寧夏煤業公司智能化建設現狀分析及對策建議

馬 昆，沈銘華，呂兆海，楊 洋，王九州，倉義勇

(1.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏回族自治區銀川市，751410；2.中國礦業大學機電工程學院，江蘇省徐州市，221116)

當前新一輪科技革命和能源產業變革不斷深入和加速，新一代信息技術、物聯網技術、智能裝備等新技術將大幅提升傳統產業發展能級和效率，煤炭生產方式發生巨大轉變，實現煤礦安全、綠色、高效、智能開采已成為主流方向[1-4]?！睹旱V機器人重點研發目錄》《中國制造2025》《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》等文件的出臺加速了煤礦的智能化建設。全面實施煤礦“四化”建設，推進兩化融合是實現煤炭企業高質量發展的必由之路[5-10]。

1 寧夏煤業公司智能化建設創新成果

國家能源集團寧夏煤業有限責任公司(以下簡稱“寧夏煤業公司”)現有14對生產建設煤礦，均為井工煤礦，設計產能8 460萬t/a。寧夏煤業公司煤礦智能化建設結合自身及行業現狀和國內外技術發展方向，按照“效益、務實、可靠、先進”的原則，實施智慧礦山試點、自動化工作面、智能掘進及輔助生產、固定崗位無人值守、智能選煤全環節改造，積極穩步推進“集中控制、無人操作、有人巡視”的智能生產體系的建設。寧夏煤業公司重點從以下3個方面建設智慧礦山與智慧企業：一是建設以綜采、綜掘、主運輸、生產輔助、固定崗位無人值守、選煤等方面無人操作為核心的智能化生產系統；二是構建經營管控+績效管理以日清日結為核心的數字化運營體系；三是搭建由生產執行系統+綜合安全感知平臺形成的以安全管理為核心的智慧化管理體系[11]。

1.1 實施煤炭生產智能化改造，形成智能生產新方式

2017年，寧夏煤業公司開始在金鳳煤礦、金家渠煤礦進行智能化改造試點，探索智能化系統集成。完成了虛擬化改造、萬兆工業環網、4G通信系統、智能視頻調速、水電計量、智能移動巡檢平臺的建設，實現了井上下融合通訊、視頻互通、智能巡檢以及薄煤層自動化開采、生產輔助自動化控制和管理自主分析。寧夏煤業公司智能管控平臺運行界面如圖1所示。

圖1 寧夏煤業公司智能管控平臺運行界面

1.1.1 建設智能化工作面，集成智能化開采技術

2013年，寧夏煤業公司開始探索自動化開采技術，累計20個采煤工作面實施自動化開采模式。目前，寧夏煤業公司綜采設備智能化程度總體評估為80.5%，其中：采煤機70%、液壓支架80%、三機(刮板輸送機、轉載機、破碎機)75%，其它(泵站、電氣、帶式輸送機)100%。智能化開采技術主要體現在實現了大傾角厚煤層單向割煤智能開采，掌握了支架自動控制技術、智能識別和跟機控制技術、單向開采自動化連續推進技術等先進技術，并且在棗泉煤礦704綜采工作面、任家莊煤礦902綜采工作面、羊場灣煤礦二區613綜采工作面、紅柳煤礦404綜采工作面這4個智能化綜采工作面取得了較好的應用效果。以棗泉煤礦704綜采工作面為例，實現了“有人監護，無人操作”常態化應用，液壓支架自動跟機率達到94.5%，采煤機記憶截割率達到96.7%。該綜采工作面只安排1名監護運行人員，生產過程的80%操作由綜采設備自主完成，20%由集控員遠程控制，基本實現自動割煤常態化應用。

1.1.2 工作面直線度控制技術

寧夏煤業公司在紅柳煤礦、棗泉煤礦成功集成了以LASC技術為核心的工作面直線度檢測與自動矯直控制技術、液壓支架全工作面跟機12段自動化工藝以及運輸巷聯動控制技術。

1.1.3 智能掘進少人無人化

智能掘進探索方面，一是實現了智能掘進實施連續化作業與標準化配置、掘錨一體化、掘支平行化智能化三步走戰略，完善了綜掘機遙控配置，掘進效率提高了20%；二是全面推廣應用了掘錨護一體機，提高了作業效率和安全系數；三是推動研發了無反復支撐快速掘進技術裝備、復雜條件下煤巷全斷面智能掘進成套裝備技術。

