★ 生产开发 ★
世界一流煤矿建设的探索与实践
为了全面贯彻落实党的十九大精神，增强企业核心竞争力，大力推进煤炭产业升级，着力推进技术创新，在企业结构调整中发挥排头兵作用，国家能源集团神东煤炭集团公司在完成了安全高效千万吨级矿井群建设后，迫切需要研究下一步煤炭产业革命与技术升级，保持其在煤炭行业的科技创新先锋地位，引领煤炭产业的高质量发展[1-4]。
煤炭产业经历了“十年黄金发展”和“五年市场低迷”后，近年来已进入稳步发展阶段。当前建设世界一流示范煤矿，实现煤炭产业的高质量发展，关系到国家能源供应战略与重要决策部署。一些学者对世界一流矿井建设进行了相关研究，翟桂武[5]对世界一流矿井建设进行探索研究，提出了世界一流矿井的路径、预期目标和评价体系；周海丰等[6]提出世界一流矿井应达到的百万吨死亡率、全员工效、单产、单进、回采率等32个关键指标。大柳塔煤矿深入全面贯彻国家能源集团“一个目标、三型五化、七个一流”发展战略，以“安全、绿色、智能、高效”为目标，认真研究创建世界一流示范企业的决策与部署，在生产设计、技术装备、安全管理、队伍整合、规模、效率和环保等方面进行全面考量，探索创建世界一流示范矿井的新技术、新途径、新措施，加快世界一流示范矿井建设步伐，引领煤炭产业由劳动密集向技术创新转变、由高危生产向本安生产转变、由粗放开采向集约开采转变、由指标引领向标准引领转变、由经验管理向精益管理转变[5-8]。本文以大柳塔煤矿为例，提出世界一流矿井的基本内涵、核心要素和关键指标，研究了煤矿高产高效、智能矿山和绿色矿山建设的新技术、新方法和新途径。
1 世界一流矿井内涵
世界一流矿井是以信息化技术、数字化展示和智能化装备为基础，构建一流的安全保障体系，供应一流的优质产品，创造一流的经济效益，突破一流的核心技术，培育一流的人才队伍，发挥一流的党建引领作用，建设以“安全、绿色、智能、高效”为目标的世界一流矿井，成为全球煤炭产业高质量发展的领军者[5]。
世界一流矿井建设的核心要素是安全生产、绿色发展、智能建设和高效产出，也是世界一流矿井建设的关键性评价指标。煤矿百万吨死亡率为零，千人工伤率控制在1以内，千人职业病发病率控制在2.5以内，安全管理达到国家一级安全生产标准化水平；矿井矸石利用率达60%以上，处置率达100%，废水、废气处理必须达到环保标准排放，实现工业用水全部为矿井复用水，使用后废水经处理后，再次循环利用；地表综合治理率达98%以上，基本恢复塌陷区生态原貌；煤矿开采实现智能化多系统协同作业，井下固定岗位变巡视岗位，有效减少井下单班人数，实现无人、少人化生产；结合矿井生产条件，尽量释放生产潜能，使“单产单进”水平达到最大化。
因此，世界一流矿井建设应以矿井安全生产为前提，实现生产运营一体化、经营管理精细化、技术装备智慧化、环境治理清洁化和煤炭品牌国际化的管理水平[9-10]。
2 世界一流矿井建设实践——以大柳塔煤矿为例
大柳塔煤矿是一座现代化生产矿井，地处陕西省神木市，井田面积189.9 km2，煤炭地质储量23.2亿t，可采储量15.3亿t，核定生产能力3 300万t/a，是神东煤炭集团主力生产矿井[11]。通过对比世界一流示范矿井“安全、绿色、智能、高效”4个基本要素，结合大柳塔煤矿生产实际，矿井安全生产水平持续保持世界一流水平。因此，本文重点阐述“高效、智能、绿色”3个方面建设内容。
2.1 高效矿井建设
2.1.1 生产组织模式变革
目前矿井劳动组织为3班制，每班8 h，每日早班检修4 h，其余时间组织生产。随着设备可靠性不断提高，每日组织检修会大大缩短生产时间。为充分释放生产时间，建议将劳动组织形式变革为3班制，每班8 h组织生产，每周集中安排一次10 h的检修。目前设备润滑是在生产过程中动态进行，设备润滑均采用集中润滑方式，由生产班岗位人员来完成。建议利用每周安排的10 h检修时间，进行设备定期维护和生产准备工作，如更换大型部件、前移采煤工作面巷道设备等。
2.1.2 设备及物资管理
