近年来，随着煤炭资源的开发和利用，选煤工艺中存在的问题也逐渐浮现。传统的选煤工艺存在效率低、能耗高、环境污染重等问题。“采煤出产量，选煤提质量”，原煤入洗前预排矸，提升入洗煤煤质和煤炭利用效率，减少污染物排放和运力浪费。原煤预排矸是煤矿生产过程中的必要工序，也是实现煤炭清洁高效利用的重要环节。研究表明炼焦煤灰分降低 1%，炼铁焦炭耗量降低约 3%，炼铁高炉利用系数提高 4%。
传统选煤工艺主要采用物理或化学方法，如重介洗选、跳汰洗选、浮选、磁选等，此类方法效率低，能耗高，处理能力有限。传统选煤过程中需要大量电能和其他能源供应，增加了生产成本。此外，选煤过程中产生大量固体废弃物，对环境造成严重污染。中国平煤神马集团是集煤炭采选、尼龙化工、煤焦化工、煤盐化工 4 大核心产业于一体的国有特大型能源化工企业。下辖 18 个矿井和 4 个炼焦煤选煤厂，是我国品种最全的炼焦煤、动力煤生产基地，主焦煤品质世界第二，全国第一。随着集团开采规模不断扩大，各生产矿逐步向深部开采，原煤中矸石含量逐步增加，据统计全集团每年矸石入洗量近千万吨规模，为此投入了巨大的人力、运力、财力，多数生产矿预排矸工艺仍采用传统人工拣矸方式。人工分拣依赖选矸工主观经验判断，作业效率低、误检率高。选矸工劳动强度大、职业健康风险高。
为革新煤矿预排矸工艺，提升矸石排除率，彻底替代人工选矸。中国平煤神马集团秉承“感知新技术，创造新动能”的理念，在集团内部大力推进“数智化”改革创新实践，授权中平自动化公司，研发煤、矸分选成套技术装备，开展智能选矸机器人的产品研发与应用实践。历时 2 年半，经过 3 代产品迭代，研发出具有完全自主知识产权的智能煤矸分选成套技术装备，第3 代智能干选机如图 1 所示。该系统针对煤与矸石的不同物理特征，利用深度学习和图像识别技术，双能 X 射线精准识别煤与矸石；智能多源异构算法模型如图 2 所示，运用图像控制技术，控制高灵敏气阀阵列高速气流喷吹，实现煤矸分离作业。
图 1 第 3代智能干选机
与其它预排矸工艺和装备相比，矸石粒级为25～300 mm，X 射线识别及干式分选方式技术相对成熟，识别精度高、处理能力大、分选效果好，系统稳定性强。
智能干选机采用先进的传感技术，实时感知物料颗粒尺寸、形状、密度等属性，通过智能控制系统准确分类和分选。与传统的干选机相比，智能干选机感知和控制能力更精准、智能化。智能干选机采用高速图像处理技术和机器学习算法，快速准确地识别和分离不同颗粒物料。煤矸识别算法达到了国际领先水平，煤矸分选精度大于97 %，生产效率和分选质量均高于传统干选机。智能干选机具有多种可调参数和模式，可根据不同物料特性和需求个性化设置。灵活应对不同规格、形状和颜色的物料分选，具有较强的适应性和通用性。智能干选机采用先进的光学系统和高效的电气设计，分选效果良好，且环境污染和资源消耗较低。智能干选机通过网络连接，实现数据化管理和远程控制，实时监测和调整分选过程中的各项参数，提高了生产管理效率，具备故障诊断和监测预警功能。
5G 在高效选煤中的智能控制系统中，与传感器网络结合，实时监测和分析智能矸选选煤过程中的关键参数，智能控制系统自动调整设备工作状态，提高选煤效率，降低能耗和生产成本，实现了煤炭加工设备的智能化控制和自动化运行。5G 网络应用结构如图 3 所示。
图 3 5G 网络应用结构
为提升装备整体性能，强化产品竞争力，打造“云边端一体化”5G 智能选煤数字星云平台。整体架构以 5G 精准云网为数字基座，建设可视化数字星云平台 （矿山工业互联网），支撑生产系统、安全生产、辅助系统等智能化应用，实现了选煤厂生产管理各环节数据可视、可管、可控，打造绿色节能、精细可控的智能化生产体系。5G 数字星云平台界面如图 4 所示。
图 4 5G 数字星云平台界面
5G 星云平台按照“云端训练管理、边缘分析处理、终端数据采集”的设计思路，通过数据积累与自主学习，逐步提升分选精度与识别速度。同时系统为用户提供了设备在线健康检测、预测性维护、远程故障运维及能耗分析等多项增值服务。
