机械设备行业：采煤迈入无人化智能时代，综采装备技术升级正当时
2024-07-26
1.采煤无人智能化趋势明显，未来市场空间可期
1.1.综采工作面应用智能化系统优势显著
综采工作面实现采煤全流程的机械自动化。综采工作面的主要工作方式是将采煤的主要工序如破煤、装煤、运煤、支护和管理顶板等过程全部机械化，具有劳动强度低、产量高、效率高、安全条件好的特点。以提高采煤效率和安全性。其工作原理和主要设备如下：
采煤机：利用大功率双滚筒采煤机进行破煤和装煤，采煤机沿着工作面移动，通过滚筒切割煤层；
刮板输送机：采煤机切割下来的煤炭通过刮板输送机初步输送，然后通过转载机转运至胶带输送机，实现煤炭的连续输送；
液压支架：支撑工作面顶板，维护工作空间，防止煤层坍塌，实现自动化支护。液压支架在完成支撑后，可进行前移，同时处理采空区，保证工作面的安全和稳定；
乳化液泵站和喷雾泵站：为液压支架提供动力和润滑，同时提供防尘和降温的喷雾；
综采自动化控制系统：综采工作面通常配备自动化控制系统，以实现设备的远程监控和操作，提高作业安全性和效率；
综采工作面的煤机设备通过这些设备的协同工作，实现采煤过程的自动化和机械化，提高了采煤效率，降低了作业风险，是现代煤炭开采过程中重要方向。
煤企机械化进程已经基本完成。据中国煤炭工业协会统计数据显示，我国大型煤炭企业采煤机械化程度由 1978 年的 32.5%提高到 2022 年的 99.01%，已实现高度机械化。随着行业集中度提升及煤矿规模的扩大，煤矿开采设施已实现跨越性发展，机械化应用已经普及。
采煤技术进入智能化开采阶段。我国采煤技术经历了人工炮采、普通机械化开采、综合机械化开采，发展到现在进入智能化开采阶段。智能化开采是综采工作面通过配备，液压支架电液控制系统、综采自动化控制系统、智能集成供液系统、刮板输送机智能控制系统等先进装备，实现采煤流程的全自动化和智能化。5G、大数据和云计算技术的结合运用，进一步推动智能化开采的发展。这有效减少数据传输的时延，提高采煤效率，降低了成本，显著提升矿工安全保障。
采煤工作面应用智能自动化控制系统优势显著。液压支架电液控制系统、综采自动化控制系统、智能集成供液系统三大系统，将工作面的作业方式从手动机械化作业升级为自动化、智能化作业，实现工作面“有人巡视、无人操作”的远程干预式智能化采煤，可全面提升综采工作面的智能化采煤水平和工作面安全作业水平，有效减少工作面作业人数，降低作业人员劳动强度，降低生产运营成本，提高采煤效率，实现全面提质增效。
1.2.劳动力紧缺和高危工作环境，驱动无人化智能开采发展
劳动力资源紧缺和用工成本上升助推智能化趋势。煤炭企业井下恶劣的作业环境难以吸引年轻人加入，导致招工越发困难；随着人民生活水平持续提升，从业人员的工资需求也在提高；加之煤炭安全生产投入加大，煤炭企业的用工成本不断攀升，这将促使煤炭企业加大智能化投入减少劳动用工，为煤矿无人智能化开采提供市场需求。
煤矿工作条件复杂，事故多发威胁安全。我国大部分煤炭资源都在地表千米深度以下，但深部的地质条件和水文条件复杂， 煤矿事故发生的概率持续增加，严重威胁煤矿安全生产。根据《2016-2022 年我国煤矿事故统计与规律分析》数据统计，我国 2016-2022 年煤矿各类型事故中，顶板事故发生次数最多，占比达 32.1%；运输事故发次数占比达 25.8%；顶板事故和运输事故多为机械事故，机械的自动化和智能化将显著降低该类事故。
煤矿安全高效生产得到重视，降低事故和死亡人数亟待解决。2016-2022 年我国共发生1026 起煤矿事故，造成 1990 人死亡。煤矿事故死亡人数整体呈现递减趋势，2021 年达到最低点为 173 人，每百吨煤矿死亡 0.044 人。2022 年死亡人数稍有反弹达 197 人，每百吨煤矿死亡 0.054 人，可见我国煤矿安全生产形势逐年稳定且势头良好。煤矿智能化建设将大幅减少井下作业人员数量与劳动强度，显著降低事故死亡人数。
1.3.政策引导无人智能化方向，各地政府积极制定目标计划
