【观点】山东能源集团总工程师孙希奎：山东能源智能化矿井建设实践探索与典型应用场景

随着智能化科技在各行各业的广泛应用和不断深入发展，智能化技术与装备已在我国经济社会创新发展中起到了重要作用。在煤炭行业，智能化已经成为行业高质量发展的核心技术支撑，尤其在防范化解煤矿安全风险方面发挥着不可替代的作用。山东能源集团有限公司（简称山东能源）作为一家大型煤炭企业，积极响应国家能源发展战略，坚决贯彻智能化发展思路，以煤矿生产一线的实际应用需求为导向，以技术与装备进步为驱动，将煤矿智能化工作作为战略发展的重要组成部分，全面开展智能化煤矿建设，为实现建成“世界一流能源企业”的目标提供坚实有力的保障。

山东能源根据《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》《山东省煤矿智能化建设实施方案》等文件要求，依托行业发展需求，结合集团生产矿井特点，制定了《山东能源集团煤矿智能化建设“十四五”规划》，以煤矿智能化建设现状和需求为出发点，按照统筹规划、分类建设、示范引领、复制推广的总体建设思路，全面开展“五化四型”智能化煤矿建设，致力于建成一批“155/277/388”（煤层赋存条件优越的煤矿建设引领型矿井，单班入井100人，采、掘工作面各5人；煤层赋存条件较好的煤矿建设示范型矿井，单班入井200人，采、掘工作面各7人；存在一定灾害的煤矿建设基本型矿井，灾害较重的煤矿建设推广型矿井，资源条件差、灾害重、剩余储量少的煤矿建设系统型矿井，这3类矿井单班入井300人，采掘、工作面各8人）少人高效矿井，争取2~3年内打造2处单班下井50人的矿井，实现减人、增安、提效目标。CXO UNION-CXO联盟（cxounion.cn）

一、智能化矿井建设技术路径

结合山东能源智能化煤矿建设现状和需求，构建具有煤炭板块特色的智能化综合协同管理系统，形成多种类型、不同模式的智能化煤矿技术与标准体系，全面开展智能化煤矿建设，以实现“1354”总体目标（统一的智能化煤矿总体技术架构；基于“云−边−端”工业互联网平台，形成能源集团、二级公司、煤矿三级协同管控模式；大力开展采掘系统智能少人化、辅助运输系统连续高效化、机电装备控制远程地面化、灾害预警系统动态实时化、煤炭洗选系统集约智能化“五化”升级改造；着力建成安全、绿色、智能、高效“四型”矿山），实现减人增安提效，打造煤矿智能化标杆示范企业。

在第一阶段（2020—2021年）：按照“搭建一个基础传输网络、建成六大智能生产系统、打造一个煤矿工业互联网应用平台”的基本思路，全面推进智能化矿井建设。构建低时延、高可靠、广覆盖的煤矿融合传输基础网络，以采煤全面智能化为示范引领，逐步向机电、洗选、辅运、掘进、通风等其他系统领域延伸。集中各智能化系统的业务数据，打造煤矿工业互联网应用平台，构建全流程智能管控系统，实现智能预警、精准调度指挥、高效生产执行和设备运维等功能。

在第二阶段（2021—2023年）：着重开展煤矿智能化综合管控平台、矿井“5G+煤炭工业互联网”、透明地质保障系统、智能装备以及重大危险源智能感知与预警等系统的研发与应用。实现采掘系统的智能少人化、辅助运输系统的连续高效化、机电装备控制的远程地面化、灾害预警系统的动态实时化、煤炭洗选系统的集约智能化，为后续的智能化矿井建设奠定坚实的支撑。CXO UNION-CXO联盟（cxounion.cn）

在第三阶段（2024—2025年）：目标是全面完成智能化矿井建设，实现生产管理系统的智能化运行。计划建成一批涵盖多种类型、不同模式的智能化矿井以及单班百人矿井，使智能化开采煤炭产量占到山东能源煤炭总产量的90%以上。此外，计划依托各类智能化装备，开展基于大数据分析的智能化技术与装备研发应用，建成安全生产智能决策等系统，实现“155”“277”“388”减人、增安、提效目标。最终期望形成一套国家级煤矿智能化技术标准体系，创建一个国家级煤炭工业互联网创新平台，研发一批具有自主知识产权的智能化技术及装备，培养一批煤矿智能化高端复合型人才。

