煤炭無人化智能開采是我國煤礦轉(zhuǎn)型升級實現(xiàn)安全開采的重要手段分析

煤炭無人化智能開采是我國煤礦轉(zhuǎn)型升級實現(xiàn)安全開采的重要手段分析煤炭無人化智能開采是我國煤礦轉(zhuǎn)型升級實現(xiàn)安全開采的重要手段伴隨著煤炭行業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展，我國煤炭裝備制造業(yè)加快結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大，產(chǎn)業(yè)集中度明顯提升，自主創(chuàng)新能力顯著增強，先進高端制造取得新進展，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)逐漸夯實，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國大型煤炭企業(yè)采煤機械化程度由1978年的32．5%提高到2021年的98．95%，已實現(xiàn)高度機械化。隨著行業(yè)集中度提升及煤礦規(guī)模的擴大，我國的煤礦開采經(jīng)歷了機械化到自動化的發(fā)展，當(dāng)前正處于智能化起步階段。2015年5月，全國僅有3個智能化采煤工作面，2018年底發(fā)展到80個，2019年底，山東、山西、陜西、安徽、河南、內(nèi)蒙古等15個?。▍^(qū)）建設(shè)完成275個智能化采掘工作面。2021年底，共建成687個智能化采掘工作面。十四五期間，我國能源工業(yè)深入貫徹落實四個革命、一個合作能源安全新戰(zhàn)略。推動傳統(tǒng)能源資源開發(fā)利用向資源環(huán)境、經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)變，煤炭行業(yè)邁入深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、推動需求側(cè)變革、促進高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時期，也是煤炭行業(yè)向新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的轉(zhuǎn)型時期。煤礦開采作為煤炭產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)無人化智能開采是煤礦高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。中國智慧礦山行業(yè)競爭格局國內(nèi)礦山在不同煤層厚度的智能化進行了探索，其中，峰峰集團、陽煤集團、陜煤集團在薄煤層領(lǐng)域智能化進行探索，以晉能控股、川煤集團、陜北礦業(yè)為主的煤炭企業(yè)在中厚煤層領(lǐng)域探索智能化，天地科技在大采高領(lǐng)域探索了綜采成套裝備智能系統(tǒng)。除此之外，以鄭煤機、天地科技、三一國際、創(chuàng)力集團為主的企業(yè)，除傳統(tǒng)煤機外也在積極布局煤礦智能化技術(shù)和系統(tǒng)，在軟件和硬件上進一步提升。中國智慧礦山行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展趨勢目前，智能礦山系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)常來自不同廠家，其設(shè)備可靠性及可兼容性較差，尤其體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、接口等方面。因此，開展企業(yè)間的溝通合作，開發(fā)高兼容性軟件及成套設(shè)備，更易于整合各軟件系統(tǒng)實現(xiàn)全面的自動化、信息化、智能化，更易于在生產(chǎn)過程中收集各類信息，方便故障診斷，不斷優(yōu)化提升。產(chǎn)品成套化趨勢能夠為下游客戶提供更為全面的技術(shù)和解決方案；產(chǎn)品集成化趨勢順應(yīng)了煤機智能化技術(shù)發(fā)展的潮流；產(chǎn)品靈活化和綜合化趨勢增強了產(chǎn)品的功能多樣性和環(huán)境適應(yīng)性，以上產(chǎn)品發(fā)展趨勢將進一步提升我國煤礦智能化建設(shè)水平。另外，隨著智能礦山系統(tǒng)產(chǎn)品及技術(shù)在煤炭行業(yè)的成熟應(yīng)用，相關(guān)業(yè)務(wù)在智能化程度及安全生產(chǎn)需求均較高的行業(yè)間進行低成本跨行業(yè)復(fù)制將具備更多可能性。智能礦山行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分析（一）產(chǎn)業(yè)鏈概況智能礦山產(chǎn)業(yè)鏈上游原材料、零部件及服務(wù)包括電子元器件、集成模塊、外協(xié)加工等；中游產(chǎn)品為各類智能礦山信息系統(tǒng)；下游應(yīng)用領(lǐng)域是煤炭行業(yè)，具體客戶有煤礦生產(chǎn)企業(yè)以及煤礦裝備制造商。