露天煤矿智能化建设关键技术研究与发展概述

杜 潇，栗 飞

（国能准能集团有限责任公司 设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

智能化是新一代信息技术与制造业深度融合的产物，是现代制造业发展的高级阶段，是人与机器共同组成的生产系统，人在其中发挥着不可替代的作用。工业4.0 时代，智能制造是未来发展的必然趋势，也是实现传统产业转型升级的有效途径，智能化发展已成为一种新趋势。露天煤矿是我国重要的能源生产基地，露天煤矿自动化、智能化发展水平不仅关系到煤炭产业的安全、高效、绿色和可持续发展，还关系到我国能源安全战略。近年来，我国大力推进露天煤矿自动化、智能化建设，已建成了一批智能矿山示范工程，为我国煤炭行业智能化方向发展奠定了基础。

1 露天煤矿智能化建设技术

露天煤矿的智能化建设是以物联网为基础，融合大数据、云计算、人工智能、移动互联等新一代信息技术，实现矿山设备运行状态监测与控制、生产作业调度、设备远程监控与管理、远程巡检与故障诊断等方面功能，从而实现露天煤矿的高效开采和安全生产[1]。在信息化技术方面，以无线局域网和互联网为基础，实现了矿山生产信息、设备运行状态和工作环境的实时监测，满足了矿区的综合管理需求。在智能化建设方面，研究了露天煤矿安全生产运营一体化系统设计、安全生产管理信息系统架构设计和集成应用技术体系设计，面向服务架构，实现智能化矿山设备运行状态监测与控制系统的标准化[2]。

1.1 安全生产运营一体化系统

安全生产运营一体化系统主要包含安全监控、人员定位、车辆定位、设备状态监测、视频监控和通信系统等模块。在露天煤矿生产过程中，人员定位是整个系统最关键的部分，通过无线传输的方式将人员位置信息传输到地面，并进行实时定位，可以实时获取工作人员的位置和工作状态，从而减少事故的发生，是煤矿安全生产的基础[3]。

车辆定位技术通过对车辆进行实时的监控和管理，将车辆上安装GPS 天线接收到的信号转换为电信号，经过数字信号处理器发送到数据中心进行集中处理[4]。数据中心根据设定的路径规划算法实时计算出最优行驶路径，并将计算结果通过无线传输方式发送到基站进行反馈。基站对车辆位置数据进行接收、存储和解析后发送给车辆控制系统，根据车载控制器的指令对车辆进行控制[5]。通过采用无线传输方式和卫星定位技术，可实现煤矿人员的实时定位和工作状态监控。

1.2 矿山设备运行状态监测与控制系统

矿山设备运行状态监测与控制系统是实现露天煤矿自动化、无人化开采的基础，是露天煤矿智能化建设的重要组成部分，主要由传感器、数据传输模块、数据采集模块、控制模块、远程监控模块和视频监控模块等组成。该系统主要完成露天煤矿生产过程中的设备监测和控制工作，为露天煤矿的自动化、无人化开采提供基础保障[6]。

矿山设备运行状态监测与控制系统的标准化设计采用面向服务架构，可以实现不同设备之间的互联互通，从而构建系统的整体架构。服务架构作为一种松耦合的开放体系结构，其服务由标准接口进行封装，并通过标准化协议进行通信[7]。

2 推进智能化露天煤矿开采技术的意义

我国露天煤矿开采存在着高投入、高风险、高能耗等壁垒，要实现转型升级和可持续发展，必须依靠科学技术。目前，我国露天煤矿开采技术已经取得了长足发展，但仍存在着诸多问题，比如矿山环境复杂且脆弱、资源综合利用率低、矿山生产效率低、生产设备与技术相对落后等，这些问题都制约着露天煤矿的健康发展。因此，迫切需要突破技术瓶颈，提升装备水平和生产效率，进一步推进智能化露天煤矿建设。

1）满足我国露天煤矿未来发展的需求。我国的能源结构中煤炭占比仍然较大，是最主要的能源供给资源。发展绿色能源是我国可持续发展战略的重要组成部分，而煤炭清洁高效利用是实现我国能源转型的重要途径。目前，我国煤炭资源赋存条件复杂、生态环境脆弱，露天煤矿生产环节中存在着高投入、高风险、高能耗等问题，制约了我国绿色矿业发展。推进露天煤矿智能化建设可以有效解决目前存在的问题，提高生产效率和管理水平，促进露天煤矿绿色、安全、高效发展[8]。露天煤矿结合自身的特点，持续加大科技投入力度，通过智能化开采将生产环节自动化与信息化技术协同融合，实现露天煤矿的高效、安全生产；通过对露天煤矿的采矿工艺与开采设备进行优化设计，提高矿产资源利用率；通过实施智能调度系统，实现露天煤矿开采各环节智能协调控制与管理；此外，还可以通过智能化开采技术实现矿山生产过程中的环境保护，促进生态文明建设[9]。因此，智能化建设是推动我国露天煤矿绿色、可持续发展的重要途径。

2）保障国家能源安全及提高资源综合利用率。随着能源结构的不断调整，煤炭消费比例呈下降趋势。根据《中国能源统计年鉴》数据，我国2016 年煤炭产量达到316 274 万t，占一次能源总产量的77.1%，由此可见，我国的煤炭供应能力已经接近上限[10]。但从我国煤炭资源禀赋情况来看，东部地区多为山区丘陵、矿产资源相对较少，西部地区多为平原戈壁或沙漠地带，这就导致东部地区煤炭开采成本低、效率高，西部地区开采成本高、效率低的状况。在当前世界能源供给形势下，我国未来的煤炭需求仍将持续增长，如果不能实现能源生产和消费的动态平衡，必将影响到我国能源安全。因此，要保证能源供应稳定持续发展，就必须积极推进露天煤矿的智能化建设和发展，通过智能装备和技术的应用，提高资源综合利用水平和开采效率，实现开采效益最大化[11]。

