薄煤層煤礦“活”了!

穿上黑色膠靴，換上藍(lán)色工作服，頭戴安全帽，礦燈和自救器別在腰間，6月18日上午，一陣全副武裝后，被包裹的嚴(yán)嚴(yán)實實的記者，先后換乘平巷人車、“猴車”（礦山架空乘人裝置），穿梭在錯綜復(fù)雜的巷道中，向井下垂直深度242米處的楊村煤礦4703薄煤層智能綜采工作面挺進(jìn)。

“可以看到，當(dāng)前第364刀顯示，它的最大偏差已經(jīng)觸發(fā)了系統(tǒng)的指令，隨即通過第365刀，開始調(diào)整工作面的直線度。當(dāng)?shù)?65刀割完后，通過第366刀驗證我們的找直效果。如果366刀偏差值依然超過我們設(shè)定的誤差范圍，慣導(dǎo)系統(tǒng)就會重復(fù)下達(dá)找直指令。”來自山東能源云鼎科技的現(xiàn)場工作人員介紹。

記者獲悉，通過手持終端，工作人員即可完成對工作面設(shè)備的控制，遠(yuǎn)程控制采煤機截割作業(yè)。應(yīng)用規(guī)劃截割技術(shù)，可對采煤機支架精準(zhǔn)控制，進(jìn)行整刀調(diào)整、多刀調(diào)整、超前調(diào)整，從而使采煤機截割更精準(zhǔn)。規(guī)劃截割系統(tǒng)同步調(diào)度控制液壓支架，實現(xiàn)了工作面無人連續(xù)開采。

因產(chǎn)能小、煤質(zhì)差、用人多、效率低，擁有近40年歷史的楊村煤礦一度經(jīng)營困難，2015年曾被列入擬關(guān)閉礦井行列。然而，伴隨智能化技術(shù)裝備的成功應(yīng)用，依托數(shù)字孿生輔助控制系統(tǒng)、盤古礦山大模型AI服務(wù)平臺、煤礦GIS公共服務(wù)平臺、綜采工作面國產(chǎn)慣導(dǎo)應(yīng)用、班組協(xié)同交互通訊系統(tǒng)、規(guī)劃截割等先進(jìn)技術(shù)，楊村煤礦了實現(xiàn)正常條件下工作面內(nèi)無人作業(yè)，達(dá)到年產(chǎn)100萬噸水平。從人工開采、機械化換人、自動化減人、信息化少人，再到如今的智能化無人，楊村煤礦薄煤層開采歷經(jīng)五代發(fā)展，完成了三次飛躍。

“攜手華為、天瑪智控等先進(jìn)企業(yè)，山東能源集團(tuán)先行先試開展薄煤層智能無人開采探索實踐，推廣應(yīng)用‘數(shù)智無人控制’技術(shù)裝備，楊村、濱湖薄煤層工作面均實現(xiàn)正常生產(chǎn)條件下面內(nèi)常態(tài)化無人作業(yè)。”山東能源集團(tuán)黨委常委、副總經(jīng)理劉健介紹。
 

山東能源集團(tuán)楊村煤礦薄煤層智能綜采工作面參觀現(xiàn)場
 

長期以來，薄煤層開采受限于作業(yè)空間小、勞動強度大、勞動用工多、產(chǎn)能釋放受限等原因，導(dǎo)致礦井經(jīng)濟(jì)效益差，普遍作為“呆滯”資源被封存甚至遺棄。不過，伴隨開采年限的增加，采面由“厚”轉(zhuǎn)“薄”逐漸成為井工煤礦的必經(jīng)之路。

記者從全國煤礦薄煤層智能開采經(jīng)驗交流現(xiàn)場會上獲悉，當(dāng)前薄煤層無人化開采取得突破，“工藝裝備智能協(xié)同”助力開采管控模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。煤炭生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合科研院所、高等學(xué)校開展技術(shù)攻關(guān)，從“裝備形式”到“配套方式”再到“工藝模式”逐步升級，全國范圍內(nèi)建成了一批薄與較薄煤層智能綜采工作面。

更多的薄煤層煤礦，正在新一輪智能化、數(shù)字化改造中，煥發(fā)新機。
來自地層深處的變革

在我國，1.3m以下的薄煤層約占保有儲量的20%左右，尤其是四川、重慶、湖南、湖北等地區(qū)薄煤層占保有儲量50%以上。2m以下煤層受地質(zhì)條件和空間的制約，開采難度大，生產(chǎn)效率低。