耳、智能化矿井建设情况及典型应用场景

1. 筑牢智能化建设四大支撑

（1）深化产学研用

与国内知名高校、科研院所、科技企业建立战略合作关系，实施关键技术、装备及材料协同研发应用。建设创新中心，在人工智能训练、机器视觉、图象网络等方面开展研究，实现了盘古大模型在矿山行业首次商用，涵盖煤矿9大专业40余个场景，为AI大规模下井应用打下坚实基础，助力矿山人工智能开发迈向工业化的新阶段；建设未来技术学院、产业研究院、创新研究院，产学研合作向着更多学科、更广领域、更高层次发展。

（2）攻克关键技术

实施惯导定位、智能综放、复杂地质条件智能开采等关键核心技术攻关。2021年以来，累计投入研发资金近180亿元，年增长率保持在20%以上。深部煤炭安全高效数智化开采成套技术创新与应用取得重大进展，山东省人民政府已确定提名该科研项目作为国家科技进步奖候选项目；研发应用基于采煤机定位的国产惯导系统，实现了综采工作面自动找直技术常态化运行；研发应用纵轴掘进机智能化关键技术，纵向截割工艺实现了掘进无人、多循环、一次成型全自动记忆截割。

（3）升级系统装备

坚持“重装备、高可靠、少人化”方向，持续推进设备序列优化工作，加强设备专业化集中管理，累计投入200多亿元对采掘、机电、运输、通防、洗选等系统实施装备改造升级，实施掘进装备3年提升工程，提高了掘进装备整体水平和效能；7m超大采高放顶煤液压支架成功在金鸡滩煤矿应用（图1），达到年产2000万t水平；TBM盾构机在赵楼煤矿、正通煤矿、李楼煤矿投入使用；研制国内功能最全、加载能力最大的液压支架综合性能试验台，完成了10m超大采高液压支架压架试验。

（4）夯实人才根基

采取“精准培训+实操演练”“内部现场交流+外部培训对标”等方式，对智能化管理人员、技术人员、实操人员进行菜单式培训。组织376名矿长和安全生产班子成员进行智能化技术比武，引导干部职工学业务、强素质、练本领，夯实智能化建设人才支撑。目前，山东能源智能化专业人才超过3000人，其中16人入选国家首批煤矿智能化专家库。

2. 实现智能化建设五大提升

（1）示范矿井建设实现新提升

建成9处国家首批智能化示范煤矿、27处符合国家智能化示范标准的煤矿。现有智能采掘工作面130个，其中智能采煤工作面95个、智能掘进工作面35个，智能开采产量达到总产量的86%。研究应用新一代智能型电液控制系统（TSN），基本建成杨村煤矿、滨湖煤矿、东滩煤矿3个智能化薄及中厚偏薄煤层无人作业工作面。2024年计划建设10处符合智能化示范标准煤矿，“十四五”期间全部均建成智能化煤矿。CXO UNION-CXO联盟（cxounion.cn）

（2）少人无人实现新提升

应用各类机器人72台（套），主力矿井主通风、排水、压风和供配电实现了无人值守。自主研发的辅运智能管控平台实现了人、机、物、系统实时互联互通。6处矿井单班入井人数在100人以内、20处矿井单班入井人数在200人以内、27处矿井单班入井人数在300人以内，累计减少井下作业人员1.2万人。

（3）生产效率实现新提升

新建正规采煤工作面全部实现智能化开采，开采效率提升了50%以上。转龙湾煤矿建成厚度3m以下煤层420m智能化工作面（图2），液压支架自动跟机率、采煤机自动截割率均达到99%以上，最高日推进23m、日产3.5万t，工作面仅需2人巡视。正通煤业打造了4条TBM全岩掘进作业线，最高月进尺突破了410m。

（4）信息化建设实现新提升

建立山东能源数据湖，采集系统1000余个、累计数据量25亿条，打造统一数据底座；建成应用安全生产技术综合管控平台，实现了生产调度、生产技术、安全环保等业务协同管控；合作研发高可靠矿用5G专网系统，实现了20处矿井规模化应用，9处煤矿实现了掘进机远程监控和记忆截割；鲍店煤矿智能掘进系统截割期间，掘进工作面达到无人化目标。