政策明确煤矿无人化智能开采方向。面对安全性的重视持续提高和人力资源的红利消退，国内推出一系列政策推动煤炭开采行业向智能化转型。《能源技术革命创新行动计划（2016-2030 年）》将煤矿无人化智能开采作为重点研发任务，明确提出 2030 年重点煤矿区基本实现工作面无人化开采。此外，国家发改委、国家能源局等八部委联合发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，以及《煤矿智能化建设指南（2021 年版）》和《“十四五”智能制造发展规划》，均为煤矿智能化发展提供了明确的指导和支持。煤矿智能化建设将大幅减少井下作业人员数量与劳动强度，推动煤矿开采提质增效，具有巨大的市场空间。
政策推动加快老旧设备智能化更新。2024 年 4 月 9 日，工信部等七部门联合印发的《推动工业领域设备更新实施方案》提出，加快淘汰落后低效设备、超期服役老旧设备，推广应用智能制造装备更新。煤炭开采行业以大型国企为主，且行业内公司现金流较为充裕，或将率先响应老旧设备更新措施，加速实现煤矿智能化建设。
各地政府积极制定煤矿无人智能化发展目标。主要煤炭生产省份，通过制定具体政策和行动计划，正积极推进煤矿无人化智能开采，分阶段实现煤矿的自动化改造，以提高生产效率、保障安全，并促进煤炭产业的现代化和可持续发展。例如，山西省《全面推进煤矿智能化和煤炭工业互联网平台建设实施方案》，要求 2024 年山西将新建成 150 座智能化煤矿，2027 年实现全省各类煤矿基本实现智能化；内蒙古要求 2025 年大型正常生产煤矿全部实现智能化；山东省到 2025 年，全省煤矿完成智能化改造，建成一批 100 人以下少人智能化矿井，打造一批国家级示范矿井，智能化开采产量达到 90%以上。
1.4.头部企业率先转型升级，智能化市场达百亿以上
煤炭作为重要基础能源，保障我国能源安全稳定。我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋特征，决定了煤炭是我国基础能源，其资源的安全稳定开发与国计民生及能源安全息息相关。根据国家能源局发布，在当前我国发电装机容量结构中，主要为火电、水电、风电和太阳能四大能源，火电占比高达 47.62%，而煤炭是火电主要工业原料，在未来我国能源供给中将持续发挥“压舱石”作用。
煤炭行业产量稳步提升。根据国家统计局数据，2023 年全国原煤产量 47.11 亿吨，同比增长 3.35%，原煤产量创历史新高，有力支撑我国国民经济和社会平稳较快发展。我国以煤炭为主的能源消费结构格局将长期存在，要走合理可持续开发煤炭资源的发展道路。无人智能化可以让煤炭开采更加安全、高效，是煤炭资源发展的重要转型升级方向。
国内煤炭资源地质条件复杂，更适合发展井工矿技术。根据人民日报发布的数据显示，2022 年我国露天煤矿产量完成 10.57 亿吨，占全国 23%的煤炭产量，与世界其他产煤国家差距较大。主要是由于，中国煤炭资源的地质条件复杂，适合露天开采的煤炭资源主要集中在内蒙古、新疆等地区，2021 年两省占比达 83.4%，其它地区不适合露天开采，而井工矿更适合在地质条件复杂或煤层较深的地区开采。
煤炭生产向大型企业集中，率先落实煤矿智能化转型。根据煤炭工业协会 2023 年数据中披露，前七家企业原煤产能达 1 亿吨级以上，总计原煤产量 21.34 亿吨，占全国总产量的47.1%，较去年增加约 0.73 亿吨。大型煤炭企业的产能集中度和话语权将越来越重，同时也肩负社会责任和示范性形象，率先贯彻落实《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》；根据国家能源局披发布会披露，截至 2022 年底，国家能源集团、中煤集团等 7 家重点煤炭企业，已建成智能化产能 13.93 亿吨/年，综采工作面平均人员劳动工效提升 27.7%。
