宁夏煤业公司智能化建设现状分析及对策建议
时间:2022-08-24 18:56 来源:中国煤炭杂志官网 作者: 点击:次
宁夏煤业公司智能化建设现状分析及对策建议当前新一轮科技革命和能源产业变革不断深入和加速，新一代信息技术、物联网技术、智能装备等新技术将大幅提升传统产业发展能级和效率，煤炭生产方式发生巨大转变，实现煤矿安全、绿色、高效、智能开采已成为主流方向[1-4]。《煤矿机器人重点研发目录》《中国制造2025》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》等文件的出台加速了煤矿的智能化建设。全面实施煤矿“四化”建设，推进两化融合是实现煤炭企业高质量发展的必由之路[5-10]。 1 宁夏煤业公司智能化建设创新成果国家能源集团宁夏煤业有限责任公司(以下简称“宁夏煤业公司”)现有14对生产建设煤矿，均为井工煤矿，设计产能8 460万t/a。宁夏煤业公司煤矿智能化建设结合自身及行业现状和国内外技术发展方向，按照“效益、务实、可靠、先进”的原则，实施智慧矿山试点、自动化工作面、智能掘进及辅助生产、固定岗位无人值守、智能选煤全环节改造，积极稳步推进“集中控制、无人操作、有人巡视”的智能生产体系的建设。宁夏煤业公司重点从以下3个方面建设智慧矿山与智慧企业：一是建设以综采、综掘、主运输、生产辅助、固定岗位无人值守、选煤等方面无人操作为核心的智能化生产系统；二是构建经营管控+绩效管理以日清日结为核心的数字化运营体系；三是搭建由生产执行系统+综合安全感知平台形成的以安全管理为核心的智慧化管理体系[11]。 1.1 实施煤炭生产智能化改造，形成智能生产新方式2017年，宁夏煤业公司开始在金凤煤矿、金家渠煤矿进行智能化改造试点，探索智能化系统集成。完成了虚拟化改造、万兆工业环网、4G通信系统、智能视频调速、水电计量、智能移动巡检平台的建设，实现了井上下融合通讯、视频互通、智能巡检以及薄煤层自动化开采、生产辅助自动化控制和管理自主分析。宁夏煤业公司智能管控平台运行界面如图1所示。 
图1 宁夏煤业公司智能管控平台运行界面 1.1.1 建设智能化工作面，集成智能化开采技术 2013年，宁夏煤业公司开始探索自动化开采技术，累计20个采煤工作面实施自动化开采模式。目前，宁夏煤业公司综采设备智能化程度总体评估为80.5%，其中：采煤机70%、液压支架80%、三机(刮板输送机、转载机、破碎机)75%，其它(泵站、电气、带式输送机)100%。智能化开采技术主要体现在实现了大倾角厚煤层单向割煤智能开采，掌握了支架自动控制技术、智能识别和跟机控制技术、单向开采自动化连续推进技术等先进技术，并且在枣泉煤矿704综采工作面、任家庄煤矿902综采工作面、羊场湾煤矿二区613综采工作面、红柳煤矿404综采工作面这4个智能化综采工作面取得了较好的应用效果。以枣泉煤矿704综采工作面为例，实现了“有人监护，无人操作”常态化应用，液压支架自动跟机率达到94.5%，采煤机记忆截割率达到96.7%。该综采工作面只安排1名监护运行人员，生产过程的80%操作由综采设备自主完成，20%由集控员远程控制，基本实现自动割煤常态化应用。 1.1.2 工作面直线度控制技术 宁夏煤业公司在红柳煤矿、枣泉煤矿成功集成了以LASC技术为核心的工作面直线度检测与自动矫直控制技术、液压支架全工作面跟机12段自动化工艺以及运输巷联动控制技术。 