寧夏煤業公司目前存在采掘過程中用工多、工作量大、效率低、安全性差等問題，為了解決以上問題并實現快速掘進，寧夏煤業公司主要采取了如下措施。

(1) 連續化作業與標準化配置。通過完成綜掘機重型化配置，掘進效率提高20%以上。根據不同地質條件和巷道不同用途，完成不同組合的永磁化帶式輸送機、自移機尾、輕型單軌吊、錨桿錨索鉆車、裝載機、挖機等6項配置標準實施工作，這將進一步提高單進水平。

(2)掘錨一體化。全面推進掘進效率高、適用范圍廣、無空頂的掘錨一體機應用，減少支護工50%以上，實現了減人提效的目的。

(3)掘支平行化、智能化掘進。寧夏煤業公司自行組織研發的“無反復支撐快速掘進技術裝備研發與應用”“復雜條件下煤巷全斷面智能掘進成套裝備技術研究”這兩類掘支平行化、智能化掘進裝備的投入，徹底改善了困擾煤炭行業多年的采掘失調問題。

1.1.4 推進智能化生產輔助系統

對連續運行在5 a以上、負荷率在50%以下且具備智能調速改造條件的帶式輸送機進行升級改造。全公司115條井下固定帶式輸送機有20%具備實現“無人值守”條件，并計劃14對礦井有序實現綜掘運輸系統、綜采運輸系統以及主運輸系統無人化。對綜采設備搬家倒面、無軌膠輪車運行、輔助提升設備實施可視化、信息化管理，車輛管控實現全程精確定位、視頻防碰撞、行駛速度監測、運行調度管理。輔助運輸無人化正在做前期技術準備，力爭到2025年試點礦井實現輔助運輸無人化。

1.1.5 全方位推進固定崗位“無人值守”

固定崗位無人值守方面，礦井井下供電、通風、排水等以及地面通風機、供電、壓風、供暖等生產輔助系統的“無人值守”技術已經比較成熟。截止2021年10月底，寧夏煤業公司14對礦井全部固定崗位完成無人化改造，實現“可視化遠程集中控制+有人巡視+無人值守”。

1.1.6 自主實施選煤廠升級改造實現智能選煤

寧夏煤業公司借助智能選煤云平臺實現部分選煤廠生產狀態實時監測和遠程監控，利用機器視覺技術構建了基于煤質組成的重介分選過程調控專家咨詢系統，實現重介選煤生產過程的智能控制與管理，應用TDS智能干選技術進行塊煤分選，實現分選過程無人值守。

在智能化選煤廠建設過程中，寧夏煤業公司走出了一條適合自身“自主創新，工控先行，精益運營，共享傳承”的道路。2015年，寧夏煤業公司開始自主創新實施選煤廠智能化改造；2018年，建成雙馬煤礦、梅花井煤礦、石槽村煤礦、棗泉煤礦4座智能化選煤廠；2019年，梅花井煤礦和雙馬煤礦選煤廠率先實現“有人巡視，無人值守”，減少崗位工50%以上。2021年2月，運行的10座選煤廠全部完成“集中控制，無人操作，有人巡視”升級。

1.2 實施運營管理數字化集成，培育智慧管理新模式

(1)形成全覆蓋的信息網絡基礎。建成以光傳輸網絡為基礎，橫跨銀川總部、銀北、寧東3個地域的計算機城域網絡，搭建基于服務器、存儲、網絡等物理環境與虛擬化云平臺及具體的自動化技術應用融合的公司數據中心，具備信息及時傳送、數字實時處理的保障能力。

