綜合機械化是智能化的基礎
我國煤礦綜合機械化發(fā)展，大概起步于上世紀70年代末80年代初；全面進入綜合機械化發(fā)展，是在上世紀80年代中期。那時，我剛剛研究生畢業(yè)，來到煤炭科學研究總院（以下簡稱煤科院）。國家支持煤炭部搞“百套引進”計劃，吸收消化國外先進裝備和技術，核心是提高煤炭生產力水平，支撐國家經濟和社會發(fā)展。
煤礦綜合機械化最早是比較簡單的。上世紀80年代中期，綜采和高檔普采兩種長壁開采方式同時發(fā)展。所謂高檔普采，就是工作面使用采煤機落煤、使用單體液壓體支護。所謂綜采，是實現(xiàn)工作面落煤、運煤、支護等全過程的機械化。
當年，在計劃經濟體制下，國家統(tǒng)一從國外引進了130多套綜采設備，分配給各礦務局，但很多煤礦分到設備后，卻不肯讓設備下井。對于煤礦來說，越簡單的生產方式越容易組織生產。而液壓支架和配套設備安裝工程量大，在井下設備壞了怎么辦，推不動怎么辦，沒有產量怎么辦？這些問題都是煤礦的顧慮。這就造成了早期對綜合機械化認識上的分歧，在推廣綜采時遇到了很多困難，而且引進的液壓支架，不是針對我國煤礦條件設計的，適應性也不好。一些煤礦在使用綜采設備過程中出現(xiàn)很多事故，比如支架平衡千斤頂被拉斷了、工作面片幫冒頂導致支架推不動，等等。
一直到上世紀90年代，業(yè)界對推行綜合機械化的分歧還是很大，特別是對綜采放頂煤開采的認識長期不能統(tǒng)一。支持者認為綜放是特厚煤層開采的最有效方法，反對者則抓住其安全和回采率等問題加以否定。
煤礦推行機械化開采的前提條件是支護。在綜合機械化發(fā)展過程中，先要解決支架適應性、可靠性問題，保障工作面支得住、走得動。當時，煤科院北京開采所是煤炭工業(yè)部液壓支架技術歸口研發(fā)單位。從“六五”到“十五”國家科技攻關計劃，液壓支架一直是科技攻關的重點，也同時帶動了工作面成套設備的配套研發(fā)。
1995年以后，雖然爭議依然存在，但全國大型煤礦基本接受了綜合機械化開采方式，逐漸認識到綜合機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、建設安全高效礦井的概念和目標。
實際上，在綜合機械化發(fā)展過程中，已經應用了自動化技術，自動化是綜合機械化的組成部分。從1990年到1995年，我們已經有了電液控制系統(tǒng)的研發(fā)思路。1988年，我們去當時的神華集團推廣電液控制系統(tǒng)應用。當時，神東礦區(qū)建設借鑒美國煤礦高效集約化長壁開采模式和經驗，開始大規(guī)模引進電液控制液壓支架和世界先進裝備，實施裝備高端化，開采集約化。
1995年，我寫了第一篇關于電液控制系統(tǒng)國產化可行性研究報告，建議研發(fā)國產化電液控制系統(tǒng)，推動北京開采所聯(lián)合德國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，兗礦集團首次在半個工作面成功應用了天瑪電液控制系統(tǒng)。自此，電液控制系統(tǒng)國產化逐漸開始有了起色。同年，我們在當時的晉城煤業(yè)集團寺河礦研發(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產化的真正開始。隨后，煤炭行業(yè)“黃金十年”來臨，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)模應用起來。
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)展主題是建設高產高效礦井。煤礦開采以高效為目標，煤礦感受到高端裝備帶來的安全和經濟效益。2005年至2009年，中國煤炭科工集團、神華集團、中煤能源集團合作完成重大裝備國產化項目——年產600萬噸大采高綜采成套技術與裝備，全面推進了綜采高端裝備國產化，該項目獲得國家科技進步獎二等獎。
煤礦智能化發(fā)展尚處于初級階段
在煤礦綜合機械化不斷升級發(fā)展的基礎上，我們提出了煤礦智能化概念。2010年，國家發(fā)改委和工信部組織開展智能制造專項研究，我們申報了煤礦綜采智能化系統(tǒng)項目，被列入國家智能制造專項。
