“中国制造2025”背景下中厚煤层智能开采技术发展方向

宋振骐夏洪春卢国志(1.山东科技大学矿山重大灾害预防与控制省部共建实验室，山东青岛266510；2.大连大学建筑工程学院，辽宁大连116622；3.大同煤矿集团有限责任公司，山西大同037003)



“中国制造2025”背景下中厚煤层智能开采技术发展方向

宋振骐[1]夏洪春[*2,1,3]卢国志[1]
(1.山东科技大学矿山重大灾害预防与控制省部共建实验室，山东青岛266510；
2.大连大学建筑工程学院，辽宁大连116622；
3.大同煤矿集团有限责任公司，山西大同037003)

摘要文章以“中国制造2025”发展目标为背景，依据煤炭产业的发展规划，提出中厚煤层智能化开采是煤炭产业适应“中国制造2025”的发展方向。深入分析了技术方案的目标、及研究内容，并对技术方案提及的相关技术问题做了深入的分析，提出了各技术问题的发展方向及问题关键。论文的观点对中国煤炭产业智能化开采具有一定的借鉴价值。

关键词中国制造2025；中厚煤层；智能化开采；煤炭产业

李克强总理在2015年《政府工作报告》中提出“中国制造2025”战略，以应对新工业革命和科技变革的挑战，5月19日，国务院印发《中国制造2025》，全面部署推进实施制造强国战略[1]，这是我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。“中国制造2025”将立足于我国转变经济发展方式的实际需要，围绕创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展、人才为本等关键环节，以及先进制造、高端装备等重点领域，实施加快制造业转型升级、提质增效的重大战略任务和重大政策举措，力争利用十年时间使我国从制造业大国迈入制造业强国行列。

煤炭产业作为我国的基础能源产业，在相当长的一段时间内，其作为中国工业的基础、中国能源的核心地位不会改变。实现“中国制造2025”，作为中国工业基础的煤炭产业必须率先进行升级改造，以适应中国工业向自动化、智能化方向转变，这是技术发展的趋势，也是安全生产的要求[2]。目前，工作面智能开采在国内某些特殊的地层中有所实现，如顶板比较完整、地质条件下对稳定的薄煤层开采中曾实现过智能化控制，但是对于我国存量接近45%的中厚煤层，由于受到地质条件特别是采动条件的影响，要想实现完整意义上的智能开采，不但要从煤矿开采的机械化、自动化、信息化等技术方面入手，还需要从采煤重大安全隐患的预防与控制等理论方面展开深入研究。

本文从实现“中国制造2025”的视角，立足实现在中厚煤层条件下的智能开采，构建其理论体系与技术体系。

1中厚煤层智能开采技术体系建设的目标

1.1中厚煤层智能化开采发展方向

在深化“实用矿山压力控制理论”的基础上大力推进采掘工作面生产过程的机械化和和自动化，突破传统管理模式的束缚，实现煤矿安全高效生产和环境灾害控制决策（设计）和实施监控（管理）的信息化（在可靠的地理地质信息和不同采动条件下岩层运动和支承压力分布动态信息基础上决策）、智能化（依靠正确的决策理论和模型计算机决策）和可视化（形象化输出决策结果）。切实把煤矿安全生产和环境控制从依靠统计经验决策条例管理的模式推进到依靠正确的思想理论指导和现代高端技术保证，针对具体煤层条件和开采技术条件科学定量的发展阶段。也就是要把采掘工作面生产推进到以控制煤矿重大事故和环境灾害为目标，依靠正确的思想理论指导和现代高新技术保证的智能化发展阶段。我国航天、航海等地表以上的空间技术成就和现代化矿井综采技术发展成就和管理水平，奠定我国实现井下智能化开采的基础。通过煤矿实现智能化开采目标将进一步推进我国机械化制造业、信息化产业以及相关产业的发展，已经成为我国现阶段国家工业化和国民经济发展的客观需要。可以说，实现井下智能化开采已经成为我国现阶段工业化发展的火车头。

1.2我国煤矿智能开采特点

国内煤矿的黄金十年，也是煤矿安全与技术飞速发展的十年，为实现煤矿安全高效生产，煤矿开采科技创新研究工作取得了很大的成绩，已使得我国煤炭开采水平接近或部分达到了世界领先水平，出现了具有世界一流的现代化矿井（如大同的塔山及同忻煤矿、神华的神东煤矿等）。但是也应该看到我国也有生产技术比较落后的煤矿（年产15万t以下的地方煤矿）。煤矿要想实现智能化，需要首先实现安全开采的机械化、信息化与自动化[3]。目前我国年产百万吨以上的矿井基本实现了机械化，但是对于煤矿信息化与自动化的建设不同的矿山差别较大，实现煤矿智能化开采还有很多需要研究的课题。

