綜合機(jī)械化是智能化的基礎(chǔ)
我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化發(fā)展，大概起步于上世紀(jì)70年代末80年代初；全面進(jìn)入綜合機(jī)械化發(fā)展，是在上世紀(jì)80年代中期。那時(shí)，我剛剛研究生畢業(yè)，來(lái)到煤炭科學(xué)研究總院（以下簡(jiǎn)稱煤科院）。國(guó)家支持煤炭部搞“百套引進(jìn)”計(jì)劃，吸收消化國(guó)外先進(jìn)裝備和技術(shù)，核心是提高煤炭生產(chǎn)力水平，支撐國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。
煤礦綜合機(jī)械化最早是比較簡(jiǎn)單的。上世紀(jì)80年代中期，綜采和高檔普采兩種長(zhǎng)壁開采方式同時(shí)發(fā)展。所謂高檔普采，就是工作面使用采煤機(jī)落煤、使用單體液壓體支護(hù)。所謂綜采，是實(shí)現(xiàn)工作面落煤、運(yùn)煤、支護(hù)等全過(guò)程的機(jī)械化。
當(dāng)年，在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下，國(guó)家統(tǒng)一從國(guó)外引進(jìn)了130多套綜采設(shè)備，分配給各礦務(wù)局，但很多煤礦分到設(shè)備后，卻不肯讓設(shè)備下井。對(duì)于煤礦來(lái)說(shuō)，越簡(jiǎn)單的生產(chǎn)方式越容易組織生產(chǎn)。而液壓支架和配套設(shè)備安裝工程量大，在井下設(shè)備壞了怎么辦，推不動(dòng)怎么辦，沒(méi)有產(chǎn)量怎么辦？這些問(wèn)題都是煤礦的顧慮。這就造成了早期對(duì)綜合機(jī)械化認(rèn)識(shí)上的分歧，在推廣綜采時(shí)遇到了很多困難，而且引進(jìn)的液壓支架，不是針對(duì)我國(guó)煤礦條件設(shè)計(jì)的，適應(yīng)性也不好。一些煤礦在使用綜采設(shè)備過(guò)程中出現(xiàn)很多事故，比如支架平衡千斤頂被拉斷了、工作面片幫冒頂導(dǎo)致支架推不動(dòng)，等等。
一直到上世紀(jì)90年代，業(yè)界對(duì)推行綜合機(jī)械化的分歧還是很大，特別是對(duì)綜采放頂煤開采的認(rèn)識(shí)長(zhǎng)期不能統(tǒng)一。支持者認(rèn)為綜放是特厚煤層開采的最有效方法，反對(duì)者則抓住其安全和回采率等問(wèn)題加以否定。
煤礦推行機(jī)械化開采的前提條件是支護(hù)。在綜合機(jī)械化發(fā)展過(guò)程中，先要解決支架適應(yīng)性、可靠性問(wèn)題，保障工作面支得住、走得動(dòng)。當(dāng)時(shí)，煤科院北京開采所是煤炭工業(yè)部液壓支架技術(shù)歸口研發(fā)單位。從“六五”到“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，液壓支架一直是科技攻關(guān)的重點(diǎn)，也同時(shí)帶動(dòng)了工作面成套設(shè)備的配套研發(fā)。
1995年以后，雖然爭(zhēng)議依然存在，但全國(guó)大型煤礦基本接受了綜合機(jī)械化開采方式，逐漸認(rèn)識(shí)到綜合機(jī)械化開采是安全高效開采的根本途徑。2000年以后，我們提出高效集約、建設(shè)安全高效礦井的概念和目標(biāo)。
實(shí)際上，在綜合機(jī)械化發(fā)展過(guò)程中，已經(jīng)應(yīng)用了自動(dòng)化技術(shù)，自動(dòng)化是綜合機(jī)械化的組成部分。從1990年到1995年，我們已經(jīng)有了電液控制系統(tǒng)的研發(fā)思路。1988年，我們?nèi)ギ?dāng)時(shí)的神華集團(tuán)推廣電液控制系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)時(shí)，神東礦區(qū)建設(shè)借鑒美國(guó)煤礦高效集約化長(zhǎng)壁開采模式和經(jīng)驗(yàn)，開始大規(guī)模引進(jìn)電液控制液壓支架和世界先進(jìn)裝備，實(shí)施裝備高端化，開采集約化。
1995年，我寫了第一篇關(guān)于電液控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化可行性研究報(bào)告，建議研發(fā)國(guó)產(chǎn)化電液控制系統(tǒng)，推動(dòng)北京開采所聯(lián)合德國(guó)Maco公司，建立天瑪電液控制系統(tǒng)合資公司，研發(fā)和推廣液壓支架電液控制系統(tǒng)。
