煤矿智能化及其技术装备发展
时间：2023-10-30 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 权威探讨 ★
煤矿智能化及其技术装备发展
0 引言
自2020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》以来，全国煤矿智能化建设进入快速发展阶段，截至2023年6月，首批71处国家智能化煤矿建设示范矿井已有54家通过验收。煤矿生产一线减人、增安、提效取得显著成效，极大促进了煤炭智能安全高效开发和煤炭清洁高效利用水平，2022年全国规模以上煤矿企业利润突破万亿元大关，创历史最好水平。2022年末，规模以上煤机企业资产总额3 413亿元、总产值2 061亿元，采煤机、掘进机和液压支架制造能力分别保持在1 000台/a、3 000台/a、9万架/a以上，煤机50强企业总产值1 682亿元，占2022年规模以上煤机企业的81%。2012-2022年全国规模以上煤矿企业煤炭总产量和总利润如图1所示，形成了一批可复制、可推广的技术、装备和建设经验。
图1 2012-2022年全国规模以上煤炭企业煤炭总产量和总利润
煤矿智能化建设与技术创新相互推进，煤矿高可靠融合通信系统、工业互联网平台、智能化综合管控平台等先进技术得到广泛推广应用，供配电系统、主煤流运输系统、供排水系统、智能开采系统等实现了常态化无人值守作业，智能掘进系统、智能地质保障系统、煤矿机器人、智能通风与压风系统等取得积极进展，煤矿智能化技术装备国产化、系列化、成套化水平提升显著，初步形成了适用于不同煤层赋存条件的智能化煤矿建设模式。
在国家和地方政策支持和行业推动下，煤矿企业把智能化建设作为高质量发展的中心任务，按照分类分级建设原则加快智能化煤矿建设。截至2023年4月，全国已累计建成智能化采煤工作面1 043个、掘进工作面1 277个，其中全国首批示范煤矿累计建成智能化采煤工作面363个、智能化掘进工作面239个，涵盖产能6.2亿t/a[1]，有力推动了煤炭生产方式的根本性变革。
近年来，物联网、云计算、大数据、人工智能、区块链、5G等新一代信息技术与煤炭开发技术及装备进行深度融合，一批智能化示范煤矿建成了全面自主感知、实时高效互联、智能分析决策、高效自主学习、动态预测预警、精准协同控制的煤矿智能化巨系统，实现了矿井地质保障、煤炭开采、巷道掘进、主/辅运输、通风、排水、供电、安全保障、分选运输、生产经营管理等全过程的安全高效智能运行[2-4]。
煤机智能装备是煤矿智能化的核心保障，智能化发展需要可靠性高、适应性强的装备支撑。煤机智能装备是机械化、自动化、数字化、信息化、智能化技术与采矿装备的结合，需要多学科交叉融合的技术理论支撑[5]。围绕煤矿智能化和装备制造业发展要求，“十三五”以来，煤炭行业依托国家重点研发计划及重大工程建设，持续开展技术装备攻关、试验和推广，实现一批重大技术突破、取得一系列创新成果。煤机装备已从依赖进口、引进消化再吸收到自主创新、全面实现国产化，支撑一批现代化特大型安全高效煤矿建设，为全面推进智能化煤矿建设奠定了基础，其中包括大型智能化综采装备、智能快速掘进装备、智能带式输送设备、大型定向钻进装备等。
煤矿智能化发展离不开新一代信息技术及煤机智能装备的支撑。近年来，随着煤矿智能化进程的逐步推进，无人化智能开采技术、智能快速掘进技术、主煤流系统智能感知与控制技术、智能通风与压风技术、智能安全闭环管控系统都取得重大进展，涌现出超大采高智能化综采和综放装备、智能快速掘进装备、智能带式输送机、煤矿智能机器人等智能化设备，智能制造为煤机制造业带来新的发展潜力，促进煤炭行业高质量发展迈上新台阶。
1 煤矿智能化建设基础标准体系及一体化解决方案
1.1 煤矿智能化建设基础
