党的十九大报告提出,加快建设制造强国,加快发展先进制造业,推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,对于提升煤矿安全生产水平、促进煤炭产业转型升级具有重要意义。
作为有着70年发展史的国有大型煤炭企业,阳煤集团始终将智能化矿井建设作为厚植煤炭产业发展优势、重构产业模式、赢得发展先机的重要战略举措,以重大技术研发为切入点,推动5G、大数据、云计算为代表的新一代信息技术与传统煤炭产业深度融合,大力构建以“安全绿色智能化开采”为鲜明特点的现代煤炭开采模式,建设全国最大的无烟煤生产利用基地。特别是5G在阳煤新元矿工业化的探索应用,使5G技术实现了“上天入地”。
一、坚持创新引领,打造煤矿智能化开采新模式
(一)构建“8+3”瓦斯治理阳煤模式,为智能化开采创造条件。智能化开采必须以治理瓦斯为前提。阳泉矿区是全国瓦斯治理难度最大的矿区。我们始终把瓦斯治理能力、治理水平、治理标准作为第一能力、第一水平、第一标准,以煤层增透为核心技术,开展技术理论研究和创新实践,形成了以8项技术和3种手段为主要内容的“8+3”瓦斯治理阳煤模式,解决了沁水煤田深度开采低渗、碎软、突出、难抽采的世界性难题,为全国煤炭行业的瓦斯治理提供了阳煤方案、阳煤实践,解决了沁水煤田瓦斯抽采世界性难题。
“8”,即八项先进技术:一是保护层开采。比如新景矿采用保护层开采技术,8#煤瓦斯含量由15.37m3/t降至10.37m3/t,瓦斯压力由1.7MPa降至0.65MPa;二是以岩保煤。比如寺家庄矿15117工作面采用以岩保煤技术,单进提高到月进240m以上,提高2倍以上;三是沿空留巷。比如新元矿3107工作面采用沿空留巷Y型通风,瓦斯涌出量降低1倍,多回收45m煤柱、28.6万吨煤,矿井资源利用率提高到98%;四是气相压裂。比如新元矿31004掘进工作面试验气相压裂技术,煤层透气性系数提高50~90倍,煤层钻孔衰减系数降低80%;五是水力压裂。比如新景矿南六底抽巷采用水力压裂技术,抽采浓度提高25倍,抽采纯量提高16倍;六是造穴卸压。高突矿井预抽钻孔平均抽采浓度及抽采纯量较原预抽钻孔分别提高7倍和66倍;七是小煤柱掘进。在靠近采空区侧的卸压范围内布置煤巷掘进,瓦斯压力得到释放,有效降低掘进工作面突出危险性;八是沿空留墙。比如寺家庄矿15119工作面回风巷应用沿空留墙技术,创平均月进尺160米,最高达242米的高水平纪录。
“3”,即抽采系统标准化、钻孔施工在线监测、抽采量精准计量三种管理手段。一是抽采系统标准化。新元公司瓦斯抽采新工艺的应用,使地面瓦斯抽采泵站抽采浓度由3~5%提高到20%以上,单元最高抽采浓度为72%,单孔最高抽采浓度为91%,相比旧工艺顺槽管路瓦斯抽采浓度提高了34%,需抽采天数比旧工艺减少56天;二是钻孔施工在线监控。井下钻孔施工的钻机均安装打钻视频监控系统,在地面通过视频对打钻现场的钻进、退杆进行实时监督,代替人工验孔,真正做到了“一钻一视频”,确保钻孔施工实现真打孔、真到位、真落实、真数据;三是抽采量精准计量。为采掘工作面瓦斯达标评判、区域及局部防突措施的效果检验提供了可靠依据,为阳煤集团瓦斯工资结算提供了保障。目前阳煤集团所有高瓦斯、突出矿井主、干、支管路均安装了抽采监测设备。
(二)建立一张网、一张图,推进实施“互联网+煤矿”。阳煤集团“煤矿空间信息服务关键技术研究与产业化应用”项目,采用透明地球、云计算、大数据、物联网、移动互联网等信息技术,构建了“技术一张图、管理一张网、设备全周期”的新型模式,实现了基础设施共建共用、信息系统整体部署、数据资源汇聚共享、业务应用有效协同,基于“一张网、一张图”的技术支撑,建成了国内第一个高度透明展示和一体化管控的智慧、高科技矿区。
