卫婷婷

煤炭作为我国的基础能源，是国民经济稳定发展和国家安全的重要支撑和保障。煤炭工业作为传统基础产业，生产技术和装备长期落后。数以百万计的煤炭工人，在煤矿井下昏暗、潮湿、粉尘、嘈杂的环境下，面临水、火、瓦斯、冲击地压等各种地质灾害的威胁，“脏、累、苦、险”是他们的常态。在公众的印象中，煤炭开采不仅事故多，还会对生态环境造成影响。

如今，随着新一代信息技术的快速发展和应用，智能时代正在加速到来。这一切正在悄然改变，5G、人工智能、大数据技术为煤炭工业提供了新方向、新动力，煤矿智能化成为技术变革与行业高质量发展的必然趋势。用中国工程院院士王国法的话来说：“煤炭开采是一个需要高科技支撑的产业，智能化则是高质量发展的核心技术支撑。以煤炭工业第四次技术革命为契机，向数字化、智能化新产业和新业态转型。”

作为王国法院士的学生，中国煤炭科工集团二级首席科学家、杰出工程师青年奖获得者任怀伟研究员，正在为实现煤炭智能化而不断努力。如何实现煤炭高效智能化开采，减少井下人工作业，让矿工从高危的环境及繁重的体力劳动中解放出来，是他今后必须攻克的一个目标。“‘无人’是我们努力的方向，是一个渐进的过程，未来的研究目标是实现井上远程控制、井下自主协同加上机器人辅助作业的煤矿智能化生产模式。”

人生转弯

任怀伟不喜欢根据经验去做判断，而他大学四年学习的材料成型专业中很多都是经验性知识，于是任怀伟果断选择了跨专业考研。2003年，他考入山东大学机械设计及理论专业，“我喜欢用定量公式描述未知的东西，在过程中推导出答案，算出最优解”。在机械的世界里，利用数学、物理的方法和模型去定量描述规律和变化，满足了任怀伟的兴趣。

在攻读硕士期间，任怀伟主攻更偏重计算机的CAD二次开发和机械公差设计方向。在博士期间，他前往新加坡国立大学接受联合培养，负责传感器结构设计。就在他以为这辈子都要和计算机、机械打交道的时候，一个重要的转折出现了。博士毕业后一次偶然的机会，他的简历被王国法院士选中，进入煤炭科学研究总院开展博士后研究工作。从此他与煤炭结缘，开启了新的科研人生。

即使经过了这么多年，任怀伟至今仍清晰地记得与王国法院士的那番对话：“我当时很担心无法胜任煤炭领域的研究工作。王院士鼓励我说，‘我原来也不是学煤炭专业的，只要你肯钻研、学习，很快就可以弥补专业的不足。干一行，爱一行，人都是因为选择而喜欢，而不是因为喜欢才选择的’。”正是这句话，开启了任怀伟在煤炭领域科研攻关的大门，并深深扎进他的内心。每当遭遇挫折、失败时，这句话就有力地回响在耳畔，激励着他不断奋斗、前进。

任怀伟也深深记得，第一次下井是在山东的唐口煤矿。900多米深的矿井下高温、闷热，让他切身地感受到了煤炭工人不为人知的艰辛。“我希望通过自己的努力提高煤炭行业的技术水平，真正地造福井下工人。”任怀伟坚定地说道。

一步一个脚印

虽说万事开头难，但任怀伟觉得自己的“转弯”走得非常顺利。在博士后研究期间，一方面，王国法院士鼓励他去寻找适合自己的科研方向，并没有要求他一定要沿着固定的道路前进；另一方面，任怀伟之前所学的是与煤炭不太相关的专业，不同专业之间的思维碰撞，反而让他创造出许多新奇的想法。

