智能化露天煤礦分類分級評價體系研究

趙紅澤，陸俊宇，李亞松，張 宇，徐洪洋，郭衛洪，張振宇，秦博強

(1. 中國礦業大學〈北京〉能源與礦業學院，北京市海淀區，100083；2. 中國礦業大學〈北京〉深部巖石力學與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區，100083)

0 引言

智慧露天煤礦建設就是建設一個具有感知、記憶、理解、分析、判斷、升華等能力的煤礦生產管理系統，實現煤礦的自主學習和自主決策等，是煤礦建設的最終目標。作為智慧露天煤礦建設的關鍵一環及前期目標，智能化露天煤礦建設依托物聯網、大數據、人工智能等技術，旨在實現露天煤礦的智能化和無人化，從而提高生產效率和質量，降低生產成本和風險。截至2022年，我國露天煤礦智能化轉型取得顯著成效，在一體化平臺、無人卡車、數據管理、安全管控、遠程控制等諸多領域積累了大量成功經驗和技術，部分大型露天煤礦完成初級智能化改造，正向中級智能化目標邁進[1]。由于客觀條件的限制，以及不同地方資源賦存條件的不同，各煤礦企業的智能化技術裝備水平差距正在不斷拉大，發展越來越不平衡。2020年3月國家八部委發布的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》提出，要建設智能化示范煤礦、分級建設智能化平臺，而露天煤礦智能化如何建、建什么、怎么評價，成為關鍵內容之一。國內不同區域煤層賦存條件與裝備水平、工程基礎、建設目標存在較大差異，如何客觀、公平、針對性地開展智能化露天煤礦建設值得政府、企業和第三方機構關注和思考，因此亟需開展露天礦智能化分類分級評價體系的研究工作。

國內學者在煤礦智能化領域進行了大量研究。在智慧礦山概念與關鍵技術方面，徐靜等[2-4]進行了早期探討。煤礦智能化架構方面，王國法等[5]對我國智慧煤礦2025發展路徑進行了規劃；王忠鑫等[6]提出基于BIM的智慧露天煤礦協同工作平臺架構與關鍵技術；吳群英等[7]基于云計算架構體系，提出智慧礦山的總體架構；張倍寧等[8]提出融合云平臺技術的“集團公司-區域子公司-煤礦”三級架構的智能化綜合管控平臺；張瑞新等[9]提出建設智能化露天煤礦的原則、基本構想、關鍵技術和基本框架及體系設計。煤礦智能化建設分類分級方面，王國法等[10-12]指出了智能化礦山開采技術的發展方向和智能化煤礦及智能化采煤工作面分類、分級評級指標體系，并編制了相應的標準規范；張科學等[13]對智能化開采工作面適應性進行了評價；賀耀宜[14]對智慧礦山評價指標進行了梳理，并制定了智慧礦山分級評價方法；付恩三等[15]通過對全國45所露天煤礦進行智能化評價，構建了智能露天煤礦的評價體系和評價模型。總體來看，目前國內智能化礦山研究偏井工礦山較多，尚未對智能化露天煤礦建設分類、分級形成統一標準。因此，在團隊前期智慧露天煤礦建設規劃路徑研究成果基礎上[16]，通過梳理多個智慧露天煤礦建設初期智能化項目進展情況，提出不同開采條件下露天煤礦分類基礎上的以初級、中級、高級3個等級為節點的智能化評價體系和各階段應當實現的技術目標，以期為智能化露天煤礦建設提供科學依據和建設參考。

