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煤礦“新基建”:夯實基礎 迎接挑戰
字號:[    ] 發布時間:2020-04-07 16:09:58 來源:中國煤炭報

煤礦“新基建”:夯實基礎 迎接挑戰

劉峰

  煤礦新型基礎設施建設是煤礦智能化的“地基”,智能技術與系統是煤礦智能化的“內核”,夯實“地基”和增強“內核”是煤礦智能化發展的兩大根本任務,其中煤礦“新基建”更為迫切

  3月4日,中央政治局常務委員會召開會議,強調要加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。新型基礎設施建設是指以網絡化、數字化、智能化為核心的基礎設施建設,是發力于科技端的基礎設施建設,將為我國傳統產業的轉型升級帶來重大機遇。2月25日,八部委聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》(以下簡稱《指導意見》),明確了我國煤炭工業智能化發展的方向,吹響了我國煤礦智能化建設的號角。煤礦新型基礎設施建設(以下簡稱煤礦“新基建”),將有力助推煤礦智能化進程,促進煤炭工業高質量發展。

  煤礦智能化的“地基”

  “新基建”不僅僅是指傳統意義上的先進通信網絡、數據中心等信息基礎設施,還應拓展包括大數據服務、云計算服務、物聯網及工業互聯網平臺,以及智能傳感器、煤礦機器人等各類智能裝備

  煤礦“新基建”是指以5G、數據中心、人工智能、工業互聯網等新技術在煤礦應用所必需進行的數字基礎設施建設。煤礦“新基建”不僅僅是指傳統意義上的先進通信網絡、數據中心等信息基礎設施,還應拓展包括大數據服務、云計算服務、物聯網及工業互聯網平臺,以及智能傳感器、煤礦機器人等各類智能裝備,為煤礦智能化建設奠定基礎。

  煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐,代表著煤炭先進生產力的發展方向,目前煤礦智能化建設已成為行業廣泛共識。煤礦智能化正是以煤礦“新基建”為基礎,形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統,實現煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等過程的智能化運行。可以說,煤礦“新基建”是煤礦智能化的“地基”。

  我國煤礦數字基礎設施的建設經歷了不同階段。第一階段是以實現煤礦各類業務的信息化管理和采煤的機械化為標志。第二階段把真實礦山的整體及與它相關的現象整合起來,以數字的形式呈現,以實現礦山數字化和采煤的自動化為標志。第三階段是實現對礦山的智能感知、自動分析和智能決策,以遠程控制的無人或少人智能化開采為標志。由于我國煤礦數量眾多,分布地域廣闊,煤層地質條件差異較大,使得數字基礎設施建設水平參差不齊。

  煤礦“新基建”是煤礦智能化的“地基”,智能技術與系統是煤礦智能化的“內核”。夯實“地基”和增強“內核”是煤礦智能化發展的兩大根本任務,其中煤礦“新基建”更為迫切。

  我國煤礦智能化建設先在采煤工作面上取得突破,膠帶主運輸系統、井下變電所、井下排供水泵房、地面主通風機房等主要生產系統實現了遠程監控和無人值守。2014年,陜煤集團黃陵礦業公司在一號煤礦率先實現“工作面有人巡視、無人操作”的智能開采工作模式。

  目前,全國已建成200多個智能化工作面,實現了減人提效的示范目標,取得了良好的應用效果。兗礦集團鮑店煤礦7302綜放工作面智能化改造后,每班作業人員由23人減少至7人,且職工勞動強度降低40%至50%,工作面始終維持在2萬噸的安全高效水平。山西焦煤西山煤電東曲煤礦架空乘人裝置實現了遠程監控和無人值守功能。同煤集團塔山煤礦主井皮帶實現機器人巡檢。3D激光無人盤煤機器人在國家能源集團東勝熱電公司投用。這些進步離不開煤礦數字設施的建設和智能設備的研發。

  為產業基礎再造提供機遇

  煤炭產業基礎薄弱,“新基建”勢必推動產業的質量變革、效率變革、動力變革,極大地改寫煤炭產業發展格局

  我國煤炭產業基礎相對薄弱,產業鏈仍然脆弱。行業關鍵裝備、核心技術、軟件系統等原創性突破不足,高端產品遠未能滿足需求。大功率、重載柴油單軌吊車全部是進口產品,以德國沙爾夫、德國貝克、捷克芬瑞特公司為主。薄煤層國產綜采設備與國外如波蘭“黑龍”產品性能差距較大。1000千瓦以上超大功率礦用減速機、機電設備液壓傳動與控制系統所用的高壓泵、馬達、液控閥等關鍵零部件仍需進口。采煤裝備的高精度傳感器和控制系統芯片、電動膠輪車斷電用直流開關等嚴重依賴國外。采煤機關鍵傳動件、高強高耐磨鋼板、高硬截齒、高端刮板鏈、高端鋼絲繩等由于國產金屬材料及加工工藝問題,仍依賴進口。煤炭行業自主技術裝備配套軟件自主開發困難大,進口依賴嚴重。反井鉆機的導孔定向旋轉導向系統依靠德國MICON公司。可以說,我國煤炭開發利用產業鏈大而不強、寬而不深,缺乏對全球資源的整合和控制能力,整體處于價值鏈中低端。

