露天煤礦智能開采技術應用

宋偉麗，劉輝

摘 要：在現階段的露天煤礦開采作業中，各種智能開采技術的應用已經非常普及。如果想最大限度地發揮露天煤礦智能開采技術的應用優勢，則必須把握技術關鍵，選擇適合的技術。文章簡要介紹了露天煤礦開采工藝，結合實際分析了露天煤礦智能開采技術及其應用，闡明了露天煤礦智能開采技術應用的意義，希望有助于促進我國露天煤礦智能開采技術的進步與發展。

關鍵詞：露天煤礦;煤礦智能開采技術

中圖分類號：TP3;TD61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.010

近年來，我國煤礦業的快速發展及社會對煤礦需求的不斷增加，露天煤礦開采量正呈逐年上升趨勢，對露天煤礦開采技術提出了更高的要求。

科學技術的發展以及動力挖掘機的創新與推廣，露天開采技術的發展越來越迅速，逐漸呈現信息化特點。隨著智能化時代的到來，現代先進智能化技術在露天煤礦開采中的應用，降低了開采成本，提高了開采效率和安全水平。

1 露天煤礦開采工藝概述

露天煤礦開采工藝是指根據露天煤層的賦存狀態、礦區地形地貌情況、剝離物堆放位置等進行煤礦開采的工藝技術，可以將其作為完成采剝、運輸、排土三個主要工藝環節的機械作業方式的總稱[1]。

根據開采程序，可以分為全境界開采工藝、并段開采工藝、陡幫開采工藝、分區開采工藝、分期開采工藝、分期分區開采工藝六種類型。

根據工作線布置方式，可以分為橫向布置采剝工藝、縱向布置采剝工藝、環形布置采剝工藝、扇形布置采剝工藝四種類型。

根據開采物料流的連續性，可以分為連續式開采工藝、間斷式開采工藝、半連續式開采工藝三種類型。

根據開采主要環節機械設備運用情況，則可以分為獨立式開采工藝、合并式開采工藝兩種類型。

在實際露天煤礦開采中，通常分為年度、月度及日常開采計劃。其中，年度計劃是基于初步設計并結合礦區當前實際情況確定全年開采目標及順序;月度計劃是根據年度計劃及相關設備和車輛情況、采剝運輸系統布置情況等確定每月開采計劃;日常計劃則是根據相關設備和車輛的現場條件組織開采作業。

2 露天煤礦智能開采技術及其應用

2.1 MES生產調度技術

MES生產調度技術是露天煤礦智能開采的核心技術，依托于單站覆蓋半徑極長、寬帶集群功能強大的LTE—4G無線寬帶技術，采用1.8G專網頻段，實現包括語音、視頻通話、數據傳輸等豐富的功能。露天煤礦4G專網覆蓋內的最大并發群組高達512個，且群組建立的時延不到300 ms[2]。

MES生產調度技術能夠提供制造數據、生產調度、計劃排程、質量、庫存、運行設備、人力資源、采購、生產過程控制、成本控制以及上層數據集成分解、底層數據集成分析等管理功能。

MES生產調度技術中運用了先進的信息化手段，可以對露天煤礦開采過程中的計劃層與過程控制進行銜接、礦與職能科室與區隊進行銜接。在實踐中，領導人員、業務主管部門工作人員均可通過計算機或手機等終端查閱開采信息，區隊班組輕松實現集群通信，且不同區隊班組可以建立不同的群組，群組之間互不干擾，各個開采作業點可實現語音與視頻的融合通信，以使現場情況一目了然[3]。

此外，應用MES生產調度技術后，領導人員、業務主管部門工作人員等均可通過計算機或手機等終端來查閱相關露天煤礦開采信息。

2.2 鏟臂智能化路徑規劃技術

電鏟是露天煤礦開采中的重要設備之一，鏟臂則是電鏟上的關鍵構件。露天煤礦開采環境十分復雜，鏟臂容易與其他設備發生交叉碰撞，針對該問題，必須對鏟臂路徑進行合理規劃，將現代智能化技術應用到鏟臂中，實施鏟臂智能化路徑規劃技術。

具體來說，鏟臂智能化路徑規劃技術是以煤礦挖掘點為起點、煤礦卸載點為終點，借助毫米波雷達、激光雷達等相關感知設備的數據對多傳感器數據進行融合，對電鏟作業環境進行數字圖像建模和點云成像。

