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王國法院士:煤礦智能化愿景一定能實現(xiàn)

[05月23 號]

來源:中國煤炭報

數(shù)字化、自動化、信息化、智能化,這些概念究竟是什么關(guān)系?事實上,我國煤炭工業(yè)幾十年來有一條綜合機械化發(fā)展的主線。理解了這條主線,就會理解,數(shù)字化、自動化、信息化,是你中有我、我中有你的關(guān)系,是智能化發(fā)展的基礎(chǔ),也是從不同視角對智能化的表征,彼此交融。

綜合機械化是智能化的基礎(chǔ)

我國煤礦綜合機械化發(fā)展,大概起步于上世紀(jì)70年代末80年代初;全面進入綜合機械化發(fā)展,是在上世紀(jì)80年代中期。那時,我剛剛研究生畢業(yè),來到煤炭科學(xué)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(shù),核心是提高煤炭生產(chǎn)力水平,支撐國家經(jīng)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(jì)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(dāng)年,在計劃經(jīng)濟體制下,國家統(tǒng)一從國外引進了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。對于煤礦來說,越簡單的生產(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,推不動怎么辦,沒有產(chǎn)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(rèn)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(shè)計的,適應(yīng)性也不好。一些煤礦在使用綜采設(shè)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(dǎo)致支架推不動,等等。

一直到上世紀(jì)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(rèn)識長期不能統(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(yīng)性、可靠性問題,保障工作面支得住、走得動。當(dāng)時,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”國家科技攻關(guān)計劃,液壓支架一直是科技攻關(guān)的重點,也同時帶動了工作面成套設(shè)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(rèn)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(shè)安全高效礦井的概念和目標(biāo)。

實際上,在綜合機械化發(fā)展過程中,已經(jīng)應(yīng)用了自動化技術(shù),自動化是綜合機械化的組成部分。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)時的神華集團推廣電液控制系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)時,神東礦區(qū)建設(shè)借鑒美國煤礦高效集約化長壁開采模式和經(jīng)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(guān)于電液控制系統(tǒng)國產(chǎn)化可行性研究報告,建議研發(fā)國產(chǎn)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(yīng)用了天瑪電液控制系統(tǒng)。自此,電液控制系統(tǒng)國產(chǎn)化逐漸開始有了起色。同年,我們在當(dāng)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(chǎn)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(yīng)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(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的安全和經(jīng)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(chǎn)化項目——年產(chǎn)600萬噸大采高綜采成套技術(shù)與裝備,全面推進了綜采高端裝備國產(chǎn)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(chǔ)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(nèi)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(shè)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(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“自動化”以實現(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(nèi)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(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(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,實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展需要以科技創(chuàng)新作為核心驅(qū)動力,而支撐煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心,在于全面推進煤礦智能化建設(shè)。

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(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》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》的出臺,使煤礦智能化建設(shè)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(fù)雜。在頂層設(shè)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(yīng)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(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)計和所需裝備研發(fā),針對不同類型礦井條件,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)煤礦智能化升級提供了樣板;在巴拉素煤礦和可可蓋煤礦,我們從設(shè)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(shè)計和礦井建設(shè)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(guān)鍵技術(shù)還存在瓶頸。我們應(yīng)力爭突破瓶頸,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(shè)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(fēng)險雙重預(yù)防閉環(huán)管控,生產(chǎn)過程全部自動化作業(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)展機遇。落后產(chǎn)能逐漸淘汰,產(chǎn)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(chǎn)能優(yōu)勢。毫無疑問,今后煤礦要發(fā)展智能化。“雙碳”目標(biāo)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(yīng)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(yīng)急煤礦。我認(rèn)為煤炭與油氣不同,存放久了會自燃,不應(yīng)與油氣、糧食等一樣進行產(chǎn)品戰(zhàn)略儲備,而應(yīng)科學(xué)布局產(chǎn)能儲備。

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)才能實現(xiàn)。

柔性生產(chǎn)供給體系實際上是從智能制造領(lǐng)域引伸來的概念。智能制造柔性生產(chǎn)線可滿足個性化產(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)供給體系是保障國家能源安全、建設(shè)現(xiàn)代能源體系中最貼近實際的一條路徑。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;在市場低迷的時候,也可以快速減少產(chǎn)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(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(chǎn)供給,必須使信息能在全國范圍共享。我們對柔性生產(chǎn)供給系統(tǒng)運行模式提出了設(shè)想,要有全國智能系統(tǒng)平臺、中間服務(wù)機構(gòu)等,及時把需求端、生產(chǎn)端的信息連接起來,便于提前預(yù)測煤炭的消費需求變化,及時調(diào)整煤礦生產(chǎn)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(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,這需要對供需鏈條上的信息敏感、對響應(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)。

社會科技發(fā)展進入智能化時代。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(zhì)量發(fā)展。


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