  煤炭產業基礎薄弱,與我國工業四基——核心基礎零部件(元器件)、關鍵基礎材料、先進基礎工藝、產業技術基礎自主化程度低不無關系。但煤炭行業的技術創新投入偏低,技術創新能力弱,試驗驗證、計量、標準、檢驗檢測等技術服務體系不完善,也是主要原因。根據國家統計局發布的第四次全國經濟普查結果,2018年煤炭開采和洗選業規模以上工業企業法人單位研究與試驗發展(R&D)經費支出146.5億元,R&D經費支出占營業收入比率為0.58%,與當前全社會R&D經費支出占GDP比率2.18%有明顯差距。

  新一輪科技革命和產業變革正在推動煤炭產業發展方式和發展路徑的變革,云計算、5G、大數據、物聯網、人工智能、虛擬現實、區塊鏈等新技術的發展,為煤炭行業未來技術創新帶來了無限可能。

  2019年1月,國家煤礦監察局發布 《煤礦機器人重點研發目錄》,明確重點研發應用掘進、采煤、運輸、安控和救援五大類、38種煤礦機器人,為我國煤礦機器人研發明確了方向。目前,井下巡檢、鉆孔、噴漿、選矸等一批機器人已研發成功并逐步開始應用。煤礦“新基建”將帶動煤炭行業5G、大數據中心、智能傳感器、基站等數字基礎設施的建設,必將帶動煤礦機器人、智能裝備、礦用軟件系統、工業互聯網平臺的發展,帶動煤炭大數據開發、數據征信等數據服務業的發展。煤礦“新基建”勢必推動煤炭產業的質量變革、效率變革、動力變革,極大地改寫煤炭產業發展格局,為煤炭產業基礎再造和產業基礎能力提升提供有利的條件。

  能拓展礦井資源利用空間

  關閉礦井具有完善的供電系統和通風系統,采動穩定后發生各種地質災害的可能性也較小,這為數據中心的建設提供了基礎條件

  我國礦井資源豐富,大量關閉與廢棄礦井的資源化開發利用已勢在必行。中國工程院院士袁亮指出,目前,我國已關閉礦井中仍賦存煤炭資源量約420億噸、非常規天然氣近5000億立方米,而且地下空間、礦井水、地熱與旅游開發等資源也非常豐富。根據中國工程院重點咨詢項目 《我國煤炭資源高效回收及節能戰略研究》 預測,到2030年,我國去產能礦井數量將達到1.5萬處,如果以單個煤礦地下空間60萬立方米計算,地下空間約為90億立方米。我國煤炭企業的關閉礦井開發利用意識淡薄,多數礦井直接廢棄,不僅造成資源的巨大浪費,還有可能誘發后續的安全、環境以及社會問題。

  針對關閉礦井開發利用,國內學者們提出了一系列開發利用方向和方案,如建設分布式抽水蓄能電站,開發地下空間工業旅游資源,建設地下油氣庫、CO2庫和核廢料儲存庫,建設地下空間國家級科研平臺等。國內煤炭企業也在關閉礦井利用方面進行了探索。河北開灤國家礦山公園在原唐山煤礦的基礎上建成,是我國首批國家礦山公園,其中利用井下巷道建設地下景觀游覽區,能夠體驗從原始采煤到現代化采煤的演進歷程。同煤集團正在利用云岡煤礦9000米長的北大巷廢棄巷道建設總規模100兆瓦的壓縮空氣儲能電站。該項目利用廢棄煤礦巷道作為儲氣庫,建設基于煤礦巷道的壓縮空氣儲能系統,目前項目已開工。

  煤礦“新基建”將拓展關閉礦井資源的開發利用空間。關閉礦井具有完善的供電系統和通風系統,采動穩定后發生各種地質災害的可能性也較小,這為數據中心的建設提供了基礎條件。另外,在關閉礦井中建設數據中心,既充分地利用了礦井資源,為地面節省了空間,又可充分利用已有供電、通風等系統,大幅節省建設成本。

