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1、一、前言能源是国家经济可持续发展的重要支撑，但其伴生的COz过度排放成为引发气候变化的主要因素。在全球范围内经济社会与能源产业形成了低碳化发展的大趋势，我国也正式提出双碳战略，实现碳达峰、碳中和成为我国经济社会高质量发展的内在要求。也要注意到，富煤贫油少气的能源赋存特性决定了煤炭是我国的主体能源和重要工业原料。2022年，世界煤炭消费量超过8X103我国原煤产量为4.56x103同比增长10.5%。当前煤炭在我国一次能源生产和消费总量中的占比分别超过67%、56%,预测2030年煤炭的一次能源占比仍有46.3%。因此，在未来相当长一段时期内煤炭仍是经济发展、能源安全稳定的“压舱石“稳定器。构建
2、以煤基能源为保障，具有清洁低碳、安全高效特征的能源体系，是保障我国能源安全、建设能源强国的重要途径。与庞大的煤炭产能相对应，我国是全球最大的煤机市场国、煤机需求国。为实现双碳战略目标，我国煤机市场正在进行阶段性的调控和整顿，面临着市场集中、行业整合、技术与产品创新等方面的挑战：但也蕴藏着诸多新的发展机遇，以煤机装备技术的智能化、无人化、机器人化为代表，成为煤炭行业绿色低碳、安全高效转型升级的新质支撑力量。相关己有研究主要涉及“双碳背景下能源领域高质量发展、能源消费结构与煤炭消费趋势、煤炭能源升级战略、煤炭行业发展路径、煤炭资源强国建设等宏观内容，井工煤矿智能化开发技术进展、40年来煤机装备制造
3、发展历程和煤炭工业科技创新成就等技术内容。“十四五智能制造发展规划（2021年）、关于加快煤矿智能化发展的指导意见（2020年）、煤炭工业十四五装备制造发展指导意见（2021年）等政策文件也明确了煤机技术与装备高质量发展的主攻方向。值得指出的是，尽管煤炭行业与技术研究成果较多，但针对煤机智能技术与装备开展的发展研究明显不足。煤机智能技术与装备范围非常广泛，既有井工矿智能技术与装备，也有露天矿智能技术与装备，还有煤炭洗选与煤化工智能技术与装备等。文章聚焦我国井工矿煤机智能技术与装备，总结发展现状及趋势、分析关键技术体系、辨明产业发展方向，以期为“双碳发展背景下的煤机装备高质量发展研究提供参考。二
4、、煤机智能技术与装备的发展现状及趋势（一）煤机智能技术与装备的发展现状“十三五以来,我国主要煤机装备基本实现了国产化,“三机一架（采煤机、掘进机、刮板输送机和液压支架）等关键装备已达到了国际领先或先进水平。一批超大采高智能化综采综放、智能快速掘进支护、大运量带式输送机等主煤流运输、煤矿机器人等煤机智能装备为智能煤矿建设提供了强大支撑。1 .煤机智能装备支撑系统基于第五代移动通信技术（5G）网络高速率、低时延和广连接的移动通信特点，煤机智能装备支撑系统已形成了端-边-云三级网络架构，实现了煤机装备海量数据的高效可靠传输和互联。煤炭科技工作者构建了综采工作面三维虚拟数字李生分析决策技术架构；基于多
5、维地球物理精细探测方法，构建了全空间、全方位地质动态模型技术体系，为煤炭智能精准开采提供了透明地质条件和三维采场空间数字化模型。煤机智能装备研究院所和生产厂家采用分布式架构集控系统软件，研发了多设备协同作业一体化控制中心，基于统一的服务器、存储及数据接口标准构建协同作业控制平台，实现了远程、共享、平行协同作业。2 .智能综采综放装备我国己开展了8m超大采高综采、7m超大采高综放等一批重大实践，取得了超大采高智能采煤机、智能刮板输送机及液压支架等标志性成果，引领了特厚煤层开采及高端装备的发展方向。神东煤炭集团公司联合高校、科研院所以及煤机装备制造企业研制的8-9m超大采高智能采煤机总装机功率达3