2003年，兗礦集團(tuán)首次在半個(gè)工作面成功應(yīng)用了天瑪電液控制系統(tǒng)。自此，電液控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化逐漸開始有了起色。同年，我們?cè)诋?dāng)時(shí)的晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦研發(fā)了5.5米電液控制大采高液壓支架，這是高端綜采裝備國(guó)產(chǎn)化的真正開始。隨后，煤炭行業(yè)“黃金十年”來(lái)臨，高端電液控制液壓支架從6米、7米、8米到10米，快速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用起來(lái)。
在不同的發(fā)展階段，煤炭工業(yè)的發(fā)展主題不同。2000年以后，煤炭工業(yè)發(fā)展主題是建設(shè)高產(chǎn)高效礦井。煤礦開采以高效為目標(biāo)，煤礦感受到高端裝備帶來(lái)的安全和經(jīng)濟(jì)效益。2005年至2009年，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)、神華集團(tuán)、中煤能源集團(tuán)合作完成重大裝備國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目——年產(chǎn)600萬(wàn)噸大采高綜采成套技術(shù)與裝備，全面推進(jìn)了綜采高端裝備國(guó)產(chǎn)化，該項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
煤礦智能化發(fā)展尚處于初級(jí)階段
在煤礦綜合機(jī)械化不斷升級(jí)發(fā)展的基礎(chǔ)上，我們提出了煤礦智能化概念。2010年，國(guó)家發(fā)改委和工信部組織開展智能制造專項(xiàng)研究，我們申報(bào)了煤礦綜采智能化系統(tǒng)項(xiàng)目，被列入國(guó)家智能制造專項(xiàng)。
煤礦智能化先從工作面開始，首個(gè)項(xiàng)目在陜煤集團(tuán)紅柳林礦業(yè)公司7米大采高工作面展開。同時(shí)該集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司也找到了我們。
紅柳林礦以厚煤層為主，開采條件好，適合超大采高智能化綜采，也是國(guó)內(nèi)外第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)7米超大采高智能化綜采的煤礦。
黃陵礦區(qū)煤層有薄煤層、中厚煤層和厚煤層。2011年，我們?cè)邳S陵一礦開始設(shè)計(jì)首個(gè)1.1米至2.2米薄煤層和中厚較薄煤層智能化工作面，解決了無(wú)人化作業(yè)等一系列難題，比如工作面三角煤的自動(dòng)截割等。2014年，該智能化開采工作面建成并通過(guò)鑒定，成為全國(guó)第一個(gè)智能化示范工作面，開創(chuàng)了“工作面一人巡視，無(wú)人操作”常態(tài)化遠(yuǎn)程控制采煤“黃陵智能化開采模式”。
智能開采成為煤炭行業(yè)發(fā)展的新主題。最初的“自動(dòng)化”以實(shí)現(xiàn)液壓支架電液控制為支撐和標(biāo)志；現(xiàn)在的“智能化”，要實(shí)現(xiàn)基于工作面全時(shí)空信息感知、智能決策、全自動(dòng)化運(yùn)行，工作面內(nèi)不需要人工操作。
對(duì)煤礦智能化概念的糾纏并無(wú)太大意義，那如何界定智能化？智能化至少要具備三個(gè)基本要素——裝備的自感知、自決策、自執(zhí)行。當(dāng)然，設(shè)備不可能一開始就達(dá)到理想的智能化程度，但我們?cè)谂袛鄷r(shí)，要看是否具備智能化的基本要素。煤礦智能化是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程，智能化系統(tǒng)和裝備需要不斷迭代升級(jí)。
黨的十九屆四中全會(huì)以后，人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)得到重視，各行各業(yè)開始推廣智能化。從煤炭工業(yè)發(fā)展角度看，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展需要以科技創(chuàng)新作為核心驅(qū)動(dòng)力，而支撐煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心，在于全面推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)。