中厚层智能化开采的最大特点，就是能够根据不同的地质条件与开采条件，现场的采煤与掘进必须做出相应的调整，必须适应随采场推进上覆岩层运动和应力场不断变化的工程特点，另外，每一矿井即使开采同一层煤，不同开采区段由于地质和开采技术条件的不同，覆岩运动破坏情况和应力大小分布状况，往往具有成倍数量级的差异。因此，将针对某一开采区域和区段的正确决策结果简单的推广到另外区域，甚至是相邻区段，都有可能出现事故和造成经济损失。同样对于既定开采区段，如果没有搞清工作面推进岩层运动和应力场变化的全过程，无论是工作面推进中的安全高效决策措施，还是围绕该工作面开掘和维护巷道安全高效决策(包括巷道开掘位置和开掘的时间等)也都有可能出现错误。

中厚煤层智能开采，是一项涉及地质、开采技术条件诸多因素，需要较高的学科理论和实践基础，需要应用现代信息技术手段的系统工程。因此，在完善与掌握采场上覆岩层运动和应力场应力大小分布为核心的煤矿智能开采决策理论基础上，实现煤矿开采理论与现代信息技术的结合，把煤矿智能开采决策和实施管理推进到信息化(在可靠的地理、地质和开采技术信息基础上决策)、智能化(多目标、多方案、计算机自动决策)和可视化(形象化分析和输出结果)发展阶段，是我国煤矿的紧迫任务。

1.3中厚煤层智能开采技术体系建设的目标

中厚煤层智能开采发展方向需要适应“中国制造2025”的近期目标，在“中国制造2025”目标的指引下，煤矿工业开采工具的机械化、自动化与智能化将是未来一段时间煤矿技术革新的重点，为此煤矿工业的技术发展也需要提出自己的发展目标。

中厚煤层智能开采建设目标应遵循“国际先进、国内领先”的总体目标和“整体规划、分步实施、重点突破”的总体建设原则，中厚煤层智能开采技术体系建立的目标是在煤矿综采工作面中基本实现“生产过程自动化”、“安全监测数字化”、“企业管理信息化”、“信息管理集约化”的智能化矿井。

2中厚煤层智能开采的技术体系结构

中国煤矿经历了黄金的十年，中国经济结构也进入了深度调整期，“去库存、压产能、调结构、重环保”的理念将是今后煤炭产业发展的方向。煤炭产业现进入了微利时代，地质条件复杂多变、开采成本高、安全隐患居高不下的矿区将逐步减少，未来一段时间煤矿的发展将集中在地质相对简单、综采机械化程度高、地表环境影响较小的中西部中厚煤层或者厚煤层矿区，煤矿智能化开采将会占据行业主流。煤矿开采智能化，关键是要建立和完善一套对矿井作业过程和环境状况进行系统科学的实时动态监测、分析以及有效控制的技术体系，以数字化、信息化、虚拟化和集成化为基础，实现计算机网络管理的管控一体化的智能化开采。

中厚煤层智能开采技术体系的构建以覆盖全矿的传感器网络和大容量的综合通信网络为基础，控制中心处理生产过程中产生的数据,确保连续实时监控、生产优化、远程控制以及自动运行[4]。中厚煤层智能开采技术体系是一个复杂的系统工程，它是不同领域技术的交叉和综合，需要投入大量的人力、物力和财力，就目前采煤工作面开采技术现状来看，它包括很多子系统，按其功能流和数据流可将其分解为：信息化与自动化技术体系和开采技术体系。其中信息化与自动化技术体系的构建包括了数据标准建设、通讯体系建设、传输协议建设和数据综合分析流程建设；开采技术体系涉及了采煤技术体系、掘进技术体系、安全保障技术体系、安全事故预测预报技术体系、机械化与自动化基本技术体系等相关内容（见图1）。

图1中厚煤层智能开采技术体系结构

中厚煤层综采工作面智能开采技术建立在高度发展的科学技术和中厚煤层特殊应用背景之上，有其自身特征主要有安全性高、传统工艺和自动化技术的结合、科学采矿技术、高度自动化、信息化、高产、高效、推动煤炭企业管理革新等五大特点。

