设备 （如电液换向阀组、传感器、控制器、摄像仪、线缆等），在上个工作面拆除后，随采掘装备大修后转移至下个工作面再安装，智能化系统相关设备、配件丢失、损坏率大、维修升级费用较高。
矿井传统管理模式与信息化业务流程不协调、不匹配，简单将现有生产、管理模式流水化软件实现信息化、智能化，导致流程越来越繁琐、效率反而降低。因此，智能化煤矿管理体系亟待提升，需开展煤矿智能化管理模式重塑、业务流程再造，实现煤矿全系统、全流程、全链条智能化的整体推进。
3.2 解决对策
（1） 坚定目标方向，理念认知再提升
要认识到智能化不是数据、技术、算法、信息基础设施与煤矿场景的机械式组合，而是建立在对底层逻辑、业务流程、数理关系的深刻理解和清晰刻画基础之上。智能化建设是渐进迭代式发展过程，不是“基建交钥匙工程”，需要“人、机、环、管”融合匹配，包括装备、工艺改进，操作维护人员熟练程度提高，劳动组织优化等方面。百年以来的煤炭开采史证明，每一次开采工艺的重大变革，都不可避免伴随“不适用的阵痛”，只有加大科技创新力度，才能“抚平”并“根治”阵痛。就郑煤集团而言，坚定“采煤智能化少人化、掘进机械化自动化、机电固定岗位无人值守化”智能化建设总方向，针对不同产能规模和地质条件矿井，特别是地质条件复杂、基础薄弱矿井，要先解决采掘机械化、自动化问题，特别是快速掘进问题，认真总结以往的实践经验，建立不同类型的示范工程，进行观摩学习，通过示范引领，增强干部职工对智能化建设的信心和决心。
（2） 突破关键技术瓶颈，提升装备易用性可靠性
针对当前制约郑煤集团公司矿井安全高效开采的瓦斯高效治理、巷道快速掘进、综采放顶煤自动化等技术难题，通过自主创新和协同创新等不同方式，联合相关科研院所和装备厂商，加快技术攻关力度，开发适用于郑州矿区复杂地质条件的智能化技术和装备。针对瓦斯高效治理问题，加快井下搬运、自动打钻、巷道清理、清淤等各种作业机器人研发和集群应用，有效替代井下工人高强度劳动工作岗位。
针对矿井智能快速掘进难题，综合考虑掘进工作面围岩稳定性及影响因素、优化巷道支护参数、减少支护工艺流程、提高同时作业钻臂数量等措施。通过创新巷道掘进模式，有效提升巷道掘进效率与智能化水平。积极探索新型快速掘进成套技术装备，实现掘进过程中各环节、各工序、各设备间有效衔接、相互联动、协同融合，形成配套的快速掘进作业线。新型掘进装备盾构机或护盾式掘锚机从理论上、实践上可根本解决快速掘进问题，建立“盾构机 （护盾式掘锚机） +锚杆自动化快速作业平台+自移机尾+连续运输”掘进作业线，实现前掘后支、多处同时平行进行锚杆支护作业，突破支护环节效率低、用工多难题。
综采放顶煤自动化方面，进一步研究探索适合“三软”煤层工作面两端头区域采煤机自动割煤、液压支架跟机自动化开采工艺，结合插板行程及尾梁、掩护梁倾角传感器，基于时序、记忆、振动及灰分监测等手段进行后部放煤操作自动化控制，结合放煤口位置、开度、成组控制等手段，实现放煤工艺闭环控制。提升智能装备复杂恶劣环境的稳定性、适用性和运维便捷性，推进生产工艺、设备运行、环境监测、灾害治理等智能分析系统融合，建立生产大数据远程辅助决策与安全预警体系，实现采煤工作面少人、安全、高效回采。
（3） 建立完善标准规范，运维管理上台阶
在做好智能化系统建设的同时，认真总结建成项目的运行经验及存在的问题，梳理形成智能化采煤、智能化掘进、智能化机电、煤矿机器人等系列建设、安装验收、操作运维、回撤规范要求和指导意见。鼓励有条件的矿井建设专业智能化运维队伍，探索成立智能化采煤、掘进班组，促进建成的智能化系统常态化使用并达到预期效果。
为有效管控采掘智能化系统装备“搬家倒面”维修升级费用，除做好日常维护保养外，“搬家倒面”做到成套装备整体转移使用，实行编码管理，智能化设备设施回撤按照安设位置进行拆除，分类按编码存放、验收入库。
坚持“干中练、练中干”，以项目实战带动人才队伍培养，定期开展技术研讨、专题讲座等，举办智能化采煤、掘进、机电等技术研讨培训班，通过智能化矿井及采掘工作面建设，挖掘人才、加强培养，以实战促进技术人才成长。
（1） 系统梳理分析郑州矿区复杂地质条件煤矿煤层赋存条件、资源储量、灾害程度、生产能力、智能化建设基础等方面，确立了“机械化为基础、自动化为主导、信息化为支撑、智能化为方向”建设思路，明确了不同类型矿井智能化建设任务，重点探讨了适合郑州矿区特点的煤矿智能化建设路径，分析了智能化建设过程中存在的问题，提出了解决对策。
（2） 郑煤集团公司已累计建成省级智能化煤矿4 座、智能化采煤工作面 8 个、智能化掘进工作面 13个，供电、排水、压风、主煤流运输等生产场所基本实现无人值守或集中控制，部分生产环节、关键地点实现机器人巡检代替人工作业，智能化建设已取得积极成效。
（3） 目前存在不少问题，如尚未建立智能化运维保障与管理体系标准，已建成的部分智能化系统常态化运行率不高、发挥实效不明显等。当前郑州矿区煤矿智能化建设尚处于发展初级阶段 （远程控制/自动化），距真正实现智能化还有很长一段路要走，煤矿智能化是不断迭代发展的过程，需要理论技术创新与建设实践相互促进，应当按照基于目标导向的煤矿智能化分类、分级建设模式与技术路径，因矿施策，推进煤矿智能化建设。