液压支架标准化设计，就是任怀伟运用不同专业知识碰撞出的第一个作品。熟悉煤炭工作的人都知道液压支架的主要作用是支撑和控制顶板、隔离采空区，推动工作面采煤机和刮板输送机前移，实现采煤综合机械化。在学习过程中，任怀伟发现支架设计的过程是非标准化的，每个人设计的都不一样。刚好，任怀伟在博士期间做过机械设计的CAD二次开发，很多编程语言他都很熟练。“我就在Pro/E里面写了一段小程序，建立了支架设计的标准化流程。”他创造性地开展了液压支架三维参数化设计的研究工作，提出“双重骨架”概念及其设计方法，有效解决了液压支架结构设计“动、静”难以结合的问题，为实现支架的快速、高质量设计提供了技术手段。“程序的好处是会减轻很多设计的工作量，出错的概率会非常小，使得最后出来的支架标准化程度很高。”

经过一段时间的工作后，任怀伟发现虽然液压支架设计已经从传统的二维绘图跨入到现代三维虚拟设计，Top-down（自顶向下）设计流程也走向成熟，但已有的计算机辅助设计系统基本上是作为绘图工具在应用，没有起到“辅助设计”的作用。针对这一问题，任怀伟开展了“液压支架智能化辅助设计平台”研究，利用Pro/E二次开发的程序，将已有的液压支架设计知识和经验固化到程序中，并结合Top-down流程、有限元分析模块和3DMax动态模拟系统，开发了液压支架及综采工作面配套三维动态智能化设计平台。应用该系统进行支架设计，可随时帮助经验不足的支架设计人员快速解决设计中遇到的设计方法、力学分析、加工工艺等问题，提高设计速度和设计质量。

这是任怀伟第一次把自己所学的知识和采煤工作联系起来。他注意到，在煤炭开采中，支架结构的可靠性最为重要，这让他想到自己以前研究的有限元分析。有限元分析可以利用数学的方法对真实物理系统进行模拟。于是他利用有限元分析，全面模拟煤炭开采中液压支架的真实受力环境。“从研究的角度来看，支架在开采过程中承受的压力是不确定的，有时大有时小，只要我们能够承受住最大的压力，结构的可靠性或强度就没有问题。”同时，支架除了要能长期承受压力外，还要考虑其使用寿命。因此，他把所有因素考虑进去，提出了液压支架的概率有限元计算方法。借助有限元分析软件，分析在弯扭组合变形情况下支架箱型结构截面内板元上的应力分布，以最大等效应力和质量作为目标函数建立箱型截面参数优化的数学模型，确定截面参数的最优取值；依据计算结果分析参数敏感性及其最佳尺寸配比。基于有限元分析的几何参数优化在不增加质量的前提下改善了箱型结构的受力状况，为合理设计支架的详细结构提供了参考依据。

除此之外，任怀伟还创新地提出将液压支架最大/最小高度区间分为若干支撑区，分析各个支撑区高度范围内掩护梁的受力和运动特征，给出支架最为合理的工作高度区间。他对恶劣工况下的掩护梁受力状况也进行了研究，改进其筋板和盖板的结构形式和布置方式。掩护梁是大采高液压支架结构中较为薄弱的一环，使其具有合理的结构和正确的工作姿态，对于减少结构破坏的发生，提高支护系统的可靠性具有重要作用。

这两次研究让任怀伟对科研工作有了全新的体会，机械设计中所学的知识与煤矿开采设计实际上是紧密相连的，他可以利用这些知识对煤矿开采设计进行改变。“在研究工作中，我首次将概率有限元的方法用于液压支架的可靠性分析中，为充分模拟液压支架实际的受力工况和科学评估其结构安全性提供了新的技术手段。”王国法院士录用他这个“门外汉”的良苦用心终有所获。

2010年，王国法院士针对国内近年来高端液压支架的发展编写了《高端液压支架及先进制造技术》一书，任怀伟为此作出了诸多贡献，他负责了第三章内容的主笔工作并完成了全书的统稿工作。该书全面介绍了我国高端液压支架在设计和制造中的关键技术和研究现状，是国内液压支架领域的权威著作。通过不断努力，任怀伟也收获了自己的第一个成果——作为第一完成人的“煤矿大型高端综采装备及其智能制造关键技术”获得了中国机械工业学会科技进步奖一等奖。