同时，智能开采技术体系建设中需注意井下开采条件复杂多变；生产和工作环境恶劣；安全性和可靠性要求高；采掘业生产条件复杂及不可预见因素多，生产平衡及安全控制管理的难度较大；煤炭行业整体经济效益不佳及科学管理基础条件差和信息化意识落后，在一定程度上限制企业管理信息化的开展；煤矿井下作业范围广，控制系统复杂；井下移动设备多，要求相应的控制设备及网络设备也随之移动，对自动化系统和网络系统的设计、系统的可靠性和开放性提出了更高的要求。

因此，中厚煤层智能开采技术体系建设要充分考虑多因素影响，建成以及事故灾害发生时人身防护功能与一体的“智能化开采指挥中心”，并实现煤矿安全高效生产和环境灾害控制决策。

3信息化与自动化技术体系

3.1信息化与自动化技术体系的主要内容

实施中厚煤层综采工作面智能开采之信息化与自动化技术体系的建设，在内容上主要涉及数据标准建设、通讯体系建设、传输协议建设、数据分析处理技术体系建设。

数据标准建设可以从数据接口的标准化、系统数据的标准化、通讯体系建设、数据分析系统标准化四个方面展开[5]。具体建设内容如图2，3，4所示。

图2数据标准建设结构

图3通讯体系建设结构

图4中厚煤层智能开采技术体系结构

3.2信息化与自动化技术体系建设中注意问题

目前在中厚煤层综采工作面实施信息化与自动化战略过程中应注意以下六个方面：

（1）自动化子系统尽量避免相对独立、功能分散、管理不集中、信息不能互通的情况，避免形成“信息孤岛”以造成资源的浪费。各子系统之间要做到彼此之间的协调工作，实现各个系统接口的联结，使生产效力进一步提升。

（2）材料要避免浪费，各个系统要进行综合性布线，通讯线路的构建不能重复投资建设，降低和减少系统维护量，提高系统的整体可靠性，方便于维修。

（3）综合利用技术资源，各个自动化系统都共享的组态软件和专业技术人员，降低投资的成本。

（4）各种自动化系统实现网络共享，统一监测，统一调度，有利于生产力水平的提高。通过信息化和自动化的实现使信息能够被综合利用，从系统工程的角度来整体对矿山进行统一的自动化管理，有效的整合各种资源和发挥自动化集成的最大效益。

（5）成立明晰的综合自动化建设组织单位，集中技术力量，配备专门的岗位工、修理工、巡检工等以利于系统的正常维修和维护。

（6）抓好基础设施建设。这是信息化与自动化工作开展的首要前提。这方面建设在整个矿井信息化与自动化建设中是最简单的，主要是各种设施设备的安装和调试，可以通过实施信息化与自动化厂家的技术支持来实现，结合煤矿现有系统应用同时建成矿井综合信息化与自动化平台，作为实施此项工作的中枢指挥系统，正如建设信息化系统号称的是只要想到就可以实现。

4安全开采技术体系

安全开采技术体系主要涉及采煤技术体系、掘进技术体系、安全保障技术体系、安全事故预测预报技术体系、机械化与自动化基本技术体系。

4.1采煤技术体系

目前，煤矿井下开采技术日益趋于机械化、智能化和集约化。矿井采煤技术现阶段主要围绕采场围岩控制技术、对巷道布置进行优化，减少矸石排放的开采技术、中厚煤层开采技术等方面展开。

在深化回采工作面顶板控制理论的基础上，研制具备发送支架所在工作地点安全工作环境信息、设备工况信息，以及与可能事故相关的顶板运动和煤层压缩（支承压力分布）动态信息，实现操作过程遥控的“支护机器人”（智能综采支架）和“挖底充填机器人”（智能挖底充填综掘机）装备薄及中厚煤层回采工作面，杜绝顶板事故和相关联的瓦斯、冲击地压、顶板透水、底板突水等重大事故。有效地解决数以千计的中小型煤矿采用传统综采难以承担的高额资金投入，以及因拆装搬家困难，不能适应多变的煤层地质条件造成的高成本、低效益的局面[6]。

在深化巷道矿压控制理论的基础上，研制巷道“挖底充填机器人”（智能挖底充填综掘机），以及在具备发送工作地点顶板下沉、煤层压缩和瓦斯压出等动态信息，保证杜绝老塘（采空区）透风和有利于瓦斯抽放、注氮防火工艺实施，具备让压可缩功能的充填墙体结构方面取得突破的基础上，实现“无煤柱护巷开采”成套技术的智能化[7]。

在深化实用矿山压力控制理论的基础上，建立随采场推进在回采巷道外侧，根据无线通讯和电液遥控操作距离的要求和方便工作人员及时进入工作地点视事的需要，聚事故预测、控制决策、实施监控，以及事故灾害发生时人身防护功能与一体的“智能化开采指挥中心”（井下前线指挥部），并完成相关信息采集系统和决策软件开发任务[7]。

