露天煤矿智能开采技术应用

宋伟丽，刘辉

摘 要：在现阶段的露天煤矿开采作业中，各种智能开采技术的应用已经非常普及。如果想最大限度地发挥露天煤矿智能开采技术的应用优势，则必须把握技术关键，选择适合的技术。文章简要介绍了露天煤矿开采工艺，结合实际分析了露天煤矿智能开采技术及其应用，阐明了露天煤矿智能开采技术应用的意义，希望有助于促进我国露天煤矿智能开采技术的进步与发展。

关键词：露天煤矿;煤矿智能开采技术

中图分类号：TP3;TD61 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.010

近年来，我国煤矿业的快速发展及社会对煤矿需求的不断增加，露天煤矿开采量正呈逐年上升趋势，对露天煤矿开采技术提出了更高的要求。

科学技术的发展以及动力挖掘机的创新与推广，露天开采技术的发展越来越迅速，逐渐呈现信息化特点。随着智能化时代的到来，现代先进智能化技术在露天煤矿开采中的应用，降低了开采成本，提高了开采效率和安全水平。

1 露天煤矿开采工艺概述

露天煤矿开采工艺是指根据露天煤层的赋存状态、矿区地形地貌情况、剥离物堆放位置等进行煤矿开采的工艺技术，可以将其作为完成采剥、运输、排土三个主要工艺环节的机械作业方式的总称[1]。

根据开采程序，可以分为全境界开采工艺、并段开采工艺、陡帮开采工艺、分区开采工艺、分期开采工艺、分期分区开采工艺六种类型。

根据工作线布置方式，可以分为横向布置采剥工艺、纵向布置采剥工艺、环形布置采剥工艺、扇形布置采剥工艺四种类型。

根据开采物料流的连续性，可以分为连续式开采工艺、间断式开采工艺、半连续式开采工艺三种类型。

根据开采主要环节机械设备运用情况，则可以分为独立式开采工艺、合并式开采工艺两种类型。

在实际露天煤矿开采中，通常分为年度、月度及日常开采计划。其中，年度计划是基于初步设计并结合矿区当前实际情况确定全年开采目标及顺序;月度计划是根据年度计划及相关设备和车辆情况、采剥运输系统布置情况等确定每月开采计划;日常计划则是根据相关设备和车辆的现场条件组织开采作业。

2 露天煤矿智能开采技术及其应用

2.1 MES生产调度技术

MES生产调度技术是露天煤矿智能开采的核心技术，依托于单站覆盖半径极长、宽带集群功能强大的LTE—4G无线宽带技术，采用1.8G专网频段，实现包括语音、视频通话、数据传输等丰富的功能。露天煤矿4G专网覆盖内的最大并发群组高达512个，且群组建立的时延不到300 ms[2]。

MES生產调度技术能够提供制造数据、生产调度、计划排程、质量、库存、运行设备、人力资源、采购、生产过程控制、成本控制以及上层数据集成分解、底层数据集成分析等管理功能。

MES生产调度技术中运用了先进的信息化手段，可以对露天煤矿开采过程中的计划层与过程控制进行衔接、矿与职能科室与区队进行衔接。在实践中，领导人员、业务主管部门工作人员均可通过计算机或手机等终端查阅开采信息，区队班组轻松实现集群通信，且不同区队班组可以建立不同的群组，群组之间互不干扰，各个开采作业点可实现语音与视频的融合通信，以使现场情况一目了然[3]。

此外，应用MES生产调度技术后，领导人员、业务主管部门工作人员等均可通过计算机或手机等终端来查阅相关露天煤矿开采信息。

2.2 铲臂智能化路径规划技术

电铲是露天煤矿开采中的重要设备之一，铲臂则是电铲上的关键构件。露天煤矿开采环境十分复杂，铲臂容易与其他设备发生交叉碰撞，针对该问题，必须对铲臂路径进行合理规划，将现代智能化技术应用到铲臂中，实施铲臂智能化路径规划技术。

具体来说，铲臂智能化路径规划技术是以煤矿挖掘点为起点、煤矿卸载点为终点，借助毫米波雷达、激光雷达等相关感知设备的数据对多传感器数据进行融合，对电铲作业环境进行数字图像建模和点云成像。

基于精准解析的实时RTK信号定位信息、动作感知信息及运动学模型等，通过智能规划算法，智能化规划出无碰撞的平滑路径;再然后，传达相关控制指令，驱动电铲的各传动机构的电动机来精准控制相关动作，最终实现铲臂智能化路径规划目的。

