煤矿智能化空间几何？

本周关注：郑煤机、天地科技、江苏神通、吉林碳谷 本周核心观点：近期原材料成本有所上升，相关矿企盈利能力改善，资本开支能力及意愿增强。建议关注服务于上游企业的设备，如煤机、油服、矿山机械等。 机械化为智能化奠定坚实基础。煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。从历史发展角度看，我国先后在蒸汽时代、20世纪50年代、21世纪、2010年左右经历了采煤动力化、机械化、自动化、信息化的演变。目前，我国正处于从信息化向智能化升级的阶段据《我国智能化采煤技术现状及带突破关键技术》，预计到2025年左右，将实现初级智能化采煤作业，到2035年左右实现半自助控制的中级智能化采煤，基本跨入智采工作面无人化作业阶段。可以说，机械化是实现智能化的基础，与智能化不可分割。据中国煤炭工业协会统计数据，我国大型煤炭企业采煤机械化程度由1978年的32.34%提高至2020年的98.9%。目前我国大型煤炭企业已基本实现采煤机械化，为智能化开采奠定了坚实基础。 我国已建成687个智能化采掘工作面，智能化进入发展快车道。据《中国煤碳报》报道，截至2021年底，全国智能化采掘工作面已达687个，同比增长80%。 其中智能化采煤工作面431个，占比63%，智能化掘进工作面256个，占比37%。按照煤矿安全专项整治三年行动实施方案，2022年要力争采掘智能化工作面达到1000个以上，有智能化的矿井产能达到10亿吨至15亿吨，建成一批100人以下少人智能化矿井。 煤矿智能化渗透率测算：采煤技术走在较前列，掘进是薄弱环节。鉴于目前对煤矿智能化渗透率的统计数据有限，我们通过产能、工作面两种口径分别对我国当前的煤矿智能化水平进行了测算，结果表明，1）按产能计算，到2022年智能化矿井渗透率达到18.9-28.3%，2）按工作面数量计算，到2021年智能化采掘工作面渗透率为6.5%，其中智能化采煤工作面渗透率为12.3%，智能化掘进工作面渗透率3.6%。预计到2022年，智能化采掘工作面渗透率达到9.8%。总体上看，我国煤矿智能化水平依然较低，另外，相对于综采智能化，掘进装备自动化程度低，智能化发展滞后，成为煤矿智能化建设的薄弱环节。 2022-2025年煤矿智能化市场空间测算：据安永《智慧赋能煤炭产业新万亿市场》报告数据，已有生产型矿井单矿矿智能化改造升级费用约在1.49亿元人民币至2.63亿元。考虑到未来几年煤矿新增产能较小，且长期内将趋于零，这里忽略新建矿井改造费用，假设智能化市场全部来自已有生产型矿井。在2021年煤矿智能化渗透率为15%，到2025年智能化渗透率达到50%的假设下，我们预计2022-2025年煤矿智能化改造市场规模分别为753亿元、703亿元、653亿元、602亿元，合计对应市场规模2711亿元。 建议关注：郑煤机、天地科技、三一国际、创力集团 风险提示：政策风险，下游行业波动风险，智能化推进不及预期风险 1上周组合表现 上周关注组合：杰瑞股份、吉林碳谷、天地科技、江苏神通。截至2022年3月6日，周区间涨跌幅+2.94%，同期机械设备申万指数涨跌幅-2.18%，同比跑赢设备指数。组合开始至今，累计收益率-20.73%，跑输沪深300指数-12.68pct，跑输申万机械指数-11.56pct。 2煤矿智能化加速推进 2.1政策吹暖风，煤矿智能化进入发展快车道 煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。 在国家政策的引导和市场的驱动下，未来我国煤机行业智能化需求潜力巨大。