智能礦山行業(yè)需求受下游煤炭行業(yè)影響較大，下游行業(yè)的整體發(fā)展?fàn)顩r直接決定了本行業(yè)的需求。雖然煤炭行業(yè)整體發(fā)展受宏觀經(jīng)濟影響而呈現(xiàn)出一定的周期性，但智能礦山信息系統(tǒng)主要是為了實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的安全提升、減員增效以及節(jié)能降耗目標(biāo)的必要性投入，其行業(yè)發(fā)展情況主要受國家產(chǎn)業(yè)政策、企業(yè)重視程度以及我國煤礦數(shù)量、規(guī)模影響，而由于目前我國煤礦升級改造存量需求巨大，因此智能礦山行業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景。（二）上游行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及其對本行業(yè)的影響電子元器件、集成模塊、外協(xié)加工等是公司目前生產(chǎn)智能礦山信息系統(tǒng)產(chǎn)品所需的主要原材料及服務(wù)，上游行業(yè)的供應(yīng)情況、價格變動及產(chǎn)品或服務(wù)質(zhì)量均可能對本行業(yè)的經(jīng)營造成影響，因此智能礦山企業(yè)需要建立穩(wěn)定高效的供應(yīng)鏈管理體系，與上游供應(yīng)商保持良好的業(yè)務(wù)合作和密切的信息交流，并及時了解上游材料或服務(wù)的技術(shù)進步和價格波動情況，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和快速響應(yīng)下游客戶需求。在上游供應(yīng)方面，以上原材料及服務(wù)在國內(nèi)均有大量的供應(yīng)商，競爭較為激烈，不存在供貨渠道單一、產(chǎn)品或服務(wù)壟斷的情況，其充足的供應(yīng)有利于本行業(yè)的發(fā)展。對于原材料及外協(xié)加工供應(yīng)商，項目投資方建立起了較為完善有效的供應(yīng)商遴選制度，選擇質(zhì)量穩(wěn)定的供應(yīng)商，同時通過執(zhí)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗程序，以確保自身的系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量。目前我國在高端傳感器芯片、功率半導(dǎo)體器件等方面仍較國際先進水平存在一定差距，尚不能完全滿足我國煤礦智能化建設(shè)的要求，但隨著我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的不斷發(fā)展，上游配套行業(yè)亦將隨之穩(wěn)步成長，未來我國智能礦山行業(yè)的上游供應(yīng)鏈將愈發(fā)完備。（三）下游行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及其對本行業(yè)的影響智能礦山系統(tǒng)產(chǎn)品的具體客戶有煤礦生產(chǎn)企業(yè)以及煤礦裝備制造商，但最終下游均為煤礦生產(chǎn)，因此智能礦山行業(yè)與煤炭行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。我國是全球最大的煤炭生產(chǎn)國與消費國，2019年我國煤炭產(chǎn)量為3，698．00百萬噸，同比上升4．00%；消費量為4，176．54百萬噸，同比上升5．09%，較之煤炭行業(yè)去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)初期已呈現(xiàn)一定的回暖態(tài)勢。根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《煤炭工業(yè)十四五高質(zhì)量發(fā)展指導(dǎo)意見》，到十四五末即2025年，我國煤炭產(chǎn)量將控制在41億噸左右，相較2020年39．0億噸的產(chǎn)量而言仍有一定的增長空間。受宏觀經(jīng)濟增速下降以及國內(nèi)煤炭行業(yè)自身轉(zhuǎn)型升級的影響，煤炭行業(yè)發(fā)展于2015年跌入低點，根據(jù)Wind資訊數(shù)據(jù)，2015年我國煤炭開采和洗選業(yè)利潤總額為440．80億元，僅為2011年利潤總額的一成左右，但隨著我國煤炭行業(yè)供給側(cè)改革初見成效，行業(yè)效益回暖，2021年更是受疫情后工業(yè)復(fù)蘇、市場需求旺盛而市場供給偏緊等因素影響，我國煤炭開采和洗選業(yè)利潤總額攀升到了近十年以來的最高水平，達(dá)7，023．10億元。