一場來自地層深處的變革，有望改變這一“囧狀”。

在山東濟(jì)寧，距離楊村煤礦60公里外的棗礦集團(tuán)濱湖煤礦，31606工作面同樣實現(xiàn)了無人化。記者獲悉，31606工作面面長175m-260米，走向長度1470m，煤厚1.3米，可采儲量57萬噸。面對薄煤層采煤工作面存在活動空間小、跟機作業(yè)難、勞動強度大、生產(chǎn)效率低等短板，濱湖煤礦先后克服了空間設(shè)計、地面遠(yuǎn)控、實時感知等多項技術(shù)難題，變革了傳統(tǒng)的采煤機記憶截割+自動跟機移架技術(shù)，應(yīng)用全新的規(guī)劃截割技術(shù)，實現(xiàn)了采煤機支架的靈活調(diào)度控制。

在31606工作面“三機配套”（即采煤機、液壓支架、刮板運輸機）上，工作面選用MG550/1270-WD型采煤機，煤機功率由870KW提升至薄煤層礦井功率最大的1270KW，在含有硫化亞鐵夾矸且斷層多、起伏多、煤層薄的條件下，煤機截割速度由5m/min提速到8m/min。

液壓支架上，選用了ZY6000/08/18D型液壓支架，最小支撐高度0.8m，最大支撐高度1.8m，這是山東能源集團(tuán)針對薄煤層采煤工作面自主研發(fā)設(shè)計制造的新型特異型支架。

刮板輸送機的型號為SGZ800/2×525，應(yīng)用了機頭機尾反曲線、伸縮機尾、永磁半直驅(qū)、機尾收煤裝置等先進(jìn)技術(shù)，減少了三角煤工藝中掃煤環(huán)節(jié)，平均單刀割煤時間節(jié)省30分鐘。

據(jù)悉，31606工作面無需人員跟機作業(yè)，采高不需要考慮人員作業(yè)因素，平均少割矸石0.1m，實現(xiàn)了“煤厚就是采高”，煤炭質(zhì)量明顯提升。

楊村煤礦、濱湖煤礦薄煤層智能化工作面建成運行以來，僅需2人遠(yuǎn)程操控，自動跟機移架率99%，遠(yuǎn)程截割率100%，有效提高了煤炭資源回收率，而這僅僅是個縮影。

在其隸屬的山東能源集團(tuán)，國內(nèi)共有75處生產(chǎn)煤礦，擁有2米以下薄煤層的煤礦32處、占比42.6%；32處煤礦薄煤層剩余有效可采儲量2.6億噸、占比29%。

劉健介紹，六大技術(shù)創(chuàng)新的加持，助力山東能源集團(tuán)實現(xiàn)薄煤層工作面常態(tài)化無人作業(yè)。

在工作面智能控制方面，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，為遠(yuǎn)程控制提供操作建議和控制指令；應(yīng)用盤古礦山大模型AI服務(wù)平臺，提高礦井風(fēng)險防控能力和安全管理水平；應(yīng)用煤礦GIS公共服務(wù)平臺，打通多專業(yè)橫向協(xié)同繪圖壁壘；應(yīng)用國產(chǎn)慣導(dǎo)自動找直技術(shù)，實現(xiàn)采煤工作面自動找直系統(tǒng)核心關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)國產(chǎn)化；應(yīng)用班組協(xié)同交互通訊技術(shù)，解放雙手，提高接收信息的準(zhǔn)確性、行為安全性和工作效率；應(yīng)用多參量耦合模型的規(guī)劃截割開采技術(shù)，提升薄煤層開采效率，降低含矸量。

“山東能源集團(tuán)通過攻關(guān)薄煤層智能開采，讓勞動強度大、產(chǎn)能效率低、經(jīng)濟(jì)效益差、瀕臨關(guān)閉退出的煤礦成功‘提效增產(chǎn)、提質(zhì)增盈’，并讓礦工‘輕松采煤、體面勞動’，實現(xiàn)了勞動收入與經(jīng)濟(jì)效益同步增長，走出了‘以人民為中心’的煤礦高質(zhì)量發(fā)展生動實踐。”中國煤炭工業(yè)協(xié)會副會長、中國煤炭學(xué)會理事長劉峰評價。