2020年3月，为推动智能化技术与煤炭产业融合发展、提升煤矿智能化水平，国家发展改革委、国家能源局、应急部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部研究制定了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。其中，提出三个阶段性目标表明，未来在国家政策的引导和市场的驱动下，我国煤机行业智能化需求潜力巨大。 表1：2018-2021年我国煤机行业主要政策汇总 2.2机械化为智能化奠定基础 我国煤炭资源分布广、煤层埋藏深，井工矿占比高达80%。井工矿开采难度大，地质环境恶劣，因此智能化技术对煤矿产量、生产效率、安全水平的提升至关重要。 从历史发展角度看，采煤工艺经历了炮采、普采、高端普采、综采的演变过程。可以说，综采设备相比此前的炮采、普采已经在很大程度上减少了人力。不过在现阶段，即使是综采设备也大部分需要人的控制，而未来的发展方向，智能化采煤（即“智采），将在原有综采设备基础上继续优化，使其能够根据实时开采信息实现自主控制，实现真正的无人化作业。 表2：采煤工艺的演化 从采煤技术的发展历史看，智能化采煤技术是在动力化、机械化、自动化、信息化的基础上发展而来。1）动力化：早在蒸汽机时代，采煤只有蒸汽驱动的提升机、排水泵、井下轨道运输车，这些机器主要提供“助人”的作用。2）机械化：20世纪50年代，普采机组诞生之后，出现了流程式采煤技术，需要靠矿工观察工作面状态，手动对设备的运行进行控制，这一阶段机器主要提供“替人”作用。3）自动化：进入21世纪，综采设备可以通过单参数（如采煤机速度、调高、液压支架移动）实现自动控制，实现“机械化减人、自动化换人”；4）信息化：至2010年附近，综采设备可以通过多参数综合优化控制，实现信息化“替人”；5）智能化：目前，我国正处于从信息化向智能化升级的阶段，据《我国智能化采煤技术现状及带突破关键技术》，预计到2025年左右，将实现初级智能化采煤作业，到2035年左右实现半自助控制的中级智能化采煤，基本跨入智采工作面无人化作业阶段。 机械化是智能化的基础，与智能化不可分割。作为煤炭智能化的基础和必经之路，机械化可提高煤炭开采效率，减少事故发生率。据中国煤炭工业协会统计数据，我国大型煤炭企业采煤机械化程度由1978年的32.34%提高至2020年的98.9%。可以说，目前我国大型煤炭企业已基本实现采煤机械化，为智能化开采奠定了坚实基础。 图1：采煤工作面技术发展阶段 图2：大型煤企采煤机械化程度变化 具体而言，智能化综采系统主要由地面监控中心、井下顺槽、综采工作面三部分组成。1）地面监控中心：通过矿井环网实现井下巷道、工作面、设备、人员、车辆等的全方位动态监测及相关设备的远程控制；2）顺槽：通过布设供电系统、供液系统以及集控系统等作为辅助设备，为工作面装备提供电液及装备运行的远程监控功能；3）工作面：位于井下采场，“三机一架“等核心装备之间协同配合，实现采、支、运等工作。 图3：智能化综采系统框架 图4：国内智采装备专利授权数量变化 根据《我国智能化采煤技术现状及带突破关键技术》，从2000-2018年授权专利的数量变化趋势可以看出，智能化采煤机的授权发明数量最多( 251件)，液压支架专利( 91件)与运输系统专利( 97件)其次，这表明采煤机在智采技术中有重要地位。从授权发明数量变化趋势看，煤机自动化、智能化从2008年开始增速，其中液压支架增速最快，其次是采煤机。总体上，2014—2016年是综采装备自动化、智能化专利的踊跃期，这一阶段的装备升级也推动了后来2017—2018年智采工作面的建设高潮。 3煤矿智能化发展现状及渗透率测算 3.1国内矿山在智能化领域的实践探索 据《中国煤碳报》报道，截至2021年底，全国智能化采掘工作面已达687个，其中智能化采煤工作面431个，占比63%，智能化掘进工作面256个，占比37%；已有26种煤矿机器人在煤矿现场实现不同程度的应用。