1.1.3 智能掘进少人无人化 智能掘进探索方面，一是实现了智能掘进实施连续化作业与标准化配置、掘锚一体化、掘支平行化智能化三步走战略，完善了综掘机遥控配置，掘进效率提高了20%；二是全面推广应用了掘锚护一体机，提高了作业效率和安全系数；三是推动研发了无反复支撑快速掘进技术装备、复杂条件下煤巷全断面智能掘进成套装备技术。 宁夏煤业公司目前存在采掘过程中用工多、工作量大、效率低、安全性差等问题，为了解决以上问题并实现快速掘进，宁夏煤业公司主要采取了如下措施。 (1) 连续化作业与标准化配置。通过完成综掘机重型化配置，掘进效率提高20%以上。根据不同地质条件和巷道不同用途，完成不同组合的永磁化带式输送机、自移机尾、轻型单轨吊、锚杆锚索钻车、装载机、挖机等6项配置标准实施工作，这将进一步提高单进水平。 (2)掘锚一体化。全面推进掘进效率高、适用范围广、无空顶的掘锚一体机应用，减少支护工50%以上，实现了减人提效的目的。 (3)掘支平行化、智能化掘进。宁夏煤业公司自行组织研发的“无反复支撑快速掘进技术装备研发与应用”“复杂条件下煤巷全断面智能掘进成套装备技术研究”这两类掘支平行化、智能化掘进装备的投入，彻底改善了困扰煤炭行业多年的采掘失调问题。 1.1.4 推进智能化生产辅助系统 对连续运行在5 a以上、负荷率在50%以下且具备智能调速改造条件的带式输送机进行升级改造。全公司115条井下固定带式输送机有20%具备实现“无人值守”条件，并计划14对矿井有序实现综掘运输系统、综采运输系统以及主运输系统无人化。对综采设备搬家倒面、无轨胶轮车运行、辅助提升设备实施可视化、信息化管理，车辆管控实现全程精确定位、视频防碰撞、行驶速度监测、运行调度管理。辅助运输无人化正在做前期技术准备，力争到2025年试点矿井实现辅助运输无人化。 1.1.5 全方位推进固定岗位“无人值守” 固定岗位无人值守方面，矿井井下供电、通风、排水等以及地面通风机、供电、压风、供暖等生产辅助系统的“无人值守”技术已经比较成熟。截止2021年10月底，宁夏煤业公司14对矿井全部固定岗位完成无人化改造，实现“可视化远程集中控制+有人巡视+无人值守”。 1.1.6 自主实施选煤厂升级改造实现智能选煤 宁夏煤业公司借助智能选煤云平台实现部分选煤厂生产状态实时监测和远程监控，利用机器视觉技术构建了基于煤质组成的重介分选过程调控专家咨询系统，实现重介选煤生产过程的智能控制与管理，应用TDS智能干选技术进行块煤分选，实现分选过程无人值守。 在智能化选煤厂建设过程中，宁夏煤业公司走出了一条适合自身“自主创新，工控先行，精益运营，共享传承”的道路。2015年，宁夏煤业公司开始自主创新实施选煤厂智能化改造；2018年，建成双马煤矿、梅花井煤矿、石槽村煤矿、枣泉煤矿4座智能化选煤厂；2019年，梅花井煤矿和双马煤矿选煤厂率先实现“有人巡视，无人值守”，减少岗位工50%以上。2021年2月，运行的10座选煤厂全部完成“集中控制，无人操作，有人巡视”升级。 1.2 实施运营管理数字化集成，培育智慧管理新模式(1)形成全覆盖的信息网络基础。建成以光传输网络为基础，横跨银川总部、银北、宁东3个地域的计算机城域网络，搭建基于服务器、存储、网络等物理环境与虚拟化云平台及具体的自动化技术应用融合的公司数据中心，具备信息及时传送、数字实时处理的保障能力。 (2)应用各类业务管理信息平台。通过应用三大类系统，促进数据集成、流程集成、应用集成。