钢铁长城

2014年，对任怀伟来说是科研生涯中一个重要的分水岭。如果说之前5年的时间里，任怀伟只是把原来机械学科的知识用在了煤炭行业，那么2014年之后，他开始真正融入煤炭行业，将煤炭开采过程中的实际需求与自己所学的机械设计和自动化充分结合，用自己的力量推动和引领煤炭开采走向安全、高效、智能，以改变煤炭行业的现状。

我国埋深2000米以浅的煤炭资源总量为5.9万亿吨，其中埋深超过1000米的占50%以上，主要分布在我国中东部地区。经过多年的开采，目前已有50多个矿井采深超过千米。与浅部煤矿相比，深部煤层地应力高、采动影响强烈，顶板垮落、冲击地压、突水等地质灾害发生率高、偶然性强，对矿工生命安全威胁极大，迫切需要实现智能化开采、实现安全高效生产。然而当时的自动化开采技术及装备主要应用于地质条件简单的矿井，无法适应千米深井的复杂条件，在更加危险、更加需要实现智能无人的生产场景却无法实现少人、无人开采。

为此，任怀伟与科研团队在“973计划”课题“深部围岩支护稳定性原理及自适应支护设备创成方法”的支持下，首先针对液压支架的自适应稳定支护问题开展了一系列的科研工作。在长达200米到400米的工作面上，布置着上百台液压支架，它们在不同的位置、不同时刻的受力特征是不一样的。为此，任怀伟深入研究了深部围岩对支护设备的动载作用规律及围岩垮落冲击作用下液压支架的动力学行为，提出了适应深采工作面的液压支架动态设计方法；研究了支护设备-围岩的强度、刚度和稳定性耦合关系，提出了基于模糊控制的姿态自适应控制策略；为解决液压支护设备群组的协同支护及支-采协调问题，建立了支护设备群组的自组织协同控制理论及队列保持和姿态一致性调控方法，研发了支护质量在线监测系统，在智能化液压支护装备自适应控制理论及技术上取得了创新和突破。

在“973计划”课题成果的基础上，团队又承担了“十三五”重点研发计划课题“千米深井超长工作面围岩自适应智能控制开采技术”，进一步研究千米深井350米以上超长工作面围岩分区自适应支护及多信息融合的智能化开采技术与装备；提出了千米深井超长工作面精细化分区支护方法及支护系统设计技术；创新了基于视觉测量、大数据分析及虚拟现实的“三测两控一平台”智能化感知、预测及决策技术；研发了7米四柱式大采高非等强支护液压支护系统，成功实现千米深井软岩超长工作面安全高效支护与连续稳定开采。

通过两个国家课题的连续攻关，任怀伟已经将单个液压支架性能提升到实现了整个工作面液压支架群组更强的灵活性和适应性，为煤矿井下工作面生产构筑了一道坚不可摧的“钢铁长城”。

如今在陕西北部的大型煤矿，人们能够看见这样一番景象：三层楼高的液压支架支撑起整齐而宽广的空间，巨大的采煤机快速向前推进，在“嘎巴”的清脆响声中切碎的煤块倾泻而下，刮板输送机连续不停地运行，煤炭像流水一样源源不断地被运出。煤炭工人们站在由立柱和防护网支撑的安全空间中，轻松地触动着支架操作盘上的按钮，控制设备瞬间完成动作。

每当任怀伟在井下看到这些场景，心里的自豪感和成就感就油然而生。“过去的煤炭工人远没有现在这样安全和轻松”，任怀伟说，“如果要问有什么原因，能够支撑我去做这些事，就是因为在井下看到了工人们艰苦的条件和劳动强度，我深知自己的责任和使命。”2020年，任怀伟也收获了自己的第一个国家奖——“煤与油型气共生矿区安全智能开采关键技术与工程示范”获得国家科技进步奖二等奖。