在实际进行铲臂路径规划前，应先对露天煤矿电铲作业区域内的各种运行设备及障碍物进行准确识别，且为进一步优化铲臂的智能化避障效果、提高规划路径的安全性，还要对作业空间内的相关障碍物实施规则化包络处理，即采用长方体模型对障碍物进行包络，以简化障碍物模型。通过应用移动设备障碍物、相关感知设备及自带定位系统，能够实时跟踪定位作业现场的各种移动障碍物[4]。

此外，要运用相关三维路径规划算法，如遗传算法、蚁群算法、RRT算法、A*算法、神经网络算法等，确保铲臂能够于存在移动障碍物的三维空间内良好运行。

2.3 采场边坡北斗定位监测技术

露天煤矿采场的边坡是最易发生安全事故的地点之一，也是安全监测的关键位置。在露天煤矿开采过程中，随着采剥作业的不断深入，岩体原本的自然应力平衡状态逐渐被打破，导致边坡稳定性下降、变形运动概率上升。影响边坡稳定性的因素主要有台阶变坡度的大小、边坡岩体物理力学性质的变化、降雨及地下水对边坡岩体的浸泡和冲刷、边坡岩体地质构造的变化、软弱岩层的变化、开采方式等，如不及时采取具体措施解决处理，极易引发安全事故，危及人员和设备的安全。因此，在露天煤矿开采期间，观测研究采场边坡变形参数，了解采场边坡变形运动规律，对保证生产安全具有十分重要的意义[5]。

现阶段，我国主要是应用北斗系统进行采场边坡监测，即采场边坡北斗定位监测技术。在北斗系统导航下，利用无人机航测生成露天煤矿三维模型，能够清晰地显示采场边坡区域的边坡角、坡顶、底位置等情况，精准发现边坡中存在的超挖或欠挖等问题，为高陡边坡动态监测、移动变电站监测、采空区炭车及火灾监测、疏干排水监测等提供安全保障。

2.4 自卸卡车智能调度技术

单斗—卡车工艺是露天煤矿开采中的重要环节。一般来说，采场剥离运输费用占露天煤矿生产成本的60%以上。通常情况下，露天煤矿开采现场与排土场之间的运输距离可长达几千米，在实际运输过程中，重载自卸卡车用于爬坡行驶，空载车辆用于下坡行驶。为提高自卸卡车的运输效率，降低成本，保障生产安全，需应用自卸卡车智能调度技术。

自卸卡车智能调度技术是在调度室设置调度中心，由调度人员通过调度指挥控制系统、监控系统、报警系统及维修调度管理系统等指挥调度自卸卡车运行，具有智能调度、地图管理、自动计量、报表统计、钻机钻孔导航、历史回访、安全管理、故障维修管理等功能，能够真实、全面、详细、及时地反映自卸卡车的运行状况。

2.5 智能机电一体化皮带运输机技术

皮带运输机是露天煤矿开采中的重要运输设备，它以胶带为牵引结构，可以连续运转，具有运输量级大、距离长等优势，既能保证运行的高效性与连续性，又能保证稳定性与安全性。将智能机电一体化技术应用到皮带运输机，可以实现对皮带运输机的自动化集中控制[6]。

智能机电一体化技术是指对机械技术、网络技术、接口技术以及传感技术等高新技术的综合应用。其中，机械技术是智能机电一体化的基础，其各方面的发展是实现智能机电一体化应用优化的前提;网络技术是智能机电一体化实现的关键;接口技术的主要作用是提高硬盘数据传输率，关系着智能机电一体化运行过程中各组成部件之间的连接;传感技术则是对机械设备进行智能化检测和优化辅助[7]。

智能机电一体化皮带运输机主要具有以下几项功能：一是诊断报警功能，实时自动监控诊断皮带运输机运行期间的各类故障问题并发出警报;二是自动生产功能，通过自动化操作运行降低人工劳动难度和强度，节省人力资源，减少人工操作错误和疏漏;三是优化提升功能，优化运输作业流程，提升运输速度、提高露天煤矿整体生产效率;四是性能改善功能，改善皮带运输机的设备性能，方便日常检修维护，减少设备故障，延长设备寿命。

2.6 煤矿开采智能安全监控技术

露天煤矿开采风险较高，存在边坡滑落、作业平盘台阶帮不齐、地不平、台阶超高、局部有扇檐障碍、运输车辆行驶超载超速等安全隐患，要应用煤矿开采智能安全监控技术，通过高清摄像头拍摄和智能识别、远程监控露天煤矿开采实况，及时发现安全隐患并解决处理。煤矿开采智能安全监控技术中应用的高清摄像头不但清晰度高，而且重量轻、体积小、照度低、传输距离远、可变焦及自带红外灯，能够根据现场实际环境情况而自动转换模式[8]。