一是推广应用国家能源集团ERP等统建系统，实现对人力资源、财务、物资、销售、设备等核心资源的统一管理和有效配置，达到“一本账”的管控目标；二是开发企业管理信息一体化系统，以信息流为驱动，充分整合物资流、工作流、资金流，实现业务纵向贯通、横向协作，重点在金凤煤矿和双马煤矿试点推广了内部市场化、水电计量、物资精细化管理及绩效管理等系统，构建了从宁夏煤业公司到厂矿以及厂矿到区队、班组、岗位的结算体系和绩效考评体系等，实现绩效指标层层传递、成本管控日清日结和班清班结；三是开发手机端App智慧矿山管理系统，不仅实现了对设备巡检、监控、管理、技术资料存储以及设备运行情况的实时监测，而且实现了“智慧党建”“智慧安全”“智慧生产”“智慧培训”等领域一体化智慧管理，还实现了安全生产状况、OA办公文件流程办理等方面的可视化、流程化和规范化。 1.3 搭建以安全管理为核心的自主决策智慧化管理系统通过安全监测监控、智能矿灯、智能巡检机器人、MESH(无线网络网格)自组网应急通信等系统，实现安全管控及应急救援。 (1)安全监测监控。2018年，根据国家煤监局发布的《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》通知要求，在原有的安全监控系统基础上对14对矿井进行升级改造，实现安全监控与人员定位、应急广播的多系统融合。 (2)智能矿灯。自主研发并在金凤煤矿试点应用的智能矿灯集成了照明、通信、定位、视频、气体检测、调度通讯等功能，实现了入井人员安全监察、行为监督、有毒有害气体预测、人员精确定位、应急求救的数据共享和可视化管理，解决了入井人员携带设备多、维护工作量大等问题，实现了安全管理模式由人防和制度管理模式向技防模式的转变。 (3)智能巡检机器人。建成井下变电所智能动态巡检机器人，实现了环境参数自动检测、声音视频采集、遥控定位、扬声播报、设备运行参数AR窗口显示等功能。 (4)MESH自组网应急通信联络系统。基于MESH的自组网应急救援通信系统可建立无中心的通信网络，当地面与井下通讯中断后，井下各区域可自主通信。井下无线通信基站之间智能识别附近基站，自动组成无线链路桥接入网络，进一步保障应急通信容灾容错链路。 2 宁夏煤业公司智能化建设关键技术突破2.1 智能“3+1”开采系统构建宁夏煤业公司一直将智能化开采作为推动现代化矿井高质量发展的技术途径。坚持“高技术、高标准、高质量、高效率、高效益”的方针持续建设智能开采工作面，建立了“3+1”开采模式，“3”即实现3个智能对话(实现人与设备、设备与设备、设备与采场)互为交互、互为联动的新型煤矿发展模式；“1” 即1个系统(安全、高效、可靠、高质量的网络传输系统)。 2.2 防止刮板输送机“上窜下滑”的跟机移架模式应用枣泉煤矿通过对自动化移架功能的优化，攻克了大倾角(平均倾角28°)自动化开采过程中防止支架“上窜下滑”自动控制技术难题，实现了防刮板输送机“上窜下滑”的跟机移架模式，现场运行中效果显著，为大倾角工作面自动化技术的普及提供了样板和方向。同时，梅花井煤矿解决了厚煤层大倾角工作面双向割煤高效生产问题(平均倾角26°)，自动化割煤设计达到上行8 m/min的截割速度，也为大倾角煤层智能生产奠定了基础。 2.3 基本实现采煤机智能截割采煤机智能截割技术包括记忆截割+视频远程截割+视频煤岩识别。目前，宁夏煤业公司智能开采技术应用矿井记忆截割已全部实现，视频远程截割也全部覆盖，同时创新性建立了工作面高清可视化技术体系，实现了摄像仪的自清洁、自清洗，解决了动态生产情况下可视化操作难题。 2.4 薄煤层实现“少人化”智能生产薄煤层实现“少人化”智能生产技术已在梅花井煤矿、金凤煤矿进行了工业性试验，可以做到工作面2～3人连续生产。