  做好迎接挑戰的準備

  煤炭行業應進一步更新觀念,把握好“新基建”的節奏與力度,提升科技供給能力,培養大批復合型人才

  2015年,中央一季度經濟工作會議指出,目前正在壓縮煤炭比例,但國情還是以煤為主,在相當長一段時間內,甚至從長遠來講,還是以煤為主的格局,只不過比例會下降,對煤的注意力不要分散;我國煤炭資源豐富,在發展新能源、可再生能源的同時,還要做好煤炭這篇文章。2019年,全國原煤產量完成38.5億噸,同比增長4.0%;煤炭消費量占能源消費總量的57.7%,同比下降1.5%。新時代煤炭行業高質量發展更多依靠科技創新,更多依靠勞動力素質提高,更多依靠內生動力的激發。面對滾滾而來的智能化發展浪潮,全行業應科學謀劃、堅定信心、匯聚合力,做好迎接煤礦“新基建”挑戰的準備。

  一是煤炭行業應進一步更新觀念。2019年12月16日,全國能源工作會議在京召開。會議指出,要穩基礎、優產能,切實抓好煤炭兜底保障,深刻認識我國能源資源稟賦和煤炭的基礎性保障作用,持續做好煤炭清潔高效利用這篇大文章,不輕易轉移對煤炭的注意力,不輕言“去煤化”。此次會議進一步明確了煤炭的兜底保障和基礎性保障地位。

  2017年7月,國務院印發《新一代人工智能發展規劃》。這是黨中央、國務院在新一輪科技革命下對搶抓人工智能重大發展機遇,構筑我國人工智能發展優勢的重大部署。2019年11月,工業和信息化部印發《5G+工業互聯網512工程推進方案》,大力推進5G與工業互聯網的融合創新及在重點行業的應用。面對人工智能的發展浪潮,我們要深刻認識到新一輪科技革命具有數據密集型科學發現的主要特征,主要是通過大數據分析來理解萬物之間的聯系進而得出結論,更要認識到煤礦“新基建”和煤礦智能化是煤炭革命的必由之路,是煤炭行業從勞動密集型向人才技術密集型轉變的重要機遇,數據將成為企業最為寶貴的戰略資源。

  二是煤礦“新基建”應把握好節奏與力度。煤礦智能化發展具有明顯的階段性特征,煤礦“新基建”也不是一蹴而就的。《指導意見》明確提出了煤礦智能化發展的三個階段目標。近期,山東省出臺了《山東省煤礦智能化建設實施方案》,貴州省出臺了《深入推進貴州省煤礦智能化、機械化升級改造攻堅方案(2019年—2020年)》,山西省啟動了智能煤礦和智能綜采工作面建設試點工作。2019年5月,中國煤炭工業協會在山東棗莊組織召開全國煤礦薄煤層智能開采現場推進會。9月,河南省在平頂山組織召開煤礦智能化建設現場推進會。目前,國內大多數煤炭企業已啟動了煤礦智能化建設。

  我國現有煤礦5000余座,分布地域廣泛,不同地區煤礦的開采地質條件差別較大,導致礦井規模和復雜程度的不同。尤其是老礦井的智能化改造,由于礦井基礎條件的不同,改造的難度和資金投入有明顯差別。2019年,兗礦集團對其在山東省內的7個礦井進行了智能化改造,單采掘智能化方面的投入就高達10億多元,以核定產能600萬噸/年的鮑店煤礦為例,7302智能綜放工作面包括液壓支架改造和電氣設備升級,總投資7370余萬元(僅為改造費用,不含基礎設備投資),對該礦的主干網絡、巡檢崗位監測的投資在2000萬元至3000萬元。可見,煤礦智能化建設需要大量的資金投入,故應結合企業情況總體把握,科學推進,在效率和效益之間獲得平衡。煤炭企業集團應充分認識煤礦“新基建”的難度和階段性特征,把握好節奏和力度。在礦區層面,煤礦“新基建”尤其是數據中心等基礎設施應統一規劃、統一建設;在煤礦層面,應充分考慮具體煤礦的條件特點,堅持“一礦一策”,科學有序推動煤礦“新基建”。

