潜心煤矿机电 引领科技前沿

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  我国是一个煤炭生产大国,2010年我国煤炭产量达到了32.4亿吨,约占到全球煤炭产量的47%,煤矿机械装备市场需求量极大。中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院院长、博士生导师吴淼教授带领科研创新团队多年来致力于煤矿机械装备的研究,在大型关键设备状态监测和健康诊断、掘进机远程控制技术及监测系统、煤泥等高浓度黏稠物料资源化利用管道输送技术与成套装备等方面均取得了突破性进展,在煤炭安全开采与洁净利用方面创造了巨大的经济与社会效益。
  正是由于这样一批科研工作者不断求真务实、开拓创新,我国煤矿机电领域突破了一个又一个技术瓶颈,在绝大部分装备上不落后于国外,某些关键技术甚至领先于国际水平。荣誉得来非造化!吴淼教授科研团队所取得的科研成果得到了社会各界的普遍认可,他们先后获得中国煤炭工业科技进步特等奖、教育部科技进步一等奖等10余项省部级科技奖励。吴教授个人也得到了“政府特殊津贴”、江苏省“跨世纪学术带头人培养人选”、原煤炭工业部“业务拔尖人才”等荣誉。
  一支充满活力的创新团队其发展不能仅靠外部引援,更需注重内部人才的培养。吴淼教授高屋建瓴,始终准确把握科技发展方向,站在国际学术前沿:并组织众多青年教师和研究生建立起多支研究队伍攻克亟待解决的科技难题。在取得显著科研成果的同时,许多综合素质高、科研能力强的青年教师迅速成长。如薛光辉、郝雪弟、田劼等人在各自的工作岗位上已能独当一面,使得吴淼教授倍感欣慰,同时也使科研队伍保持着旺盛的创造力。
  
  煤矿安全重于山
  
  这些年来,我国现代化高产高效矿井的建设正如火如荼地进行,年产千万吨的工作面已不鲜见。煤矿生产能力和效率的提高得益于其机械化、自动化、集约化生产水平的不断提高。煤矿高产高效关键影响因素之一是其关键设备的开机率,归根结底是这些设备的可靠性和可维修性,该问题在“一矿一面”、流水线作业的现代化矿井中尤为突出。煤炭采、掘、运、提等环节的某一关键设备一旦发生故障将导致整个工作面甚至全矿井停工停产,严重影响煤矿的生产秩序,甚至引发一些安全事故,造成人员的伤亡和企业巨大的经济损失,社会影响极坏。因此如何提高煤矿关键设备的可靠性和可维修性日益受到关注。
  实践证明,采用现代故障诊断技术。开展煤炭生产关键设备的状态监测和健康诊断,建立以设备技术状态为基础的预防维修体制,是提高其可靠性和可维修性的有效途径之一。
  薛光辉博士指出:国内外设备状态监测与健康诊断技术发展迅速,在许多行业已发挥了重要作用,取得了显著的经济和社会效益。但煤炭生产时常面临着瓦斯、水和粉尘等恶劣而苛刻的环境。煤矿安全重于山,要求在煤矿井下使用的电气设备必须取得煤矿用电气设备安全标志证书,地面普遍使用的仪器设备不能也不允许在煤矿井下使用,使得在地面已经较为成熟的技术难以在煤矿井下推广应用。
  为适应煤炭行业的迫切需求,在吴淼教授的带领下,该科研创新团队开展了“煤矿大型关键设备状态监测和健康诊断研究”。他们认为该项研究的难点和技术瓶颈是如何获取设备关键状态数据,提出了三种解决思路和方法。
  其一,利用便携式仪器采集记录煤矿井下设备的原始状态数据,带至井上进行分析处理。针对煤矿井下的环境特点,成功研发了YHJ(A)、YHJ(B)和YHJ(c)三代便携式矿用数据记录仪及相应分析软件,实现了包括振动在内多种信号的获取。在冀中能源、潞安、晋煤等多个矿井得到了应用,效果良好,为在煤炭行业推广普及简易故障诊断技术,开展精密故障诊断奠定了基础。
  其二,采用机载数据记录装置获取煤矿井下设备的原始状态数据。该科研创新团队研制的矿用大容量机载数据记录装置,使煤矿采掘设备也有了自己的“黑匣子”,可以跟踪、记录和分析设备在使用过程中的电压、电流、温度、压力等各种状态数据。特别是多路振动信号。薛博士透漏采煤机和掘进机用的样机已经开发成功,目前正在积极开展工业性试验研究,利用该技术将可获得煤矿采掘设备使用过程中的第一手数据和资料,为煤矿机械设备的设计、开发、制造、使用和维护提供有力的技术支持。
  准确把握技术发展方向是优秀创新团队的必要素养。吴教授团队认为,基于网络的远程故障诊断是设备故障诊断技术重要发展趋势和热点之一,煤矿的信息化和智能化也为其提供了重要的应用平台和基础。目前,该团队已开展了一系列有益的探索,建立了煤矿井下大型设备关键状态参数远程传输试验平台,正在研究如何利用网络把煤矿井下关键设备的状态数据传输到远程客户端,再对数据进行分析和处理。该技术若获得突破,可在地面建立设备远程状态监测和健康诊断中心,甚至在整个集团与大学或研究机构成立联合设备健康诊断中心,将专家和现场技术人员的优势相结合。建立现场简易诊断与远程精密诊断的二级设备预防维修体制。
  薛光辉博士介绍:在吴教授的带领下,研究团队在该领域的探索得到了国家“863计划”重点项目、国家自然科学基金、博士点基金和教育部骨干教师资助计划项目等多个纵向资金的支持,与国内主要的煤机生产和使用企业开展了多层面的服务与合作,取得了省部级科技奖励1项,申请发明专利2项,实用新型专利2项。
  