在劉峰看來，革新煤礦生產(chǎn)方式，可提升礦工勞動價值。數(shù)字化、智能化正催生新時代煤礦嶄新業(yè)態(tài)。智能采煤走向常態(tài)化運行，實現(xiàn)了從薄煤層、中厚煤層到厚煤層綜采和綜放工藝的全覆蓋。

科技賦能走向“無人化”

不少頭部煤炭企業(yè)，薄煤層無人化開采頻頻取得新突破。

在神東煤炭集團(tuán)（以下簡稱“神東煤炭”）錦界煤礦31302工作面，一名煤機司機干預(yù)頂滾筒升降，底滾筒全程自動割煤。通過連續(xù)3個月數(shù)據(jù)對比，日均產(chǎn)量與單刀割煤時長基本持平，開機率提升7.7%，超負(fù)荷明顯下降，煤機速度最大可達(dá)到14m/min，可常態(tài)化運行。

據(jù)國家能源神東煤炭集團(tuán)黨委委員、副總經(jīng)理賀海濤介紹，從2008年開始，針對設(shè)備控制權(quán)限不開放的問題，從單機自動化水平提升，逐步轉(zhuǎn)變思路，探索出單機智能化提升、上位機集中控制的智能化模式，神東煤炭走出了一條較薄煤層無人化路徑。

“到2025年，神東煤炭集團(tuán)29處綜采工作面平均綜合自動化率將提升至90%，7處高級智能化綜采工作面將建成，人工就地平均干預(yù)率將降低至15%。”賀海濤透露。

在我國的可采煤層中，薄煤層占據(jù)了很大一部分。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，84.2%的礦區(qū)均有薄煤層分布。這些薄煤層多采用機械化或自動化開采，但產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益較低。

據(jù)中國煤炭科工集團(tuán)（以下簡稱“中國煤科”）首席科學(xué)家、天瑪智控副總經(jīng)理李明忠介紹，為解決巷道大斷面與煤層厚度較薄的矛盾，中國煤科研制了低矮機型的轉(zhuǎn)載機，降低巷道掘進(jìn)斷面；為解決設(shè)備大功率與小尺寸的矛盾，中國煤科優(yōu)化傳動布置方式，增大功率密度；為解決設(shè)備高適應(yīng)性與小尺寸的矛盾，中國煤科爭取機身高度最小化、裝機功率最大化、牽引速度高速化、可靠運轉(zhuǎn)常態(tài)化。

中國中煤能源集團(tuán)（以下簡稱“中煤集團(tuán)”）全方位推進(jìn)薄煤層智能化開采。在內(nèi)蒙古納林河礦區(qū)納林河二號礦3-1上煤層，建成1.9米煤厚智能化工作面，自動化率達(dá)96%，生產(chǎn)班由12人減為3人。在山西霍西礦區(qū)鐵新煤礦、合盛煤礦、高家莊煤礦，這些1.3米以下煤厚工作面應(yīng)用無線傳感器，建成采煤機規(guī)劃截割+支架自動跟機移架智能化工作面。在陜西子長礦區(qū)禾草溝煤礦，引進(jìn)波蘭黑龍等高采煤機，探索實現(xiàn)無人化開采新模式。截至目前，中煤集團(tuán)已建成薄及較薄煤層智能化工作面13個，智能化采煤工作面占比87%。

“薄煤層采煤工作面平均長度提高到原來的兩倍以上，平均單產(chǎn)水平提高了40%。2014年起，在唐山溝礦、南梁礦、山不拉礦、禾草溝礦、鐵新礦5處工作面立項研究并實踐，萬噸掘進(jìn)率降低40%以上，解決了采掘關(guān)系緊張問題。”中國中煤能源集團(tuán)黨委常委、副總經(jīng)理馬世志表示。

馬世志透露，到2024年底，中煤集團(tuán)薄及較薄煤層工作面將全部實現(xiàn)智能化開采；2026年底前，薄及較薄煤層工作面無人化開采將實現(xiàn)全覆蓋。

淮河能源控股集團(tuán)（以下簡稱“淮河能源”）現(xiàn)有11對生產(chǎn)礦井，核定產(chǎn)能7790萬噸。其中，淮南礦區(qū)面臨薄煤層開采難題。

據(jù)淮河能源控股集團(tuán)黨委委員、副總經(jīng)理李志紅介紹，在薄煤層煤機國產(chǎn)化替代上，淮河能源研發(fā)了矮機身、高過煤量、高可靠搖臂的國產(chǎn)MG500/1200-AWD型采煤機。系統(tǒng)泵站由BRW400/31.5升級為BRW630/40。