按照煤矿安全专项整治三年行动实施方案，2022年要力争采掘智能化工作面达到1000个以上，有智能化的矿井产能达到10亿吨至15亿吨，建成一批100人以下少人智能化矿井。 图5：我国智能化采掘工作面数量（个） 图6：2021年智能化采掘工作面构成 国内矿山在不同煤层厚度的智能化进行了探索，其中，峰峰集团、阳煤集团、陕煤集团在薄煤层领域智能化进行探索，以晋能控股、川煤集团、陕北矿业为主的煤炭企业在中厚煤层领域探索智能化，天地科技在大采高领域探索了综采成套装备智能系统 表3：国内矿山在智能化领域的实践探索 除此之外，以郑煤机、天地科技、三一国际、创力集团为主的企业，除传统煤机外也在积极布局煤矿智能化技术和系统，在软件和硬件上进一步提升。 表4：智能化相关企业布局 3.2煤矿智能化渗透率测算：采煤技术走在较前列，掘进是薄弱环节 关于煤矿智能化的渗透率，我们采用两种方式进行测算。总体上看，目前我国煤矿智能化渗透率仅在10-15%的水平，仍有巨大市场空间。具体而言，智能化采煤的渗透率更高，约为12.3%，而智能化掘进渗透率较低，约为3.6%。由此可见，相对于综采智能化，掘进装备自动化程度低，智能化发展滞后，成为煤矿智能化建设的薄弱环节。 方法一：按产能计算，到2022年智能化矿井渗透率达到18.9-28.3% 煤矿数量方面，根据《2020煤炭行业发展年度报告》，到“十四五”末，全国煤矿数量将控制在4000处左右，煤炭产量控制在41亿吨左右。考虑到2020年底全国煤矿数量为4700处，假设“十四五“期间煤矿数量按照每年逐年递减，对应2021年底矿井数量4560处，2022年底矿井数量为4420处。 单井产能方面，考虑到2020年全国煤矿平均单井（矿）产能提高至110万吨/年。考虑到2018年平均单矿井产能为92万吨，2018-2021年期间平均每年提高了6万吨产能，这里假设2021-2022年但矿井产能平均每年提升5万吨。假设在大型现代化煤矿发展背景下，到2022年单井（矿）产能提升至115万吨/年，则对应2022年全国煤矿总产能为52.44亿吨。按照此前提到的，到2022年智能化矿井产能达到10-15亿吨，对应2022年智能化矿井渗透率18.9-28.3%。 表5：从产能角度测算煤矿智能化渗透率 方法二：按工作面数量计算，到2021年智能化采掘工作面渗透率为6.5%，到2022年达到9.8% 一般一个采（盘）区内同一煤层的一翼最多可以布置1个采煤工作面和2个煤巷（半煤岩巷）掘进工作面同时作业。按照“一矿一井一面“以及采矿业产能利用率77%计算（据国家矿山安监局，2021年采矿业产能利用率为77%），则到2021年底全国4560处矿井对应采掘工作面共计10534个，其中采煤工作面3511个，掘进工作面7022个。 据《中国煤碳报》报道，截至2021年底，全国智能化采掘工作面已达687个，其中智能化采煤工作面431个，智能化掘进工作面256个。则分别对应2021年智能化采掘工作面渗透率6.5%，其中智能化采煤工作面渗透率为12.3%，智能化掘进工作面渗透率3.6%。 按照此前假设2022年煤矿数量4420处，对应采掘工作面总量为10210个，其中采煤工作面3403个，掘进工作面6807个。则到2022年，1000个智能化采掘工作面将对应渗透率9.8%。 表6：从工作面角度测算煤矿智能化渗透率 3.3煤矿智能化市场空间测算 安永在2020年发布的《智慧赋能煤炭产业新万亿市场》报告中对单矿投资改造费用进行了估算：按照120万吨以下、120-500万吨、500万吨以上年产能划分，已有生产型矿井单矿智能化改造升级费用约在1.49亿元人民币至2.63亿元人民币之间，新建型矿井单矿改造费用约在1.95亿元人民