1 智能化露天煤礦建設技術要求

1.1 智能化露天煤礦技術架構

智能化露天煤礦技術架構自下而上分別為感知設備層、網絡傳輸層、邊緣計算層、云端數據層、業務應用層5層，如圖1所示。感知設備層主要包括傳感器/儀表、RFID標簽設備、控制/執行設備、攝像頭等內容，主要負責采集、識別、反饋露天煤礦中人、機、環、管等產生的各種數據；網絡傳輸層主要包含TCP/IP、4G/5G、WIFI、ZigBee、ModBus、RS485、RFID、Bluetooth、NB-IoT、NFC等有線、無線網絡通信協議，主要負責感知設備層設備和邊緣計算層設備之間數據通信；邊緣計算層是利用數據傳輸路徑上的計算、存儲與網絡資源[17]，為靠近感知設備或應用場景的一側提供最近端服務，主要包括設備接入、協議解析、邊緣數據處理等，同時提供大量AI計算算法；云端數據層是基于云計算平臺之上提供數據中臺、技術中臺、業務中臺等數據服務，主要負責邊緣計算層數據的匯聚、存儲、計算、分配、安全等技術，并為業務應用層提供數據服務；業務應用層主要包括生產調度中心、安全環保中心、綜合管理中心、運維服務中心等，主要負責露天煤礦智能化業務管理和生產運營智能管控。

圖1 智能化露天煤礦技術架構

1.2 智能化露天煤礦建設分層技術目標

智能化露天煤礦可按照初級、中級、高級3個層級分步驟建設，每個層次確立技術目標和評價標準，指導不同建設階段不同露天煤礦的智能化系統建設。初級階段技術目標為單機遠程駕駛或無人值守，中級階段技術目標為機群無人智能作業，高級階段技術目標為業務系統一體化智慧管控。智能化露天煤礦建設的重點如下所述。

(1)智能化基礎設施。初級階段首先須建成滿足現有設備數據傳輸要求的通信網絡，實現作業區5G無線覆蓋和辦公區4G無線覆蓋；主要傳輸場景下遠程駕駛車輛傳輸速度≥40 Mbps，人工駕駛車輛傳輸速度≥10 Mbps，其余設備通信和數據傳輸帶寬根據設備實際需求建設，并保證1～3倍網絡容量冗余；同時考慮不同業務場景實現網絡切片；關鍵場景網絡時延滿足生產需求，遠程控制雙向<50 ms，視頻單向傳輸<200 ms，設備定位單向<100 ms等；建成本地數據中心，滿足生產視頻數據保存1個月以上。中級階段傳輸能力滿足無人化生產水平，V2V(車輛與車輛)通信周期≤50 ms，延時≤10 ms，V2N(車輛與網絡)通信周期≤300 ms，延時≤100 ms，遠程控制雙向延時≤30 ms等。高級階段應在中級基礎上提高網絡帶寬，上行≥200 Mbps，下行≥100 Mbps，滿足業務系統實時管控要求。

(2)智能化設計。初級階段建立地質信息時空數據庫，利用無人機三維掃描技術和智能鉆探設備獲取高精度采場地質數據，建立采場三維地質模型，并保證采場地圖每日更新，實現透明地質與三維設計；中級階段實現地質時空數據與設備時空數據融合并實時更新，基于三維模型實現生產計劃方案的智能化設計與推演評估；高級階段基于礦山大數據和AI智能算法，實現生產計劃的虛擬設計與動態仿真，并實現礦山工程的數字孿生與交互設計。

(3)工藝裝備智能化。初級階段實現移動設備遠程駕駛和監測，固定設備實現無人值守和遠程集控。中級階段移動設備實現自主行駛、路徑規劃、自主避障和編組運行，固定設備實現自主運行和故障預測診斷。高級階段各設備實現健康監測、故障診斷并智能預警，全系統協同自主運行和智慧反饋決策。

(4)智能化綜合管控。初級階段應建成一體化管控平臺，融合生產調度管理與綜合運營管理兩大功能模塊；平臺應集成下屬各子系統數據信息，實現數據集中可視化展示和實時分布式控制，打造分級個性化服務體系。中級階段管控平臺應充分利用礦山大數據實現生產管控的輔助決策。高級階段管控平臺應依托人工智能、數字孿生、大數據、云計算等新一代技術實現智能決策和智慧運營。