雖然煤炭行業(yè)受宏觀經(jīng)濟等因素的影響會呈現(xiàn)出一定的周期性波動，但由于我國經(jīng)濟增長的長期趨勢未發(fā)生根本逆轉(zhuǎn)以及煤炭在我國能源戰(zhàn)略中占有基礎(chǔ)支柱性地位，煤炭行業(yè)的整體發(fā)展趨勢未發(fā)生改變，隨著供給側(cè)改革的不斷深入，煤炭行業(yè)去產(chǎn)能步伐加快，產(chǎn)能過剩的狀況有所改善，行業(yè)效益亦有所回升。并且，我國既有煤炭工業(yè)設(shè)施龐大，存量設(shè)備更新需求的存在為智能礦山行業(yè)提供了巨大的市場增長空間。智能礦山行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀目前我國智能礦山建設(shè)尚處于初級階段，整體建設(shè)水平較低，但在堅實的政策保障及技術(shù)支撐下，呈現(xiàn)出加速發(fā)展的態(tài)勢，未來成長空間巨大。（一）整體建設(shè)水平較低目前，我國智能礦山建設(shè)尚處于初級階段，整體建設(shè)水平較低，這主要體現(xiàn)在兩個方面，首先是智能化建設(shè)范圍較窄，在綜合實力較強的大型礦山企業(yè)早已率先布局智能礦山建設(shè)的同時，眾多小型礦山企業(yè)卻心有余而力不足，低效煤礦的大量存在，嚴(yán)重制約了煤炭行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展；再者是整體智能化水平較智慧礦山目標(biāo)仍有較大差距，根據(jù)國家礦山安監(jiān)局公布數(shù)據(jù)，目前全國煤礦僅建成可實現(xiàn)少人化開采的智能化采煤工作面494處，距發(fā)改委、國家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中所提出的各類煤礦基本實現(xiàn)智能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)仍相差較遠(yuǎn)。因此削減落后產(chǎn)能以集中優(yōu)勢產(chǎn)能、并不斷加速推進其進行智能化建設(shè)，將是我國未來實現(xiàn)煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型換擋、提質(zhì)增效的必由之路。（二）國家政策保駕護航鑒于煤炭行業(yè)在我國工業(yè)發(fā)展中的基礎(chǔ)性支柱地位以及智能化建設(shè)整體水平較低的事實，其智能化改造在我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級、經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型換擋中的地位不言而喻。近年來，國家關(guān)于我國煤礦智能化建設(shè)的指導(dǎo)性政策頻出，提供了堅實的政策保障，發(fā)改委、國家能源局、國家礦山安監(jiān)局等八部委于2020年2月聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出到2025年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實現(xiàn)智能化，發(fā)改委、工信部和國家能源局于2020年4月發(fā)布的《2019年煤炭化解過剩產(chǎn)能工作要點》指出持續(xù)提升產(chǎn)業(yè)鏈水平。引導(dǎo)煤炭企業(yè)加大科技投入，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)和先進適用裝備，建設(shè)安全高效智能環(huán)保的大型現(xiàn)代化煤礦，不斷提升機械化、自動化、信息化和智能化水平。（三）科技創(chuàng)新持續(xù)賦能在社會資源以及關(guān)注度的持續(xù)傾斜下，國內(nèi)開展的煤礦智能化科技創(chuàng)新工作取得了不俗的成績，為我國煤礦智能化建設(shè)提供了強有力的技術(shù)支撐。以中國礦業(yè)大學(xué)、國家能源集團等為代表的高校、企業(yè)和科研院所，在煤礦生產(chǎn)的智能化控制、自動化識別、無人化操作及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算的集成應(yīng)用等方面取得了不俗的成績，為推動建立集約、安全、高效、綠色的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系做出了卓越的貢獻(xiàn)。（四）智能化建設(shè)加速進行得益于政策基礎(chǔ)以及技術(shù)創(chuàng)新的雙重保障，我國煤礦智能化建設(shè)目前正加速進行，并已取得階段性成果。