我國露天煤礦智能化建設相關標準及研究現(xiàn)狀

王忠鑫，徐漢寶，王金金，曾祥玉，趙 明

（1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.煤炭科學研究總院沈陽露天采礦技術研究分院，遼寧 沈陽 110015）

露天煤礦智能化是將人工智能、物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術和智能裝備與煤炭資源開發(fā)利用的深度融合[1]，通過建設數(shù)據(jù)采集與傳輸通道、綜合管控平臺和智能化裝備等，將露天礦生產系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和綜合管理系統(tǒng)等進行集成、挖掘、推廣、共享和應用，實現(xiàn)露天煤礦全生命周期、全流程的少人化（固定崗位無人）生產，提升露天煤礦綠色、安全、高效和智能化水平，確保碳達峰、碳中和目標下煤炭的穩(wěn)定供應[2]。目前，煤礦智能化相關研究論文和報告層出不窮，但其中涉及露天煤礦智能化建設的內容較為分散、系統(tǒng)性不強。為此，以內蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾族自治區(qū)、山西省等主要露天煤礦分布地區(qū)發(fā)布的有關智能化露天礦山建設的標準、指導意見、建設指南等為基礎，對其中涉及智能化露天煤礦的相關內容進行歸納、整理，厘清脈絡，為露天煤礦智能化建設和研究等工作提供參考。

1 我國現(xiàn)行露天煤礦智能化建設相關標準

1.1 現(xiàn)行國家級標準

2016 年4 月7 日，為推動實施能源“4 個革命，1個合作”的戰(zhàn)略思想，國家發(fā)展改革委員會、國家能源局聯(lián)合組織編制了《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016－2030 年）》指出了要通過能源技術創(chuàng)新[3]，推進能源技術與信息技術的深度融合，構建一體化、智能化的能源技術體系。

2020 年2 月25 日，國家發(fā)展改革委、國家能源局和應急部等8 部委聯(lián)合發(fā)布了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》（以下簡稱“指導意見”）。確定了分別以2021、2025 和2035 年為近期、中期和遠期時間節(jié)點的發(fā)展目標，系統(tǒng)性地明確了頂層設計、標準建設、科技創(chuàng)新、智能改造、示范建設、綠色礦山、新一代信息技術、服務模式、人才培養(yǎng)和國際合作等10 個主要任務領域。“指導意見”的發(fā)布對智能化露天煤礦建設是一針強心劑。

2021 年6 月5 日，《智能化煤礦建設指南（2021年版）》正式發(fā)布，明確了從頂層設計出發(fā)，規(guī)范了露天煤礦智能化建設的目標，分別突出了生產煤礦和新建露天煤礦的建設重點，明確了要實現(xiàn)開采環(huán)境數(shù)字化、采掘裝備智能化、生產過程遙控化、信息傳輸網絡化和經營管理信息化目標，要實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析、云計算、數(shù)字孿生為基礎的智能開采目標[4]。

通過國家行業(yè)標準信息服務平臺查詢，涉及露天礦山智能化、智慧等字眼的標準較少，主要為：現(xiàn)行的GB/T 34679—2017 智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術規(guī)范國家標準和2021-04-09 公示的智能礦山建設規(guī)范行業(yè)標準。

1.2 現(xiàn)行地方性標準

地方性智能化露天煤礦的標準是根據(jù)地方性特點制定并發(fā)布的，體現(xiàn)了地方政府對國家政策的理解和地方煤礦特點的總體把控，我國露天煤礦大多集中于內蒙、新疆和山西等地區(qū)，各地方政府響應國家政策相繼出臺了一系列的標準和相關規(guī)范。

1）內蒙古自治區(qū)實施意見辦法及相關實施方案。2020 年6 月2 日，內蒙古自治區(qū)能源局、發(fā)展和改革委員會等9 部門聯(lián)合發(fā)布了《關于加快全區(qū)煤礦智能化建設的實施意見》（以下簡稱“實施意見”），明確了分別以2021 年、2025 年和2035 年為近期、中期和遠期時間節(jié)點的發(fā)展目標[5]。2021 年4 月14 日，內蒙古自治區(qū)能源局發(fā)布了關于《內蒙古自治區(qū)煤礦智能化建設驗收辦法（試行）》和《內蒙古自治區(qū)煤礦智能化建設基本要求及評分方法（試行）》征求意見的公告，指出堅持示范引領、分步建設、統(tǒng)籌推進，加快提升煤礦各生產系統(tǒng)智能化作業(yè)能力[6]。內蒙古自治區(qū)露天煤礦多、特點突出，對露天煤礦智能化制定的相關標準、辦法等具有鮮明的延續(xù)性和先進性。