构建智能化煤矿顶层架构，应基于一套标准体系、构建一张全面感知网络、建设一条高速数据传输通道，建设以“运营一大脑、矿山一张网，数据一片云，资源一视图”和“1+N”应用系统为核心的智能化煤矿巨系统，形成覆盖生产、生活各个环节的安全、智能、高效、绿色煤矿综合生态圈。并且要开发基于“5G+ABCD”的智能化煤矿系统耦合技术，即5G与人工智能(AI)、区块链(Block)、云计算(Cloud Computing)、大数据(Big Data)等新一代信息技术与煤炭开发技术与装备耦合发展[6]。在智能开采理论方面，要构建矿山数字逻辑模型(图2)、多源异构数据处理理论方法、复杂系统智能控制基础理论、智能化煤矿系统性维护等智能化开采基础理论体系。
图2 数字煤矿智慧逻辑模型
同时，要坚持煤矿智能化建设应进行分类分级的科学思想，充分考虑我国不同区域煤炭生产技术条件的多样性和差异性，保证煤矿智能化建设水平综合评级的科学性、合理性和准确性。
1.2 煤矿智能化系统6S特征要求
6S智能化煤矿以安全与可靠为基础，通过专业化服务构建煤矿智慧生态，从而建设以煤矿智能化为支撑的柔性煤炭开发供给体系，最终保障煤炭可持续高质量发展[7]。其具体特征要求如下所述。
安全(Safety)包含智能安全双重预防机制、全时空安全信息感知监测系统、智能安全闭环管控系统；可靠(Security)包括煤矿巨系统可靠性、数据可靠性、设备可靠性；专业化服务(Service)包含公有云增值服务、企业内部专业化服务、社会专业化运维服务；智慧生态(Smartness)包括系统智能化与智能系统化、系统智能与人文智慧融合的煤矿生态、与社会协同的智慧生态；柔性煤炭开发供给体系(Sensitivity)包括柔性生产系统、市场敏感性、柔性供给体系；煤炭可持续高质量发展(Sustainability)包括资源保障可持续、高质量发展可持续。
6S智能化煤矿是以资源与环境和谐可持续开发为理念，以智能开发技术与装备为保障，以生态环境保护为硬约束，运用先进科学技术与现代管理理念，实现煤炭资源安全、智能、绿色开发，构建和谐有序、协调一致、智能高效、绿色可持续的煤炭资源开发模式。
1.3 构建煤矿智能化标准体系
通过分析煤矿智能化技术体系、梳理煤炭生产各环节智能化技术应用现状及趋势，构建了煤矿智能化标准体系总体框架。该框架包括通用基础标准、支撑技术与平台标准、煤矿信息互联网标准、智能控制系统及装备标准、安全监测及防控装备标准和生产保障标准6个部分[8]，如图3所示。
图3 煤矿智能化标准体系
建立科学合理的煤矿智能化标准体系，有助于开展智能化煤矿标准化的顶层设计和总体布局，有利于判断和明确智能化煤矿的标准化方向和重点，对促进煤矿智能化技术的发展具有重要意义。目前已构建由超过580个标准构成的煤矿智能化标准体系(即将由政府主管部门发布)。完成了《智能化煤矿分类分级技术条件》《智能化煤矿体系架构》等近百项标准编制；协助有关部门起草发布了《煤矿智能化建设指南(2021版)》《智能化煤矿验收管理办法》，为煤矿智能化建设提供了技术指南和标准依据。
1.4 智能矿山一体化解决方案
智能矿山解决方案“三统一+多级智能应用+智能装备群”。统一“云、网、边、端”智能矿山数字底座，统一管控一体化平台，统一知识模型服务组件库，多级边缘计算装备与协同可定义控制系统，智能、协同、可靠的生产装备群，覆盖煤矿安全生产经营管理全流程的智能化应用场景，涵盖了煤矿的采、掘、机、运、通等全部系统[9]。
基于我国煤层赋存条件多样性与建设基础的不均衡性，提出不同煤层条件智能化煤矿应重点建设的主要方面[10]。
(1)煤层赋存条件相对较简单、具有较好智能化建设基础条件的煤矿，应建设智能化综合管控平台、大数据中心、高速高可靠数据传输网络、井下精准定位系统、视频监控系统、GIS+BIM系统、智能快速掘进系统、智能化采煤工作面、智能无人操控主煤流运输系统、煤矿灾害智能监测预警平台与应急管理平台、智能经营管理系统。
(2)具有一定智能化建设基础条件的煤矿，应建设智能化综合管控平台、高速高可靠数据传输网络、井下精准定位系统、智能快速掘进系统、智能化采煤工作面、远程操控主煤流运输系统、煤矿灾害智能监测预警平台与应急管理平台、智能经营管理系统。