(2)應用各類業務管理信息平臺。通過應用三大類系統，促進數據集成、流程集成、應用集成。一是推廣應用國家能源集團ERP等統建系統，實現對人力資源、財務、物資、銷售、設備等核心資源的統一管理和有效配置，達到“一本賬”的管控目標；二是開發企業管理信息一體化系統，以信息流為驅動，充分整合物資流、工作流、資金流，實現業務縱向貫通、橫向協作，重點在金鳳煤礦和雙馬煤礦試點推廣了內部市場化、水電計量、物資精細化管理及績效管理等系統，構建了從寧夏煤業公司到廠礦以及廠礦到區隊、班組、崗位的結算體系和績效考評體系等，實現績效指標層層傳遞、成本管控日清日結和班清班結；三是開發手機端App智慧礦山管理系統，不僅實現了對設備巡檢、監控、管理、技術資料存儲以及設備運行情況的實時監測，而且實現了“智慧黨建”“智慧安全”“智慧生產”“智慧培訓”等領域一體化智慧管理，還實現了安全生產狀況、OA辦公文件流程辦理等方面的可視化、流程化和規范化。

1.3 搭建以安全管理為核心的自主決策智慧化管理系統

通過安全監測監控、智能礦燈、智能巡檢機器人、MESH(無線網絡網格)自組網應急通信等系統，實現安全管控及應急救援。

(1)安全監測監控。2018年，根據國家煤監局發布的《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》通知要求，在原有的安全監控系統基礎上對14對礦井進行升級改造，實現安全監控與人員定位、應急廣播的多系統融合。

(2)智能礦燈。自主研發并在金鳳煤礦試點應用的智能礦燈集成了照明、通信、定位、視頻、氣體檢測、調度通訊等功能，實現了入井人員安全監察、行為監督、有毒有害氣體預測、人員精確定位、應急求救的數據共享和可視化管理，解決了入井人員攜帶設備多、維護工作量大等問題，實現了安全管理模式由人防和制度管理模式向技防模式的轉變。

(3)智能巡檢機器人。建成井下變電所智能動態巡檢機器人，實現了環境參數自動檢測、聲音視頻采集、遙控定位、揚聲播報、設備運行參數AR窗口顯示等功能。

(4)MESH自組網應急通信聯絡系統?；贛ESH的自組網應急救援通信系統可建立無中心的通信網絡，當地面與井下通訊中斷后，井下各區域可自主通信。井下無線通信基站之間智能識別附近基站，自動組成無線鏈路橋接入網絡，進一步保障應急通信容災容錯鏈路。

2 寧夏煤業公司智能化建設關鍵技術突破

2.1 智能“3+1”開采系統構建

寧夏煤業公司一直將智能化開采作為推動現代化礦井高質量發展的技術途徑。堅持“高技術、高標準、高質量、高效率、高效益”的方針持續建設智能開采工作面，建立了“3+1”開采模式，“3”即實現3個智能對話(實現人與設備、設備與設備、設備與采場)互為交互、互為聯動的新型煤礦發展模式；“1” 即1個系統(安全、高效、可靠、高質量的網絡傳輸系統)。

2.2 防止刮板輸送機“上竄下滑”的跟機移架模式應用

棗泉煤礦通過對自動化移架功能的優化，攻克了大傾角(平均傾角28°)自動化開采過程中防止支架“上竄下滑”自動控制技術難題，實現了防刮板輸送機“上竄下滑”的跟機移架模式，現場運行中效果顯著，為大傾角工作面自動化技術的普及提供了樣板和方向。同時，梅花井煤礦解決了厚煤層大傾角工作面雙向割煤高效生產問題(平均傾角26°)，自動化割煤設計達到上行8 m/min的截割速度，也為大傾角煤層智能生產奠定了基礎。

2.3 基本實現采煤機智能截割

采煤機智能截割技術包括記憶截割+視頻遠程截割+視頻煤巖識別。目前，寧夏煤業公司智能開采技術應用礦井記憶截割已全部實現，視頻遠程截割也全部覆蓋，同時創新性建立了工作面高清可視化技術體系，實現了攝像儀的自清潔、自清洗，解決了動態生產情況下可視化操作難題。

