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王国法院士:智能装备,撑起“智慧”煤矿的明天

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【摘要】:

为贯彻能源安全新战略,保障煤炭及相关产业高质量发展,前不久,国家能源局发布了《中华人民共和国煤炭法(修订草案)》(征求意见稿)(下称《征求意见稿》)。据了解,此次征求意见稿是自1996年《中华人民共和国煤炭法》发布以来,第一次大规模修订。

  在征求意见稿中,就煤炭智能生产技术装备的研究、应用和重大工程示范作了专门要求,以期推动煤炭生产的提质增效和安全生产。

  中国工程院院士、中国煤炭科工集团(煤炭科学研究总院)首席科学家王国法在接受《中国科学报》采访时表示:“总体来看,当前我国煤矿智能化发展处于一个培育示范推广阶段,企业的实践也表明,煤矿智能化是未来煤炭行业发展的必然趋势,要坚定不移地沿着这一方向向前推进。”

  发展趋势 核心支撑

  我国煤炭资源储量丰富,能源结构以煤炭为主。据统计,新中国成立以来,煤炭占我国一次能源生产量的70%、消费总量的60%以上。

  “在我国一次能源中,煤炭是最经济和可清洁高效利用的能源。”王国法指出,尽管近一两年来,煤炭占一次能源生产和消费量的比例略有下降,但在未来相当长一段时间内,煤炭仍将在我国能源结构中占较大比例,仍是我国的战略能源,是我国能源安全的“压舱石”。

  面对煤炭工业高质量发展的要求,和实现安全高效绿色开采和更加清洁高效利用的发展目标,煤矿智能化是核心技术支撑已成为行业共识。

  王国法表示,煤炭领域的智能化信息化是将大数据、人工智能、云计算等信息技术与煤炭开发技术与装备进行深度融合,形成全面自主感知、实时高效互联、智能分析决策、自主学习、动态预测预警、精准协同控制的煤矿智能系统,实现矿井的安全高效智能运行。“这也是煤炭工业实现高质量发展的必然要求。

  今年2月,国家发展改革委、国家能源局等8部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(以下简称《指导意见》),明确了煤矿智能化发展的阶段目标、主要任务以及相关保障措施。

  “该指导意见推动了行业进一步凝聚共识、统一思想。”令王国法感到欣喜的是,除了煤炭企业自身,例如三大移动运营商、华为公司等信息技术的龙头企业都以前所未有的高涨热情参与煤矿智能化建设。

  的确,煤矿智能化既是未来趋势,更是发展需求。

  “当前我国煤炭领域在信息化智能化建设方面,主要聚焦减少煤矿井下作业人员。”过去30多年,中国矿业大学(北京)原副校长孙继平教授一直从事煤矿安全生产信息化与智能化等研究创新工作,他作为国务院煤矿事故调查专家组组长参加了10起煤矿重特大事故调查工作。

  他对煤矿井下智能化、无人化发展的迫切性有着深刻体会。“事故调查表明,煤矿井下作业人员越多,发生事故的概率越大,事故伤亡人数越多。因此,减少煤矿井下作业人员,是减少煤矿重特大事故和伤亡人数的有效措施。减少煤矿井下作业人员也是降低煤矿用人成本,解决招工难的有效措施。”孙继平说。

  他表示,我国在煤矿井下无人和少人作业方面还需加大研发力度,如采煤工作面无人和少人作业,掘进工作面无人和少人作业,矿用车辆无人驾驶,供电、输送机和排水无人值守等。

  部分领跑 “井下”待突破

  煤矿智能装备是煤矿智能化的核心,煤矿智能化对装备适应性和可靠性的要求极高。

  以井下开采为例,孙继平告诉《中国科学报》,煤矿井下巷道断面小、巷道长度达10余千米、有瓦斯等爆炸性气体、矿尘大,瓦斯、水灾、火灾、冲击地压、顶板等事故威胁着煤矿安全生产,这也是提升煤炭科技装备面临的难点和痛点。“因此,需要针对煤矿井下特殊环境和特殊要求,研发适用于煤矿安全生产需求的技术和装备。”