(3)煤层赋存条件相对复杂、智能化建设基础相对薄弱的煤矿，应建设智能化综合管控平台、地质信息与工程信息时空大数据库、快速掘进系统、机械化+智能化采煤工作面、远程集中控制主煤流运输系统、煤矿灾害智能监测预警平台与应急管理平台、智能经营管理系统。
2 煤矿无人化智能开采技术进展
无人化智能开采是指采煤工作面内基本无人作业，操作人员远距离监控采煤工作面系统，液压支架、采煤机、刮板输送机等成套装备通过环境自感知、运行自决策和自动化作业，完成采、支、运等各项工序，实现工作面无人操作的高效安全开采。
2.1 无人化智能开采系统
煤矿无人化智能开采系统采用地质勘探、三维仿真、地理信息等技术手段，实现工作面地质建模；利用智能传感器采集设备工作姿态、地理位置、运行状态等相应数据；利用5G网络对采集数据进行有效传输；利用大数据技术对多元异构数据进行融合管理；利用专家决策系统对各类数据进行有效分析处理；成套装备协同作业，完成煤炭采、掘、运；利用人工智能、机器学习分析设备运行状态，实现开采装备的有效维护；利用区块链技术实现数据的可信记录，支撑能源监管，形成以5G、大数据、人工智能、区块链、物联网等新一代信息技术为基础的“安全绿色，高效智能”的无人化智能开采新模式。无人化智能开采控制系统基本架构如图4所示。
图4 无人化智能开采控制系统基本架构
新一代无人化智能开采控制系统装置由网络型控制系统、工作面智能开采决策控制系统、液压动力执行系统、一体化控制中心等构成。可编程网络型控制系统集控制、通信、传感、视频于一体，通信链路高度简化，可靠性明显提升，网络延迟小于10 ms，控制延时小于100 ms，系统带宽提升至100 MHz；工作面智能开采决策控制系统融合地质、环境、工艺、规则、工况及人机交互等多源信息，智能决策和控制开采系统运行参数；工作面智能高效液压动力系统通过千斤顶双速推移刮板输送机控制，有效提升了推移拉架的控制精度，将直线度检测、双速精确控制与电液控系统深度融合，实现了综采工作面液压支架推移的精确检测与控制，控制精度≤5 mm；工作面智能高效液压动力系统建立自动跟机模式和液压支架压力流量解耦机理模型，提出“用液量实时计算+用液模型超前预测”的复合控制方案，解决了远距离用液量与供液量不及时匹配的控制难题；一体化控制中心研发了分布式架构集控系统软件，实现基于集控系统的控制延时在100 ms之间。
2.2 无人化智能开采支撑环境
无人化智能开采支撑环境包括信息感知传输网络、数字逻辑模型、数据推送策略、系统耦合分析、数字孪生系统等。
为实现煤矿无人化智能开采系统信息感知传输，需建立井下多系统全时空感知的传输体系总体框架，以实现煤矿开采系统实时感知，为数据逻辑模型建立提供基础。
(1)基于5G高速率、低时延和大连接的移动通信特点，形成“云-边-端”三级网络架构，实现了利用5G网络对采集数据进行有效传输。
(2)“分级抽取-关联分析-虚实映射”的数字煤矿智慧逻辑模型，形成多源异构数据处理理论方法。
(3)基于系统数据流向和功能逻辑的系统架构拓扑图，抽象出煤矿各类数据的特征，采用与物理实体同样的描述方法，建立信息实体，并定义信息实体的结构、属性和功能信息。
(4)基于煤矿多源异构关系数据的信息实体和虚实映射机理，提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配与推送策略，实现由其自身智能控制系统给出最佳的控制方式和参数。
(5)基于煤矿开采工艺、装备运动及控制参数受煤层开采条件因素影响，提出了智能开采系统耦合分析模型，实现地质条件、效率、设备状态等因素的边际效应解算。
(6)通过实现系统与实际开采系统实时通信，提出综采系统“单机-组-群”三级协同控制方法，搭建了智能化无人开采数字孪生决策控制系统。无人化智能开采控制系统基本架构如图4所示。
2.3 综采工作面机器视觉识别与测量