2019年，我和中國(guó)工程院10位院士一起，向中辦和國(guó)辦提交了一份“關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的建議”的院士建議。此份建議是八部委發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》的重要基礎(chǔ)，涵蓋了發(fā)展原則、分階段目標(biāo)、主要任務(wù)以及保障措施等?！蛾P(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》的出臺(tái)，使煤礦智能化建設(shè)真正上升到國(guó)家層面。
從智能化開采到全礦井智能化，涉及層面很多。對(duì)于井工煤礦來(lái)說(shuō)，智能化系統(tǒng)更復(fù)雜。在頂層設(shè)計(jì)里，我們梳理出至少上百個(gè)子系統(tǒng)，再把系統(tǒng)歸納為十大應(yīng)用系統(tǒng)。我們團(tuán)隊(duì)這幾年的研究成果，就是把煤礦智能化建設(shè)架構(gòu)全部清晰化、細(xì)節(jié)化，研發(fā)出十大應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并找到不同類型煤礦智能化建設(shè)的有效路徑和落地實(shí)施方案，研究建立煤礦智能化的基礎(chǔ)理論和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
2019年至今，我們開展了一系列典型智能化煤礦系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)和所需裝備研發(fā)，針對(duì)不同類型礦井條件，探索不同建設(shè)路徑。比如，在張家峁煤礦全面智能化改造中，提出煤礦智能化系統(tǒng)與關(guān)鍵裝備的研發(fā)，取得十大創(chuàng)新成果，為已生產(chǎn)煤礦智能化升級(jí)提供了樣板；在巴拉素煤礦和可可蓋煤礦，我們從設(shè)計(jì)規(guī)劃開始，全面植入智能化基因，全系統(tǒng)、全環(huán)節(jié)統(tǒng)一進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)和礦井建設(shè)施工。
目前，煤礦智能化尚處于初級(jí)階段或培育示范階段，一些關(guān)鍵技術(shù)還存在瓶頸。我們應(yīng)力爭(zhēng)突破瓶頸，形成全面的智能化技術(shù)支撐。
按照當(dāng)前速度，用不了很長(zhǎng)時(shí)間，煤礦智能化就會(huì)像綜合機(jī)械化一樣，逐漸完善并走向成熟。在綜合機(jī)械化發(fā)展早期，很多采煤隊(duì)不愿用綜采設(shè)備，覺(jué)得單體支柱搬起來(lái)就能走，液壓支架又大又重，安裝搬家耗時(shí)耗力。但到了后來(lái)，沒(méi)人愿意搬單體支柱了。智能化也一樣。發(fā)展到成熟階段，不搞智能化就沒(méi)人愿意干了。
我們提出的煤礦智能化愿景，就是實(shí)現(xiàn)煤礦全時(shí)空信息實(shí)時(shí)感知、安全風(fēng)險(xiǎn)雙重預(yù)防閉環(huán)管控，生產(chǎn)過(guò)程全部自動(dòng)化作業(yè)，讓職工更幸福、企業(yè)更高質(zhì)量地發(fā)展。這是符合科學(xué)規(guī)律的，是一定能夠?qū)崿F(xiàn)的。
新形勢(shì)下的煤礦智能化發(fā)展方向
當(dāng)前，煤炭行業(yè)雖面臨政策、環(huán)境等壓力，但能源保供基本面依然決定煤炭行業(yè)有很好的發(fā)展機(jī)遇。落后產(chǎn)能逐漸淘汰，產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高，有助于發(fā)揮智能化集約化礦井的產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)。毫無(wú)疑問(wèn)，今后煤礦要發(fā)展智能化。“雙碳”目標(biāo)對(duì)于優(yōu)勢(shì)煤炭企業(yè)來(lái)說(shuō)，其實(shí)更多是利好。