煤矿开采智能安全监控系统主要是由联网服务器、中心站主机、数据存储功能区、防火墙及杀毒软件构成的，其中，中心站主机由两台联网服务器构建，一台用于向上级监测监控联网系统单项传输监控数据（上级联网服务器），另一台用于向煤矿综合自动化系统单项传输监控数据（Web服务器）。一般情况下，煤矿开采智能安全监控系统的数据可在硬盘中保存3年。

3 露天煤矿智能开采技术应用的意义

3.1 提升了煤矿开采设备控制的精准性

煤矿开采设备对控制精准性的要求极高，通过应用露天煤矿智能开采技术，可以大大提高数据采集效率，并基于不断采集的相关数据而实现对煤矿开采设备的精准自动控制，从而减少人工工作量、降低人工作业难度。

同时，还能够有效摆脱传统设备控制对模型和数据的依赖，以从根本上规避系统控制精准性低的问题[9]。

3.2 增强了煤矿开采设备运行的安全性

随着露天煤矿开采生产中运用的设备类型越来越多、功能越来越复杂，虽显著提高了露天煤矿开采效率，但与此同时也带来了更高的作业安全风险。尤其是现在有些煤矿开采设备本身的操作难度就较大，一个操作不慎即可能引发严重的安全事故。而通过应用露天煤矿智能开采技术，则可以有效代替传统人工操作，使各类开采设备的运行变得更加安全可靠。

3.3 促进了各类设备系统之间的联动性

在露天煤矿开采生产过程中，需要各类设备系统之间相互良好配合，共同进行有序运作。针对这点，可以通过应用露天煤矿智能开采技术来进行实现。

露天煤矿智能开采技术的应用可促进各类设备系统之间的联动性，使各类设备系统之间的连接与互动更加便捷高效。

3.4 强化了煤矿系统数据处理的一致性

数据处理是煤矿系统工作中的关键一环，但过去在没有应用智能化技术时，煤矿系统的数据处理难度较大、效率较低，且难以达到良好的一致性。而通过应用露天煤矿智能开采技术，则可以对煤矿系统数据进行统一、一致的处理，从而进一步提升煤矿系统的智能化程度。

3.5 實现了煤矿开采作业监控的全方位性

近年来，露天煤矿开采规模正在不断扩大，这大大提升了露天煤矿开采作业的安全风险系数，给煤矿开采作业监控带来了更高的要求。

由于不同露天煤矿开采技术、开采设备在实践中所可能引起的安全事故及其危害程度各不相同，所以在一定程度上增加了煤矿开采作业监控难度[10]。

基于此，通过应用露天煤矿智能开采技术，能够有效强化对煤矿开采期间细节处的监控，并减少监控死角，更有效地发现煤矿开采作区域内存在的各种安全隐患。

4 结语

综上所述，露天煤矿开采是一项复杂性与系统性较强的作业，采用传统的开采技术已经无法满足其实际生产要求，只有积极应用MES生产调度技术、铲臂智能化路径规划技术、采场边坡北斗定位监测技术、自卸卡车智能调度技术、智能机电一体化皮带运输机技术、煤矿开采智能安全监控技术等先进的露天煤矿智能开采技术，才能使整体露天煤矿开采水平得到进一步提高。

实践表明，通过应用露天煤矿智能开采技术，大大提升了煤矿开采设备控制的精准性，增强了煤矿开采设备运行的安全性，促进了各类设备系统之间的联动性，强化了煤矿系统数据处理的一致性，实现了煤矿开采作业监控的全方位性。

参考文献

[1] 高金龙，蔡明祥，王识辉.准东露天煤矿5G+卡车无人驾驶技术应用试验[J].露天采矿技术，2021，36（5）：39-42.

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[3] 史岩岩.露天煤矿能耗“一张图”管理系统设计[J].工矿自动化，2021，47（S2）：142-148.

[4] 宫鑫.露天矿开采技术创新及其安全防范措施探析[J].矿业装备，2021（4）：134-135.

[5] 丁建华，张永贵.基于视觉智能技术的魏家峁露天煤矿矸石破洗运系统[J].露天采矿技术，2021，36（3）：42-44.

[6] 曹存和.露天煤矿智能开采技术推广和应用[J].内蒙古煤炭经济，2020（21）：15-16.

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[9] 高克智，赵志鹏.端帮靠帮开采技术在白音华三号露天煤矿的应用[J].露天采矿技术，2019，34（4）：39-41，45.

[10] 史岩岩.基于相邻露天矿协调开采的GPS智能矿山管理系统设计[J].露天采矿技术，2018，33（6）：95-97.