煤矿井下作业环境复杂，特别是综采工作面复杂场景，光线昏暗、煤尘飞舞、雾气较大，严重影响了感知设备拍摄以及提取关键信息，单凭可见光视觉，难以实现井下作业场景中设备状况、围岩、环境状态的全面感知。
采用可见光视频图像与红外热成像视频图像的动态融合技术，可呈现监控关键目标对象的局部特性，同时能较好保留可见光图像中的场景背景信息，实现采煤机状况及周围相关设备与围岩状态的实时全面可视化感知[11]，可见光视频图像、红外热成像视频图像与双光谱红外热成像场景提取对比如图5、图6所示。
图5 可见光与热红外图像视觉特征对比分析
图6 双光谱热红外摄像仪及工作面场景图像增强效果
多目全景视频拼接技术采用双谱带融合方法进行视频帧融合，快速将配准后的各单目帧图像合并为一幅全景图像，并消除其中的不自然缝隙、局部模糊以及明显视觉特征不连续性的现象，四目全景视频拼接效果如图7所示。因此，可实现工作面大视角覆盖和实时无死角视频监控，单台多目全景摄像仪可覆盖工作面至少10架范围的监控区域，能实时兼顾煤壁和支架侧方的监控。
图7 四目全景视频拼接效果
工作面设备状态视频测量采用“视频图像预处理-设备关键点检测-位姿解算”工作面设备状态视频测量技术路径，实现了图像特征清晰度提升以及畸变校正和护帮板等设备关键点的稳定跟踪；并通过相机视图几何关系计算出每个关键点位置对应的位姿信息。
3 分类建设智能化煤矿
煤矿智能化建设体系主要包含井工煤矿技术体系、露天煤矿技术体系和选煤加工技术体系。井工煤矿技术体系分为采掘运智能柔性生产、智能安全闭环管控、智能运营管理体系；露天煤矿技术体系分为开采工艺技术体系、辅助环节技术体系、边帮开采技术体系、智能运营管理体系；选煤加工技术体系分为智能分选技术体系、循环利用技术体系。煤矿智能化分类建设逻辑架构如图8所示。
图8 煤矿智能化分类建设逻辑架构
3.1 智能化煤矿分类分级重点建设任务
我国煤层赋存条件复杂多样，煤矿开采技术、装备配置、工程基础、技术路径、目标规划等存在较大差异，总体发展不平衡。煤矿智能化是一个不断迭代发展的过程，理论技术创新与建设实践相互促进。应当按照基于目标导向的煤矿智能化分类、分级建设范式与技术路径，因矿施策，推进全国煤矿智能化高质量发展[12]。
针对赋存条件相对简单的一类煤矿，应全面开展信息感知数字化、数据模型多元化、管控平台一体化、系统设备可靠化、工艺流程精细化、灾害防治精准化、智能运行常态化、管理运维标准化、开发利用绿色化、生产供给柔性化等“十化”建设，实现智能生产、绿色矿区、智慧生活。
针对赋存条件一般的二类煤矿，应着力开展“五优先、五重点”建设：优先开展固定场所无人值守、智能主辅运输、智能供电与供排水、智能采掘工作面、智能安全保障一体化系统等建设；重点突破灾害精准预测预警、机器人集群作业、一体化综合管控平台、智能地质探测与建模、智能快速掘进等技术装备的创新研发与实践，实现减人、增安、提质、创效。
针对赋存条件复杂的三类煤矿，应重点开展“人机协同智能化”建设，根据矿井生产技术条件，开展固定场所无人值守、智能采掘作业、智能主辅运输系统、智能供电供排水等建设，最大程度提升矿井的智能化水平。
3.2 煤矿智能化发展支撑技术
煤矿智能化技术架构可以分为设备层、基础设施层、服务层与应用层，煤矿智能化总体技术架构如图9所示。
图9 煤矿智能化总体技术架构
设备层利用先进传感技术、物联网技术、大数据技术、智能控制技术与边缘计算技术，全面感知煤矿人、机、环信息，实现数据的采集与设备的控制；基础设施层采用现场总线、井下环网相结合的方式，进行采集数据的上传、控制指令的下发以及多媒体数据的传输；服务层包括数据网关服务、一体化管控服务、智能移动监控服务、大数据分析服务与智慧调度服务等，为应用层设备安全运行、生产综合调度、智能分选加工等提供决策支撑。