实现全矿井智能化

2022年是任怀伟踏入煤炭行业的第14个年头。“我亲眼见证了井工煤矿工作面开采从机械化到自动化的发展，自动化的技术是按照既定的程序进行设备控制，无法适应于地质条件不稳定的煤层。”自动化并不能满足未来煤炭工业的发展。在大多数情况下，煤层暴露后，受矿压、水、有害气体等因素的影响，其外部生产条件将随时间发生变化。由于现有设备无法感知和适应这种变化，从而产生了一系列的效率、安全问题，因此需要更多的人工决策和操作来解决环境与设备匹配问题。想要推动煤炭行业进一步转型发展，实现全矿井智能化是更好的选择。

从2018年开始，王国法院士团队和陕煤集团、陕西煤业股份有限公司共同承担的“智慧煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井建设”项目成功立项。任怀伟积极投身其中，开展了智能化矿山建设的工程实践，对5G、人工智能和大数据技术等先进技术开始了积极的探索。他首次提出了智慧矿山信息逻辑模型和新的全局系统架构，为实现全矿井连续稳定运行提供了理论支撑。构建的“1+3+8”智能化煤矿总体架构，实现了全矿井92个在用系统的集成和优化。他还承担完成了新建大型煤矿——延长石油巴拉素智能化煤矿的总体设计研发，首次提出5G+智能化煤矿建设方案，构建了10大系统、48个子系统，共计156个模块的“统一平台、统一网络、统一数据”的新一代智能化煤矿运行系统。

在煤矿智能化的实践和探索中，任怀伟逐渐成长为团队的学术带头人，凝聚和培养了一批优秀的青年科学家，形成了一支素质高、能力强、多层次的煤矿智能化创新团队，他们已经成为引领煤矿智能化技术进步、支撑智能化煤矿建设的中坚力量。他带领团队提出了煤矿智能化技术标准体系，制定了智能化煤矿和采煤工作面分类、分级等技术标准；以团队成果为支撑，起草了八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》和《智能化煤矿指南2021版》等政府指导性文件；先后承担了国家能源、陕煤集团、山东能源、华能煤业等大型煤炭企业智能化顶层规划和示范项目，为推动智能化煤矿高质量建设提供了示范样本。

面对方兴未艾的第四次工业革命浪潮，任怀伟希望能把握住智能化发展的机遇，这关系到煤炭工业能否实现转型升级、高质量发展，也关系着让上百万矿工更加安全、体面地工作和生活。

十年不悔

光阴似箭，白驹过隙。“我2008年12月24号来煤科院参加面试和笔试，那年北京的冬天特别冷，我一个人站在办公楼下，憧憬未来的工作和生活……”回顾过去十多年走过的道路，任怀伟仍然对许多画面记忆犹新。

第一次独立出差；第一次下井；第一次写报告；凌晨两三点煤科院大楼的大门被锁上了，最后从窗户跳下去；为了项目熬夜加班不睡觉……“那个时候工作一个通宵，第二天早上还是很精神，回去睡一觉就什么事都没有了，现在肯定不行了。”40岁的任怀伟笑着打趣道，那个时候几乎每一个晚上和周末，他都是在学习和工作中度过。虽然他有时候也感到劳累，但吸收和学习知识的过程无疑是最快乐的。

任怀伟总是记得，自己在结束长时间的工作后，骑行在冬天深夜空荡的路上，在昏暗的路灯下，看着雪夹着雨静静飘落的场景。“现在回想起来，我觉得正是无数个小收获的积累，才有了今天的自己。”10年，任怀伟经历了极其重要的人生旅程，从一个完全不懂煤炭的“门外汉”，成长为独当一面的杰出工程师。

跨入煤炭行业最初的十年，任怀伟并没有什么明确的目标，他只是想做一件自己想做的事情，干一行爱一行。而面对未来的十年，他真正领悟了王院士“为选择而喜欢”这句话的真谛，煤矿智能化就是值得自己继续去追寻的方向和目标。“追求梦想的过程是最美好的，只要梦想还没实现，这个过程就会一直延续下去，脚下的路也会不断往前延伸。”

“下一个十年，我希望自己仍然继续追寻年轻时的梦想。”采访最后，任怀伟对未来的自己说道。

（责编：苏寒山）