2.4 薄煤層實現“少人化”智能生產

薄煤層實現“少人化”智能生產技術已在梅花井煤礦、金鳳煤礦進行了工業性試驗，可以做到工作面2～3人連續生產。薄煤層“少人化”智能生產技術的應用提高了技術人員和操作人員技能素質和人才儲備，逐漸擺脫對自動化廠家的依賴，能夠迅速排除自動化系統故障和隱患。

2.5 帶式輸送機實現永磁化、變頻化及智能調速應用

創新應用了激光測量煤流系統煤量檢測技術，融合圖像識別和分析技術，通過對帶式輸送機動態負荷監測分析以及智能節能控制，實現了檢修和低、中、高3檔煤流運輸系統煤量的調速，解決了煤流負荷控制條件實時感知難題，節能達20%。同時全面推廣永磁變頻系統，可減少能耗10%。

2.6 遠程集成供液系統(SAP)應用

通過對集成供液系統(SAP)的優化，摸索出變頻泵+工頻運行的模式，成功應用了變頻調速泵站的原有功能，并在此基礎上總結出一套適用于礦井設計-安裝-調試-使用經驗，實現了工作面快速恒壓恒量供液和遠距離供液。其中紅柳煤礦應用快速恒壓供液使采煤機在工作面中部快速割煤(>10 m/min)時，實現了液壓支架快速跟機移架，開發了一套三段式移架功能，不但解決了丟架的技術難題，同時使單架移架時間降低到9 s/架；棗泉煤礦2 100 m的遠距離供液實現了泵站與工作面的遠距離分置，實現了按需供液，既解決了液壓系統供與需的矛盾，又改善和提高了工作面頂板管理和工作面采場的管理質量。

2.7 4G專網智能控制技術

建立了工作面全景視頻拼接、4G(無線+有線)萬兆專網“一網到底”的智能控制技術，利用4G技術建立了覆蓋井上下的環網和專網，通過設置獨立的冗余環，實現了監測數據、控制數據、視頻數據、語音通話數據的獨立傳輸，為今后自動化工作面實現無線控制提供了借鑒經驗。

2.8 實現了采煤機、液壓支架協調控制的深度融合

創新性地應用狀態傳感器，建立了工作面姿態數據庫，實現了液壓支架高度、傾角數據和采煤機傾角數據的聯動，通過測算工作面采高、姿態和液壓支架排布姿態情況，實現了及時判斷工作面開采姿態健康狀況。其中雙馬煤礦首次應用了超寬帶載波煤機通訊，完善了支架姿態監測、工作面礦壓監測分析、刮板輸送機和煤機負載聯動控制等功能，工作面UWB精確人員定位系統取得一定成效。

2.9 實現了移動智能終端生產信息的實時發布

融合應用移動互聯網、大數據、智能設備等先進技術，研發智慧礦山App管理系統，實現了智能生產信息在移動智能終端系統的實時發布。在“指尖上”就可實時掌握自動化開采信息，進而實現信息對生產的精確指導。

2.10 實現了管理及運營方式創新

建立了完善科學的智慧礦山管理制度，以高效、綠色、安全、清潔、智能為目標，采用了“目標導向-應用先行-正向激勵-分類管控-分級評價-梯級提升”的礦井自動化推進模式。加強了專業化、標準化、信息化、自動化、智能化建設，實現了業務與技術、安全與管理、生產與組織的高度融合。寧夏煤業公司堅持高技術、高標準、高質量、高效率、高效益“五高”方針，推行了“模塊化、契約化、標準化、專業化”管理模式，對自動化專業模塊實現了統籌管理，為煤礦開拓創新、轉型升級，奮力開創復雜地區煤炭安全生產管理新局面探索出一條新路。

3 寧夏煤業公司智能化建設仍需要進一步完善

雖然寧夏煤業公司智能煤礦建設取得了突出成績，但還存在以下潛在問題，需要進一步完善。

3.1 智能化建設目標不精準

在“十三五”期間，寧夏煤業公司穩步推進煤礦的兩化融合工作。2021年11月，公司出臺了智能化礦山建設總體規劃，明確了智能化相關指標、目標，但總體規劃建設目標與各礦井發展實際情況匹配度低、精準性差，不利于工作的整體推進。