  三是煤礦“新基建”需提升科技供給能力。煤礦智能化必將引發煤炭開采新的研究方向,甚至有可能突破已有或成熟的理論框架。由于煤礦地下空間存在易燃易爆氣體、巷道狹長和機電設備眾多等,多數地面成熟技術必須加以改進或重新開發才能在煤礦井下應用。以井下5G應用為例,具有井下頻點資源不受限制,可開發余地大和空間封閉設備布置覆蓋相對集中的優點,但必須考慮與地面不同的上行帶寬和下行帶寬均衡甚至上行略大的應用需求,并在現有地面設備基礎上開發本安型基站和終端。因此,無論是煤礦“新基建”,還是煤礦智能化發展,必須加強煤礦智能相關基礎理論研究,注重突破支撐一個技術群或多個技術群的基礎技術,并在技術裝備關鍵零部件、關鍵材料、基礎工藝、軟件系統等方面下大功夫,解決技術軟肋和制約發展的技術瓶頸問題。

  國內煤炭企業和高等學校已成立相關研發機構開展技術攻關。2016年,黃陵礦業公司創建首家“煤礦智能化開采技術創新中心”。2019年,中國煤炭科工集團成立中央研究院,旨在集聚頂尖人才建設具有全球競爭力的世界一流科研機構;安徽理工大學獲批籌建“煤炭安全精準開采國家地方聯合工程研究中心”;中國礦業大學獲批“地下空間智能控制教育部工程研究中心”和“礦山智能采掘裝備省部共建協同創新中心”;中國礦業大學(北京)成立“智慧礦山與機器人研究院”,并與中國聯通與中國煤炭科工集團簽署協議共建“地下空間5G技術創新應用聯合實驗室”;遼寧工程技術大學牽頭組建“煤礦機器人協同創新中心”;河南理工大學成立“智能開采研究院”;山東能源獲批“山東省煤礦智能開采工程實驗室”;淮北礦業集團與四川航天電液控制公司共建“智能化開采技術研發聯合中心”。

  四是培養大批復合型人才。我國原煤產量從1949年的3243萬噸增長到2019年的38.5億噸,累計生產煤炭884億噸,開采方式從建國初期的人力落煤發展至綜合機械化采煤,到目前的自動化、智能化采煤,正是廣大的煤炭工人和技術人員砥礪奮進、開拓進取的結果。第四次全國經濟普查結果顯示,2018年末煤炭開采和洗選業從業人員仍有347.3萬人。然而,近幾年,煤炭企業人才流失嚴重,煤炭院校部分專業招生困難,煤礦采掘一線招工接替問題凸顯。尤其是面對煤礦智能化發展的趨勢,更加迫切需要具備煤炭開采、信息技術、管理知識的復合型技術人才,需要技術過硬、富有創新精神的技能型隊伍。

  目前,國內煤炭相關高等學校已著手進行智能專業的人才培養,并和煤炭企業合作共同培養急需人才。中國礦業大學(北京)設立了機器人工程專業和智能采礦工程專業方向,啟動了本科生和研究生的招生和培養;西安科技大學從全校理工科專業選拔優秀學生成立的智能開采特色班開班;龍煤集團與黑龍江科技大學已開展煤礦急需高水平應用型人才定向聯合培養;兗礦集團與中國石油大學(華東)正在共建新能源學院,推動能源領域高端人才合作培養。

  五是應構建開放型生態。70年煤炭工業發展的實踐證明,開放合作是技術創新的必由之路。開放帶來進步,合作走向共贏。煤礦“新基建”應作為一個開放系統,廣泛聚合行業內外各方面的力量,拓展合作空間,加大合作力度,在開放合作中打造更強創新力、更高附加值的產業生態。煤炭企業、高等學校、科研院所和高技術企業應加大產學研深度融合力度,結成平等互利、合作共贏的技術創新共同體,以自主可控、安全高效為目標,發揮各自優勢形成合力,共同解決煤礦“新基建”中面臨的重大難題。

  可喜的是,在中國煤炭工業協會的積極推動下,行業內部分企業已聞風先動。去年7月,由國家能源局、國家煤監局、中國煤炭工業協會指導,中國煤炭學會、中國煤炭科工集團發起,聯合大型煤炭生產企業、高等院校、高技術企業等27家單位組建成立了煤礦智能化創新聯盟。去年,中國煤炭科工集團與中國移動、華為公司、百度公司、中國電科集團啟動戰略合作,加速突破智慧礦山關鍵核心技術;陽煤集團與中國移動、華為公司簽署5G業務框架合作協議;開灤集團與中國電信簽訂5G技術應用戰略合作框架協議;兗礦集團與山東聯通、中興通訊聯合簽署戰略協議,加快5G礦山應用進程。

  我們相信,在黨中央、國務院的正確領導下,在全行業廣大企業和職工的共同努力下,煤炭行業一定能夠抓住此次“新基建”的重大機遇,建設好現代化煤炭經濟體系,實現煤炭工業高質量發展。

(作者系中國煤炭工業協會副會長、中國煤炭學會理事長、煤礦智能化創新聯盟理事長)

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