王忠鑫｜露天煤矿要走绿色智能发展之路

人类的活动，几乎无处不“碳”。但如今，一个以化石能源为主的时代正在慢慢结束，地球正迎来一个碳中和的时代。2016年4月22日签署的《巴黎协定》，掀起了全球绿色低碳的转型大潮。“十四五”伊始，“碳达峰”“碳中和”更是被首次写入经济和社会发展的五年规划。对此，中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司副总经理、我国首批煤矿智能化专家王忠鑫感触颇深：“我国是煤炭生产和消费大国，能源体系以化石能源，尤其是高碳的煤炭为支撑。这决定了煤炭行业在实现‘双碳’目标中承担着更重的责任。因而，煤矿智能化是煤炭生产方式革命的新阶段，是发展的必由之路。”从业十多年来，王忠鑫一直致力于露天开采理论与优化研究、资源开发规划与设计、矿产资源开发与环境保护等领域的研究。他的许多研究成果达到国际领先水平，在煤矿中得到推广应用，取得巨大的经济社会效益和生态效益。作为一名“煤矿设计师”，多年来，他始终践行着工匠精神，踏踏实实、兢兢业业。他带领的智能化露天矿创新团队，展现了煤炭行业智能化发展“国家队”的担当，为我国露天矿绿色智能发展作出了巨大的贡献。

▲王忠鑫

向“智能矿山”迈进

十四五”开局以来，我国煤矿智能化建设加快推进。数据显示，全国有近400座煤矿正在开展智能化建设，总投资规模超过1000亿元，已完成约470亿元，建成智能化采掘工作面687个，在去冬今春煤炭安全增产增供中发挥了重要作用。“低碳能源战略是我国由工业文明步入生态文明的通道，而对于煤矿行业来说，智能化建设则是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，对实现煤矿减人增安提效、促进能源绿色低碳转型有着重要意义。”作为我国露天煤矿领域的青年科学家，王忠鑫对此深有同感，2020年以来，国家能源局等八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，就是要建立煤矿智能化发展协调机制，以提高煤炭保供能力为目标，以示范项目为抓手，全面铺开煤矿智能化建设。2021年，为贯彻这份指导意见精神，科学规范有序开展煤矿智能化建设，国家能源局、国家矿山安全监察局又制定出台了《煤矿智能化建设指南（2021年版）》（以下简称《指南》），而其中关于露天矿相关的内容，包括智能化矿山建设、验收办法等国家标准，都是由王忠鑫带领团队牵头完成的。“《指南》作为提升行业智能化水平和规范建设工作的引导性文件，结合国内外露天煤矿智能化建设的实践经验、先进技术和先进理念，提出了主要建设内容，包括露天煤矿智能化建设总体设计、信息基础设施建设、研究采用连续和半连续工艺的可行性、辅助生产系统和灾害预警系统的智能化、建设信息智能综合管控平台5方面的重点工作。”王忠鑫告诉记者，露天煤矿智能化建设工作是一项规划先行、有序推进、动态调整的系统性工程。为了使这项工作始终保持系统性、实效性和可操作性，《指南》提出了智能化露天煤矿总体设计的技术要求，是将信息技术与各类露天开采工艺系统进行深度融合，逐步实现露天矿生产全环节的设备大型化、少人化、无人化。此外，这部《指南》也为未来露天开采技术指明了发展方向：要推进大数据、人工智能、5G、边缘计算、数字孪生等前沿技术在露天煤矿的应用，并给出了具体的应用场景。在露天采矿领域浸润了多年的王忠鑫对相关工作充满自豪感：“研究露天煤矿智能化建设规划设计策略，厘清规划设计的总体目标，凝练核心设计策略，统一规划设计的内容要求和通用技术架构，明确建设技术路径，建立科学的设计建设范式，对于保障和提升我国露天煤矿智能化建设工作效果具有重要的理论和现实意义。”对于露天煤矿企业开展智能化，王忠鑫则建议：“必须坚持总体设计先行的原则，做到分级有序推进，做好保障措施。”首先，智能化矿山建设是一项复杂的系统工程，涉及的专业领域多、技术复杂度高，而且有很高的系统性。建设一座既符合本矿山实际需求，又符合行业发展要求的智能化露天煤矿，需要先进的理念和强大的专业化人才队伍作为支撑，矿山企业自行摸索很容易陷入误区。建议企业借助“外脑”，委托具有提出矿山智能化建设整体解决方案能力的机构开展基础诊断、总体设计及项目组织实施工作。其次，我国露天煤矿的煤层赋存条件复杂多样，不同地区、不同煤层条件、不同工艺设备配置、不同运营管理模式、不同市场条件和经济承受能力等对智能化的要求、技术路径、发展目标等均存在差异，煤矿智能化建设不可能一蹴而就，建设标准也不能“一刀切”，而是要结合各露天矿的实际实事求是，分层次、分阶段、分轻重缓急地有序推进。此外，矿山企业要完善组织、制度、技术、资金、人才等方面的保障措施。加强组织领导，设置智能化专职机构，鼓励煤矿企业一把手担任专职机构负责人，确保煤矿智能化建设各项工作有序推进。煤炭企业与相关高校、科研院所等协同合作，加强智能化煤矿核心技术与成套装备的研发应用。加大资金投入，重点实施智能化技术与装备研发、技术改造、工程建设等项目，提高资金产出效益。加大人才引进和复合型人才培养力度，开展在职人员智能化和信息化培训，建立健全煤矿智能化相关技术人员职业发展通道。