煤矿智能化投资达 2000 亿元。根据国家矿山安监局披露，截止 2023 年 6 月全国煤矿智能化建设投资总规模接近 2000 亿元，已完成投资超过 1000 亿元；同时，近期煤炭开采和洗选行业固定资产投资完成额有一定增长，固定资产投资活动有所增长。大规模投资可有效地推动矿山物联网、煤机装备制造、智能控制系统、安全预警等矿山智能化设备的渗透。
矿智能化建设稳步推进。2015 年全国仅有 3 个智能化采掘工作面，2018 年底发展到80 个。截止 2023 年底全国 758 处煤矿已建成 1651 个智能化采掘工作面，正逐步达成“十四五”建成智能化煤矿 1000 处以上的目标。目前智能化采煤工作面以可视化远程干预模式为主，总体处于煤矿智能化初级阶段。龙头企业正探索煤岩识别、5G、人工智能等技术的融合使用，朝无人化采煤目标而努力。
通过测算得出智能化煤矿市场空间达百亿以上：
1）根据《2022 煤炭行业发展年度报告》和《2023 煤炭行业发展年度报告》中的数据，2022-2023 年我国拥有煤矿数量分别为 4400 处和 4300 处。根据“十四五”规划，我国 2025年我国煤矿数量将压缩至 4000 处左右。据以上数据，我们预计 2024 年底，我国煤矿数量将缩减至 4150 处左右。
2）根据《2022 煤炭行业发展年度报告》、《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》和天玛智控 2023 年报数据，2022-2023 年我国全国建成智能化煤矿数量 572 处和 758 处。
根据“十四五”规划，截止 2025 年我国将建成智能化煤矿 1000 处以上。据以上数据，我们预计 2024 年底，我国智能化煤矿达 875 处。
3）2022-2025 年我国全国建成智能化煤矿渗透率将分别达 13.0%、17.6%、21.1%和25%。预计 2024-2025 年每年新建智能化煤矿数量分别达 117 处和 125 处。
4）根据安永研究报告《智慧赋能煤炭产业新万亿市场》披露，新建型矿井单矿改造费用在 1.95 亿元人民币至 3.85 亿元人民币之间。我们保守假设新增智能化煤矿每处平均需2.9 亿元，可预测 2024-2025 年智能化煤矿市场分别为 339.30 亿元和 362.50 亿元。
随着煤矿智能开采进程的稳步推进，采煤设备的软硬件更新需求持续。
1.5.三大系统构成智能化开采的“肌肉”、“大脑”和“心脏”
1.5.1.液压支架电液控制系统是无人化智能开采设备的“肌肉”
液压支架电液控制系统是实现无人化智能开采的基础系统。液压支架电液控制系统使采煤技术实现了从机械化向自动化的变革，该系统控制液压支架形成采煤工作面的安全操作空间，控制液压支架协同采煤机、刮板运输机移动，实现采煤工作面液压支架自动化控制，能够满足不同类型工作面的应用需求。
液压控制系统对于单个液压支架进行控制，是一整套安装在液压支架上的控制系统，主要包括液控单向阀、液控换向阀、截止阀、回液断路阀、过滤器、特殊功能阀及其它辅件。
通过控制液压阀阀门开合与闭锁实现对乳化液流动方向的控制，进而控制支架立柱及千斤顶做出伸收及闭锁动作，实现液压支架在综采工作面的支护、升降、前移等动作，为煤矿开采提供安全操作空间。
国内液压支架电液控制系统市场规模增速较快。随着煤炭开采智能化政策的逐渐落地，山西、陕西、内蒙古、山东等区域煤矿企业客户的需求增加。根据格物致胜数据，2022 年液压支架电液控制系统市场规模为 36.6 亿元，同比增长 27.9%；2022 年液压支架电液控制系统市场销量为 549 套，同比增长 22.5%。从区域市场看，仍存在一些空白市场，如云贵川、东北等地区。液压支架电液控制系统的产品寿命 5-8 年，存量市场会有稳定的更新需求，预计到 2025 年市场规模将达到 42.3 亿元。
液压支架电液控制系统龙头为天玛智控。从 2022 年国内市场来看，天玛智控液压支架电液控制系统取得收入 12.6 亿元，市场占有率第一，占比达 35%，其产品在行业内应用时间久，质量可靠，深受大型煤炭企业客户信赖；郑煤机排名第二，占比达 34%，郑煤机为液压支架厂商，能够借助其支架产品的市场影响力和营销网络，配套销售液压支架控制系统等智能开采系统和设备。