（5）安全保障实现新提升

应用安全监测监控系统管控安全风险、推进隐患闭环管理，把智能化作为遏制事故的治本之策，大幅提升了安全风险识别、预警分析、响应处置能力。以转龙湾煤矿为试点，使用健康一体机定期体检，利用AI健康检测装置进行班前评估，佩戴智能手表实时跟踪健康状态，建立了大数据管理平台，全时段、全过程守护职工生命健康。

二、智能化选煤厂建设情况及及典型应用场景

通过开展智能化建设，山东能源所属选煤厂基本实现了主要生产流程设备远程集控。I-III类矿井选煤厂重点建设了智能重介密控系统、智能浮选系统、智能浓缩系统和智能压滤系统，试点建设了智能管理决策系统和专家知识库，实现了选煤厂全生产流程的智能化管控，稳定了产品质量、提高了精煤产率、降低了劳动强度。山东能源面向内部选煤厂征集了一批先进成熟的可推广技术，经充分论证后，筛选出智能重介、智能浮选、智能装车等7项先进成熟技术在山东能源内部推广应用。

在山东能源所属65座在生产的选煤厂中，邵寨煤业选煤厂建设较晚，工艺较齐全，智能化水平较高。以邵寨煤业智能化矿井洗选建设为例，分享山东能源智能化矿井洗选板块的建设实践。邵寨煤业选煤厂位于甘肃省平凉市灵台县邵寨镇，于2021年建成投产，设计入洗原煤350万t/a，选煤工艺采用原煤25mm分级，80～25mm块煤重介浅槽分选，脱泥后的25～1mm末原煤采用有压给料两产品重介旋流器主再选，1～0.25mm粗煤泥采用螺旋分选机分选，−0.25mm细煤泥采用浓缩压滤的联合工艺。目前，所有智能化项目已全部建成并已实行常态化运行，全厂实现了50人定员目标，达到减人提效、节能降耗、本质安全的目标，具备国内一流智能化选煤厂水平。

1. 建设思路

将先进的传感监测、物联网、云计算、大数据、人工智能等与煤炭生产技术进行深度融合，实现洗选加工全流程一体化智能决策、生产经营全过程智能管理、信息资源全方位多维度的融合与共享，最终实现生产过程自动化、安全监控数字化、企业管理信息化、数据管理集约化、决策支持智能化。

2. 建设内容及成效

（1）1个平台

构建集PC、APP、WEB、大屏端为一体的“数智云”综合管控平台，集成选煤厂数据管理、安全运行监测、洗选智能分析决策、洗煤效率自动统计计算、安全生产综合评价等功能，可实现洗煤过程各管理板块在线化、流程化、智能化。综合管控平台向下整合数据，向上为应用提供支撑，通过平台承担各系统数据串联集成、现场实时数据反馈、状态分析统计、算法开发及模型管理等职能，通过平台支撑实现选煤厂生产与经营过程的预测、优化、评价、决策支持，最大限度减少人工干预，实现科学有序生产，同比传统选煤厂生产管理效率可提升30%。数据管理中心界面如图3所示。

（2）7个子系统

智能重介系统、智能浓缩加药系统、智能压滤系统、智能运销系统、智能供配电系统、智能视频系统、设备全生命周期管理系统。CXO UNION-CXO联盟（cxounion.cn）

（3）智能重介系统

采用PID模糊预测控制算法，首先以清水阀、分流阀、加介阀开度作为3个控制量，重介液密度及合介桶液位作为2个被控量，实现对重介液密度及合介桶液位的联动控制；然后借助密度自动控制系统实现密度自动调控，以达到所需的分选密度；最后将重介精煤测灰仪数据作为反馈量，对实际分选密度进行反馈调整，实现产品灰分的精准控制、智能调节和“一键输入、输出产品”。智能重介系统投入运行后，吨煤洗选介耗降低了12%，精煤产品发热量提高了10%，洗出精煤产率提高了6%。智能重介数据模型如图4所示。CXO UNION-CXO联盟（cxounion.cn）

（4）智能浓缩加药系统

在浓缩机内设置E+H界面仪及浊度计，监测浓缩池澄清层厚度、清水浊度。同时在底流口设置浓度计监测底流浓度，为压滤系统提供反馈参数。生产过程中，由智能浓缩加药系统自动给定一个初始加药量，随后根据界面仪和浊度计的检测结果，对浓缩机溢流情况进行动态跟踪，基于澄清层厚度及清水浊度，对加药量进行后馈调整，可实现加药机智能控制加药量，以及加药量和加药比例的智能、合理控制，综合药耗可降低15%。