我们建立了综合调度、地测、生产技术、通风、机电、安全等安全生产管理系统,以及电子商务、物流、储装运、法律审计、节能环保、党建、档案、经营、企廉网等日常管理运营系统。通过“一张网、一张图”:一是管理运营情况自下而上分层展示、自上而下集中管理,实现了矿区管理透明化和各业务板块“大调度”协同指挥、集中监管;二是实时监测人员、设备和环境的位置和状态,数据在线上传及自动汇总、统计分析,使安全生产情况“看得见、管得了、控得住”。
利用大数据、云计算等新技术实现设备“全生命周期管理”,是阳煤“技术一张图、管理一张网”的重要子系统,就是用大数据将煤机装备全生命周期中的客户需求、研发设计、制造、销售、安装、运行、拆除、再制造、大修直至报废各环节全过程串联,实现了对煤机装备全生命周期内的大数据分析和管控。
(三)加强智能化装备研发应用,提升煤矿智能化水平。我们持续推进大型煤机装备、煤矿机器人研发及产业化应用,实施机械化换人、自动化减人、智能化少人专项行动,全面提升智能化生产水平。
综采工艺与装备方面,累计投入30亿元,完成40个自动化工作面和百余个电液控支架工作面的建设和生产。一是坚持标准引领。在煤炭行业首家实施“综采设备工作面选型配套技术规范研究项目”,起草编制《煤矿综采工作面总体配套导则》等8项国家标准,已于2019年8月30日发布,2020年3月1日正式实施。二是薄煤层开采。完成山西省煤机重点科技攻关项目“薄煤层智能化综采关键技术与装备开发”,实现薄煤层工作面正常作业条件下“地面一键启停、顺槽集中控制、工作面无人操作”的目标,获中国煤炭工业科学技术二等奖。三是中厚煤层开采。与王国法院士团队合作的国家重点研发计划项目“煤矿智能开采安全技术与装备研发”,结合与彭苏萍院士团队合作的“煤矿隐蔽致灾地质因素动态智能探测技术研究”内容,在新元矿试验,预计2021年6月份完成后,将在国内打造类似开采条件下,最先进的“透明”智能化综采生产案例。四是综采运输关键设备。成功研发全球首台套直角转弯刮板运输机,集综采工作面输送、转载、破碎功能于一体,引领煤炭开采技术新方向,获得中国煤炭工业科学技术一等奖。五是绿色充填开采。试验盾构机掘进矸石井下就地充填开采技术,可有效解决2.4米小采高条件下“密实”充填矸石行业难题。
掘进工艺与装备方面,在新景矿成功应用直径4.53米TBM掘进机,两年内累计完成岩巷进尺7500米,最高月进562米,均创国内煤矿应用最高水平。目前,正在试验EBZ200M-2掘锚机煤巷快掘系统和矩形护盾式掘锚机快掘系统。下一步,我们还将试验全国井下首套直径3m的煤矿用小断面TBM掘进机。
煤矿机器人研发应用方面,投资4360万元,开展井下灾变区侦测机器人等9项研究,变电站巡检机器人、输电线路巡检机器人已投入使用,实现了对变电站的智能实时监控、数据分析和故障预警,具有极大的推广使用价值。
二、建成全国首座5G煤矿,开启智能化矿井建设新时代
2019年5月27日,召开专家座谈会,开始布局5G下井;9月5日,联合中国移动、华为公司成立“5G通信煤炭产业应用创新联盟”,运用“产学研用”合作形式探索5G通信技术在煤矿通信、管理、生产、安全、监测等方面的应用落地。2020年4月29日,“创新联盟”在阳煤新元公司完成首个国内煤矿井下5G网络的开通和优化;6月12日,新华社通过中文和英文,在阳煤集团新元矿井下进行了40分钟的全球5G+智慧矿山现场直播,让人们看到了一个智能化、现代化的煤炭井工生产文明;8月4日,央视《新闻联播》头条对阳煤集团井下5G技术的运用和实践进行了重点报道。