根據(jù)規(guī)劃，淮河能源將持續(xù)探索透明地質(zhì)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)精準(zhǔn)規(guī)劃截割；研發(fā)適應(yīng)深井高地壓環(huán)境的玻璃纖維錨桿，解決兩端頭截割不連續(xù)的技術(shù)難題；不斷優(yōu)化國產(chǎn)薄煤層開采裝備，提升設(shè)備系統(tǒng)的可靠性。

成立于2005年8月的四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)（以下簡稱“川煤集團(tuán)”），核定生產(chǎn)能力1478萬噸/年，共有生產(chǎn)礦井20對，全部由川煤集團(tuán)華榮能源公司管理。

據(jù)四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)華榮公司總工程師唐鋒介紹，川煤集團(tuán)的煤層，極薄煤層和薄煤層占比45.4%，煤與瓦斯突出和高瓦斯礦井占比90%，傾斜和急傾斜煤層占比73.3%。

“在薄煤層開采問題上，建議選用適應(yīng)性強的裝備。針對薄煤層開采的特點，應(yīng)選用高效、穩(wěn)定、安全特點的智能化開采設(shè)備。與此同時，優(yōu)化采掘工藝和流程，包括合理布置工作面、優(yōu)化采煤方法、減少輔助作業(yè)時間等。”唐鋒建議。

機器人化采礦未來可期

當(dāng)前，部分礦區(qū)薄煤層已成為主采煤層，加大薄煤層的開采力度，正緩解老礦區(qū)資源的枯竭進(jìn)程。

多數(shù)礦區(qū)薄煤層煤質(zhì)較好，做好薄煤層治理，可解決下部厚煤層壓茬問題。解決好高效和綠色問題，薄煤層也可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

李志紅認(rèn)為，薄煤層開采是保護(hù)層開采，是礦井?dāng)U增存量，延緩向深部開采速度，延長礦井服務(wù)年限，提高資源回收率，實現(xiàn)安全綠色發(fā)展的關(guān)鍵。

薄煤層無人化高效智能開采意義深遠(yuǎn)，其目標(biāo)與實現(xiàn)路徑是什么？

對此，中國工程院院士、中國煤科首席科學(xué)家王國法認(rèn)為，薄煤層無人化高效智能開采，主要包括0.8-0.95米采高無人化工作面年產(chǎn)100萬噸、0.95-1.1米采高無人化工作面年產(chǎn)100-150萬噸、1.1-1.3米采高無人化工作面年產(chǎn)150-200萬噸、1.3-1.6米采高（陜北鄂爾多斯礦區(qū)）無人化工作面年產(chǎn)400萬噸四大開采目標(biāo)。

在0.8-0.95米采高無人化工作面年產(chǎn)100萬噸這一開采目標(biāo)中，研發(fā)難題是破煤設(shè)備大功率與小尺寸矛盾極其尖銳。建議創(chuàng)新超矮機身采煤機動力與電纜拖拽結(jié)構(gòu)。

在0.95-1.1米采高無人化工作面年產(chǎn)100-150萬噸這一開采目標(biāo)中，研發(fā)難題是成套裝備大功率與小尺寸之間矛盾突出。建議創(chuàng)新煤機型式、支架結(jié)構(gòu)與設(shè)備配套模式。

在1.1-1.3米采高無人化工作面年產(chǎn)150-200萬噸這一開采目標(biāo)中，研發(fā)難題是成套裝備高可靠和無人常態(tài)化運行難以保證。建議基于智能開采工藝，實現(xiàn)無人智能常態(tài)化運行。

1.3-1.6米采高（陜北鄂爾多斯礦區(qū)）無人化工作面年產(chǎn)400萬噸這一開采目標(biāo)中，建議研發(fā)較薄煤層智能高效綜采成套技術(shù)與裝備，涉及工藝創(chuàng)新、裝備研發(fā)、智能監(jiān)測和協(xié)同控制。

“薄煤層無人化高效智能開采，將由‘可視遠(yuǎn)程干預(yù)模式’向‘智能自適應(yīng)模式’邁進(jìn)。”王國法表示，可視遠(yuǎn)程干預(yù)模式目前得到了廣泛推廣，在地質(zhì)條件良好的工作面實現(xiàn)了“有人巡視、無人操作”連續(xù)生產(chǎn)。但這一模式強調(diào)人員的監(jiān)視、干預(yù)，但能解決的實際生產(chǎn)問題卻有限，無法進(jìn)一步推進(jìn)工作面無人化智能開采實踐。