煤礦智能化先從工作面開始，首個項目在陜煤集團紅柳林礦業(yè)公司7米大采高工作面展開。同時該集團黃陵礦業(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，也是國內外第一個成功實現(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，我們在黃陵一礦開始設計首個1.1米至2.2米薄煤層和中厚較薄煤層智能化工作面，解決了無人化作業(yè)等一系列難題，比如工作面三角煤的自動截割等。2014年，該智能化開采工作面建成并通過鑒定，成為全國第一個智能化示范工作面，開創(chuàng)了“工作面一人巡視，無人操作”常態(tài)化遠程控制采煤“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“自動化”以實現(xiàn)液壓支架電液控制為支撐和標志；現(xiàn)在的“智能化”，要實現(xiàn)基于工作面全時空信息感知、智能決策、全自動化運行，工作面內不需要人工操作。
對煤礦智能化概念的糾纏并無太大意義，那如何界定智能化？智能化至少要具備三個基本要素——裝備的自感知、自決策、自執(zhí)行。當然，設備不可能一開始就達到理想的智能化程度，但我們在判斷時，要看是否具備智能化的基本要素。煤礦智能化是一個不斷發(fā)展的過程，智能化系統(tǒng)和裝備需要不斷迭代升級。
黨的十九屆四中全會以后，人工智能、5G、大數據、區(qū)塊鏈等新技術得到重視，各行各業(yè)開始推廣智能化。從煤炭工業(yè)發(fā)展角度看，實現(xiàn)高質量發(fā)展需要以科技創(chuàng)新作為核心驅動力，而支撐煤炭行業(yè)高質量發(fā)展的核心，在于全面推進煤礦智能化建設。
2019年，我和中國工程院10位院士一起，向中辦和國辦提交了一份“關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《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》的重要基礎，涵蓋了發(fā)展原則、分階段目標、主要任務以及保障措施等。《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》的出臺，使煤礦智能化建設真正上升到國家層面。
從智能化開采到全礦井智能化，涉及層面很多。對于井工煤礦來說，智能化系統(tǒng)更復雜。在頂層設計里，我們梳理出至少上百個子系統(tǒng)，再把系統(tǒng)歸納為十大應用系統(tǒng)。我們團隊這幾年的研究成果，就是把煤礦智能化建設架構全部清晰化、細節(jié)化，研發(fā)出十大應用系統(tǒng)關鍵技術，并找到不同類型煤礦智能化建設的有效路徑和落地實施方案，研究建立煤礦智能化的基礎理論和技術標準體系。
2019年至今，我們開展了一系列典型智能化煤礦系統(tǒng)頂層設計和所需裝備研發(fā)，針對不同類型礦井條件，探索不同建設路徑。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)與關鍵裝備的研發(fā)，取得十大創(chuàng)新成果，為已生產煤礦智能化升級提供了樣板；在巴拉素煤礦和可可蓋煤礦，我們從設計規(guī)劃開始，全面植入智能化基因，全系統(tǒng)、全環(huán)節(jié)統(tǒng)一進行智能化設計和礦井建設施工。
目前，煤礦智能化尚處于初級階段或培育示范階段，一些關鍵技術還存在瓶頸。我們應力爭突破瓶頸，形成全面的智能化技術支撐。
按照當前速度，用不了很長時間，煤礦智能化就會像綜合機械化一樣，逐漸完善并走向成熟。在綜合機械化發(fā)展早期，很多采煤隊不愿用綜采設備，覺得單體支柱搬起來就能走，液壓支架又大又重，安裝搬家耗時耗力。但到了后來，沒人愿意搬單體支柱了。智能化也一樣。發(fā)展到成熟階段，不搞智能化就沒人愿意干了。
