露天礦山智能化評價體系研究

郭英杰

（內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司，內蒙古 赤峰 024000）

2021 年4 月自然資源部發布《智能礦山建設規范》征求意見，其中對智能礦山的定義為：在地質測量、資源管理、采礦生產、選礦加工、運輸倉儲等方面實現數字化、信息化、智能化管控的現代化礦山。王國法院士等[1-7]提出煤礦智能化（初級階段）技術體系以及智能化煤礦分類、分級評價指標體系，但研究內容同主要側重于井工煤礦；張瑞新等[8]提出智慧露天礦山建設基本框架及體系設計；應急管理部信息研究院付恩三等[9]提出智慧露天礦山總體框架及關鍵技術進行研究。上述學者總結凝練智能露天礦山的總體架構，但并未對露天礦智能化的評價體系做深入及總結。2020 年自然資源部下發建設綠色礦山評價指標，分別從礦區環境、資源開發方式、資源綜合利用、節能減排、科技創新與智能礦山、企業管理與企業形象6 個方面對綠色礦山建設水平進行評分，一共涵蓋105 個指標，總分1 000 分?；诖?，開展露天礦山智能化評價體系的研究[10-16]。

1 露天礦智能化生產系統評價體系

露天礦智能化生產系統評價體系主要涵蓋：地質基礎指標、信息基礎指標、綠色開采指標以及智能系統指標，4 大類指標細分后，分成地質、測量、穿爆、采運排（采掘、運輸、排土）、維修、安全輔助、基礎設施以及綠色開采等8 類指標。

1）地質體系。地質三維模型系統平臺實現地質儲量的統一平臺的管理，地質系統平臺實現礦床三維建模工作；露天礦山地質數據庫建設涵蓋所有剖面數據、鉆孔數據、地形數據、頂底板等高線數據都統一在地質云平臺進行管理；實現對地質模型數據的關聯預測、地質數據的關聯分析，形成地質數據的模擬推演。當模型發布后，可以供測量部門、采礦計劃部門進行數據綜合應用。地質平臺提供各類不同比例尺的礦山圖件的下載功能，礦山所有地質類圖件信息統一保存在地質平臺。

2）測量體系。實現智能露天礦山測量，需采用無人機測量的方式。通過無人機生成點云以及DTM 的校對，校對過程中，需要具有現場經驗的測量工程師進行噪聲數據去除，防止發生誤差過大的現象。生成精準露天礦山DTM 模型后，測量技術人員通過登錄地質云系統，將精準DTM 模型進行發布。地質平臺保存每次發布的精準測量數據，為礦山后期模擬開采和工程反演提供數據支撐。同時建立測量數據采集、存儲、處理、統計以及圖形化展現等數據管理系統，系統應具有行業通用格式的數據輸入、輸出接口。智能測量的最終目標是實現礦山外業測量的無人化。

3）穿爆體系。實現穿孔，爆破等環節的爆破設計，鉆機實時定位，動態跟蹤和故障診斷以及炸藥入庫、出庫，實現各環節的實時動態管理，同時實現與露天礦采運排系統的協同作業。

4）采掘體系。主要露天礦山采掘負責部門為礦山剝離、采礦部門、測量部門。實現智慧露天礦山的采掘，應實現采掘設備的無人操作，采掘設備自動甄別開采周圍環境實時信息，精準識別煤巖屬性。采掘設備工況感知數據實時傳輸至智慧露天云數據中心，實現數據自主分析，實現采掘系統的智能化。當采掘環節出現異常信息后，云數據中心第一時間給出預警分析結果，遠程控制系統自主控制采掘設備，解決故障信息。其最終目標是實現礦山采掘環節全流程的無人化。

6）排土體系。露天礦山運輸主要涉及剝離排土和工程輔助設備排土場平整、反坡、擋墻的設計實施工作。負責部門主要為露天礦山排土部門、采礦設計部門、安環部門。當采用單斗卡車排棄時，剝離卡車將排棄物料運送至對應排土場時，由工程輔助設備完成排泄點土地平整、反坡及擋墻設計，同時實現工程設備與排土設備之間的協同避讓作業。此過程最終目標是實現所有設備的無人化。當采用輪斗-帶式輸送機-排土機工藝時，實現整個過程的遠程控制，無人化排土。

7）設備維修體系。露天礦設備主要包含：采掘設備（電鏟、挖掘機）、運輸設備（卡車、帶式輸送機）、排土設備（帶式輸送機、卡車）、穿孔設備（鉆機等）、破碎站以及輔助設備等。負責礦山主要設備維修的部門為露天礦山機電設備科。智能露天礦山設備維修體系主要實現對礦山所有工程設備工況信息聯網，通過感知設備工況數據，實現對設備故障風險的預警預判，露天礦山設備維修的智能化預警、智能化維修指導。