6、450kW,整机重量为220230t,可实现9m厚煤层一次采全高；8m超大采高液压支架和大运量智能刮板输送机实现了输送、转载、破碎及皮带自移机尾等装备系统集成；创成的回风顺槽无反复支护装备提高了两巷作业的自动化水平，保障了工作面设备群的协同高效推进。8.8m超大采高双滚筒采煤机（生产能力为6000th）、超大工作阻力液压支架（支架工作阻力为2600OkN）、大运量高强度刮板输送机（输送量为6000th）、大流量乳化液泵站（最大流量为1350Lmin）和超长运输距离智能单点驱动带式输送机（带长为6000m,带宽为1.8m）等组成的8.8m超大采高综采智能成套技术装备在神东煤炭集团的上湾煤矿投入应
7、用，创造了单日割煤22刀、日产6.55x104t的纪录。薄及极薄煤层智能开采技术与装备也有较大发展，解决了大功率较薄煤层高效开采采煤机的关键技术难点，突破了刨煤机成套关键技术与装备，研制出了螺旋钻采煤机，薄煤层采煤机、刨煤机、连采机及其配套的液压支架、刮板输送机等关键装备都己实现了成套国产化。3 .智能快速掘进支护成套装备我国已形成了适用于不同煤层条件下煤矿的智能快速掘进工艺技术与装备，研制的煤矿快速掘锚成套装备系统实现了掘、支、运一体化连续协同作业，可完成宽6.5m、高4.5m大断面巷道机械化施工，掘、锚同步作业，设计掘进速度可达1500m/月。集成掘、支、锚、运、通风、除尘等智能装备的护盾
8、式快速掘进系统在陕西小保当煤矿实现了工程应用。以掘锚一体机+锚运破+大跨距转载成套装备为基础，精准导航为引导，多机协同控制为核心，建成了基于地理信息系统（GIS）十三维可视化掘进远程集控系统。长距离、大坡度斜井专用掘进机实现巷道开挖、砌衬、出渣、运输、排水与通风等功能的系统集成，成功应用于补连塔煤矿，创造了单口进尺42m,单月进尺639m的记录。中国铁建重工集团股份有限公司研制的由掘锚一体机、锚杆钻车、自移式皮带机组成的智能型大断面快速掘锚成套装备在国家能源集团、陕西煤业化工集团有限责任公司、中国中煤能源集团有限公司等大型煤炭集团进行了应用，提高了复杂地质条件下煤矿巷道的智能化快速掘进水平。薄
9、煤层掘进机国产化机型有20多种，主要有EBZ-132、135、150A和160等。4 .主/辅助运输系统智能装备围绕长距离、大运量和高速度带式输送机在设计制造、安全运行等方面的突出问题，科研院所和企业合作研制出了具有国际先进水平的超大型带式输送机。煤炭科技工作者基于智能化煤矿对煤流系统提出的智能调控及无人值守的新要求，围绕高效、节能、可靠、无人的目标，取得了高性能输送带、驱动技术、煤流检测等技术新突破。近年来，国产化变频一体机完成了进口产品的替代，形成了功率为3152000kW、电压为6603300V的全系列矿用产品。无人驾驶技术也已经在井工矿的无轨胶轮车、单轨吊、有轨电机车等辅助运输系统中开
10、展了试验研究。科研人员研制出了远距离大运量带式输送机及其系统，实现了永磁电机直接驱动、张力分布式调节、大跨度空间转弯等关键技术。5 .煤矿机器人据统计，国家安全生产监督管理局规划的38种机器人中已有31种在煤矿现场进行了应用，临时支护、露天矿穿孔爆破、巷道冲尘、巷道清理和密闭砌筑等5种机器人已立项研发，仅有充填支护机器人和井下抢险作业机器人尚属空白。中国矿业大学（北京）在国家重点基础研究发展计划项目资助下研制的机器人化掘进机群，由掘进机器人、支护机器人、钻锚机器人、支架搬运机器人、转载机器人和带式输送机机器人等组成，具有多机协同、平行作业、自主定位与导航、自适应智能截割等功能。巡检类机器人现已
11、广泛替代人工进行工作面、带式输送机、巷道、变电所和水泵房等场所的巡检作业，实现了多岗位的无人值守。智能喷浆机器人投入使用后，作业人数减少至2人，日喷浆进度提升至30m左右，混凝土回弹率降至20%以内，年节约成本120万元。搬运机器人可实现It重载搬运作业，可节约作业人数23人，工作效率可提高35%左右。（二）煤机智能技术与装备的发展趋势我国煤炭开采经历了人工、炮采、普采、综采、智能开采等技术发展阶段，目前处于智能化开采的初级阶段。煤机装备相应经历了动力化助人、机械化替人、自动化减人和智能化无人等不同阶段。目前，我国煤机装备正在朝着智能化、高端化、成套化方向发展。1 .向高端智能装备方向发展，构