基于精準解析的實時RTK信號定位信息、動作感知信息及運動學模型等，通過智能規劃算法，智能化規劃出無碰撞的平滑路徑;再然后，傳達相關控制指令，驅動電鏟的各傳動機構的電動機來精準控制相關動作，最終實現鏟臂智能化路徑規劃目的。

在實際進行鏟臂路徑規劃前，應先對露天煤礦電鏟作業區域內的各種運行設備及障礙物進行準確識別，且為進一步優化鏟臂的智能化避障效果、提高規劃路徑的安全性，還要對作業空間內的相關障礙物實施規則化包絡處理，即采用長方體模型對障礙物進行包絡，以簡化障礙物模型。通過應用移動設備障礙物、相關感知設備及自帶定位系統，能夠實時跟蹤定位作業現場的各種移動障礙物[4]。

此外，要運用相關三維路徑規劃算法，如遺傳算法、蟻群算法、RRT算法、A*算法、神經網絡算法等，確保鏟臂能夠于存在移動障礙物的三維空間內良好運行。

2.3 采場邊坡北斗定位監測技術

露天煤礦采場的邊坡是最易發生安全事故的地點之一，也是安全監測的關鍵位置。在露天煤礦開采過程中，隨著采剝作業的不斷深入，巖體原本的自然應力平衡狀態逐漸被打破，導致邊坡穩定性下降、變形運動概率上升。影響邊坡穩定性的因素主要有臺階變坡度的大小、邊坡巖體物理力學性質的變化、降雨及地下水對邊坡巖體的浸泡和沖刷、邊坡巖體地質構造的變化、軟弱巖層的變化、開采方式等，如不及時采取具體措施解決處理，極易引發安全事故，危及人員和設備的安全。因此，在露天煤礦開采期間，觀測研究采場邊坡變形參數，了解采場邊坡變形運動規律，對保證生產安全具有十分重要的意義[5]。

現階段，我國主要是應用北斗系統進行采場邊坡監測，即采場邊坡北斗定位監測技術。在北斗系統導航下，利用無人機航測生成露天煤礦三維模型，能夠清晰地顯示采場邊坡區域的邊坡角、坡頂、底位置等情況，精準發現邊坡中存在的超挖或欠挖等問題，為高陡邊坡動態監測、移動變電站監測、采空區炭車及火災監測、疏干排水監測等提供安全保障。

2.4 自卸卡車智能調度技術

單斗—卡車工藝是露天煤礦開采中的重要環節。一般來說，采場剝離運輸費用占露天煤礦生產成本的60%以上。通常情況下，露天煤礦開采現場與排土場之間的運輸距離可長達幾千米，在實際運輸過程中，重載自卸卡車用于爬坡行駛，空載車輛用于下坡行駛。為提高自卸卡車的運輸效率，降低成本，保障生產安全，需應用自卸卡車智能調度技術。

自卸卡車智能調度技術是在調度室設置調度中心，由調度人員通過調度指揮控制系統、監控系統、報警系統及維修調度管理系統等指揮調度自卸卡車運行，具有智能調度、地圖管理、自動計量、報表統計、鉆機鉆孔導航、歷史回訪、安全管理、故障維修管理等功能，能夠真實、全面、詳細、及時地反映自卸卡車的運行狀況。

2.5 智能機電一體化皮帶運輸機技術

皮帶運輸機是露天煤礦開采中的重要運輸設備，它以膠帶為牽引結構，可以連續運轉，具有運輸量級大、距離長等優勢，既能保證運行的高效性與連續性，又能保證穩定性與安全性。將智能機電一體化技術應用到皮帶運輸機，可以實現對皮帶運輸機的自動化集中控制[6]。

智能機電一體化技術是指對機械技術、網絡技術、接口技術以及傳感技術等高新技術的綜合應用。其中，機械技術是智能機電一體化的基礎，其各方面的發展是實現智能機電一體化應用優化的前提;網絡技術是智能機電一體化實現的關鍵;接口技術的主要作用是提高硬盤數據傳輸率，關系著智能機電一體化運行過程中各組成部件之間的連接;傳感技術則是對機械設備進行智能化檢測和優化輔助[7]。

智能機電一體化皮帶運輸機主要具有以下幾項功能：一是診斷報警功能，實時自動監控診斷皮帶運輸機運行期間的各類故障問題并發出警報;二是自動生產功能，通過自動化操作運行降低人工勞動難度和強度，節省人力資源，減少人工操作錯誤和疏漏;三是優化提升功能，優化運輸作業流程，提升運輸速度、提高露天煤礦整體生產效率;四是性能改善功能，改善皮帶運輸機的設備性能，方便日常檢修維護，減少設備故障，延長設備壽命。