当前，国内大部分煤矿井下设备均属于自主采购，存在设备运维不到位、设备更新换代滞后、大量储备备件浪费、周转设备闲置等问题。为此，将设备及物资管理采用轻资产租赁和专业化服务运营模式，对矿井成套的大型设备通过轻资产租赁方式运营，无需储备备件，如果需要配件，可直接与设备厂家联系领取。
2.1.3 井下采用片区模式管理
当前，全国部分煤矿井下分工是按照专业分工，易造成分工不明确、责任交叉、相互推诿等问题。为此，将井下各队按照片区划分，综采队负责综采工作面运输巷设备列车至回风巷道超前50 m区域的管理，包括安全管理、设备维护、质量管理、环境监测等；掘进队负责掘进工作面巷道开口以里全部区域的管理，同样包括安全管理、设备维护、质量管理、环境监测等；辅助区队负责采掘队以外大巷和备采面区域的管理。
2.1.4 人才队伍及薪酬待遇
当前，国内大部分煤矿对人才引入与培养不够重视，尤其部分国企还存在“吃大锅饭”的问题，工人薪酬在劳动技能、业务水平等方面体现不明显，容易造成煤矿人才流失。为此，矿井要高薪吸引世界一流人才，矿井工资增幅保持行业领先水平。首先，鼓励区队自主经营，按照完全成本预算吨煤单价结算给区队，月底根据产量结算区队收入；其次，建立科学合理的薪资分配机制，因事设岗、因岗设人、以岗定薪、易岗易薪，理顺分配关系，充分激发员工的积极性、创造性，努力创造经济效益最大化。结合原工资分配办法，分配重点向关键技术岗位、生产一线岗位和紧缺急需的高层次、高技能人才倾斜[12]。
2.2 智能矿山建设
大柳塔煤矿早在1997年就开始建设井下自动化系统，当前已建成区域煤矿集中控制系统、矿井“一张图”管理系统和安全监测监控系统。采掘工作面已初步实现初级智能化开采水平，带式输送机、变电所、水泵房等固定岗位80%实现无人值守，通信网络、网络安全防护水平达到智能化高级水平，大数据分析、云计算数据中心刚刚起步建设。
“采、掘、机、运、通”是一个矿井安全生产系统的核心组成单元，也是衡量矿井先进水平的关键性因素。矿井以这5个系统的升级改造为抓手，重点从技术装备及智能化两方面对各系统进行优化，全力提升矿井智能化水平。
2.2.1 综采智能化
(1)装备改造提升。综采工作面采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、液压支架、泵站应配套为全新装备或经维修车间系统性维修改造的设备，保证设备在服务期限内可靠运行。且电控系统需要改造成国产电控系统，具备可靠的自动化相关功能，更有利于井下智能化的实施。
(2)设备列车设备集控。综采工作面设备运行展示画面如图1所示，将综采工作面刮板输送机、转载机、破碎机、泵站、移动变压器、开关、照明信号综合保护装置等全部设备实现自动化远程控制；在带式输送机机尾、刮板输送机机头转载点、机尾等关键区域增设视频摄像机，实时监控各区域设备，实现控制台、带式输送机、刮板输送机岗位工实现“三岗合一”。
图1 综采工作面设备运行展示画面
(3)生产工作面智能化。在采煤机机身安装采高传感器、位置传感器和俯仰摇摆传感器，分别对煤机滚筒高度、定位、限位、位置修订、机身倾角、俯仰角和滚动角等全方位进行检测。借助当前先进的激光三维扫描、自动调直、机器人巡检和精准人员定位技术，实现采煤机自主行走。截割控制采用人工智能预测算法，实现采煤机自适应截割及高效连续运行。液压支架自动化是在采煤机机身安装红外发射器，液压支架安装红外接收传感器，当采煤机通过时，可自动识别红外信号，并以此判断煤机割煤位置，进而触发支架自动跟机程序，实现支架自动移架、成组控制护帮板和自动推移刮板输送机。
2.2.2 掘进智能化
(1)装备改造提升。采煤机电控系统进行国产化改造，方便实现连续采煤机(以下简称“连采机”)远程自主割煤技术。带式输送机驱动更换为永磁电机，优化减速机、传动等结构件，传动效率高，扭矩大；引进拐弯带式输送机，减少带式输送机机头数量，掘进期间出现拐弯时，只需安装拐弯架即可。购置六臂自动锚杆钻车，可自动打顶帮锚杆，每班预计可减少锚杆机操作工2人。局部通风机更换为变频通风机，一台通风机可供2 000 m距离的通风，可一次性安装，实现远程切换通风机和调节风量的功能。掘进工作面及配电点移动变压器、开关、照明信号综合保护装置要求配置智能设备。