未来智能化煤矿主要技术突破方向：掘进工作面掘支锚运工序全部机器人化，实现掘进工作面无人操作、少人巡视；精细化自动喷涂临时支护，紧跟截割滚筒进行喷涂，缩小空顶距、空帮距，代替金属网进行永久支护；全流程锚索自动支护，实现锚索支护自动连续钻孔、自动喷药，锚索自动推入、切断和张拉等全工序自动化；完善采煤工作面高精度地质探测及精准地质建模技术，将设备地质模型与设备精准控制数字孪生模型进行有机融合，实现透明地质+数字孪生+自主控制的智能化采煤；建立主煤流全方位感知与全线常态化智能运行模式，实现多条带式输送机、带式输送机与立井箕斗提升的常态化智能无人运行；实现低成本、常态化、安全、高效的复杂作业场景车辆遥控驾驶技术；全方位雷达避障、向前方进行测距、180°环扫单轨吊运输远程遥控及无人驾驶技术；实现各类煤矿生产材料的整体运输，自动衔接掘进、采煤工作面，物料自动装卸；实现煤矿灾害信息的智能感知、灾害防治策略的自主生成、灾害防治装备的智能联动控制；形成集监测、预警、防控、应急于一体的闭环管控体系，如图10所示。
图10 智能化煤矿闭环管控体系
煤矿智能化建设是一个复杂的系统工程，不仅需要实现“采、掘、机、运、通”各业务系统的智能化运行，还应开展采前的智能地质探测与高精度地质建模，以及采后的智能分选加工与增值利用、智慧循环经济园区建设等，应将矿井、矿区、社区三大要素进行有机融合，统一协调矿区智能化发展、工业园区智能低碳发展及社区人文智慧融合，构建多能融合智慧生态系统。
4 煤矿智能化装备及智能制造发展与展望
近年来，煤炭开采技术装备生产能力与制造质量得到飞速发展，促进了煤炭开采工艺变革和生产力的巨大进步，为煤矿安全生产提供了根本保障。煤炭工业经历了炮采、普通机械化、综合机械化、智能化发展4次重大技术变革。特别是“十三五”以来，依托重点研发计划和重大工程建设，煤机行业持续开展技术装备攻关、试验和推广，取得一批重大技术突破和成果。
4.1 煤矿智能化装备发展
煤矿智能化装备规模扩大，产业集中度提升，大大增强了煤矿智能化装备创新能力。已自主研发了8.8 m超大采高综采智能成套技术装备、大断面快速掘锚成套装备(图11)、长距离大运力带式输送系统、大型高效全自动压滤机、干法选煤系统等高端装备，煤炭装备制造与“云计算、大数据、物联网、移动互联网、智能制造”等技术深度融合，智能化开采技术及装备取得重大突破。
图11 大断面快速掘进系统
同时，煤矿智能化装备基础逐渐夯实。形成了基本覆盖煤炭装备全产业链的一批大型骨干企业集团，建成了多个智能制造工厂、车间和生产线，设备制造标准化和质量水平有效提升，主要煤炭装备基本实现了国产化，“三机一架”等关键设备已走到世界前列。
4.2 煤矿智能化支撑装备
在超大采高智能化综采和综放装备方面，研制了8～10 m超大采高综采、7 m超大采高综放等超大采高智能采煤机、智能刮板输送机及液压支架等核心装备，不断突破采高和效率极限；攻克了机身稳定性设计，超大型摇臂壳体材料、铸造及热处理，超大型牵引箱与电控箱壳体高强度厚板焊接，行走轮异形曲面齿形加工和智能控制等关键技术；研制出一次采全高智能化高效开采8～10 m超大采高智能采煤机，装机功率与开采高度均为世界之最；突破了采煤机结构可靠性、摇臂智能调高、全工艺过程自动化采煤等诸多技术难题；大运量智能刮板输送机实现了智能启动、智能调速、功率协调、链条自动张紧控制、双向协同控制等功能；实现了输送机、转载机、破碎机及带式输送机自移机尾系统集成，达到智能协同、自主调速、三机集控；研制的超前液压支架和自动化设备列车装备显著提高了两巷作业的自动化和智能化水平，保障了工作面设备群的协同高效推进。
在智能快速掘进支撑装备方面，实现配套装备一体化、自动化和智能化掘进模式，初步构建了适用于不同煤层条件的煤矿智能化快速掘进工艺技术与装备体系；提出掘、支、运一体化的成套解决方案，掘锚一体化快速掘进系统实现掘进、支护、运输平行连续作业，集通风、除尘、供电、给排水、控制通信于一体；全断面快速掘进系统可实现巷宽6.5 m、巷高4.5 m大断面机械化施工，掘、锚同步作业；护盾式掘进机器人群集掘、支、锚、运、通风、除尘等功能于一体，具备掘进定位导航及位姿自主纠偏、自适应截割、轨迹跟踪、环境多智能参数感知、设备状态在线监测与故障诊断、远程控制、人工辅助干预等功能；以“掘锚一体机+锚、运、破+大跨距转载”成套装备为基础，精准导航为引导，多机协同控制为核心，建成首套基于“GIS+三维可视化”掘进远程集控系统[13]。