2）新疆維吾爾自治區(qū)實施意見辦法及相關實施方案。2021 年2 月18 日，新疆維吾爾自治區(qū)發(fā)展改革委、自治區(qū)應急管理廳、煤礦安全監(jiān)察局等8 個部門制定了《自治區(qū)煤礦智能化建設實施方案》，推動了本自治區(qū)智能化技術與煤炭產業(yè)融合發(fā)展，明確了分4 個階段實施[7]，到2022 年底，露天煤礦固定崗位實現(xiàn)無人值守、遠程控制，到2025 年底，全區(qū)煤礦基本完成智能化建設，到2030 年，基本建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的智能化煤礦體系，到2035年，全面建成以智能煤礦為支撐的煤炭工業(yè)體系，各類煤礦實現(xiàn)智能化。新疆發(fā)布的實施方案緊緊圍繞國家八部委聯(lián)合發(fā)布的“指導意見”，因地制宜、科學布局自治區(qū)露天煤礦智能化的發(fā)展。

3）山西省實施意見辦法及相關實施方案。2020年5 月18 日，山西省能源局、發(fā)展和改革委員會和教育廳等8 部門聯(lián)合發(fā)布了《山西省煤礦智能化建設實施意見》，結合本省情況制定了以2022 年、2025年和2030 年為時間節(jié)點的近期、遠期目標，全省建成智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的煤礦智能化體系[8]。2020 年12 月9 日，山西省科學技術廳發(fā)布了關于印發(fā)《煤礦智能化技術創(chuàng)新研發(fā)中心建設實施意見》的通知，建設“1 個中心”、“2 個基地”和“3 個平臺”，組織開展重大前沿引領技術、共性關鍵技術、現(xiàn)代工程技術、顛覆性技術等戰(zhàn)略研究和技術開發(fā)，提升技術創(chuàng)新原始能力，露天煤礦方面集中研究無人化連續(xù)作業(yè)[9]。

4）其他省份實施意見辦法及相關實施方案。其他主要產煤省份，如河南、安徽、山東等也都各自結合自身特點分別制定了智能化礦山建設的實施方案、實施意見和行動方案。河南省2019 年9 月提出了《河南省煤礦智能化建設實施方案》，安徽省2020 年6 月發(fā)布了《關于加快煤礦智能化發(fā)展的實施意見》，但所發(fā)布的實施方案、實施意見等為煤礦通用規(guī)范，依托于井工礦的標準，涉及露天煤礦的內容較少。

1.3 地方性規(guī)范

由于各自省份露天煤礦占比不同，智能化標準、規(guī)范和相關辦法數(shù)量也不盡相同，露天煤礦智能化建設現(xiàn)行地方規(guī)范如下：①DB37/T 2322—2013 智慧礦山建設規(guī)范（山東）；②DB41/T 1383—2017 智能煤礦建設規(guī)范（河南）；③DB14/T 2271—2015 智能化露天礦建設規(guī)范（山西）。山東及河南地方標準涵蓋了露天煤礦智能化建設，但大都是局限于框架的搭建和術語的解釋，涉及露天煤礦具體條款較少。山西省針對露天礦專門制定了智能化建設規(guī)范[10]，為山西省露天煤礦智能化建設提供了框架和規(guī)范，也為全國露天煤礦智能化建設提供了借鑒。

2 智能化露天煤礦

國家從多個方面推動搭建智能化煤礦研發(fā)平臺建設，促進產學研用深度合作。大型煤礦企業(yè)聯(lián)合高等院校、科研院所成立了煤礦智能化發(fā)展國家重點實驗室、機器人研究院、試驗中心、機器人協(xié)同創(chuàng)新中心，共同開展智能開采關鍵技術與裝備研發(fā)，致力于解決煤礦智能化共性關鍵技術問題[11]。自國家相關政策制定以來，產出了一批關于智能化煤礦的相關論文研究和報告等，為我國智能化礦山建設提供了技術支撐。

2.1 智能化露天煤礦建設研究趨勢

露天煤礦智能化逐年研究論文情況如圖1。以智能／智慧＋礦山／煤礦／露天礦等組合通過CNKI 工具搜索，以2015 年1 月為時間起點，截止2021 年6 月末，各年關于露天煤礦智能化研究呈上升趨勢，特別是2020 年國家發(fā)展改革委、國家能源局、應急部、國家煤礦安監(jiān)局等8 部委聯(lián)合發(fā)布“指導意見”前后，相關研究數(shù)量呈激增狀態(tài)，且露天煤礦研究占比整個煤炭行業(yè)智能化研究呈逐年上升趨勢。