(2)设备集控。完善井下配电点、局部通风机和带式输送机自动化系统，将全部供电设备实现自动化，并在破碎机处集中控制；部分移动变压器保护器需要自动化改造，在放集控箱的地方全部加装UPS后备电源，保证集控箱可靠供电。
(3)智能化建设。连采机智能化开采方案如图2所示。工作面基于5G基站进行组网，依托5G网络强大的通信能力，实现工作面多系统融合。加强连采机远程自动化割煤技术科研攻关。梭车实现远程监控、无人驾驶、远程干预功能。给料破碎机控制系统改造，加装自动识别系统，实现破碎机自动开停。
图2 连采机智能化开采方案
2.2.3 机电智能化
(1)供电系统。变电所全部实现无人值守，对井下中央变电所非防爆柜进行自动化改造，完善各变电所低压系统自动化控制，保证变电所高低压设备实现远程控制。在变电所引进轨道巡检机器人进行智能巡检，如图3所示，实施防越级跳闸项目，保障变电所可靠供电。井下固定的配电点移动变压器、馈电开关、照明信号综合保护装置要求全部配置智能设备，并实现自动化控制。
图3 变电所轨道巡检机器人
(2)供排水系统。在水泵房引进智能轮式巡检机器人，如图4所示，实现水泵房无人值守，提升泵房运行可靠性。在井下泵房、盘区、巷道口管道安装压力、流量和水质监测传感器，巷道低洼处安装水位传感器，中转水仓全部实现自动排水，并将全部数据接入自动化系统实时监测。
图4 水泵房智能轮式巡检机器人
2.2.4 运输智能化
(1)装备改造提升。将主运输带式输送机托辊批量更换为不锈钢托辊，寿命可达50 000 h，损坏率小于10%。将滚筒更换为高分子材料包胶滚筒，寿命可达50 000 h。胶带面更换为防纵撕芳纶带面，紧急情况下，可通过胶带卡扣接带。将现有主运输电机、减速箱、轴承进行更换，连续运行20 000 h免维护。将配仓带式输送机更换为三相永磁同步电动滚筒，功率可达400 kW。巷道带式输送机可更换500～1 000 kW永磁同步电动机，寿命可达30 000 h以上，将电机与滚筒融为一体，抛弃了减速器、液力耦合器和联轴器等机械装置，负载率在25%～120%范围内，电机均能保证较高的效率。联轴器更换为蛇形弹簧联轴器，20 000 h免维护，并加装监测设备。对带式输送机搭接点处漏煤斗进行改造，采用工厂标准件加工方式，可减少大块煤对带面的冲击，并具有耐磨、防止撕带等功能。
(2)智能化建设。主运系统带式输送机全部实现无人值守和智能调速，系统实现一键启停功能[13]。在主运带式输送机引进巡检机器人，具有环境气体监测与报警功能，可自动识别设备的表面温度以及起火、起烟、跑偏、异常声音等故障状态。引进托辊发电装置，可为带式输送机机头、中驱监测设备提供电源和照明。引进带式输送机钢丝带面监测系统，可实时监测带面钢丝的运行状态，发现异常，可提前进行更换，预防断带等事故。引进带式输送机温度及振动在线监测系统，可实时监测带式输送机滚筒和减速机轴承温度、电机绕组温度、减速机油温。对现有纵撕传感器技术升级，尽量降低无人值守带式输送机撕带事故扩大。引进带式输送机智能管理系统，将主运带式输送机各分散系统进行融合，形成一套带式输送机智能化控制与管理系统。建立手持式智能监控终端，方便巡检人员及时查看无人值守带式输送机的运行状态。带式输送机钢丝绳牵引式巡检机器人如图5所示
图5 带式输送机钢丝绳牵引式巡检机器人
2.2.5 通风智能化
(1)装备改造提升。将主通风机和局部通风机改造为变频智能通风机，具备在线监测与诊断、远程控制和在线变频调风功能，实现与矿井需风量及瓦斯浓度智能联动和按需供风。对井下风门风窗进行智能化改造，具有自我感知、声光报警、自动控制、远程监测和应急调控功能。
(2)智能化建设。构建智能通风系统，井下风流、湿度、温度、压差等监测设备实现实时监测，软件平台具备风量测算、风阻计算、三维仿真、在线调风等功能，实现通风系统全面感知与智能控制。
