2021年,我国规模以上工业原煤产量40.7亿吨,比上年增长4.7%,能源消费总量52.4亿吨标准煤,比上年增长5.2%。煤炭消费量增长4.6%,煤炭消费量占能源消费总量的56.0%,比上年下降0.9个百分点,清洁能源消费量占能源消费总量的25.5%。目前,我国能源生产、消费结构以煤炭为主,在全球能源危机叠加各国关系复杂的背景下,我国能源局持续推动矿业全面智能化的落地。
矿山结构庞杂,可分为煤类矿山与非煤类矿山,而非煤矿山又可分为金属矿山与非金属矿山。煤矿山与非煤矿山的智能化建设基本类似,均面临多页面开采、工作环境恶劣、设备不稳定等问题,所以我国智慧矿山试点以煤矿类矿山为起点,再逐步延伸至全类型矿山。
智慧矿山,简单来说,就是将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、工业互联网、机器人化装备等与现代矿山开发技术深度融合,形成矿山全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统,实现矿井开拓、采掘、运通、分选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程的智能化运行,来提高矿业生产效率。
普通煤矿升级成智能煤矿往往需要智能系统基站、远端控制平台等基础建设;煤机等装备智能化改造或购置;交互式信息平台、数据分析系统平台等软硬件建设;各子(分)控制系统和控制技术的相互衔接与融合,如综采子系统、综掘子系统、安全子系统、提升子系统等融合形成整个矿山的智能化成套控制系统。
其中涉及到 90 多个子系统,可以分成3 个部分:智能生产系统智能职业健康与安全系统以及智能后勤保障系统。
5G、物联网、大数据及人工智能、云计算技术等关键技术解决系统架构和互通、数据处理决策及高级计算问题,其研究及应用程度决定智慧煤矿的发展水平。
矿山智能化转型中,最具代表性的当属华为的智能矿山联合解决方案,其综合了业界在智能矿山建设上的实践经验,结合 ICT 技术,形成了“3 个 1+N+5”的智能矿山整体架构,从而提升矿企本质安全生产水平。华为协同运营商,提供端到端的矿山大数据平台构建,主要提供三个子平台:一是全量数据集成平台,集成矿山的老旧应用,最大化使能矿山数字资产;二是一站式数据治理分析平台,解决行业数据孤岛,实现矿山各系统数据共享,效率提升70%;三是AI使能平台,基于成熟的生态合作体系,以及矿山应用的预集成能力,通过构建视觉、听觉、触觉等多维度作业场景分析模型加速矿山AI落地,实现井下6大类20多个子场景的智能识别,支撑矿山核心智能业务。
2019 年9 月5 日,阳煤集团、中国移动、华为公司联手推进5G 矿用进程,建设全国首个5G 煤矿专网。5G 煤矿专网为实现“5G+智能采煤”“5G+智能掘进”“5G+智能巡检”等各类5G 矿井应用奠定了基础。
2019 年,中国联通内蒙古分公司和中国联通网络技术研究院与青岛慧拓智能机器有限公司、联通智网科技、华为签署框架合作协议,在内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗大唐集团宝利煤矿开展基于5G 网络智慧矿山无人矿车驾驶示范项目。5G 智慧矿山在内蒙古矿山成功示范运营,解决了露天矿区运营生产痛点,满足智慧矿山的安全、经济、高效等各方面需求,进一步提高矿山运营安全,显著提升矿山作业挖掘效率。2010年,智慧矿山概念传入我国,但在数十年的发展中并无太大波澜。从 2020 年开始,根据国家对“双碳”政策的重新调整,对煤矿存储提出了更高要求,各大示范矿山均加速自身智能化的建设,在政策的明确指引下,持续推动全面智能化的落地。
2016-2021年,中国政府对智能矿山的重视程度逐步加强,并给出相应的指导意见与建议,智能化矿山的种类也从煤矿逐步延伸到非煤类矿山。2020 年 2 月,国家发改委、能源局等八部门联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》,首次于国家层面对煤矿智能化发展提出了具体目标,旨在推动智能化技术与煤炭产业融合、提升煤矿智能化水平、促进煤炭工业高质量发展。
2020 年4 月,国务院安委会正式印发了《全国安全生产专项整治三年行动计划》,提出要加快推进机械化、自动化、信息化、智能化建设。严苛的安全问责制度给煤矿管理者带来高昂成本,促使其更加重视煤矿生产的安全问题,而智能化是其规避安全生产风险的有利途径之一。