2 露天煤礦智能化條件分類評價

2.1 智能化露天煤礦分類指標體系

我國露天煤礦分布地域廣，不同露天煤礦之間條件差異很大，為便于企業根據自身條件客觀開展智能化建設，必須先根據智能化建設條件對不同露天煤礦進行分類。綜合考慮開采條件、經濟效益、智能化基礎3方面因素[18]，選取工程地質、水文地質、煤層自燃傾向、生產規模、剩余服務年限、煤層條件、開采工藝、設備種類及信息化基礎9類影響因素作為分類指標。各分類指標等級劃分為I、II、III 3類，采用隸屬度函數和歸一化原則進行指標量化，見表1。分類等級越高，表示開展智能化建設難度越低，需要投入的技術成本越低。

表1 智能化露天煤礦分類評價指標

(1)工程地質條件。工程地質主要考慮采場邊坡工程地質條件和排土場基底工程地質條件，根據《煤炭工業露天礦邊坡工程監測規范》(GB 51214-2017)可分為簡單、中等復雜、復雜3級。影響因素包括抗震條件、地質作用、地質環境、地形地貌、地質構造、軟弱結構面、含水情況和采空區等8個。具體得分可由地質勘探結果綜合評價：

(1)

式中：xi——各影響因素評分。

(2)水文地質條件。綜合含水層、裂隙、地表水體、涌水量等條件區分水文地質類型，根據《礦區水文地質工程地質勘查規范》(GB/T 12719-2021)將水文地質分為簡單、中等和復雜3級，影響因素包括排水條件、含水層補給條件、第四系覆蓋、邊界條件、富水性、隔水性、老空水分布、排水坍塌沉降等8個。具體得分可由水文勘探結果綜合評價：

(2)

(3)煤自燃傾向。煤自燃傾向性測定主要采用流動色譜吸氧法，根據《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》(GB 20104-2006)，將煤自燃傾向性等級分為容易自燃、自燃和不易自燃3類，由一元線性函數表示：

f(z)=-15z+115

(3)

式中：z——煤自燃傾向，不易自燃煤層取1，自燃煤層取2，容易自燃煤層取3。

煤自燃傾向分值曲線如圖2(a)所示。

圖2 智能化分類評價指標分值曲線

(4)生產規模。當前，如黑岱溝露天煤礦、平朔東露天煤礦等超大型露天煤礦的智能化建設相對標準較高，根據《煤炭工業露天礦設計規范》(GB 50197-2015)中2.3.2一節將生產規模劃分標準定為100萬、400萬、2 000萬t/a。

采用分段線性函數式表示生產能力得分，根據《智能化示范煤礦驗收管理辦法》中智能化露天煤礦評價結果分類，將生產規模100萬t/a以下取0～<70分，100萬～400萬t/a取70～85分，>400萬～2 000萬t/a取>85～100分，2 000萬t/a以上取100分。

(4)

式中：X——生產能力，萬t/a。

生產能力分值曲線如圖2(b)所示。

(5)剩余服務年限。參考《智能化示范煤礦驗收管理辦法(試行)》中對礦井剩余服務年限的評分，采用連續函數式表示不同剩余服務年限的影響，具體參數由小樣本評價后擬合得出：

(5)

式中：x——剩余服務年限。

剩余服務年限分值曲線如圖2(c)所示。

(6)煤層條件。煤層條件包括煤層結構、煤層厚度和采煤臺階內煤層個數等，綜合影響選采工藝和設備型號的選擇[19]。其中，煤層結構指煤層有無夾矸，根據夾矸程度區分等級。夾矸系數如下所示：

Z1=(1-α)×100%

(6)

式中：α——夾矸率，取0～1。

煤層分為薄煤層(厚度0～<3.5 m)、中厚煤層(厚度3.5～10 m)和厚煤層(厚度>10 m)。將20 m高采煤臺階作為單位臺階，則單位臺階內煤層厚度Z2如式(7)所示：