“绿色采矿”的梦想

我的家乡是一个老矿区，从小就见惯了露天矿和井工矿，也熟悉各种粗放的开采流程，所以我常常想，是否能以生态环境保护为前提，进行煤矿开采。”2003年，18岁的王忠鑫从内蒙古赤峰考入东北大学，攻读环境工程专业。本科毕业后，他被保送采矿工程专业，跟随导师研究矿山开采的环境压力和生态成本，这在当时是非常前沿的科研方向，而且有点冷门，但王忠鑫却凭着一腔热忱，将冷门研究坚持了下来。也正是因为学生阶段的扎实积累，让王忠鑫在后来露天矿绿色开采与智能化研究方面如鱼得水。2009年，研究生毕业的王忠鑫进入中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司（以下简称“沈阳设计院”），成为一名“煤矿设计师”。沈阳设计院成立于1952年，是新中国建立的第一所煤炭工业设计院，几乎完成了我国85%以上的大型露天煤矿的规划设计，为我国煤炭工业的发展作出了重要贡献。彼时，年轻的王忠鑫迅速融入这个先进集体，快速成长。他先是负责井工矿的设计研究，一年后投入露天矿研究领域。凭借着过硬的专业素质和坚韧的钻研精神，2012年，28岁的王忠鑫成为国投哈密露天矿项目的总设计师，开始了项目前期论证工作。国投哈密露天矿项目是我国第一座采用“设计、建设和生产运营”一体化托管模式的露天煤矿项目，情况复杂，开采难度大，负责人不仅要懂露天矿，还必须了解井工矿开采。时间紧，任务重。从王忠鑫接手负责到项目正式开工建设，只用了短短一年时间，其间还必须排除诸多安全隐患、攻克许多从未遇到过的难题。凭借着“不破楼兰终不还”的坚韧品质，王忠鑫带领团队在新疆无人区的寒冬里艰苦地勘探测量，寻找最佳开工地点。那时候，他们住在戈壁滩的临时板房里。当地气温非常低，又是一年四季狂沙肆虐，板房四处漏风，生活的环境可想而知。“有时候一觉醒来，浑身都是黄沙”，大家都是早晨起来拍拍身上的沙尘，继续开工奔赴戈壁现场。王忠鑫及其团队的足迹几乎踏遍了矿山的每一寸土地。经过勘探，王忠鑫发现，“一分区浅埋深区域7号煤层首采区工作面的西侧煤层特别浅，离地表特别近，如果用井工方式开采很快就会直接连通地表，引起井下火灾”。面对难题，他一边继续研究，一边积极组织专家论证，解决隐患。2013年1月26日，在重庆组织专家论证会上，在听取了王忠鑫的技术方案汇报后，专家组一致认为，采用剥离回采回填的方式将背斜轴部7号煤采出是最彻底、最可靠的方式之一，建议进一步对采用剥离回采回填的方式开采背斜轴部7号及10号煤层的可行性进行研究。时不我待。当时，项目所能利用的建设期只有不足8个月，需要完成地面辅助生产设施和运输道路的建设施工，同时还需要完成1760万平方米的基建剥离量，如果按传统的设计模式和程序根本无法实现目标。王忠鑫日夜奋战，无数次徒步往返于临时驻地和戈壁现场，终于将工程合理的初始拉沟位置方案确定了下来，而他编制的《国投哈密能源开发有限责任公司哈密一矿一分区安全隐患治理方案》（以下简称《方案》）更是以创新的思路提出了利用剥离回采回填的方式，解决了矿井浅埋深易自燃特厚煤层的安全开采技术难题。《方案》首次提出将全液压轮斗挖掘机-卡车工艺应用于露天矿采煤，丰富了露天采煤工艺的类型；《方案》所选择的设备为国内首台自主研发的全液压轮斗挖掘机，项目团队还参与了这一设备的部分研发和制造，推动了国内露天采矿装备的研发和制造水平；《方案》还引入并推广了“建设总包和生产运营”的理念并最终付诸实施，实现了露天矿建设和运营模式的创新，对露天煤矿行业的发展和公司业务转型升级起到了积极推动和示范引领的作用。值得一提的是，这一项目的实施保障了国家“疆电外送”战略的第一个特高压输电工程——“哈密南—郑州±800千伏特高压直流输电工程”用煤的可靠性，产生了巨大的经济和社会效益。多年后，回忆自己的第一次项目总设计师生涯，王忠鑫说，无论是寒冬酷暑还是草原戈壁，只要工程现场需要，他都会义无反顾过去解决，一年中，三分之二的时间都用在了出差上。他说：“在这个飞速发展的时代，更需要我们低下头来寻找工匠精神，踏踏实实做好每一个细节，我只是一个坚持者和践行者而已。