（5）智能压滤系统

通过采集浓缩池耙压、压滤机进料流量及滤液水量的实时监测数据，利用大数据分析、边缘值算法，建立煤泥压滤智能控制模型，可实现压滤机监控、自动补料、自动结束进料、排队卸料、转载设备自动启停、压滤生产闭锁以及压滤生产统计功能。智能压滤数据模型界面如图5所示。

通过将压滤机PLC的电磁信号接入服务器后台，集控系统与压滤系统得以对接，采集压滤系统的数据作为控制节点，通过压滤自动控制系统，实现联动控制、压滤机的全流程无人化管理。

（6）智能运销系统

基于以PLC控制器为核心的控制终端和以组态软件为核心的上位机控制终端，将发运车辆车牌作为场内发运环节的车辆身份认证、执行订单、发运计划的凭证，根据不同车辆信息，为车辆设计好流程步骤，并按流程节点进行控制，通过配备信息提示语音、屏显内容引导等提示司机进行下一步动作。产品仓下采用“给煤机+汽车衡”的方式实现无人自动计量装车，并进行仓前身份验证、仓下装车前的“皮重”校正，装载点通过激光雷达结合AI人工智能技术实现车辆装车过程的实时建模，自动提醒司机调整车位进行均匀装载，并对现场放煤过程进行实时监控及问题追踪，通过商品煤在线煤质监测来建立商品煤质量监测数据库，以实现对煤质的高效管理。智能运销系统的成功建设及应用，可实现整个运销过程的“无人操作、有人监视”，整体装车效率提高100%以上，减少人员50%以上。智能运销系统网络拓扑结构如图6所示。

（7）智能供配电系统

通过选用MCC智能配电柜，在每个回路上安装多功能电表和微机综合保护装置，采集电压、电流、功率、电能等电参数信息和动态监视各回路开关的合、分状态以及故障、告警等信号，达到运行故障自动诊断、设备用电自动计量、生产电耗自动统计计算的目的，从而实现选煤厂配电室内生产信息的采集、存储、处理、传送和信息资源的共享与保护、控制和监测等功能的综合化。并可实现停送电全套手续高效流程化管理、无纸化办公，在降低人员执行过程中的误操作安全风险得同时，可提升系统的可靠性和运维效率，选煤电耗降低16%。

（8）智能视频安全管理系统

搭建场景化AI系统，利用高清摄像头实现对选煤厂各工艺环节的远程巡检，以及启车随动、视频联动、人的不安全行为智能分析和人脸视频识别。当设备运行异常报警、人员闯入摄像机监控画面指定的警戒区域、人员未佩戴安全帽及非工作人员进入要害场所时，智能视频安全管理系统将智能识别信号和设备控制进行有机集成整合，可直接调取关联监控画面，并实时抓拍、自动弹出监控画面，便于及时查看和判断现场情况。一旦发现员工的违章行为，系统自动将视频切换至集控室大屏，同时发出警报，甚至是断电停车。智能视频安全管理系统可对传统机械式保护进行有效地补充和强化，为选煤厂安全运行增加一道保险。智能视频安全管理系统应用场景如图7所示。

（9）设备全生命周期管理系统

设备全生命周期管理系统是从设备进厂、使用、维护、检修及最终报废的整个系统性管理工具，包括设备全生命周期管理、设备智能润滑管理、设备运行状态监测3个功能模块。通过录入数据建立设备健康管理档案，安装无线温振、油位、油压等传感器，实时采集数据对比分析，可实现设备健康状态的实时监测，并对多种故障类型进行趋势预判。

对数据进行采集、存储、统计、分析、判断，自动推送报警信息和检修任务，替代人工点检，并对执行结果进行闭环，可实现设备维护由“被动维护”向“主动防御”的转变，提高设备有效工作时间，开机率达到96%以上。全生命周期设备管理业务流程如图8所示。

四、总结

山东能源对智能化选煤厂、智能采煤、智能掘进、透明地质等多个方面进行实践探索，均取得较好效果，大幅提升了矿井整体智能化水平，得到政府主管部门和行业的认可。山东能源作为大型煤炭企业，持续推进能源技术革命，特别是在矿山智能化建设领域，建成了一批国家级智能化示范煤矿，智能开采总产量占总开采产量的比例突破了80%，显著提高了企业综合效益，降低了工人劳动强度，优化了职工工作环境，保障了现场环境安全可靠，推动了企业安全高质量发展。

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