露天煤礦智慧礦山建設分析

宋 楠 ，梁新成

（1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室；3.北礦智能科技有限公司，北京 102628）

長期以來，煤炭是我國主要的一次能源，其開采技術經歷了數次迭代。人工智能時代，智慧礦山將是礦山發展的主流趨勢。然而，礦山作業環境的復雜性和不可預見性也成為影響礦山開采智能化的主要因素之一。隨著人工智能、大數據等技術的發展，露天煤礦的無人開采在技術上已經成為可能。在一些人力成本較高、相關技術成熟的國家已經實現部分采區作業完全無人化。早在2013年，卡特彼勒公司牽頭，在所羅門鐵礦區試驗了首批無人駕駛的礦用自卸卡車（簡稱礦卡），時至今日，運行的卡車已經超過50輛，累計運輸量超過2億t。最近幾年，國外露天煤礦的智能開采更是取得階段性成果。2021年，澳大利亞力拓公司在西澳大利亞州建成一個真正意義上的無人礦山，整個生產過程由各種機器人、無人駕駛礦卡、無人鉆機及智慧物流系統完成，這是世界首個無人化的智慧礦山。無論從經濟效益還是從安全生產角度來看，智能化無人化開采都是未來露天煤礦發展的主流趨勢。

1 我國露天煤礦開采工藝的發展歷程

新中國成立以來，我國露天煤礦開采工藝大致經歷了三個發展階段。第一階段為1949年至20世紀80年代早期，我國露天煤礦開采工藝以間斷工藝為主，其主要特點是采取單斗挖掘機配合鐵道運輸。這一階段，露天煤礦設計生產能力一般小于200萬t/a，產量較低且作業靈活性不高。第二階段以1987年平朔安太堡露天煤礦建成投產為標志，我國露天煤礦開始進入千萬噸級別，這一時期，開采工藝開始向連續工藝和半連續工藝轉變，生產效率得到明顯提升。第三階段是2012年至今。隨著人工智能、大數據等技術的普及，一些大型露天煤礦開始建設信息化管理平臺，基本實現基礎生產作業的智能化管控，如卡車的智能化調度、鉆機的高精度導航布孔等。

2 我國露天煤礦智慧礦山建設現狀

2020年初，國家發展和改革委員會發布《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，提出由企業牽頭設立相關基金，結合當前發展水平，分三階段逐步推進我國煤礦智能化建設，力爭在2035年前建成完備的煤礦智能化生產體系，屆時煤炭的生產運輸與使用將形成智能化、無人化、低碳化的生態圈。

2.1 配套基礎設施建設

開展配套基礎設施建設是建設露天煤礦智慧礦山的前提條件和有力保障。在國家產業升級的背景下，工業互聯網中心、5G基站、人工智能云計算平臺等基礎建設項目大量上馬，隨著配套基礎設施的完善，一些前期投入巨大、單個礦山無法承擔的技術平臺逐漸進入露天煤礦智慧化領域。這無疑為今后全面建設無人化智慧礦山奠定了基礎。未來要充分利用我國基建優勢和完備的工業體系，而后發的技術保障將成為我國智慧礦山與國際同行競爭的巨大優勢。

2.2 主要煤炭產區建設試點工程

2020年，我國煤炭總產量為38.4億t。經過數年的整合，我國煤炭行業已經建成14個億噸級煤炭基地，徹底擺脫產能分散、技術落后的弊病。在這個大前提下，各主要煤炭產區都出臺了激勵政策。例如，山西省對于購置煤礦智慧化改造設備給出減免稅款的政策支持，同時與中國煤炭科工集團有限公司等單位簽訂戰略合作協議，進一步推動煤礦的智慧化。近年來，國家大力發展露天煤礦無人礦卡試點項目。2021年9月，世界首個極寒條件下露天煤礦5G無人駕駛礦卡項目在內蒙古自治區試運行，這也標志著我國在露天煤礦無人開采技術上進入世界先進行列。

2.3 以人為本的戰略方針

我國露天煤礦智慧礦山建設本著以人為本的戰略方針，從需求出發對露天煤礦生產體系進行智能化改造，由點到面逐步推進礦山智能化工程。要優先在高危礦山進行智能化推廣，改善煤礦工人作業環境，提升生產效率，同時加大技術力量建設，夯實相關人才儲備，從根本上建設智能化露天煤礦生態圈。

3 我國露天煤礦智慧礦山建設的制約因素

如圖1所示，露天煤礦智慧化的基本架構主要由4個模塊組成，前端進行測量建模，然后開展環境分析和智能化演算，以可視化平臺的方式將信息呈現給管理層。這個基本架構衍生出豐富的智慧化體系。在前期建設過程中，可以根據實際生產情況對一個或數個模塊進行優先開發建設，由現有設備輔助實現礦山的智能化管控。但是，我國露天煤礦智慧礦山建設目前依然存在部分制約因素。

圖1 露天煤礦智慧化的基本架構

3.1 主要裝備國產化程度低

我國首批現代化露天煤礦建設之初，大量進口設備開始進入我國露天煤礦。長期執行國外技術標準，這使得智慧礦山建設中國有技術與進口設備銜接困難，生產實踐中甚至出現很多技術糾紛。這一現象嚴重制約我國露天煤礦智慧礦山建設。雖然近些年國產礦用設備發展勢頭迅猛，但是大噸位的礦卡、電鏟等關鍵設備仍主要依賴進口。解決設備自主生產問題無疑是未來發展的重中之重。

3.2 礦用軟件開發程度低

在新一輪的煤礦智能化競爭中，軟件無疑居于關鍵地位。目前，與國外相比，我國礦用軟件仍相對落后。軟件開發前期投入大，后期收益慢，導致軟件開發企業對基礎礦業軟件的開發熱情低。這一現象嚴重制約了我國露天煤礦智慧礦山建設。

3.3 開采環境較差

我國大型露天煤礦多分布在自然條件惡劣的區域，這就對智能化設備的維護和穩定運行提出更高的要求。一些露天煤礦采區存在安全隱患（如小煤窯盛行時期留下的空巷），更加劇了無人化生產的不穩定性。

3.4 人力成本較低

相較于發達國家高昂的人力成本，我國工人薪酬一直維持在較低的水平，發展無人化采礦的經濟效益不高，直接導致我國露天煤礦智慧礦山建設步伐緩慢。這也從側面反映出國家政策層面保障露天煤礦智慧礦山建設的必要性。

4 結語

我國露天煤礦開采工藝經歷了三個發展階段，目前已基本實現基礎生產作業的智能化管控。但是，主要裝備國產化程度低，礦用軟件開發程度低，開采環境較差，人力成本較低，制約了我國露天煤礦智慧礦山建設。未來，要結合我國露天煤礦智慧礦山建設現狀，加強配套基礎設施建設，在主要煤炭產區建設試點工程，堅持以人為本的戰略方針，完善露天煤礦智慧化的基本架構，穩步推進露天煤礦智慧礦山建設。