煤矿生产从局部智能化到全面智能化过程中,煤炭产量也在加速增长。2012 年至 2016 年受市场需求放缓、专项整治、煤矿企业经营管理亟待升级的综合影响,原煤产量呈现一定收缩态势。2016 至 2021 年,随着智能矿山大规模普及以及行业市场集约化的显著提升,我国原煤产量实现快速增长,期间累计增幅超过 14%。于 2021 年达到 40.7 亿吨。
根据《能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年)》,将于 2030 年实现智能化开采,重点煤矿区基本实现工作面无人化、顺槽集中控制,全国煤矿采煤机械化程度达到 95%以上,掘进机械化程度达到 80%以上。
《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》提出,到2035 年,各类煤矿基本实现智能化,构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。目前,煤炭智能化开采还处于示范阶段,适用于条件较好的工作面,随着技术水平的提升,未来10-20 年内或将大范围应用。
云南能源资源和矿产资源得天独厚。煤炭资源储量较大,开发条件优越;煤炭资源主要分布在滇东北,全省已探明储量240亿吨,居全国第9位。云南矿产资源极为丰富,有61个矿种的保有储量居全国前10位,其中铅、锌、锡、磷、铜、银等25种矿产含量分别居全国前3位。由于自然和历史等原因,云南省非煤矿山规模小、数量多、分布散、矿权布局不合理、基础条件薄弱、资源浪费严重、生态保护和安全生产压力大等问题突出。
尽管云南矿山居多,但云南的智慧矿山项目较其他省份起步晚。2021年中国移动云南公司联合云南迪庆有色金属有限责任公司(以下简称“普朗铜矿”)、中铝智能铜创科技(云南)有限公司(以下简称“智铜科技”)和华为技术有限公司携手打造的全国首个高海拔地区5G智能矿山项目,这是云南省内首个智慧矿山项目。
普朗铜矿位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉市区东北部,矿区海拔3400-4500米,高寒缺氧的自然环境给安全生产带来了较大挑战。
截至目前,中国移动云南公司在普朗铜矿井下3720平面N4穿脉及井上3720平峒口、办公区域、宿舍区域已经完成了4个5G站点的部署。
该项目最大的特点就是,基于5G网络的低时延、高带宽等技术特性,实现了井下无轨铲运机、有轨运输电机车的无人操作,采矿工人如今在宽敞明亮的调度大厅就能操作数公里外的井下采矿智能装备,实现了“少人、无人”的安全生产。
此外,普朗铜矿5G智能矿山项目在井下部署了CO、风速、风压、温度等各种类型的传感器,可以对井下环境数据进行实时采集。由于气体采集箱处部署了5G CPE,CPE可以将采集到的传感器信息经5G网络回传到监测服务器。后台通过对采集信息的即时分析,能及时识别井下毒害气体,这样对保护井下工作人员的生命安全起到了重要作用。
2021年9月28日,华为联合中国移动、中铜集团、智铜科技在北京以“安全、精益、智能、绿色”为目标,共同发布《5G+云+AI:赋能有色矿山数字化转型白皮书 》,在有色工业领域,尤其是铜、锌、锗以及矿山产业链上下游,树立可落地、可复制、可迭代的行业数字化转型范式。
2020年 11月,云南煤矿安全监察局联合省发展改革委、省能源局等8个部门印发《云南省加快煤矿智能化发展实施意见》,提出加快全省煤矿智能化发展。明确,到2025年,将推动建成一批智能化示范煤矿,其中:曲靖市区域内14处;昭通市区域内6处;红河州区域内2处,共22处。智能化煤矿建成后,总产能将达4225万吨/年,约占全省煤矿规划产能的三分之一。到2035年,全省各类煤矿基本实现智能化,构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统,建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。
未来云南省将对煤矿智能化进行统筹规划、分步实施,一矿一策、分类实施。提升煤矿“五化”水平,推进煤炭产业高质量发展,打造世界一流“绿色能源牌”。
总体来说,煤矿生产作为整个煤炭工业的核心所在,运用物联网、大数据等新一代信息技术对其进行智能化建设,是适应现代工业技术革命发展趋势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的本质支撑。智慧矿山的运用,有效实现了矿业的智能开采、动态监管、管控可视化、资源共享、减人提效等方面的提升。未来,随着技术的不断提升、相关设备的不断完善,更加深入融合工业物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术,实现“自主感知、泛在联接、数据驱动、智能开采”将是智慧矿山发展的主要目标。