8）安全輔助體系。智能露天礦山安全輔助體系主要涵蓋：邊坡監測系統、防滅火系統、疏干防排水系統以及智能視頻識別系統。例如：視頻識別系統實現對露天礦山的安全管控，邊坡監測區域的實時動態監測預警。

9）基礎設施體系。智能露天礦基礎設施體系是實現智能露天礦山的基礎底座，主要包括：基礎設施；調度控制中心；數據采集與數據服務；監控調度與協同管理；信息發布以及系統安全。

10）綠色開采體系。露天礦綠色環境體系需要構建露天礦山采場及排土場的環境監測預警系統，具備與排棄計劃、復墾計劃以及相應污染物的處置及建議。

2 智能露天礦山評價指標及分級

2.1 智能露天礦山體系評價指標

根據露天礦山智能化建設的體系結構和流程，智能露天礦山體系評價指標如下:

1）基礎設施指標。涵蓋6 個方面：①辦公網絡：企業辦公區建設辦公網；②采場網絡：露天礦坑部署建成5G 或者礦坑內局域網絡；③數據采集：部署露天礦數據采集轉換設備，實現露天礦坑內多維生產數據接入上傳；④調度中心：露天礦建設調度控制中心中網絡、通信、視頻、大屏幕展示等基礎設施；⑤安全保護：礦山網絡安全；⑥資產管理：構建露天礦數字資產管理平臺，實現對數據質量的管理。

2）地質系統指標。涵蓋7 個方面：①三維基礎軟件：具有三維采礦軟件，支持礦山三維采礦、排土生產設計、具備模擬開采和虛擬排土功能；②地質數據平臺：建立地質數據平臺，支持圖紙下載、上傳，支持數據接口的對接；③二三維轉換：地質系統平臺支持二三維數據的轉換功能；④報表調度：地質系統平臺具有儲量報表的導出功能；⑤協同制圖：地質系統平臺支持采礦、測量、地質協同制圖；⑥服務年限：大型露、特大型天礦服務年限＞35 年，中型露天礦服務年限＞30 年；⑦噸煤效率。

六、參考文獻必須以作者親自閱讀過的近幾年主要文獻為據。論著不超過20條，綜述一般不超過40條，需盡量引用近10年內（近5年內的文獻，不得少于所引文獻的50%）公開發表的國外文獻，凡未發表的或內部刊物的資料一律不得列入。日文漢字請勿與我國漢字及簡化字混淆。文獻編號必須按文內出現的先后依次排列，格式按下列規定書寫：

3）穿爆系統指標。涵蓋3 個方面：①鉆機智能管控：實現鉆機實時定位、自主鉆進；②穿爆系統平臺：建設穿孔爆破系統平臺，實現三維爆破設計、實現裝藥設計、實現爆破模擬結果分析、實現與采礦設計數據接口對接；③巖性智能識別：鉆機實現鉆進過程中的巖性識別，實現對鉆進鉆頭速度、壓力監測，實現巖性強度巖性預測。

4）測量系統指標。涵蓋2 個方面：①測量手段：采用RTK 測量手段來進行測量，采用三維激光掃描儀進行測量，采用無人機測量；②測量系統平臺：具有測量算量系統平臺，支持對無人機數據的處理、抽希等功能，同時可將無人機成果模型數據進行發布，為采礦設計提供數據底圖。

5）采運排系統指標。涵蓋3 個方面：①感知系統平臺：建設采掘、運輸、排土設備感知系統平臺，實現所有設備無人駕駛；②工況數據采集系統平臺：建設設備工況數據采集系統平臺，實現采運排數據的集中展示，數據包括：油耗、電耗、胎壓、溫度、轉速、車速、加速度等；③設備調度系統：建設采運排設備調度系統，實現采運排設備自主調度，車鏟智能匹配。

6）安全輔助系統指標。涵蓋6 個方面：①邊坡監測測點部署：邊坡部署監測點，對邊坡進行監測；②邊坡監測系統：邊坡監測系統具有多參數查詢功能，可生成測點實時數據和歷史曲線；③二三維邊坡穩定性預測：實現邊坡穩定性的三維模擬仿真及實時穩定性計算；④視頻監控系統：建設視頻監控系統，覆蓋露天礦關鍵位置；⑤智能視頻識別系統：建設露天礦違章視頻識別系統，具有安全帽檢測，脫崗離崗檢測，儲煤倉煙火識別，區域入侵，絕緣手套識別，皮帶異物識別、皮帶跑偏識別等功能，其中違章作業場景包括但不限于上述場景，實現違章視頻片段的自動截取，違章視頻數據下載，支持閉環處置；⑥遠程操控：露天礦實現對水泵、破碎站、帶式輸送機、變電站的遠程操控。