5G 智能选矸机器人在地面选煤厂提升入洗煤煤质，降低主洗系统生产负荷及水、电、介、药剂等耗费；在煤矿地面生产系统，替代传统人工选矸，提升选煤厂入洗煤煤质，减少煤炭资源浪费；在井下应用实现矸石不升井，助力煤矿实现“采－选－充”一体化绿色开采；在露天煤矿小型化选矸机与车板集装箱组合，智能选矸可随采场移动不断延伸，实现安全生产效益最大化。针对当前选煤厂内信息化子系统多，数据接入难、数据共享应用难，系统联动难、数据资产不沉淀等问题，项目针对性地建设数字星云平台，部署于矿山云基础设施。5G 数字星云平台架构如图 5 所示。
图 5 5G 数字星云平台架构
平煤集团依托自主建设的 5G 专网，积极建设完善 5G 智能选煤数字星云系统，逐步实现单机设备数字化，到全局系统信息化，未来向全过程生产数字化迈进。通过技术能力的组件化封装，数字星云平台（Digital Nebula：DN） 为选煤厂提供了 3 大类平台化能力：DN InOne 矿山融合集成平台，DN Enabler矿山赋能平台、DN Studio 矿山应用开发平台，支撑选煤厂内各类生产、装车、供电、保障、通信、运维等环节应用的智能化应用。
2023 年，平煤神马集团大力实施“大精煤”战略，把 5G 智能干选机的应用作为实施“大精煤”战略的重要措施。集团内部部署了 7 套 5G 智能选矸机器人，实现了规模化复制推广。截止 2024 年 6 月，第 1 批 5 套已经全部实施完成并投入运行，智能选矸系统通过 5G 数据采集，与云边端协同，实现了设备安全稳定运行，提质增效和减人提效方面成效突出。第 1 批项目使用后，在平煤股份五矿、九矿、十一矿、十二矿，分别在生产过程中采样化验，分析智能干选运行效果。实践证明智能干选有效降低了原煤灰分，其中：九矿在原有筛选基础上降低原煤灰分 6%～7%，最高能降低灰分达到 10%，毛煤质量越差，提质效果越明显；十一矿降低原煤灰分约 2%；五矿降低原煤灰分约 1%～2%；十二矿能降低原煤灰分约 3%。智能干选系统投入使用后，大幅增加了矿井矸石排出率，提高了整体煤炭质量。其中：九矿智能干选系统投用前矸石筛选率约 10%，系统投用后矸石筛选率增加到 18 %，排矸量提高了 8%；十一矿排矸率增加 2%～3%；五矿根据外排矸石输送带电子秤显示，5 月份外排矸石 298 万 t，7 月份外排矸石314 万 t，单月外排矸石增加 1 600 t。智能干选系统投用后，矸石含煤率降至最低，有效提升了预排矸工艺的资源回收率。据测算，十一矿 8 月份回收煤炭资源 400 t；九矿因原煤质量较差，矸石含煤率就低，原煤中煤炭资源回收率不足0.01%，经智能干选系统后提高至 0.1%；五矿矸石含煤率从原来的 5% 下降到 1%。智能干选系统替代人工捡矸，运维人员数量减少，大幅降低了职工劳动强度。据统计，十一矿通过智能化干选项目后，核减选矸岗位人员 18 人；五矿核减人员 10 人；九矿核减 4 名/班；十二矿核减人员 12 人。
项目 实 施 过 程 中 ， 受到 了 行 业 的 广 泛 关 注 ，“5G 煤矿智能分选数字星云平台”项目，在河南省省委省政府举办的数字经济峰会上举办了上线启动仪式。得到各级领导、业内学术专家的参观指导，同时在国内行业论坛、科研机构中也获得广泛认可。中国平煤神马集团依托 5G 智能化，努力向“加快煤炭企业数字化转型 建成世界一流企业”的宏伟目标砥砺奋进！智能选矸机器人在原煤预排矸领域的独特优势。智能选矸机器人替代了手选落后工艺，推动了原煤预排矸领域的技术性变革。下一步，将以河南为起点，携手行业伙伴，以“助推煤炭清洁高效利用、打造智能洗选新标杆”为目标，通过深化产学研合作，加速推进装备的深度迭代，不断研发新产品，在智能选煤领域，输出更多的“中国制造”。
“百家智矿“栏目重点推送《智能矿山》“智能示范矿井”专栏刊载的论文，邀请全国各矿井分享最新智能化建设成果、亮点与经验，旨在发挥典型智能示范矿井引领作用，促进我国矿山智能化建设高质量发展。截至目前，《智能矿山》杂志已刊载58家矿井智能化建设成果论文98篇。