根據(jù)國家礦山安監(jiān)局公布數(shù)據(jù)，截至2020年底，全國煤礦已建成494個智能化程度不同的采煤工作面，可以實現(xiàn)少人化開采，雖然對于全國約4，700處煤礦存量以及智慧煤礦智能開采、無人開采的要求而言尚處于起步階段，但已經(jīng)取得一定成果，且呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢。中國智慧礦山行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢目前，我國煤炭領(lǐng)域智能化研究起步較晚，近年來呈快速發(fā)展趨勢。未來，更加深入融合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)實現(xiàn)自主感知、泛在聯(lián)接、數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能開采將是煤礦智能化發(fā)展的主要目標(biāo)。未來智能礦山將通過各種智能傳感設(shè)備實現(xiàn)對礦山環(huán)境實時變化的多維主動感知，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)礦山人與人、人與物、物與物的廣泛聯(lián)接，通過數(shù)據(jù)采集與分析實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動決策，通過智能生產(chǎn)管控實現(xiàn)煤炭資源的智能化開采。智慧礦山產(chǎn)業(yè)鏈智慧礦山上游主要是系統(tǒng)集成中所運用的攝像頭、防爆計算機、防爆變頻器等零部件以及軸承、膠輪、外殼等加工耗材的供應(yīng)商，如寶信軟件等；下游主要為煤炭、有色金屬等礦產(chǎn)資源的開采公司，如陽煤集團（陽泉煤業(yè)）、陜西煤化、中國華能等；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)根據(jù)企業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)條件、IT/OT系統(tǒng)建設(shè)情況，打通礦產(chǎn)資源產(chǎn)運銷以及上下游各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)礦產(chǎn)子系統(tǒng)、整體生產(chǎn)、礦業(yè)集團經(jīng)營管理的多級優(yōu)化。中國智慧礦山行業(yè)企業(yè)發(fā)展趨勢目前我國尚處煤礦智能化建設(shè)的初級階段，提供智能礦山相關(guān)產(chǎn)品及服務(wù)的企業(yè)較多，而且大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模偏小，真正具備自主研發(fā)能力并能夠提供較完整解決方案的企業(yè)較少。但隨著煤礦智能化行業(yè)的發(fā)展，將逐步出現(xiàn)規(guī)模較大、產(chǎn)品質(zhì)量較好的龍頭領(lǐng)軍企業(yè)，持續(xù)進行產(chǎn)業(yè)整合以實現(xiàn)集聚，并不斷完善自身質(zhì)量管理體系、增加研發(fā)投入以及提升售后服務(wù)，最終優(yōu)化我國智能礦山領(lǐng)域市場的供給結(jié)構(gòu)?？傮w來說，煤礦生產(chǎn)作為整個煤炭工業(yè)的核心所在，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)對其進行智能化建設(shè)，是適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)革命發(fā)展趨勢、保障國家能源安全、實現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的本質(zhì)支撐，因此智能礦山行業(yè)具備持續(xù)成長的歷史必然性，并且得益于政策基礎(chǔ)以及技術(shù)創(chuàng)新的雙重保障，我國智能礦山行業(yè)將迅速迎來廣闊的發(fā)展空間。智能礦山總體架構(gòu)依托于礦山物聯(lián)網(wǎng)三層體系，即物聯(lián)感知層、傳輸層、智能應(yīng)用與決策層。物聯(lián)感知層主要由現(xiàn)場大量傳感器、執(zhí)行器、工業(yè)視頻前端攝像機、智能手持終端設(shè)備、定位裝置等設(shè)備構(gòu)成，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境安全、生產(chǎn)工況的全面感知，依托井下各傳感裝置、控制裝置、定位裝置的物聯(lián)規(guī)則，實現(xiàn)各傳感器、控制器之間的自動智能識別與就地控制；傳輸層完成物聯(lián)感知層各節(jié)點的組網(wǎng)控制及信息匯總，并通過各種通信網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)主干網(wǎng)完成礦山物聯(lián)感知層設(shè)備配置信息、傳感器實時數(shù)據(jù)、控制命令、視頻、定位位置等數(shù)據(jù)信息的高效可靠傳輸；智能應(yīng)用與決策層主要包括監(jiān)測監(jiān)控層、數(shù)據(jù)運維層和智能決策應(yīng)用層，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井全面監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲運用、礦山智能業(yè)務(wù)應(yīng)用及決策分析等功能。