7）設備維修體系指標。建設采運排+穿爆設備綜合設備維修管理平臺，具有故障診斷、設備基礎數據調閱、安標檢測檢驗數據調閱、故障記錄、維修信息、設備故障知識圖譜等功能。

8）綠色開采指標。建立環境監測系統，實現對采場及排土場征地規劃、露天礦場內道路揚塵監測等。

對于智慧露天礦的長期發展，各一級指標都具有重要的地位，因此，初步設定每個一級指標滿分為10 分。

評價指標融合性因子和評分如下：①上述系統并未實現2 個或2 個以上系統的關聯分析時，總分乘以融合因子0.75；②上述系統實現2～4 個系統的關聯分析時，總分乘以融合因子1，實現2 個系統關聯分析融合因子為0.75+0.05×2，3 個系統關聯分析融合因子為：0.75+0.05×3，4 個系統關聯分析融合因子為1；③上述系統實現全部系統的關聯分析時，總分乘以融合因子1.25。

2.2 智能露天礦山評價分級

為了方便礦山企業評估其智能礦山建設水平，將露天礦山智能化評價結果分成3 個等級：智能礦山準備階段、智能礦山追趕階段、智能礦山領跑階段。礦山智能化評價等級見表1。

表1 礦山智能化等級Table 1 Mine intelligence grades

1）智能化礦山準備階段。智能化建設剛剛起步，各項基礎體系不夠健全?？傮w智能化評價因子得分≤60 分。

2）智能化礦山追趕階段。起步較智能礦山領跑礦山稍晚但具有基本發展潛能，有望實現逐步趕超?？傮w智能化評價因子得分≤80 分。

3）智能化礦山領跑階段。起步早，發展穩定，各項指標得分處于前列，并且生產過程各系統普遍采用智能化技術，所有智能化系統實現聯網協作?？傮w智能化評價因子得分≤100 分。

3 智能露天礦山建設評價

3.1 評價結果

根據評價指標體系和打分規則，通過邀請行業專家實地調研, 2020 年對露天礦智能化程度進行打分。通過調研可知，2017 年露天礦實現風險隱患管理系統的建設；2018 年露天礦實現礦區采場區域4G 網絡建設，實現采場范圍內的設備工況數據傳輸；2019 年露天礦已經實現違章行為智能視頻識別系統的建設，同年實現無人機測量+三維激光掃描儀的測量；2020 年3 月露天礦進行無人駕駛系統的探索應用研究。根據露天礦智能化發展情況，對露天礦智能化水平進行打分，總得分為46.5。露天礦山智能化評價結果見表2。

表2 露天礦山智能化評價結果Table 2 Intelligent evaluation results

根據露天礦山智能化綜合評價結果可以看出，該露天礦處于智能礦山準備階段，正向著追趕階段發展。通過分析可，該露天礦山智能化短板出現在穿爆系統、采運排系統、設備維修診斷以及綠色開采，下一步解決單一系統的智能化后，亟需解決多系統的融合應用的問題。

3.2 演化趨勢

根據露天礦的智能化建設情況，目前，該礦實現了測量系統和采運排系統的數據同一平臺的融合關聯，因此，2020 年，取系統融合因子為0.85。通過查閱該礦智能化建設資料，給出該礦近10 年的智能化變化趨勢表，智能露天礦山演化趨勢分析見表3。

表3 智能露天礦山演化趨勢分析Table 3 Analysis of the evolution trend of smart openpit mines

從露天礦近10 年的發展來看，露天礦山從2011 年逐步開始露天礦山智能化建設，但從10 年智能化發展進程中可以看出，在2013 年至2016 年，這4 年中，智能化水平基本未發生變化，通過分析當時全國露天礦山經濟背景可知，2013 年至2016 年，這4 年正處在我國去產能階段，整個煤炭行業正處在冰封期，產能過剩，煤價下跌，企業無暇顧及智能化建設發展。2017 年開始，煤礦開始逐步投入到智能化建設的加速期當中，這主要得益于國家相關政策支撐，加大智能化礦山建設，加之煤炭價格穩中有升的驅動。該露天礦在這10 年智能化發展過程中，穩步向好，企業經濟實力強勁，在智能化建設進程中，處在前列。

4 結 語

針對我國露天礦山智能化評價體系沒有統一標準，建設過程中缺少建設依據、評價準則等關鍵問題，開展露天礦山智能化評價體系的研究。提煉出構建智能露天礦山的8 類一級指標：基礎設施指標地質系統、穿爆系統、測量系統、采運排系統、安全輔助系統、綠色開采指標以及設備維修體系。將智能露天礦山建設發展分為領跑者、追趕者與準備者3 個階段。通過取樣對某特大型露天礦進行趨勢分析，結果表明：該露天礦智能化處于上升通道，反映智能露天礦建設確實取得一定成果，但還未實現特殊飛躍和突破，露天礦山智能化短板處在穿爆系統、采運排系統、環境監測方面。