圖1 露天煤礦智能化逐年研究論文情況

2.2 智能化露天煤礦建設研究關鍵點及內容

對露天煤礦智能化建設方面關鍵字大致集中于GPS、無人駕駛、智能礦山、卡車調度、智能設計、數(shù)字礦山、管控平臺、鉆孔、自動化、5G、網絡安全、大數(shù)據(jù)、自動駕駛等，分布較廣但數(shù)量不多。露天煤礦智能化研究關鍵字統(tǒng)計如圖2。

圖2 露天煤礦智能化研究關鍵字統(tǒng)計

1）智能化管控平臺?；诠I(yè)互聯(lián)網平臺的建設思路，建立感知執(zhí)行層、接入層、邊緣層、智能化煤礦工業(yè)互聯(lián)網平臺和綜合管控平臺，采用統(tǒng)一的標準體系實現(xiàn)集安監(jiān)系統(tǒng)、生產系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、智能經營系統(tǒng)等功能與一體，各系統(tǒng)協(xié)同開展工作[12]。

2）智能化設計。露天煤礦智能化設計主要體現(xiàn)在三維地質模型、三維采礦優(yōu)化設計等方面，其中，三維地質建模依據(jù)地質報告、采用現(xiàn)行三維建模軟件進行地質建模[13]，在三維建模過程中采用低空數(shù)字航攝（激光掃描、無人機航測等技術）用于地表建模，實現(xiàn)模型動態(tài)更新[14]；三維采礦優(yōu)化設計依據(jù)現(xiàn)有三維采礦軟件（Vulcan、Surpac、Minex 和3DMine等），優(yōu)化開采參數(shù)、實現(xiàn)礦體模型與開采方案的交叉顯示、實現(xiàn)開采方案仿真模擬與展示。

3）智能化系統(tǒng)與裝備。①穿孔、爆破環(huán)節(jié)：采用智能鉆機、智能裝藥車等，目前智能化鉆機已在準能公司黑岱溝礦得到了應用，可以實現(xiàn)鉆機的自動導航的功能，可精準定位各個鉆孔位置，誤差可以控制在±20 cm，鉆孔深度可以控制在±10 cm，精度提高了80%；②采、運、排環(huán)節(jié)：單斗－卡車間斷工藝、半連續(xù)工藝、輪斗連續(xù)工藝和吊斗鏟倒堆等工藝均進行智能化升級改造，單斗－卡車工藝建立安全預警平臺、多機協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)、智能調度、無人駕駛系統(tǒng)和電鏟遠程遙控等，其中無人駕駛系統(tǒng)在華能伊敏露天礦，準能公司黑岱溝、哈爾烏素露天礦，平朔集團東露天、安家?guī)X、安太堡露天礦均得到了應用，半連續(xù)工藝建立破碎站、帶式輸送機和排土機等智能控制系統(tǒng)，與卡車調度系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動，保證卡車卸載與破碎站、帶式輸送機等達到綜合效率最大化，帶式輸送機同時還實現(xiàn)全線的機器人巡檢、少人或無人值守等功能，輪斗連續(xù)工藝建立輪斗挖掘機智能控制系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)環(huán)境、物料參數(shù)、計劃下達等內容，實現(xiàn)智能作業(yè)，吊斗鏟倒堆工藝目前國內僅在準能公司得到應用，與拋擲爆破相關聯(lián)，建立1 套智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)穿爆、采排的各環(huán)節(jié)的智能作業(yè)。

3 結語

自2015 年以來，露天煤礦智能化研究呈上升趨勢，特別是2020 年“指導意見”前后，相關研究數(shù)量呈激增狀態(tài)，露天煤礦研究占比整個煤炭行業(yè)智能化研究呈逐年上升趨勢。目前，露天礦山智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在初期智能化管控平臺的建設、智能化設計、智能化工藝及設備等方面，尤其側重于無人駕駛、卡調系統(tǒng)等研究。

露天煤礦智能化發(fā)展目前還處于初期階段，還面臨著基礎設施建設目標不明確、各企業(yè)發(fā)展目標不統(tǒng)一、各交叉專業(yè)不融合等局面，處于各自摸索但厚積薄發(fā)的狀態(tài)。露天煤礦智能化建設發(fā)展主要趨勢應為“地、測、采”、“穿、爆、采、運、排”和“管控、調度”等多專業(yè)、多環(huán)節(jié)全數(shù)據(jù)鏈實時采集與處理、智能化設計的進一步深入、智能化設備的全覆蓋、數(shù)字化交付常態(tài)化等，最終實現(xiàn)整個礦山的智能設計與智能化運營一體化管控。