  技术升级建功勋
  
  煤矿自动化和少人甚至无人采掘工作面一直是国内外采煤行业追求的目标。发展煤矿采掘装备自动化和远程监控核心技术,提高井下自动化水平,将对保障我国煤炭资源安全高效开采,减少事故隐患,促进煤炭资源开发的可持续发展具有重要的现实意义和战略意义。
  虽然巷道掘进机已在各主要产煤国得到广泛应用,但工程实践中还存在许多问题。综掘工作面环境恶劣,空间狭小,黑暗潮湿,粉尘水雾大,危险程度高。掘进机作业条件差,空间狭小,司机视野严重受限,司机手动操纵掘进机截割定位定向困难。掘进效率难以大幅提高,工人劳动强度大,掘进安全性低。手动控制极易造成超挖欠挖,截割断面成形质量差,截割臂摆速自动化控制程度低,掘进成本难以降低。掘进机虽可借助巷道激光指向仪指示掘进方向,但无法进行自身定位定向,运行姿态出现偏差时手动纠偏无精确依据且操作困难。上述诸多问题使得巷道掘进速度与回采速度不匹配。采掘失调问题突出。研发掘进机自动控制系统,提高掘进机的智能化水平,成为煤炭行业亟待解决的问题之一,也是实现煤巷掘进自动化的必经之路。
  为顺应时代发展要求,推动掘进机自动化发展的进程。2005年掘进机科研团队在吴淼教授的带领下,与冀中能源集团公司和石家庄煤矿机械有限责任公司精诚合作,历时3年研发了“掘进机智能型恒功率自动成形截割与定位控制系统”,经同行专家鉴定为“国际 领先”水平。
  田劫博士介绍说:该项目已经成功应用于石家庄煤矿机械有限责任公司的主打产品EBZ160、EBZ200、EBZ300型掘进机上,井下工业性试验效果良好。截割误差小,满足煤巷技术考核指标。能实现截割自动成形和悬臂摆速自动控制及掘进机全无线遥控。其中EBZ200型掘进机在内蒙古准格尔旗官板乌素煤矿投入生产运行,在半煤岩巷道煤岩硬度f≤7、断面20平方米的作业环境下,应用掘进机自动截割成形技术,创造月进尺过千米的新纪录。
  正是基于这些前瞻性的研究基础。2008年该团队联合石家庄煤矿机械有限责任公司、冀中能源集团公司、中煤装备集团公司和中国矿业大学(徐州)等单位组成了集产、学、研、用于一体的科技创新体系,以较高竞争优势夺得了“十一五”国家“863计划”重点项目“煤矿井下采掘装备遥控关键技术”的研究任务并具体负责课题1“掘进机远程控制技术及检测系统”。该团队重点负责其中“掘进巷道断面自动成形控制、截割头自适应PID牵引调速控制、掘进机位姿自动检测以及掘进机定向掘进控制”等四个关键技术研究,解决掘进机位姿自动检测、煤巷掘进断面自动截割成形、截割悬臂自适应牵引调速控制、掘进机定向掘进自动控制、掘进机全无线就地遥控等技术瓶颈,促进煤矿综掘设备自动化和智能化控制水平的整体提高,使得我国掘进机的自动化和智能化水平达到了国际先进水平,为将来实现井下少人甚至无人掘进工作面奠定基础。目前该课题已获得省部级二等奖1项,国家发明专利1项,实审发明专利3项,拥有完善的知识产权体系。
  