我們提出的煤礦智能化愿景，就是實現(xiàn)煤礦全時空信息實時感知、安全風險雙重預防閉環(huán)管控，生產過程全部自動化作業(yè)，讓職工更幸福、企業(yè)更高質量地發(fā)展。這是符合科學規(guī)律的，是一定能夠實現(xiàn)的。
新形勢下的煤礦智能化發(fā)展方向
當前，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)展機遇。落后產能逐漸淘汰，產業(yè)集中度進一步提高，有助于發(fā)揮智能化集約化礦井的產能優(yōu)勢。毫無疑問，今后煤礦要發(fā)展智能化?！半p碳”目標對于優(yōu)勢煤炭企業(yè)來說，其實更多是利好。
今后一個時期，我國能源需求仍將保持增長，但不確定性因素增加，這就需要應對煤炭需求的彈性要求。有人提出要搞煤炭戰(zhàn)略儲備，建應急煤礦。我認為煤炭與油氣不同，存放久了會自燃，不應與油氣、糧食等一樣進行產品戰(zhàn)略儲備，而應科學布局產能儲備。
在此背景下，我提出建設以煤礦智能化為支撐的煤炭柔性生產供給體系，該體系只有借助智能化技術才能實現(xiàn)。
柔性生產供給體系實際上是從智能制造領域引伸來的概念。智能制造柔性生產線可滿足個性化產品需求，提供訂單式生產選擇。煤炭生產要滿足彈性需求，柔性生產供給體系是一個必然方向。因此，我們提出了建立智能柔性煤炭生產供給體系的科學構想，提出了柔性生產供給體系模型和技術架構，界定了相關概念，比如什么是柔性生產供給體系、什么是柔性度系數。
從國家能源發(fā)展和能源安全戰(zhàn)略出發(fā)，我認為建設智能柔性煤炭生產供給體系是保障國家能源安全、建設現(xiàn)代能源體系中最貼近實際的一條路徑。建設柔性生產供給體系，需要煤礦智能化技術的支撐，即在需求旺盛的時候，柔性生產供給體系能在保證安全生產的情況下，快速增加產量；在市場低迷的時候，也可以快速減少產量，不會對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5G+ABCD智能化支撐技術體系，構建現(xiàn)代能源與礦業(yè)治理體系。應用5G通信技術與人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數據等技術相結合，建設“煤智云”煤炭行業(yè)智能化大數據中心，建立一個從礦井、集團、省級到國家層面的四級全國煤炭和能源智能管理和交易平臺。
要滿足柔性生產供給，必須使信息能在全國范圍共享。我們對柔性生產供給系統(tǒng)運行模式提出了設想，要有全國智能系統(tǒng)平臺、中間服務機構等，及時把需求端、生產端的信息連接起來，便于提前預測煤炭的消費需求變化，及時調整煤礦生產計劃。
我最新提出的6S智能化煤礦概念，也是我們對煤礦智能化本質的思考。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)、設備、信息、功能等各方面的安全。第二是可靠，運行系統(tǒng)、設備要可靠。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)，保證運行質量和效率。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)在技術核心要素、技術架構上，這需要對供需鏈條上的信息敏感、對響應敏感等。第五是系統(tǒng)的全面服務，建立新型的服務體系，從提供設備向提供全生命周期增值服務轉變。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)。
社會科技發(fā)展進入智能化時代。新一代信息技術與傳統(tǒng)產業(yè)融合發(fā)展，是社會基本發(fā)展規(guī)律。我們科研人員需要做的，是適應規(guī)律，要在社會科技變革、工業(yè)革命的過程中不掉隊，使煤炭行業(yè)實現(xiàn)健康、高質量發(fā)展。
（作者系中國工程院院士、中國煤炭科工集團首席科學家，本文由王國法口述、中國煤炭報記者王世雅整理）
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