3.2 智能開采技術有待持續提升

智能開采技術在系統的可靠性、傳輸的穩定性、操作的適用性以及程序的易用性方面需要進一步突破，如SAS采煤機控制系統存在設計時未考慮自動化功能，造成部分后期加裝的傳感器(軸編碼器、行程傳感器)外置，數據線直接裸露在行走箱外面，極易造成損壞；遠程控制數據傳輸延遲、數據丟包、視頻系統卡頓等問題較多；采煤機記憶截割模式下三角煤截割工藝，存在液壓支架跟機程度重復觸發、支架跟機動作重復執行問題；自動化割煤程序與現場使用需求相距有差距，存在人工干預率較高等問題。

3.3 智能掘進技術未取得重大突破

智能掘進技術先后進行了示范性探索，實現了定點“自動割煤+遠程干預”，但在常態化應用上依然受到各種因素的制約，其他相關功能應用效果也不佳，如錨桿機的自動錨鉆、噴漿機智能噴漿作業等。

3.4 5類機器人研發與應用未實現全覆蓋

作業機器人和巡檢機器人等5類機器人未實現全覆蓋，在推廣應用方面需要進一步發力，力爭逐步將員工從艱苦、危險的作業環境中解放出來，實現“無人則安、少人則安”。

3.5 考核評價體系需建立健全

相關部門在智慧礦山建設方面的考核評價體系不健全，應建立相關的考核評價標準、項目建設標準，對信息技術中心、各廠礦智能化系統建設進行分類分級考核。

3.6 知識產權保護不夠重視

智能化推動過程中每一項重要的技術革新都是以需求為導向的應用，是現實需求與技術攻關深度融合的產物。受人員理論水平、專業化咨詢缺位等因素制約，智能化建設成果轉化不夠。主要體現在成果轉化缺乏系統性的布局和規劃，專利成果申報質量也不高，成果轉化率低。

3.7 智能化技術應用與核心關鍵環節融合不夠

目前，智能化技術的應用基于采煤、掘進、選煤、固定崗位無人值守等領域，缺少與地質條件、裝備技術、生產工藝、程序參數調整和應用、人員技能、管理能力的有效融合，導致推進受到限制。為達到良好的應用效果，智能化技術的應用要梳理關聯因素，將其與涵蓋煤礦生產、經營、管理環節的各個管理元素和單元，實現完全融合。

3.8 智能化高端技術人才缺乏

自動化軟件程序復雜，對工作面作業人員操作技能要求高，智能高端技術人才比較缺乏?，F在只有棗泉煤礦、紅柳煤礦在廠家遠程指導下可更改控制程序，大多數工作面程序調整對廠家技術人員的依賴度高，在工作面設備發生變化、采場發生變化時程序更改完成周期較長。

3.9 內部協調性弱，數據共享率低

智能化建設工作開展以來，各煤礦由于受到管理思維固化和原有系統性局限性的影響，造成工作推動內部協調性弱，數據治理與共享不足。目前，公司到煤礦雖然均已構建2級全時域、全融合安全生產綜合數據管理平臺，開發了多項數據應用子系統，存儲數據達數千億條，但數據挖掘、分析不夠，利用率低，未真正做到用數據說話，不能顯著體現數據對生產的指導價值。智能化建設是一個系統性工程，既需要橫向到邊、縱向到底的協調聯動，又需要打通全流程的信息壁壘，實現數據治理與共享。

4 寧夏煤業公司智能化建設發展建議

4.1 強化戰略引領，做好頂層設計

要提高政治站位、開拓眼界，以國務院部委、本省及集團以智能化建設目標為引領，明確寧夏煤業公司智能化總體思路、建設目標、預期效果，高標準、高質量、高效率、高效益協同推進智能化建設，努力實現“井下操作”向“地面遠控”、“黑領礦工”向“金領采煤師”、“人員密集”向“技術密集”、“高危環境”向“本質安全”的四大轉變，進一步發揮能源保供“穩定器”“壓艙石”的作用，使煤炭行業成為受人尊重的、令人向往的行業。