(7)

式中：yi——煤層厚度；

n——單位臺階內煤層層數。

臺階系數取采煤臺階個數m的倒數：

(8)

則煤層條件評分公式得：

(9)

式中：xi——各項評分，評分超過100則取100。

(7)開采工藝。采用不同開采工藝，生產系統的復雜程度不同，直接導致智能化改造的難度也不同。可用如下分段函數表示開采工藝的影響，開采工藝分值曲線如圖2(d)所示。

(10)

(8)設備種類。設備主要可歸為穿爆、采裝、運輸和排棄4類，設備種類越多，生產系統的復雜程度越高。評分公式如下所示：

f(N)=120-5q

(11)

式中：q——設備種類總數，評分低于0則取0。

(9)信息化基礎。信息化基礎主要包括網絡通信、數據存儲設施，信息化軟件等，可根據專家現場調研對各項綜合打分。

(12)

2.2 智能化露天煤礦分類評價方法

智能化露天煤礦9個分類指標的權重分別為：工程地質10%、水文地質5%、煤層自燃傾向5%、生產規模20%、剩余服務年限28%、煤層條件8%、開采工藝10%、設備種類10%、信息化基礎4%，如圖3所示。智能化分類評價得分W見式(13)：

1—工程地質：2—水文地質；3—煤自燃傾向；4—生產規模；5—剩余服務年限；6—煤層條件；7—開采工藝；8—設備種類；9—信息化基礎。

(13)

式中：λi——指標權重；

wi——指標評價得分。

3 露天煤礦智能化分級評價

基于上述智能化露天煤礦技術架構和分層技術目標，將露天煤礦智能化建設內容劃分為信息基礎設施、智能設計系統、智能穿爆系統、智能工藝系統、智能生產輔助、智能綜合管控等6個一級指標，各一級指標下將各建設項目作為二級指標。露天煤礦智能化分級評價指標如圖4所示。

圖4 露天煤礦智能化分級評價指標

3.1 指標權重的確定

通過向煤礦技術人員和專家分發調查問卷的方式，收集評價數據，采用層次分析法[20]確定一級、二級指標權重。分級評價一級指標的權重分別為：信息基礎設施25%、智能設計系統15%、智能穿爆系統10%、智能工藝系統27%、智能生產輔助9%、智能綜合管控14%。

3.2 指標評價內容細則

(1)信息基礎設施。信息基礎設施是露天煤礦智能化建設的基礎，內容包括通信網絡、云數據中心2項。傳輸能力、網絡冗余、無線覆蓋、網絡隔離、工業防火墻、大容量儲存設備、云服務能力、統一數據標準等是評價信息基礎設施智能化水平的主要影響因素。評價指標、指標權重及建設目標見表2。

表2 信息基礎設施評價指標

(2)智能設計系統。露天煤礦實施智能化后開采速度變快、設計時間變短，加快設計和施工的需求變得更大，設備間的配合也變得更加靈活，生產中的隱患、風險也在增加。目前，行業內各單位都在進行智能化地質保障、智能化穿孔爆破設計、智能化采礦設計的研究，智能設計系統的突破對于加快開采速度、降低生產中的隱患、風險具有重大意義。基于以上智能設計系統要求，評價指標、指標權重及建設目標見表3。

表3 智能設計系統評價指標

(3)智能穿爆系統。在穿孔爆破施工過程中，由于礦區巖層的復雜性和不確定性，爆破設計參數一般基于以往經驗設計，主觀性較強；同時施工精度不足導致鉆孔坐標精度及深度未能達到設計要求，最終可能導致爆破效果與預期相差較大，甚至可能造成一定程度的經濟損失與重大安全事故。因此，采用智能穿爆系統在穿爆設備、裝藥車系統控制、穿爆作業管理等方面智能化提升作業效率和安全。基于上述智能穿爆系統的要求，智能穿爆系統評價指標、指標權重及建設目標見表4。