12、建绿色、低碳、安全高效的煤机装备产业链绿色、低碳、安全高效的煤炭智能开采需要煤机智能技术与装备的支撑，要求煤机装备向绿色、低碳、安全、高效方向发展。高端智能煤机装备的发展要求加强煤矿智能化装备基础理论研究和核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料等共性关键技术的研发，重点突破精准地质探测、精确定位与数据高效连续传输、智能快速掘进、复杂地质条件智能综采、永磁直驱连续化辅助运输、露天无人开采作业、重大危险源智能感知与预警、煤矿机器人等技术与装备，提高国产化水平，构造绿色、低碳、安全、高效的煤机装备产业链。重点打造Iom超大采高综采等一批标杆性示范项目，带动相关产业提速发展。2 .向成套智能装备方
13、向发展，构建不同复杂地质条件下智能化采煤技术与装备科研院所和煤机制造企业经过多年对复杂地质条件下薄煤层、中厚煤层和厚煤层智能化开采技术与装备的理论研究与实践探索，研发了以采煤机、液压支架、刮板输送机、以巷道集中监控为基本框架的智能采煤成套技术与装备，初步形成了薄煤层、中厚煤层、大采高与超大采高和特厚煤层等智能化采煤模式。薄煤层和中厚煤层智能化综采还涉及工作面自动找直、液压支架自动跟机与远程干预、采煤机记忆截割与远程干预、刮板输送机煤流负荷平衡控制、综采智能集中控制、工作面视频监控、安全监测联动联制和超前支护智能控制等关键技术与成套装备。厚煤层智能综采关键技术与装备还包括大采高工作面防片帮智能控
14、制、大采高底软智能控制、大采高视频智能监控和大采高安全保障等。智能掘进装备已形成适应不同地质条件的快速掘进工艺和成套装备。此外，采煤装备精准定位、煤岩界面智能识别、围岩自适应支护、智能纠偏、智能煤流运输系统等核心关键技术还需深入研究，以提高智采工作面的自主能力和对复杂地质条件的适应性。3 .向新基建方向发展，构建煤矿新型基础设施，建设煤矿智能化的地基新型基础设施包括5G基站、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域。煤矿基础设施体系需依托5G、大数据、人工智能和工业互联网等新一代信息技术，以新发展为理念，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，
15、构建智慧煤矿综合信息一体化管控平台，为煤矿提供数字化转型、智能化升级以及融合创新等服务，以提高煤矿的自动化、信息化和智能化水平。5G与工业互联网为煤矿装备海量数据传输和泛在连接提供了无限可能，大数据、人工智能为煤矿装备的智能计算和智能决策提供了强大理论与技术支撑，为煤矿智能装备的应用提供了平台基础。煤矿智能化的投入比煤矿综合机械化投入增加约30%,将开辟煤炭行业新一轮新基建空间，尤其在5G通信、大数据中心建设等方面将加速发展，“新基建赋能的煤矿智能装备在构建煤矿新型基础设施建设煤矿智能化的“地基中扮演着重要角色。三、煤机智能装备关键技术体系近年来，在国家科技研发项目的资助下，煤炭科技工作者开展
16、了大量科学研究和技术创新，在煤炭智能化开采基础理论、关键技术、重大智能装备和工程示范应用等领域取得了许多重大突破，为我国煤炭智能化开采提供了重要的技术和装备支撑，也为国家双碳战略目标的实现奠定了坚实基础。（一）煤矿智能装备支撑技术煤矿装备智能化主要包括环境智能感知、行为决策与智能控制、状态监测与健康诊断，需要大量的技术支撑，主攻方向包括矿井透明地质精细化模型构建、煤矿灾害预测与防治、煤矿环境的智能感知与实时重构、煤矿装备状态感知与智能决策控制等。将5G通信、人工智能和大数据等新一代信息技术与煤矿智能化“地基深度融合，形成环境感知-分析决策-智能控制-闭环反馈的运行模式，研制矿井智能闭环管控平台系统，形成集监测、预警、防控、应急于一体的闭环管控体系，实现煤矿地质模型的实时精细化构建、煤矿灾害智能感知与预防和煤矿装备分析决策与智能控制。由工业网络控制系统、工作面智能开采决策系