4.2掘进技术体系

掘进和回采是煤矿生产的重要环节，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。目前我国煤矿巷道掘进技术主要有综合机械化掘进、连续采煤机快速掘进与掘锚机组掘锚一体化掘进技术(如图5)。

图5我国煤矿巷道掘进技术

提高巷道掘进配套技术水平是智能化开采掘进技术发展的方向。主要从发展综合机械化掘进自动控制技术、掘进工作面配套综合除尘系统、煤巷快速掘进的地质保障关键技术与全面推广锚杆支护技术四个方面展开。

4.3安全保障技术体系

井下安全开采灾害预警与应急预案是井下采煤安全保障系统内容之一。为了确保智能开采过程中的安全性，需建立安全保障体系，保障体需要从灾害预警、应急救援组织机构及职责、灾害性事故预警及应急响应、后期处置和保障措施等（如图6）。

图6安全保障技术体系

4.4安全事故预测预报技术体系

实现煤矿智能开采，需改变目前被动的、经验式的安全管理模式，进而实施主动的、全面风险预警的安全管理模式是有效的解决中国目前煤矿事故频发的关键。安全事故预测预报技术体系需要图7中五个方面展开。

图7安全事故预测预报技术体系

4.5机械化与自动化基本技术体系

综采工作面自动化系统就是以液压支架电液控制系统为核心，将矿井多设备控制子系统集成为集采煤、运煤、仓储等为一体的综合自动化系统，为实现矿井设备监测的自动化、生产过程控制的自动化、生产管理的网络信息化等提供基础。机械化与自动化基本技术体系如图8所示。

图8机械化与自动化基本技术体系

5结论

“中国制造2025”已经拉开帷幕，煤炭产业作为能源的基础产业，这场技术革新必将对煤炭产业的生产产生深远影响。本文根据中国煤炭发展趋势，提出中厚煤层智能化开采是适应“中国制造2025”的必然方向。

文章对中厚煤层智能开采的意义、发展目标以及技术体系做了深入阐述，并对技术方案各个发展环节的发展方向、技术难题提出了看法与思路。

参考文献

[1]李克强.政府工作报告（2015）[N] .人民日报，2015-3-17 (1) .

[2]王金华，黄曾华.中国煤矿智能开采科技创新与发展[J] .煤炭科学技术，2014 (9)：1-6.

[3]吕鹏飞，郭军．我国煤矿数字化矿山发展现状及关键技术探讨［J］.工矿自动化，2009 (9)：16-19.

[4]赵安新，李白萍，卢建军.数字化矿山体系结构模型及其应用［J］.工程设计学报，2012，14 (5)：423-426.

[5]张杰．神华宁煤集团安全智能分析平台建设构想［J］.工矿自动化，2012 (9)：1-5.

[6]李金华.德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示[J] .中国地质大学学报（社会科学版）2015 (09)：71-79.

[7]宋振骐.我国煤矿开采技术发展现状及方向[A] .国际工程科技发展战略高端论坛论文集[C] .北京：中国工程院，2012: 178-188.

宋振骐，男，1935年出生，院士，教授，主要研究方向为煤矿安全高效开采等方面的研究工作。

夏洪春，男，1978年出生，博士，讲师，主要研究方向为矿山压力与岩层运动。

Development Direction of Intelligent Mining Technology
of Medium-thickness Coal Seam Under the Background of "China-made 2025"

Song Zhenqi1Xia Hongchun*2,1,3Lu Guozhi1
(1. Laboratory of Mine Major Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510；
2. Architecture Engineering College, Dalian University, Dalian, Liaoning 116622；
3. Datong Coal Mine Group, Datong, Shanxi 037003)

Abstract：Under the bckground of "China-made 2025" dvelopment goal, acording to the development plan of coal industry, medium-thickness coal seam intelligent mining that is the development direction of coal industry adapting to "China-made 2025" is put forward. The goal, research content and relevant technical problems of technical scheme are deeply analyzed, the development direction of various technical problems and the key problems are put forward. The point of the paper for the intellectualized mining of China coal industry has a certain reference value.

Key words：China-made 2025; medium-thickness coal seam; intelligent mining; coal industry

收稿日期：2016-01-30

作者简介

中图分类号TD823.25+2

文献标识码A

文章编号1000-4866（2016）01-0001-05

基金项目：国家自然科学基金(51574055、51374045、51374046)；山东省科技发展计划(2014GGX101006)