  节能环保显神通
  
  当“节能减排”、“循环经济”、“绿色环保”、“低碳经济”这些术语日益为人们耳熟能详时,吴淼教授团队已经为黏稠固废的绿色处置忙碌了十年。工业生产中往往会产生一类黏度高、颗粒细、难以沉降、极易污染的工业副产品或废弃物,吴淼教授命名为“高浓度黏稠物料”,涉及20多个行业,如果无法有效消纳和处置则不得不四处堆积或抛弃,成为“高浓度黏稠固体废弃物”,属固体废弃物中极特殊且难以处理的一种。
  国民经济的快速发展使得我国黏稠固废产量日益巨大,2006年我国煤泥年产量即达约7500万吨,脱水污泥约2000万吨,赤泥3000万吨以上,电石渣1200多万吨。废弃物实际上是“放错地方的资源”,这些黏稠固废同样也是巨大的潜在资源,如煤泥仍具有相当大的热值。燃烧发电是煤泥的最佳出路,对此国家投入巨资研究。
  然而废弃物变成资源并非易事,仍以煤泥为例,尽管低热值循环流化床锅炉燃烧技术早已成熟,但如何将数量巨大的煤泥送入锅炉却是技术难题。传统的皮带机、刮板机和运输槽车等敞开式输送方式不能适应锅炉燃烧工艺,输送本身跑冒滴漏现象严重,造成严重的“二次污染”。长期以来煤泥不能大量工业利用,不得不丢弃堆放,占用了大量土地。造成了土壤、水体等环境的严重污染,成为全国煤炭行业节能环保最为严重的老大难问题。
  国内外实践证明,采用管道是输送煤泥入炉燃烧发电的最佳方式。然而煤泥具有浓度高、黏度大,常温常压下不具有流动性,高压管道输送时呈浓密膏体状,管道输送阻力极大,超越了传统浆体管道输送理论的研究范畴,属国际固体管道输送前沿研究领域,理论与技术依据匮乏,成为煤泥资源化利用的技术瓶颈。
  针上述现状,吴淼教授科研团队深入研究煤泥特性和锅炉燃烧煤泥对管道输送的各种要求,一方面研究膏体管道输送理论,一方面进行工程应用的关键技术攻关。研发了服务于高浓度煤泥资源化利用的管道输送技术及成套装备,使其资源化利用得以实现,并成功推广到城市污泥、电石泥、化工污泥等十几个行业黏稠固废的处置与资源化利用。
  有专家评价:该项目适用范围广泛,应用简便,在煤泥等黏稠固废管道输送技术方面达到国际领先水平,主要技术经济指标均明显优于国外同类技术。
  郝雪弟博士介绍该项目的主要创新点时认为表现在以下四个方面:(1)项目以煤泥膏体高压管道输送技术为核心。将煤泥的‘预处理一管道输送一处置’等环节一体化,创立了基于管道输送的煤泥资源化利用新工艺:(2)通过建立国内唯一研究高浓度黏稠物料管道输送的专业化实验室,研发多种专用测试装置,开展大量基础理论与实验研究,建立了浓密膏体管道输送的理论框架;(3)解决了高压长距离泵送、单管输送多点给料、在用系统与备用系统切换等主要难题,攻克了11项关键技术,为煤泥等长距离管道输送的工程应用奠定了基础:(4)研发高浓度黏稠物料一体化管道输送与洁净储运的成套装备,成功推广至其他黏稠固废的焚烧、填埋、资源化利用等多种处置方法中,将黏稠固废的产生、管道输送、储存和最终处置有机结合,全过程不落地、无污染。
  相关资料显示,该项目应用效果非常显著。至2009年底,已有299套输送煤泥累计约1.23亿吨,用户燃烧发电直接经济效益约140亿元。还有96套成功应用于市政、造纸、化工、石化、冶金、制糖、电力、建材、有色金属、印染等十几个行业,资源化利用与处置污泥、电石泥等累计约0.27亿吨。产品几乎占有国内全部市场,并实现了出口。