表4 智能穿爆系統評價指標

(4)智能工藝系統。受礦巖性質、礦體埋藏條件、地形、氣候等條件影響，不同露天煤礦會采用不同的開采工藝。我國現采用的主要開采工藝包括間斷開采工藝、半連續開采工藝、連續開采工藝和倒堆開采工藝，不同開采工藝下投入的設備種類存在差異。基于不同開采工藝，智能工藝系統評價指標、指標權重及建設目標見表5。

表5 智能工藝系統評價指標

(5)智能生產輔助。智能生產輔助包含維檢修、邊坡監測、排水供電等輔助系統及輔助設備，評價指標、指標權重及建設目標見表6。

61例患者中單發轉移瘤48例，同一肺葉存在≥2個轉移瘤13例。轉移瘤位于右肺上葉8例，右肺中葉3例，右肺下葉25例，左肺上葉7例，左下葉18例。全組患者轉移瘤平均直徑為3.03 cm，直徑≥3 cm 有26例，直徑<3 cm有35例(多發轉移瘤患者的腫瘤最大直徑取其中最大腫瘤的直徑計算)。61例患者中共有25例患者的胸部CT表現為毛刺樣、分葉狀、密度不均勻或厚壁空洞狀的不典型肺部轉移瘤表現，36例患者的胸部CT表現為多發但局限于同肺葉、大小不一、密度均勻、輪廓清楚的圓形或類圓形的較為典型的轉移病灶。

表6 智能生產輔助評價指標

(6)智能綜合管控。智能綜合管控目標是打造一個一體化管控平臺，平臺功能涵蓋生產調度管理和綜合運營管理兩方面。平臺打通管理孤島、數據孤島，覆蓋煤礦的管理決策、財務、生產、人力、物資、預算、安環、調度、項目管理等領域；建設智能化決策體系，實現經營數據、生產數據、績效數據、管理分析數據等實時展現，為經營決策提供參考、經營管理提供依據、生產提供數據、績效提供指導；制定、檢驗生產計劃，對歷史生產狀況回溯以及模擬開采。基于上述功能，評價指標、指標權重及建設目標見表7。

表7 智能綜合管控評價指標

3.3 智能化分級達成度評價

智能化分級達成度應充分考慮不同露天煤礦所處的分類等級，結合各評價指標建設程度進行綜合評價。達到初級建設目標的取60分，達到中級建設目標的取75分，完全達到高級建設目標的取90分。評價得分乘以權重后相加再乘以分類評價系數，最終得到智能化分級評價總分，如式(14)所示：

(14)

式中：ai——一級指標權重；

bj——二級指標權重；

xj——二級指標得分；

λ——分類評價系數，I、II、III三類分別取1.2、1.1和1.0。

4 結論

智慧露天煤礦建設是一個長期的過程，還需要加大技術研發力度和新技術集成應用力度，筆者僅針對智能化建設的分級分類評價做了一些探索性研究。

(1)依據目前露天煤礦和智能化技術現狀，建立了智能化露天煤礦技術架構，并基于智能化基礎設施、智能化設計、工藝設備智能化和智能化綜合管控4個智能化建設重點，提出智能化露天煤礦建設分層技術目標。

(2)從開采條件、經濟效益、智能化基礎3個方面選取工程地質、水文地質、煤層自燃傾向、生產規模、剩余服務年限、煤層條件、開采工藝、設備種類及信息化基礎9個指標，建立智能化露天煤礦分類指標體系并給出評價方法，分析各指標對開展智能化建設的不同影響及其影響大小。

(3)確立了信息基礎設施、智能設計系統、智能穿爆系統、智能設計系統、智能生產輔助和智能綜合管控等露天煤礦智能化分級評價6個一級指標及其二級指標，闡述各階段建設目標，給出各級指標權重，建立達成度數學模型，為量化評價露天煤礦智能化情況提供參考。