在煤流运输关键技术和装备方面，带式输送机不断向长运距、大运量发展，基于智能化煤矿对煤流系统提出智能调控及无人值守的新要求，围绕高效、节能、可靠、无人的目标，高性能输送带、驱动技术、煤流检测等技术均取得新的突破。
在煤矿智能化机器人方面，提出“天-地-井”多场景煤矿机器人一体化解决方案[14]，提供巡检、作业、救援等类别单体煤矿机器人及机器人群，可覆盖煤矿多个场景；基于大数据挖掘的评估体系架构及可视化数据分析管理等关键技术，实现了单人多机管理的信息立体化；巡检类机器人、智能喷浆机器人、智能搬运机器人、冲尘机器人已在矿区实现机械化代人，显著提高了煤炭开采作业效率；构建了煤矿“1+N”智能化煤矿机器人集群应用模式，建立煤矿统一标准的矿井管控与协同调度平台，在关键工艺、高风险、非连续性作业岗位应用机器人，形成了煤矿机器人集群应用效应。已建设机器人集群协同控制应用中心、生产调度协同管控中心、安全保障管理协同应用中心、专业业务应用中心、决策分析综合管控应用中心、运维监测管理中心的“一支撑一平台六中心”智能化综合管控平台。“天-地-井”多场景煤矿机器人一体化解决方案如图12所示。
图12 “天-地-井”多场景煤矿机器人一体化解决方案
4.3 煤机装备智能制造业现存主要问题
(1)虽然煤机装备智能制造产业取得明显进展，但基础仍然薄弱。“新基建”还处于起步阶段，部分大型智能化装备、关键元器件、仪器仪表和工业软件等国产化不足，产品设计理念和创新方法不完善，研究基础薄弱，产品质量保证体系、管理规范与关键技术标准不健全，设备可靠性、稳定性不足；因此煤机装备核心竞争力还比较欠缺，打造煤机装备国际品牌任重道远。
(2)煤机装备智能制造产业结构有待改善。高端装备产能不足，产品生产加工集中化规模化程度低，中低端装备产能过剩，市场秩序不健全，在煤炭产业结构优化、煤矿数量大幅度减少的形势下，煤炭机电装备市场在不断萎缩并且出现过度竞争现象，产生价格混战、低价中标等不科学的发展问题。
(3)煤机装备智能制造产业发展动力不足。高端加工制造能力欠缺，智能制造、绿色制造和服务型制造发展缓慢，产业链、价值链协调互动不够，创新和科技研发平台尚不成熟，智能制造工艺、加工机械和专业人才队伍缺乏，不能满足煤机智能制造高质量发展的要求。
4.4 煤机装备智能制造发展策略
建立以企业为主体的“产学研用”相结合的创新体系，提高原始创新、集成创新和再创新能力，集中力量突破“卡脖子”技术封锁，坚持发展智能制造、绿色制造、服务型制造。具体应在以下5个方面进行推进[15]。
(1)产品与数据的标准化、模块化。针对煤机装备产品多品种、小批量特点，实施产品系列化、标准化和模块化建设，提升产品零部件标准化、功能模块通用化设计水平，强化智能制造理念，做好研发设计与生产工艺的融合，完善一体化体系，实现从研发设计、工艺、制造等环节的整体协同。
(2)进行智能制造系统加工工艺创新。煤机装备定制个性化、制造离散化、工艺柔性化的特点以及煤机装备结构自身的特殊要求，致使现有先进智能制造技术难以与煤机装备进行对接。应建立适应于专机(生产某一产品的定制化生产设备)和流水线生产的工艺标准，实现工艺技术数字化，弥补工艺短板。
(3)建设智能制造信息化系统和基础网络。应加强基础网络建设，统一生产体系信息化标准，建立完整统一的智能制造信息化系统，实现人、机、资源、环境的数据共享，推动工业云计算、大数据服务平台建设，为推进煤机智能制造提供网络基础保障。
(4)推进管理精益化及服务产业化。要全面推进煤机智能制造领域研发设计、生产加工、质量保证、供应物流等全价值链的精益管理，开展标准化作业，构建工位制、节拍化流水线的生产模式；互联网时代用户需求日趋多样化和定制化，单一产品已经难以适应市场，系统级的解决方案和专家服务成为产业蓝海。因此应搭建企业产品智能服务平台，促进智能装备服务产业化。