(一)5G下井的技术创新成效。通过在新元矿的应用与实践,在三个典型应用场景取得成效:一是煤矿固定岗位无人值守探索测试。实现硐室4K高清视频回传、机器人监测数据回传和机器人实时控制。二是井下综采工作面5G应用探索测试。实现地面对工作面采煤机、液压支架、三机设备的远程操作,工作面监控数据、视频回传。三是井下掘进工作面5G应用探索测试。通过5G网络,在新元公司地面调度集控中心,对上海厂房正在调试的智能掘进机,实现了所有动作的远程操控,时延低于50ms,效果超出预期。
三个方面的技术创新取得突破:一是新元公司5G网络拓扑结构,采用MEC边缘计算架构、环网冗余等技术,实现设备安全、网络安全、信息安全,自交换性,并且确保发挥5G大带宽、低时延性能。二是采用网络授时技术,完成了高精度30ns同步授时,解决了井下无法使用卫星定位系统进行精准授时的问题。三是结合井下监测数据上传量大、指令下传量小的特点,将传统的大下载8:2时隙比研发为大上传1:3时隙比,单台基站上行峰值速率达到1100兆位每秒以上,下行峰值速率达到300兆位每秒以上,开创了大上传时隙比的先河。
(二)5G下井的情景展望。通过5G技术在新元矿的实践,我们感觉到,5G在煤矿的意义,将在以下六个方面成为可能:一是实现监测监控可靠。井下的监测监控系统有海量的数据在上传,如果没有5G通道,监测可以实现,但控制难以实现;有了5G通道,监测监控更加可靠。二是实现“三无”。即:采掘头面无人操作、设备硐室无人巡检、运输车辆无人驾驶。三是实现透明可视化。所有的井下场所都可以在地面显示,管井下、管煤矿变成了管地面、管工厂,管理更加方便、简单。四是实现万物互联。所有的设备运行、劳动用工、材料仓储等全方位物联、全方位管控。五是实现远程协同、运维。现场的信息可以通过5G网络传输到远端,专家通过网络远程协同、专业化运维服务。六是倒逼应用端技术和产品升级。也就是促进控制总线与5G的技术融合演进、催生视频AI软硬件的系统解决方案和各种物联网产品的研发和应用。
三、下一步我们还需要解决以下问题
一是亟待引领构建智能化煤矿建设的标准体系。智能矿山,标准先行。今年2月份,国家八部委和山西省八厅局下发的文件要求,明确了智能化煤矿建设的时间和目标节点;7月份,国家能源局又下发了开展首批智能化示范煤矿建设推荐工作的通知,所以急需标准的支持。
煤矿智能化改造建设标准技术规范,包含了煤矿信息化传输网络等五方面、几十个子系统的建设内容。现在,最前沿的通信、网络技术等,已经迫在眉睫地进入到了生产过程。所以,标准的制定,需要充分考虑系统的庞杂性、适用性和融合性,在合理分类基础上,归纳出逻辑清晰的标准体系,和需要先行制定的门类及具体项目。
二是需要通力合作,制定5G+智能化技术标准体系,构建良好的5G+应用合作生态。阳煤集团与中国煤炭工业协会合作,正在研究制定煤矿5G+工业互联网与智能化矿山建设企业技术标准,需要产业链企业广泛参与标准的研究验证工作,共同推进基于5G传输技术的煤矿设备及其智能控制系统的研发。
5G工业应用研发投入大,涉及领域广,应遵循“深化试点、总结经验、制定标准、形成体系”的原则进行实施。需要政府、行业、企业同时发力,成立更广泛的技术应用联盟,互有重点,互通有无,互相借鉴,共同推动5G工业应用发展。
三是需要改变原有的思维模式和管理模式。智能化煤矿建设中“5G+”技术与煤炭开发利用技术的融合,无疑将衍生出一系列新技术、新业态、新职业、新岗位。传统的技术和管理模式将因此被打破,要积极探索“5G+”智能化煤矿管理的新模式、新规范、新业态,加强煤矿工人的转型培训和培养。
习近平总书记再次视察山西,提出“在新基建、新技术、新材料、新装备、新产品、新业态上不断取得突破”的重大要求。阳煤集团将坚决贯彻习近平总书记“六新”要求,抢滩5G应用新基建,打造全国“5G+智慧矿山”行业标杆和标准规范的制定者,以“互联网+”重新定义未来采矿行业的新概念,为煤炭行业高质量转型发展做出新的贡献。