薄煤层“少人化”智能生产技术的应用提高了技术人员和操作人员技能素质和人才储备，逐渐摆脱对自动化厂家的依赖，能够迅速排除自动化系统故障和隐患。 2.5 带式输送机实现永磁化、变频化及智能调速应用创新应用了激光测量煤流系统煤量检测技术，融合图像识别和分析技术，通过对带式输送机动态负荷监测分析以及智能节能控制，实现了检修和低、中、高3档煤流运输系统煤量的调速，解决了煤流负荷控制条件实时感知难题，节能达20%。同时全面推广永磁变频系统，可减少能耗10%。 2.6 远程集成供液系统(SAP)应用通过对集成供液系统(SAP)的优化，摸索出变频泵+工频运行的模式，成功应用了变频调速泵站的原有功能，并在此基础上总结出一套适用于矿井设计-安装-调试-使用经验，实现了工作面快速恒压恒量供液和远距离供液。其中红柳煤矿应用快速恒压供液使采煤机在工作面中部快速割煤(>10 m/min)时，实现了液压支架快速跟机移架，开发了一套三段式移架功能，不但解决了丢架的技术难题，同时使单架移架时间降低到9 s/架；枣泉煤矿2 100 m的远距离供液实现了泵站与工作面的远距离分置，实现了按需供液，既解决了液压系统供与需的矛盾，又改善和提高了工作面顶板管理和工作面采场的管理质量。 2.7 4G专网智能控制技术建立了工作面全景视频拼接、4G(无线+有线)万兆专网“一网到底”的智能控制技术，利用4G技术建立了覆盖井上下的环网和专网，通过设置独立的冗余环，实现了监测数据、控制数据、视频数据、语音通话数据的独立传输，为今后自动化工作面实现无线控制提供了借鉴经验。 2.8 实现了采煤机、液压支架协调控制的深度融合创新性地应用状态传感器，建立了工作面姿态数据库，实现了液压支架高度、倾角数据和采煤机倾角数据的联动，通过测算工作面采高、姿态和液压支架排布姿态情况，实现了及时判断工作面开采姿态健康状况。其中双马煤矿首次应用了超宽带载波煤机通讯，完善了支架姿态监测、工作面矿压监测分析、刮板输送机和煤机负载联动控制等功能，工作面UWB精确人员定位系统取得一定成效。 2.9 实现了移动智能终端生产信息的实时发布融合应用移动互联网、大数据、智能设备等先进技术，研发智慧矿山App管理系统，实现了智能生产信息在移动智能终端系统的实时发布。在“指尖上”就可实时掌握自动化开采信息，进而实现信息对生产的精确指导。 2.10 实现了管理及运营方式创新建立了完善科学的智慧矿山管理制度，以高效、绿色、安全、清洁、智能为目标，采用了“目标导向-应用先行-正向激励-分类管控-分级评价-梯级提升”的矿井自动化推进模式。加强了专业化、标准化、信息化、自动化、智能化建设，实现了业务与技术、安全与管理、生产与组织的高度融合。宁夏煤业公司坚持高技术、高标准、高质量、高效率、高效益“五高”方针，推行了“模块化、契约化、标准化、专业化”管理模式，对自动化专业模块实现了统筹管理，为煤矿开拓创新、转型升级，奋力开创复杂地区煤炭安全生产管理新局面探索出一条新路。 3 宁夏煤业公司智能化建设仍需要进一步完善虽然宁夏煤业公司智能煤矿建设取得了突出成绩，但还存在以下潜在问题，需要进一步完善。 3.1 智能化建设目标不精准在“十三五”期间，宁夏煤业公司稳步推进煤矿的两化融合工作。2021年11月，公司出台了智能化矿山建设总体规划，明确了智能化相关指标、目标，但总体规划建设目标与各矿井发展实际情况匹配度低、精准性差，不利于工作的整体推进。 