”▲王忠鑫（前排中）和数字与智能产业创新团队合影

打造露天矿研究的“国家队”

十年刻苦钻研，十年初心不改。更何况是十多年，相比那个青涩的自己，38岁的王忠鑫已经获得“中国煤炭青年科技奖”“全国青年岗位能手”“沈阳市劳动模范”“中国煤炭科工集团劳动模范”等诸多荣誉，也拥有了不同的身份。对于每一个身份，他都兢兢业业，时刻保持着敬畏之心。作为管理者，王忠鑫坚持扁平化管理，强调弱化行政层级，强化业务、技术和人才；作为科研工作者，他时刻紧盯行业最新研究领域，不断开拓进取、刻苦钻研，立志打造一支露天矿绿色智能开采领域优秀团队；作为一名老师，他兼任几所大学的客座教授，常常和学生强调，采矿工程专业的学生必须理论联系实际，不仅要有扎实的理论水平，还必须有吃苦耐劳的精神，下到一线矿山，把理论应用于实践中。他说：“这也是我的老师对我的要求，是我做科研的态度。”2022年年初，王忠鑫作为露天矿智能矿山专家入选国家能源局首批煤矿智能化专家名单。事实上，早在4年前，他就开始了露天矿绿色智能开采的研究。“低碳能源战略是我国可持续发展道路的要素。在这个大趋势下，煤炭行业包括传统工业设计院转型势在必行。”王忠鑫说，“从2018年开始，我们就下定决心转型，依托科技创新的手段，专注于绿色智能、专注于装备，并做到产品市场化。当然，转型最难的还是人才储备的不足，人才不足直接导致技术储备不足。如果没有合适的人才，团队就打造不好，这个问题不解决，其他事情根本做不好。”作为团队带头人，王忠鑫非常重视人才引进和培养工作，也是从2018年开始，他便想打造一支国内优秀的“智能化露天矿创新团队”。念念不忘，必有回响。在王忠鑫的不懈努力下，数字与智能产业中心应运而生。这一中心是沈阳设计院倾力打造的一支露天开采技术创新团队，致力于露天开采重大装备研发及智慧矿山建设等前沿采矿技术研究，代表着中国煤科在露天煤矿智能开采领域的国家水平。数字与智能产业中心团队共有41人，其中博士2人、硕士16人，高级工程师26人，业务方向涵盖技术研发、产品开发、产业发展、智能制造和运营管理五大板块，担负着公司科技创新和产业转型的重担，更是肩负着引领露天开采技术发展的重任。多年来，团队成员勇于突破、敢于创新，涌现出“全国青年岗位能手”“全国优秀共青团员”“全国煤炭青年科技奖获得者”“辽宁省百千万人才”“煤炭行业技能大师”“沈阳市政府津贴获得者”“沈阳市劳动模范”“沈阳市五一劳动奖章获得者”“中国煤炭科工集团劳动模范”等杰出青年人才。在王忠鑫的带领下，数字与智能产业创新团队积极探索露天煤矿智能化建设的实施路线，提出了智能化露天煤矿总体架构及规划建设方法，编制了一系列露天煤矿智能化建设指南和标准，全力投身智慧露天矿山建设实践，承担了多座国家级智能化示范矿山、内蒙古自治区首批示范矿山、新疆维吾尔自治区智能化示范矿山建设任务，引领露天煤矿智能化发展，助力煤炭行业的高质量发展，也展现了煤炭行业智能化发展“国家队”的担当。