(5)打造智能制造人才培养体系。聚焦加强企业经营管理人才、高新技术人才及专业技术人才三大核心人才队伍体系建设。同时，加强制造业人才需求预测、人才评价和激励以及人才流动和引进等工作机制的建设，形成从研发、转化、生产到管理的人才培养体系。
4.5 煤机装备智能制造发展方向
(1)加快高端智能装备研发。加强煤矿智能化装备基础理论研究和核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料等共性关键技术的研发，重点突破精准地质探测、精确定位与数据高效连续传输、智能快速掘进、复杂条件智能综采、连续化辅助运输、露天开采无人化连续作业、重大危险源智能感知与预警、煤矿机器人等技术与装备的核心关键难题，提高智能化水平。
(2)加快装备节能与轻量化转化。推广应用变频调速一体机高效电机、永磁变频一体传动等节能高效传动；推进10 kV综采工作面电压升级；推进煤矿智能装备制造中轻量化设计、轻量化材料、轻量化结构的应用。
(3)突破煤矿智能装备和机器人关键技术。包括隔爆外壳轻量化、煤矿智能装备与机器人电磁兼容、煤矿机器人动力可靠性、射频电磁能防爆安全准则、煤矿机器人功能安全、运移与越障机构可靠性、重载执行机构适应性、动态编程方法和智能传感器自校准关键技术等。
(4)加大力度建设智能工厂。加强智能制造工艺研究，重点突破核心产品智能制造、建设高效人机协同智能制造柔性生产线，数字化车间信息架构如图13所示。
图13 数字化车间信息架构
4.6 煤机装备智能制造发展展望
《中国制造2025》《中国制造2025-能源装备实施方案》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》等系列政策文件，为煤机装备制造业“十四五”高质量发展指明了方向，智能化煤矿建设进程的加快为智能制造发展提供了重要发展机遇。
首先，要以数据为核心资源，推动煤矿智能化技术开发和应用模式创新，提高煤炭企业的核心竞争力；其次，应延伸智能煤机制造产业链，从主要提供煤机产品向提供产品与服务、整体解决方案和系统集成总承包转变，推动制造与服务的协同发展；第三，要开展大型煤矿企业、大数据专业服务商等数据平台之间的应用与交易，培育煤矿大数据开发、融资租赁、数据征信等服务新模式；第四，打造煤矿智能装备和煤矿机器人研发制造新产业，建设具有影响力的智能装备和机器人产业基地。
5 结论
(1)总结了煤矿智能化建设领域中基础理论、系统架构、标准体系和解决方案等相关核心内容，系统阐述了煤机智能装备是煤矿智能化的核心发展要素。
(2)介绍了最新研发的由网络型控制系统、工作面智能开采决策控制系统、液压动力执行系统、一体化控制中心等组成的新一代无人化智能开采控制系统装置，以及智能化开采环境支撑技术体系中信息感知传输网络、数字逻辑模型、数据推送策略、系统耦合分析、数字孪生系统的最新成果。
(3)充分考虑我国不同区域煤炭生产技术条件的多样性和差异性，基于煤矿智能化分类建设原则，提出了煤矿智能化建设的3种发展范式与支撑技术体系。
(4)认为，煤机智能装备在超大采高智能化综采和综放、智能快速掘进、煤流运输、智能化辅助运输方面取得重大突破，但仍然面临煤机装备智能制造产业基础薄弱、产业结构待改善、产业发展动力不足等问题，需要加快高端智能装备研发、加快设备节能与轻量化转化、突破煤矿智能装备和机器人关键技术、加大建设智能工厂力度。
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Development of coal mine intelligence and its technical equipment
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