今后一個(gè)時(shí)期，我國(guó)能源需求仍將保持增長(zhǎng)，但不確定性因素增加，這就需要應(yīng)對(duì)煤炭需求的彈性要求。有人提出要搞煤炭戰(zhàn)略儲(chǔ)備，建應(yīng)急煤礦。我認(rèn)為煤炭與油氣不同，存放久了會(huì)自燃，不應(yīng)與油氣、糧食等一樣進(jìn)行產(chǎn)品戰(zhàn)略儲(chǔ)備，而應(yīng)科學(xué)布局產(chǎn)能儲(chǔ)備。
在此背景下，我提出建設(shè)以煤礦智能化為支撐的煤炭柔性生產(chǎn)供給體系，該體系只有借助智能化技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。
柔性生產(chǎn)供給體系實(shí)際上是從智能制造領(lǐng)域引伸來(lái)的概念。智能制造柔性生產(chǎn)線可滿足個(gè)性化產(chǎn)品需求，提供訂單式生產(chǎn)選擇。煤炭生產(chǎn)要滿足彈性需求，柔性生產(chǎn)供給體系是一個(gè)必然方向。因此，我們提出了建立智能柔性煤炭生產(chǎn)供給體系的科學(xué)構(gòu)想，提出了柔性生產(chǎn)供給體系模型和技術(shù)架構(gòu)，界定了相關(guān)概念，比如什么是柔性生產(chǎn)供給體系、什么是柔性度系數(shù)。
從國(guó)家能源發(fā)展和能源安全戰(zhàn)略出發(fā)，我認(rèn)為建設(shè)智能柔性煤炭生產(chǎn)供給體系是保障國(guó)家能源安全、建設(shè)現(xiàn)代能源體系中最貼近實(shí)際的一條路徑。建設(shè)柔性生產(chǎn)供給體系，需要煤礦智能化技術(shù)的支撐，即在需求旺盛的時(shí)候，柔性生產(chǎn)供給體系能在保證安全生產(chǎn)的情況下，快速增加產(chǎn)量；在市場(chǎng)低迷的時(shí)候，也可以快速減少產(chǎn)量，不會(huì)對(duì)礦山造成較大的系統(tǒng)和人員成本等損失。
此外，我還提出了建設(shè)5G+ABCD智能化支撐技術(shù)體系，構(gòu)建現(xiàn)代能源與礦業(yè)治理體系。應(yīng)用5G通信技術(shù)與人工智能、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，建設(shè)“煤智云”煤炭行業(yè)智能化大數(shù)據(jù)中心，建立一個(gè)從礦井、集團(tuán)、省級(jí)到國(guó)家層面的四級(jí)全國(guó)煤炭和能源智能管理和交易平臺(tái)。
要滿足柔性生產(chǎn)供給，必須使信息能在全國(guó)范圍共享。我們對(duì)柔性生產(chǎn)供給系統(tǒng)運(yùn)行模式提出了設(shè)想，要有全國(guó)智能系統(tǒng)平臺(tái)、中間服務(wù)機(jī)構(gòu)等，及時(shí)把需求端、生產(chǎn)端的信息連接起來(lái)，便于提前預(yù)測(cè)煤炭的消費(fèi)需求變化，及時(shí)調(diào)整煤礦生產(chǎn)計(jì)劃。
我最新提出的6S智能化煤礦概念，也是我們對(duì)煤礦智能化本質(zhì)的思考。智能化煤礦的基本要求是什么？6S（Safety、Security、Sustainability、Sensitivity、Service、Smartness）最符合煤礦智能化的特征和要求。具體而言，第一是安全，煤礦要保證系統(tǒng)、設(shè)備、信息、功能等各方面的安全。第二是可靠，運(yùn)行系統(tǒng)、設(shè)備要可靠。第三是可持續(xù)，資源可持續(xù)、生態(tài)可持續(xù)、發(fā)展可持續(xù)，保證運(yùn)行質(zhì)量和效率。第四是系統(tǒng)敏感性或系統(tǒng)柔性，系統(tǒng)的柔性主要體現(xiàn)在技術(shù)核心要素、技術(shù)架構(gòu)上，這需要對(duì)供需鏈條上的信息敏感、對(duì)響應(yīng)敏感等。第五是系統(tǒng)的全面服務(wù)，建立新型的服務(wù)體系，從提供設(shè)備向提供全生命周期增值服務(wù)轉(zhuǎn)變。第六是智慧，系統(tǒng)智能與人文智慧高度融合，形成煤礦綜合智慧生態(tài)。
社會(huì)科技發(fā)展進(jìn)入智能化時(shí)代。新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，是社會(huì)基本發(fā)展規(guī)律。我們科研人員需要做的，是適應(yīng)規(guī)律，要在社會(huì)科技變革、工業(yè)革命的過(guò)程中不掉隊(duì)，使煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)健康、高質(zhì)量發(fā)展。
（作者為中國(guó)工程院院士王國(guó)法）
來(lái)源：中國(guó)煤炭報(bào)