2.6 煤礦開采智能安全監控技術

露天煤礦開采風險較高，存在邊坡滑落、作業平盤臺階幫不齊、地不平、臺階超高、局部有扇檐障礙、運輸車輛行駛超載超速等安全隱患，要應用煤礦開采智能安全監控技術，通過高清攝像頭拍攝和智能識別、遠程監控露天煤礦開采實況，及時發現安全隱患并解決處理。煤礦開采智能安全監控技術中應用的高清攝像頭不但清晰度高，而且重量輕、體積小、照度低、傳輸距離遠、可變焦及自帶紅外燈，能夠根據現場實際環境情況而自動轉換模式[8]。

煤礦開采智能安全監控系統主要是由聯網服務器、中心站主機、數據存儲功能區、防火墻及殺毒軟件構成的，其中，中心站主機由兩臺聯網服務器構建，一臺用于向上級監測監控聯網系統單項傳輸監控數據（上級聯網服務器），另一臺用于向煤礦綜合自動化系統單項傳輸監控數據（Web服務器）。一般情況下，煤礦開采智能安全監控系統的數據可在硬盤中保存3年。

3 露天煤礦智能開采技術應用的意義

3.1 提升了煤礦開采設備控制的精準性

煤礦開采設備對控制精準性的要求極高，通過應用露天煤礦智能開采技術，可以大大提高數據采集效率，并基于不斷采集的相關數據而實現對煤礦開采設備的精準自動控制，從而減少人工工作量、降低人工作業難度。

同時，還能夠有效擺脫傳統設備控制對模型和數據的依賴，以從根本上規避系統控制精準性低的問題[9]。

3.2 增強了煤礦開采設備運行的安全性

隨著露天煤礦開采生產中運用的設備類型越來越多、功能越來越復雜，雖顯著提高了露天煤礦開采效率，但與此同時也帶來了更高的作業安全風險。尤其是現在有些煤礦開采設備本身的操作難度就較大，一個操作不慎即可能引發嚴重的安全事故。而通過應用露天煤礦智能開采技術，則可以有效代替傳統人工操作，使各類開采設備的運行變得更加安全可靠。

3.3 促進了各類設備系統之間的聯動性

在露天煤礦開采生產過程中，需要各類設備系統之間相互良好配合，共同進行有序運作。針對這點，可以通過應用露天煤礦智能開采技術來進行實現。

露天煤礦智能開采技術的應用可促進各類設備系統之間的聯動性，使各類設備系統之間的連接與互動更加便捷高效。

3.4 強化了煤礦系統數據處理的一致性

數據處理是煤礦系統工作中的關鍵一環，但過去在沒有應用智能化技術時，煤礦系統的數據處理難度較大、效率較低，且難以達到良好的一致性。而通過應用露天煤礦智能開采技術，則可以對煤礦系統數據進行統一、一致的處理，從而進一步提升煤礦系統的智能化程度。

3.5 實現了煤礦開采作業監控的全方位性

近年來，露天煤礦開采規模正在不斷擴大，這大大提升了露天煤礦開采作業的安全風險系數，給煤礦開采作業監控帶來了更高的要求。

由于不同露天煤礦開采技術、開采設備在實踐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礦開采作業監控難度[10]。

基于此，通過應用露天煤礦智能開采技術，能夠有效強化對煤礦開采期間細節處的監控，并減少監控死角，更有效地發現煤礦開采作區域內存在的各種安全隱患。

4 結語

綜上所述，露天煤礦開采是一項復雜性與系統性較強的作業，采用傳統的開采技術已經無法滿足其實際生產要求，只有積極應用MES生產調度技術、鏟臂智能化路徑規劃技術、采場邊坡北斗定位監測技術、自卸卡車智能調度技術、智能機電一體化皮帶運輸機技術、煤礦開采智能安全監控技術等先進的露天煤礦智能開采技術，才能使整體露天煤礦開采水平得到進一步提高。

實踐表明，通過應用露天煤礦智能開采技術，大大提升了煤礦開采設備控制的精準性，增強了煤礦開采設備運行的安全性，促進了各類設備系統之間的聯動性，強化了煤礦系統數據處理的一致性，實現了煤礦開采作業監控的全方位性。

參考文獻

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