3）满足我国工业和信息化建设的需求。推进露天煤矿智能化，可以有效推动我国工业信息化建设，满足我国工业发展的需求，促进我国经济可持续发展，同时也是实现智能开采、数字化管理、信息化支撑的重要途径，推动煤炭行业向数字化转型升级。

3 露天煤矿智能化建设前景展望

随着我国露天煤矿智能化建设的不断深入，必将实现由单点应用向全面集成、由局部优化向全局优化、由被动响应向主动调控、由粗放型管理向精细化管理等多维度转变。随着露天煤矿智能化建设逐步进入成熟期，其核心内容是构建矿山智能感知、智能决策、智能执行和智能管控的一体化智能制造体系，以提升矿山生产效率和安全保障为目标，积极开展智能技术与装备的研究与应用，促进智能制造技术与煤矿生产深度融合，持续推动露天煤矿建设从数字化到智能化跨越[12]。

3.1 开展智能感知决策执行技术

1）在感知技术方面。通过建立露天煤矿环境、地质、灾害等多源信息融合感知平台，研究基于边缘计算的多传感器融合数据处理方法，形成露天煤矿智能化感知技术体系。

2）在决策技术方面。研究基于大数据和云计算的智能决策方法与技术，形成露天煤矿生产管理的大数据决策模型，建立基于大数据、云计算和人工智能等新一代信息技术的智能决策系统，实现生产管理决策的智能化[13]。

3）在执行技术方面。研究基于智能装备和远程控制技术的露天煤矿执行系统，研发以矿用卡车、电铲、钻机等为代表的移动作业平台。研究移动作业平台远程及分布式控制系统，开发基于现场总线、无线通信等方式的控制与执行系统，实现移动作业平台现场设备的集中管理和远程控制[14]。

露天煤矿智能化建设将围绕3 大核心技术展开深入研究，建立以露天煤矿为核心的矿山感知与智能决策系统、以移动作业平台为核心的移动执行系统、以无人驾驶为核心的智能远程控制系统。

3.2 推动生产工艺自动化半自动化向智能化发展

目前，我国部分大型露天煤矿陆续开展采场自动化连续开采技术的研究工作，采剥环节的主要设备逐步实现自动控制。今后，应进一步开展采场自动连续开采关键技术的研究与应用工作，将采场的地质勘探、测量、开采、排土等环节均实现智能化，推动采场从半机械化向自动化、无人化发展[15]。此外，还应开展采场动态优化设计与动态模拟研究，优化采矿设计参数，提高露天矿生产效率和矿山安全保障能力[16]。

3.3 加强采矿方法和生产工艺

露天煤矿智能开采的核心技术是采矿方法和生产工艺，当前，我国露天煤矿采煤工艺、剥岩工艺、运输工艺、破碎工艺等均采用露天开采方法，但不同矿山采用不同的采剥方案，导致采场规模、排土方案、剥离方案等均有差异[17]。

目前，我国露天煤矿采剥工程和运输工程逐步实现自动化生产，但生产效率与世界先进水平相比差距较大，主要表现为：①采剥作业分散独立，生产计划由人工编制；②采场系统和运输系统缺乏实时联动控制；③无人驾驶设备在露天矿应用尚未普及。因此，应重点加强露天煤矿采剥工程与运输工程的一体化设计，从以下几个方面着手开展工作：①研究面向高效智能化开采的采剥工艺、排土工艺与运输工艺；②加快推进采场系统和运输系统的智能化改造，提升智能制造水平；③加强对半自动化智能采矿装备、无人驾驶设备在露天矿生产中应用的研究；④加快推进露天矿智能化建设进程。

3.4 大力发展数字孪生技术

数字孪生是一种虚拟现实技术，在数字化世界中重现物理实体的状态和功能，从而对物理实体进行仿真、诊断、预测和控制，可广泛应用于装备制造、能源化工、城市建设等领域。露天煤矿数字孪生系统是数字化虚拟矿山的基础，数字孪生露天煤矿将通过5G 通信网络实现矿山开采的远程实时控制、可视化监控及状态感知，并通过各种传感器采集矿山各工况下的环境数据、设备运行数据等，实现露天煤矿开采的远程实时监测。数字孪生技术将与云计算、大数据、物联网、人工智能等技术融合发展，实现露天煤矿全生命周期的实时数据采集和动态仿真分析，构建矿山数字孪生体，为露天煤矿智能化发展提供技术支撑[18]。

4 结语

目前露天煤矿的智能化建设总体处于探索阶段，仍面临着设备研发能力弱、系统集成水平低、智能化程度不高等问题。露天煤矿的发展过程中，加快推进设备研发和升级、加大系统集成力度、强化信息化建设，实现生产经营全过程数据可视化管理；加快露天煤矿数字化建设步伐，加强露天煤矿各系统之间的互联互通，逐步实现数据资源共享；推进露天煤矿向智能化方向发展，并在技术研究和应用中不断总结经验教训，使露天煤矿智能化建设工作进一步科学化、规范化、标准化。随着新一代信息技术在露天煤矿的进一步应用与推广，我国露天煤矿的智能化建设将迎来更大的发展空间。