4.2 強化科技創新，增強核心實力

(1)組建協同創新平臺，助力智能化礦山建設。依托寧夏煤業公司現有產業基礎、廣泛的應用場景，成立協同創新中心，試點“揭榜掛帥”制、專班工作制，聯合裝備制造企業、科研機構、高等院校共同研究解決智能開采、智能掘進以及其他專業的難題，提升核心競爭力。

(2)建立健全煤礦智能化建設標準體系、考核評價體系?？偨Y現有的應用技術成果，完善智能煤礦、智能采煤、智能掘進、固定崗位無人值守等技術標準，配套制定煤礦智能化建設、安裝、評價、驗收、考核規范，分類分級完善煤礦智能化標準體系、考核評價系統，做到建設有標準，考核有依據。

(3)加強知識產權保護和成果轉換。強化成果轉化意識，做好源頭論證與設計工作，與科技管理部門聯合對科技成果、技術標準和專利的前置審查和申報工作對接，以寧夏煤業公司特有的智能化應用場景為平臺，形成一批具有自主知識產權的實用科技成果、技術標準和專利。

4.3 強化“六大”融合[13]，提升應用效果

(1)推進智能化配套設備與地質條件的融合，加強操作系統和傳感器的穩定性、硬件設施的可靠性、軟件的易用性、應對復雜地質條件下的適用性。

(2)推進智能化配套設備與網絡通信技術的融合。順應時代發展，借助網絡通信技術的推廣應用，提高終端使用傳感器的檢測精度以及檢測方法，減少使用連接線纜數量，提高工作面集中控制系統網絡傳輸能力，解決延時、卡頓現象。

(3)推進智能化配套設備程序參數選擇性調整與現場實際運用的融合。提升支架控制器自身運行能力，滿足工作面現場條件變化與工況變化的需求，實現模塊化、程序化發展從而提升支架控制器集成程度，便于現場操作人員對支架參數的及時調整。

(4)推進智能化配套設備與生產工藝的融合。提高認識、關口前移、重心下移。加強礦方與電液控廠家及各廠家之間的“互聯互通，共享共建”，“找問題，解難題、促提升”要在使用中不斷積累經驗，優化改進智能化開采技術。

(5)推進智能化配套設備與管理能力的融合。注重培養全面提升基層管理人員的綜合素質和管理能力。一方面，創造條件激勵基層管理人員拓寬知識面、增強管理意識；另一方面，采取走出去、請進來的方式，搭建學習交流平臺和完善人才激勵機制，逐步提升管理人員適應煤炭智能化建設的素質。

(6)推進智能化配套設備與人員技能的融合。加強對操作員工的技術培訓，使操作人員在使用智能化配套設備過程中遇到問題可做到“遇事不驚、處事不亂”，迅速排除設備故障和隱患，快速恢復生產的能力。

4.4 強化內部協調，增強數據共享

智能化建設是一項系統性、綜合性工程，要把相關應用對象及其相關功能要素視為一個整體，全面發揮系統功能，從整體效果最佳出發確定目標，因此構建高效的協調共享機制尤為重要。

(1)加強內部協調機制?；诼毮芊止I化、整體運作高效化的原則，從集團公司與基層單位之間、單位與單位之間、部門與部門、部門與區隊、區隊及班組內部入手形成上下聯動、左右互動的協調機制。

(2)強化數據治理和共享。在數據治理和共享方面，構建特色的數據治理與共享規則體系[14]，形成大數據資源庫，發揮數據的重要價值，讓“數據說話”成為管理的一個新手段。

5 結語

煤礦智能化建設是煤炭工業轉型升級和高質量發展的重大機遇，必須毫不動搖的堅持下去。目前，在地質條件好的礦井，煤炭智能化建設取得了較好的應用效果，但由于煤礦開采條件的多樣性和復雜性，智能化建設遠未達到預期理想的效果和目標，要實現智能化無人化建設目標仍需補齊多項核心技術短板和管理短板。