值得一提的是，在露天矿开采重大装备研发方面，这支团队更是解决了我国大型露天矿开采装备受制于人的被动局面。要知道，相比井工矿，露天矿山更加安全，基本上极少发生伤亡事故，但是露天矿的设备非常昂贵，一旦发生问题，损失巨大。虽然我国的露天矿开采技术在国际上处于领先水平，但露天开采所需的大型装备长期严重依赖进口，所以，王忠鑫团队倡导安全绿色高效的连续、半连续智能开采工艺，集中力量攻关轮斗挖掘机、端帮大倾角带式输送机、转载机，以及排土机等露天矿重大装备，力求突破国外长期的技术垄断，实现核心装备的国产化替代，解决我国露天矿重大装备的“卡脖子”问题。“接下来，我们除了继续坚持绿色智能矿山建设研究和推进露天矿重大装备国产化进程，还会继续坚持将产业化和研发密切结合，真正做好科技成果向现实生产力的转化。”谈及未来的发展规划，王忠鑫信心满满。在采访中他告诉记者，公司已经签下新疆一个露天矿的智能化一体化项目，其中包含7个大课题，40多项子课题，有一半课题是全新的、需要攻克的技术难题。“以前，我们做项目，研发是研发，产业化是产业化，成果转化是成果转化。现在，经过探索，我们发现研发和产业化必须密切结合起来，做项目要直接面向客户、面向市场需求，一口气完成从科学研究到实验开发再到推广应用的三级跳，切实做到研发与产业化、成果转化密切结合，才能真正解决我们当前面临的痛点难点问题。”

专家简介：王忠鑫，中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司副总经理，兼任数字与智能产业中心经理、矿山设备制造中心总经理，教授级高级工程师。致力于煤炭露天开采理论、露天开采核心装备及智能化开采技术、智慧化矿山系统开发等领域的研究。中国煤炭学会露天开采专业委员会委员、中国煤炭建设协会勘察设计委员会采矿专业技术部副主任、山西省煤炭学会千人智库高级专家、东北大学和辽宁工程技术大学硕士生导师。2007年获东北大学环境工程专业学士学位，2009年获东北大学采矿工程专业硕士学位，2021年在辽宁工程技术大学矿业工程专业攻读博士学位。曾获全国青年岗位能手、煤炭科技青年奖、中国煤炭科工集团劳动模范、沈阳市劳动模范等多项荣誉称号。主持和参与完成了露天矿设计、咨询及科研项目40余项。曾获中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖1项，煤炭行业（部级）优秀工程咨询成果奖一等奖3项、二等奖4项。申请国家发明专利55件，出版专著1部，以第一和通讯作者身份发表论文50余篇。

来源：科学中国人scichi