  事实上,自新中国成立以来,我国综合机械化水平有着巨大提升,实现了生产力和生产方式的大跨越,这为智能装备发展奠定了良好的基础条件。

  王国法表示,煤矿智能装备和煤矿机器人的内涵是一致的,是指具有自感知、自决策和自动运行功能,可替代人工完成煤矿特殊作业的机器。

  2019年1月,国家煤矿安监局正式公布了《煤矿机器人重点研发目录》,提出了重点研发的掘进、采煤、运煤、安控和救援5类、38种煤矿机器人,并对每种机器人的功能提出了具体要求,力争把煤矿工人从恶劣环境与危险繁重的劳动中解放出来。

  “从全球来看,我国在解决复杂条件开采的技术装备领域处于引领水平。其中,发展最快的应当是煤矿综采智能装备体系,或称综采机器人群。而掘进机器人群差距则相对较大。”王国法说。

  经过多年发展,我国煤炭综采技术装备已从依赖进口到全部国产化。特别在近10年来,我国通过智能化开采技术与装备的创新研发,突破多项关键技术,在薄和较薄煤层智能化综采,大采高和超大采高智能化综采以及特厚煤层综放开采智能化技术与装备方面实现领跑。

  此外,在部分企业的积极推动下,我国已建成一批以工作面智能化开采和数字化信息化管理系统为标志的先进煤矿。

  王国法认为,未来,要特别重视共性关键技术和短板技术的研发工作。

  孙继平也表示,目前,综采工作面已实现采煤机、液压支架、刮板输送机等联动和记忆割煤;带式输送机根据运煤量自动调速。煤矿安全监控系统、矿井人员精确定位系统,以及矿用胶轮车运输、矿用电机车和矿井供电等监控系统,矿井移动和矿井救灾等通信系统等已推广应用。

  “煤矿井下无人开采是当前急需的煤炭开采关键技术,包括采煤工作面、掘进工作面无人或少人作业,煤矿井下车辆无人驾驶,煤矿井下供电、带式输送机、水泵房等无人值守等。目前,已有皮带巡检机器人等在煤矿井下应用。”孙继平说。

  借5G之势 分类分级推进

  尽管我国智能煤矿建设取得了重要进展,但必须看到的是,智能化程度远未达到理想状态。

  “煤矿是一个非常复杂的巨系统,其中至少包括100个以上的子系统。”王国法把智能化煤矿建设重点分为十大智能系统,包括煤矿智慧中心及综合管理系统、煤矿安全实时通信网络及地下精准位置服务系统等。“十大主要智能系统分别由若干个相关煤矿智能化子系统组成,数以百计的煤矿智能化子系统协同运行,构成煤矿智能化巨系统。”

  作为新一代信息技术的代表,5G技术的商业化运营为智能煤矿发展带来了新的机遇。

  王国法表示,5G在煤矿的应用与5G的商业化应用基本是同时起步的。5G技术具有大带宽、广连接和低时延的优势,契合了煤矿智能化发展需要更广泛数据接入、更大数据传输带宽和更低延时控制的要求,为打通煤矿智能化开采上下行传输的高速通道奠定了基础。

  近年来,在信息技术企业的支持投入下,我国已在部分矿区布局井下5G网络、基站等。

  王国法说,未来,要进一步开发5G基站设备,满足井下组网的要求。此外,还要根据应用场景进一步提升5G技术,包括网络切片技术,边缘计算的技术,云计算相关技术,以解决“云、边、端”控制流程的各种相关难题。

  孙继平最早进行矿用5G研究,研究了矿用5G技术及其适用范围,他表示,矿用5G宜采用本质安全型防爆、用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力、采煤工作面和掘进工作面地面远程控制与井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用矿用5G。

  “煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体,矿井无线传输衰减大等特殊性,制约着5G直接在煤矿井下应用。”孙继平强调,还需根据煤矿井下特殊需求,研究矿用5G技术和系统,而不仅仅是对现有地面5G产品进行防爆改造。

  面对未来,王国法表示,我国各地煤层赋存条件、开采技术条件具有复杂性和多样性,区域发展不平衡性比较突出。据此,要分类分级推进煤矿智能化建设工作。“我们已经起草制定了煤矿智能化技术标准体系、智能化煤矿分类分级技术条件与评价标准、智能化开采工作面技术条件与评价标准等,即将发布实施,为全国不同层次煤矿智能化建设明确建设目标,提供建设标准和技术指导,推动我国煤矿智能化整体发展。”