2.3 绿色矿山建设
2.3.1 井下绿色开采
为了建设世界一流煤炭生产企业，应积极探索推广应用新途径和新方法，优化生产系统，创新节能环保生产模式，强化节能减排管理，强化污染防治，夯实节能减排基础。大柳塔煤矿建成世界首个分布式地下水库，通过在水库坝体上安装应变、温度、水位等传感器，实时监控水库水文和压力等数据，保障水库安全运行，如图6所示。分布式地下水库使矿井水经过采空区过滤、沉淀净化后，一部分供井下生产各环节用水，另一部分通过管路输送到地面，供沉陷区灌溉复垦和工业广场浇灌或经过严格处理后供给居民区，大柳塔矿分布式地下水库实现了井下生产污水零升井，年循环利用水量280万m3，节约外购水费、污水处理和外排费等费用约6 000万元，实现了矿井水资源良性立体循环[14-16]。
2.3.2 废弃物治理及综合利用
为了减少煤矸石对环境影响，坚持在煤层掘进巷道，同时利用边角煤掘进巷道进行煤矸置换，最大程度减少煤矸石产生，原煤矸石优先用于电厂发电再利用，其次进行地表填沟造地和土地复垦，如图7所示。下一步将用于承担煤矸石综合治理和环境保护责任，积极创新实践采空区矸石填充技术。矿井水达标治理及综合治理作为安全生产高效示范矿井，积极倡导“绿水青山就是金山银山”的号召，大胆尝试矿井水提标治理示范技术，以高于国家标准进行矿井水提标改造，同时全面实施采煤沉陷区生态灌溉、热电厂、选煤厂矿井水复用多种方式推进矿井水综合利用[17]。
图6 大柳塔煤矿分布式地下水库安全监测
图7 煤矸石排放治理效果
2.3.3 地表生态综合治理
采后生态系统修复，坚持开发与治理并重的方针，采用“三期三圈”环境治理和生态再造模式，严格执行“环境影响评价”“三同时”制度及环境恢复治理保证金制度，吨煤提取0.45元/t费用用于环境治理，经过几十年的投资和治理，当前治理面积达到29 km2，矿区植被覆盖率由开发初期的11%提高到65%以上[18-19]，地表生态综合治理前后对比如图8所示。
图8 地表生态综合治理前后对比
3 未来探索与改进方向
(1)技术装备支持。先进、可靠的设备和装备是创建世界一流矿井的核心要求，也是决定创建成败的关键，需要在采掘工作面煤机、液压支架、破碎机等关键设备进行配套优化，在管路抓举、密闭开槽和巷道清扫等先进装备引入方面进行探索和努力。
(2)智能化水平提升。当前矿井智能化建设虽有一定成绩，但离世界一流矿井建设标准还有很大差距，未来将不断攻关采煤机煤岩识别、自主掘进、机器人等阻碍智能化建设的关键技术难题，有效提升矿井智能化开采水平。
(3)安全环保投入。当前矿井安全环保欠量太多，下一步需充分考虑引入的煤矸石清洗、智能灌溉等设备必须符合环保要求，减少废水、废气、废渣的排放，并加大对安全环保的投入。
(4)高端人才选聘。高端人才是创建一流矿井的基础保障，通过高薪选聘“一岗多能”的复合型人才，需在人才选聘、薪酬和晋升上等方面给予政策上的倾斜。
4 结论
(1)本文分析了当前煤炭产业高质量发展背景，阐述了世界一流矿井基本内涵、基本要素，提出了世界一流矿井建设思路，为大柳塔煤矿创建世界一流矿井提供理论基础。
(2)以大柳塔煤矿为例，对比世界一流矿井建设基本要素，分析当前矿井存在的薄弱环节，分别从高效矿井、智能矿井、绿色矿山3个方面阐述创建内容，提出实现矿井生产运营一体化、经营管理精细化、技术装备智慧化、环境治理清洁化的新技术、新方法、新途径。
(3)结合矿井生产实际，提出技术装备支持、智能化水平提升、安全环保投入、高端人才选聘等方面进行探索与改进方向，为下一步创建工作指明了方向，也为煤炭行业高质量发展提供了宝贵经验。
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Exploration and practice of world-class coal mine construction
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