  吴淼教授告诉笔者,该项目获得过国家重点新产品称号与高新技术成果转化项目称号,获得过省部级特等奖1项、一等奖1项,二等奖2项。拥有完整的知识产权体系,包括已获得授权专利31项,正在实审中专利14项(11项发明专利,3项实用新型)以及计算机软件著作权6项。该项技术已经成为黏稠固废处置与资源化利用输送的首选方式,有2项有关国家标准正在编写之中。“四会”人才做栋梁
  在简短的采访过程中,我们就发现吴淼教授培养的这三位学生都具有极高的素养,反映了该团队不仅在科研上取得令人瞩目的成就,在培养人才上也不落人后。吴淼教授一直按照自己独特的“四会”教育理念培养学生,深受学生爱戴。1993年至今,已有59名研究生毕业(其中硕士43名、博士13名、博士后3名)。现在仍有硕士生1g名,博士生8名、博士后1名在吴教授门下深造。
  所谓的“四会”人才指的是“会想、会做、会写、会讲”。吴淼教授认为:研究生教育是最高层次教育,科学研究是其最主要培养方式。课题人人不同,来源广泛,要求多种多样。按照“四会”要求对研究生进行针对性较强的综合训练才能有利于在个性化教育中抓住主要矛盾和共性因素,培养出研究生较高的创新能力、研究能力、专业能力和工作能力,使之成为高素质高水平人才。
  简而言之,“会想”是指努力培养学生创新思维能力和辩证思维能力。全面、深入、系统地思考问题,及时了解发展趋势和动态。“会做”就是要求学生数学能力、专业能力、计算机能力、外语能力、研究能力、各种实验操作能力和与人沟通能力等都要提升到过硬的水平,而且具备自信与勇敢的精神。“会写”就是具备极强的文字表达能力。无论实验报告、中英文学术论文、立项申报书、鉴定材料、学位论文、研究笔记等都能做到熟练准确。逻辑性强,旁征博引,信手拈来。他要求学生要特别注意培养制作留存影像资料、做好笔记、经常整理各种资料的习惯。倡导学生用1/3时间学习+实验+工作,1/3时间思考,1/3时间整理各种成果。“会讲”要求学生具有良好的语言表达能力,讲话绝不啰嗦,开门见山,紧扣主题,注重技巧,过程结论调理清晰。训练学生做各种报告都要精心准备,做到概念清楚、条理清晰、口齿伶俐,并擅于博证旁引,精准掌握时间,同时善于倾听、提问和回答问题。还特别强调要高度重视PPT制作。使其成为“再创作、再凝练、再提高”的过程。
  “积极迅速积累经验”,“善于总结发现规律”,“在规定的时间里面做规定的事”,“要让思维充满创意”,“若无热情则无大志”,“先宏观,后微观:先综合,后分析:先发散,后收敛”,“会应用知识,才会产生力量”,这些都是吴淼教授经常对研究生说的话,看似简单,却浓缩了吴教授研究生教育的思想理念。他说,只要研究生按照以上“四会”去要求自己,不管做什么课题,都会达到较高的研究生培养标准。不管将来从事什么工作,都会有较高的素质和较好的基础,会有宽阔的事业前景和迅速发展的潜力。游刃有余,事半功倍。
  有了这样完善的人才培养机制,我们相信吴淼教授希望学生达到的勇于创新、善于创新、事业成功、生活幸福的目标也一定能实现!
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