對此，王國法建議，第一，研發(fā)應(yīng)用關(guān)鍵設(shè)備。例如高品質(zhì)電液控?fù)Q向閥、高壓大流量協(xié)同供液系統(tǒng)、薄煤層工作面巡檢機器人、液壓支架姿態(tài)自適應(yīng)解算技術(shù)、液壓支架全工作面自適應(yīng)跟機控制技術(shù)、綜采工作面智能視頻聯(lián)動技術(shù)、綜采工作面精準(zhǔn)截割規(guī)劃技術(shù)方法等。第二，優(yōu)化頂層設(shè)計。強化薄煤層高效智能化無人開采系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計；突破成套裝備瓶頸；構(gòu)建基于透明地質(zhì)的綜采工作面無人化控制系統(tǒng)；構(gòu)建綜采工作面數(shù)字孿生體，變革傳統(tǒng)人機交互模式；構(gòu)建智能運維服務(wù)平臺，全面提升運行效果。

當(dāng)前，單機自動采礦已基本實現(xiàn)，集中程控采礦部分實現(xiàn)，遠(yuǎn)端監(jiān)控采礦正在實現(xiàn)。在不久的未來，機器人化采礦或有望實現(xiàn)。

中國工程院院士葛世榮認(rèn)為，未來，煤礦將走向生產(chǎn)系統(tǒng)常態(tài)智能化，機器人化采礦未來可期。其中，薄煤層機器人化開采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將由礦山工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)+機器人化系統(tǒng)+數(shù)字孿生平臺構(gòu)成。

“到2026年，全國煤礦智能化產(chǎn)能占比不低于60%；智能化工作面常態(tài)化運行率不低于80%；將打造一批單班作業(yè)人員不超50人的智能化礦山；形成煤壁采長450米以上，單面產(chǎn)量1500萬噸以上，智采人員3人以下，人工干預(yù)20%以下的超級智采工作面。”葛世榮說。

科技時代，讓采礦這一職業(yè)在煤礦“智能升級”中實現(xiàn)“順勢轉(zhuǎn)型”，成為這場煤炭工業(yè)領(lǐng)域重大變革的全新命題。薄煤層智能化建設(shè)將職工從窄小、困難的作業(yè)環(huán)境中解放出來，從本質(zhì)上提升了作業(yè)人員的安全系數(shù)。

李志紅認(rèn)為，薄煤層工作面智能化建設(shè)有利于改善作業(yè)環(huán)境，將“操作工”變?yōu)?ldquo;巡檢工”，減輕勞動強度，減少用工，將“貼身戰(zhàn)術(shù)”變成“遠(yuǎn)程干預(yù)”，提高安全系數(shù)和職工的幸福系數(shù)。

劉峰則坦言，“智能化建設(shè)不是讓礦工‘大規(guī)模失業(yè)’，而是要讓礦工和企業(yè)在擁抱科技中一起變得更強。”

“應(yīng)通過數(shù)字技術(shù)賦能、智能技術(shù)變革，實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)各類災(zāi)害的精準(zhǔn)定量防控，轉(zhuǎn)變社會公共對煤礦開采屬于‘高危行業(yè)’的固有印象。要聚焦降低勞動強度，加快智能單兵、外骨骼輔助等智能裝備研發(fā)應(yīng)用，釋放先進(jìn)生產(chǎn)力效能。要聚焦保障職業(yè)健康，在治理采掘粉塵、空氣污染等方面加大智能化技術(shù)應(yīng)用，加快井下危險崗位、有限空間作業(yè)的機器人全替代。”劉峰建議。

最新數(shù)據(jù)顯示，截止5月底，全國現(xiàn)有1549個智能化采掘工作面（采煤工作面866個，掘進(jìn)工作面683個），有智能化工作面的煤礦823處，415臺無人駕駛車輛在35處露天煤礦推廣應(yīng)用，1.3萬個固定崗位實現(xiàn)了無人值守。通過大力推動煤礦智能化建設(shè)，2016年以來，全國煤礦井下作業(yè)人員減少37萬人，智能化礦井杜絕了較大以上安全生產(chǎn)事故，百萬噸死亡率大幅低于全國平均水平。