智能礦山行業(yè)發(fā)展歷程煤礦信息化建設(shè)是煤礦智能化建設(shè)的主線與基礎(chǔ)，從20世紀(jì)80年代中期至今，我國煤礦信息化建設(shè)主要經(jīng)歷了單機（系統(tǒng)）自動化、綜合自動化及礦山物聯(lián)網(wǎng)階段，且隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，我國煤礦信息化的發(fā)展趨勢將向煤礦智慧化方向演化。（一）單機（系統(tǒng)）自動化階段從20世紀(jì)80年代中期開始，隨著微機技術(shù)的發(fā)展和普及，我國煤礦信息化建設(shè)進入了單機（系統(tǒng)）自動化階段。該時期礦用自動化設(shè)備類型不斷增多，如能夠?qū)崿F(xiàn)自動升降的液壓支架等，控制設(shè)備可靠性及安全性有所提高，這使得我國煤礦安全狀況得到初步改善，但由于此時的采集信息均為模擬信號，因此信息傳輸距離相當(dāng)有限，只能實現(xiàn)本地采集數(shù)據(jù)以用于單機的就地控制。而到20世紀(jì)90年代中后期，隨著數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息傳輸距離大幅增加，煤礦自動化開始出現(xiàn)單系統(tǒng)地面監(jiān)控。（二）綜合自動化階段2000年以后，煤礦企業(yè)單機（系統(tǒng)）不斷完善，各系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)越來越困難，企業(yè)對各系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的需求越來越強烈，借助通信、工業(yè)總線及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的契機，一些企業(yè)推出專用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)煤礦不同系統(tǒng)的集成系統(tǒng)，這使得我國煤礦信息化建設(shè)進入了綜合自動化階段。綜合自動化實現(xiàn)了各系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)化集成，使得各系統(tǒng)能夠相互聯(lián)系，解決了信息孤島問題，但由于各系統(tǒng)中傳感器信息只能用于本系統(tǒng)，系統(tǒng)間協(xié)同管控能力弱，缺少相互聯(lián)動和信息融合，因此并未解決系統(tǒng)的認(rèn)知孤島問題。（三）礦山物聯(lián)網(wǎng)階段礦山物聯(lián)網(wǎng)即工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用，許多專家對此進行了探討和界定，對礦山物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)、功能、目標(biāo)等目前已基本達(dá)成共識。礦山物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，利用感知技術(shù)與智能裝置對礦山物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)礦山人與物、物與物信息交互和無縫連接，達(dá)到對礦山物理世界實時控制、精確管理和科學(xué)決策的目的，發(fā)展方向是礦山開采的無人化、智能化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動了物物相聯(lián)，為解決認(rèn)知孤島問題提供了手段。2010-2020年為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的第一階段，主要研究內(nèi)容包括物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)，中心化的安全架構(gòu)，物理、數(shù)字和虛擬融合技術(shù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的形成。2020-2030年是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的第二階段，稱之為自治網(wǎng)絡(luò)化的智慧物