3.2 智能开采技术有待持续提升智能开采技术在系统的可靠性、传输的稳定性、操作的适用性以及程序的易用性方面需要进一步突破，如SAS采煤机控制系统存在设计时未考虑自动化功能，造成部分后期加装的传感器(轴编码器、行程传感器)外置，数据线直接裸露在行走箱外面，极易造成损坏；远程控制数据传输延迟、数据丢包、视频系统卡顿等问题较多；采煤机记忆截割模式下三角煤截割工艺，存在液压支架跟机程度重复触发、支架跟机动作重复执行问题；自动化割煤程序与现场使用需求相距有差距，存在人工干预率较高等问题。 3.3 智能掘进技术未取得重大突破智能掘进技术先后进行了示范性探索，实现了定点“自动割煤+远程干预”，但在常态化应用上依然受到各种因素的制约，其他相关功能应用效果也不佳，如锚杆机的自动锚钻、喷浆机智能喷浆作业等。 3.4 5类机器人研发与应用未实现全覆盖作业机器人和巡检机器人等5类机器人未实现全覆盖，在推广应用方面需要进一步发力，力争逐步将员工从艰苦、危险的作业环境中解放出来，实现“无人则安、少人则安”。 3.5 考核评价体系需建立健全相关部门在智慧矿山建设方面的考核评价体系不健全，应建立相关的考核评价标准、项目建设标准，对信息技术中心、各厂矿智能化系统建设进行分类分级考核。 3.6 知识产权保护不够重视智能化推动过程中每一项重要的技术革新都是以需求为导向的应用，是现实需求与技术攻关深度融合的产物。受人员理论水平、专业化咨询缺位等因素制约，智能化建设成果转化不够。主要体现在成果转化缺乏系统性的布局和规划，专利成果申报质量也不高，成果转化率低。 3.7 智能化技术应用与核心关键环节融合不够目前，智能化技术的应用基于采煤、掘进、选煤、固定岗位无人值守等领域，缺少与地质条件、装备技术、生产工艺、程序参数调整和应用、人员技能、管理能力的有效融合，导致推进受到限制。为达到良好的应用效果，智能化技术的应用要梳理关联因素，将其与涵盖煤矿生产、经营、管理环节的各个管理元素和单元，实现完全融合。 3.8 智能化高端技术人才缺乏自动化软件程序复杂，对工作面作业人员操作技能要求高，智能高端技术人才比较缺乏。现在只有枣泉煤矿、红柳煤矿在厂家远程指导下可更改控制程序，大多数工作面程序调整对厂家技术人员的依赖度高，在工作面设备发生变化、采场发生变化时程序更改完成周期较长。 3.9 内部协调性弱，数据共享率低智能化建设工作开展以来，各煤矿由于受到管理思维固化和原有系统性局限性的影响，造成工作推动内部协调性弱，数据治理与共享不足。目前，公司到煤矿虽然均已构建2级全时域、全融合安全生产综合数据管理平台，开发了多项数据应用子系统，存储数据达数千亿条，但数据挖掘、分析不够，利用率低，未真正做到用数据说话，不能显著体现数据对生产的指导价值。智能化建设是一个系统性工程，既需要横向到边、纵向到底的协调联动，又需要打通全流程的信息壁垒，实现数据治理与共享。 4 宁夏煤业公司智能化建设发展建议4.1 强化战略引领，做好顶层设计要提高政治站位、开拓眼界，以国务院部委、本省及集团以智能化建设目标为引领，明确宁夏煤业公司智能化总体思路、建设目标、预期效果，高标准、高质量、高效率、高效益协同推进智能化建设，努力实现“井下操作”向“地面远控”、“黑领矿工”向“金领采煤师”、“人员密集”向“技术密集”、“高危环境”向“本质安全”的四大转变，进一步发挥能源保供“稳定器”“压舱石”的作用，使煤炭行业成为受人尊重的、令人向往的行业。 4.2 强化科技创新，增强核心实力(1)组建协同创新平台，助力智能化矿山建设。依托宁夏煤业公司现有产业基础、广泛的应用场景，成立协同创新中心，试点“揭榜挂帅”制、专班工作制，联合装备制造企业、科研机构、高等院校共同研究解决智能开采、智能掘进以及其他专业的难题，提升核心竞争力。 (2)建立健全煤矿智能化建设标准体系、考核评价体系。总结现有的应用技术成果，完善智能煤矿、智能采煤、智能掘进、固定岗位无人值守等技术标准，配套制定煤矿智能化建设、安装、评价、验收、考核规范，分类分级完善煤矿智能化标准体系、考核评价系统，做到建设有标准，考核有依据。 (3)加强知识产权保护和成果转换。强化成果转化意识，做好源头论证与设计工作，与科技管理部门联合对科技成果、技术标准和专利的前置审查和申报工作对接，以宁夏煤业公司特有的智能化应用场景为平台，形成一批具有自主知识产权的实用科技成果、技术标准和专利。 4.3 强化“六大”融合[13]，提升应用效果(1)推进智能化配套设备与地质条件的融合，加强操作系统和传感器的稳定性、硬件设施的可靠性、软件的易用性、应对复杂地质条件下的适用性。 (2)推进智能化配套设备与网络通信技术的融合。顺应时代发展，借助网络通信技术的推广应用，提高终端使用传感器的检测精度以及检测方法，减少使用连接线缆数量，提高工作面集中控制系统网络传输能力，解决延时、卡顿现象。 (3)推进智能化配套设备程序参数选择性调整与现场实际运用的融合。提升支架控制器自身运行能力，满足工作面现场条件变化与工况变化的需求，实现模块化、程序化发展从而提升支架控制器集成程度，便于现场操作人员对支架参数的及时调整。 (4)推进智能化配套设备与生产工艺的融合。提高认识、关口前移、重心下移。加强矿方与电液控厂家及各厂家之间的“互联互通，共享共建”，“找问题，解难题、促提升”要在使用中不断积累经验，优化改进智能化开采技术。 (5)推进智能化配套设备与管理能力的融合。注重培养全面提升基层管理人员的综合素质和管理能力。一方面，创造条件激励基层管理人员拓宽知识面、增强管理意识；另一方面，采取走出去、请进来的方式，搭建学习交流平台和完善人才激励机制，逐步提升管理人员适应煤炭智能化建设的素质。 (6)推进智能化配套设备与人员技能的融合。加强对操作员工的技术培训，使操作人员在使用智能化配套设备过程中遇到问题可做到“遇事不惊、处事不乱”，迅速排除设备故障和隐患，快速恢复生产的能力。 4.4 强化内部协调，增强数据共享智能化建设是一项系统性、综合性工程，要把相关应用对象及其相关功能要素视为一个整体，全面发挥系统功能，从整体效果最佳出发确定目标，因此构建高效的协调共享机制尤为重要。 (1)加强内部协调机制。基于职能分工专业化、整体运作高效化的原则，从集团公司与基层单位之间、单位与单位之间、部门与部门、部门与区队、区队及班组内部入手形成上下联动、左右互动的协调机制。 (2)强化数据治理和共享。在数据治理和共享方面，构建特色的数据治理与共享规则体系[14]，形成大数据资源库，发挥数据的重要价值，让“数据说话”成为管理的一个新手段。 5 结语煤矿智能化建设是煤炭工业转型升级和高质量发展的重大机遇，必须毫不动摇的坚持下去。目前，在地质条件好的矿井，煤炭智能化建设取得了较好的应用效果，但由于煤矿开采条件的多样性和复杂性，智能化建设远未达到预期理想的效果和目标，要实现智能化无人化建设目标仍需补齐多项核心技术短板和管理短板。 [1] 王国法，刘峰，庞义辉，等.煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J].煤炭学报，2019，44(2):349-357. 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