1.5.2.综采自动化控制系统是无人化智能开采设备的“大脑”
综采自动化控制系统是实现无人智能化开采的“大脑”。该系统依托无人化开采工艺、智能感知导航定位、工作面装备协同连续开采控制等专利技术，实现了综采工作面的单机设备自动化和集中控制。系统通过工业环形以太网连接地面和井下监控中心，集成了采煤机智能控制、液压支架电液控制、工作面视频监控及智能集成供液等子系统，形成了一套集感知、决策、执行、控制为一体的智能控制核心系统。它能够适应不同煤层条件和工作面类型，满足智能化应用需求，具备智能分析决策和故障诊断能力，实现地面远控、主动感知、自动分析、智能处理的无人化智能开采。
国内综采自动化控制系统市场规模逐步提升。根据格物致胜数据，综采自动化控制系统在国内 2015 年左右开始推广，逐渐被煤炭开采企业接受，2021 年实现高速增长，销量达363 台套；到 2022 年综采自动化控制系统市场规模达 12.8 亿元，同比增长 4%，实现 396台套销售。随着煤矿开采智能化工作面的渗透率上升，存量基数不断扩大，将带动后期运维服务需求。
综采自动化控制系统龙头为天玛智控。从 2022 年国内市场来看，综采自动化控制系统市场头部效应明显，天玛智控的综采自动化控制系统取得 3.8 亿元收入，市场占有率排名第一，达 30%，占据大型煤炭企业的主要市场。郑煤机依靠主机厂资源优势取得了较大市场，取得 3.7 亿元收入，排名第二，达 29%。
1.5.3.智能集成供液系统是无人化智能开采设备的“心脏”
智能集成供液系统是工作面液压系统的“心脏”。智能集成供液系统主要功能是为采煤工作面液压系统提供安全、稳定、清洁和高效的动力源，是一套高压清洁动力介质供给与保障系统，是为煤矿智能开采工作面液压支架提供工作介质的电液动力装备，是实现无人化智能开采必不可少的基础系统。近年来，综采设备智能化改造后对于精准控制的要求越来越高，需要保证乳化液有足够的压力流量以及较高的清洁度，从而带动智能供液系统市场规模增长。
智能集成供液系统实现国产替代，国内市场规模将达 20 亿元。以前国内大型矿井所使用的智能集成供液系统多从国外引进，产品价格较高。而到“十三五”期间，中国煤矿的智能化发展开始提速，国内供应商实现国产替代自主可控，国内下游大型煤炭集团开始国内智能集成供液系统的采购。在政策及智能化建设目标的共同推动下，采购需求上升，2022 年市场规模达 18.1 亿元，同比增长 15%。根据格物致胜预计，2024 年将突破 20 亿元。
乳化液泵占智能集成供液系统一半成本。智能集成供液系统主要由智能集成供液控制系统、乳化液泵、喷雾泵以及其他配套设备组成；其中，2022 年乳化液泵产品市场占比达 51%，是智能集成供液系统核心部分，呈现单价高，需求数量多等特点。
智能集成供液系统行业浙江中煤为龙头。智能集成供液系统市场以国产品牌为主，从2022 年国内市场来看，浙江中煤、天玛智控、山东名盾、无锡威顺、南京六合以及无锡煤机这六家企业占 86.8%的市场份额。其中，浙江中煤处于龙头地位，销售额达 5.08 亿元；另外，天玛智控聚焦高端大流量泵站市场，排名第二，销售额达 2.45 亿元。
1.6.煤炭无人化智能开采行业存在深厚壁垒
新企业介入开采行业困难。由于矿井条件差距较大，导致需要的设备及开采工艺也存在很多的区别，且安全性要求高，需要较深的行业背景及经验积累。行业内企业长时间从事相关设备、系统的研发，依靠丰富的经验积累了大量数据、形成了大量核心技术，开发出适应煤矿独特且恶劣环境的产品。行业外企业进入需取得相应资质，产品经认证机构检验，并且需在不同煤矿条件下进行测试验证，需要长时间经验及应用案例的积累，才能得到煤矿用户的认可，因此行业外企业介入难度大，存在较高的行业进入壁垒。
（文章来源报告派研读）
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