信息化技術(shù)在黑岱溝露天礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

宋天仁

（神華和利時(shí)信息技術(shù)有限公司，北京 100011）

處于從傳統(tǒng)社會(huì)走向全面信息社會(huì)的大變革時(shí)代，跨行業(yè)的融合都在發(fā)生著巨大的改變，不斷從工業(yè)文明走向信息文明[1]。隨著近些年信息化技術(shù)和采礦技術(shù)的不斷進(jìn)步，露天礦山充分利用互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、采礦設(shè)備、人員等連結(jié)在一起，實(shí)現(xiàn)信息化技術(shù)與露天礦山安全生產(chǎn)系統(tǒng)深度融合，已進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性階段。如露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)，伴隨著衛(wèi)星空間定位、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)軟件、地理信息以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，卡車調(diào)度系統(tǒng)不再局限于卡車方面的應(yīng)用，而是拓展到安全預(yù)警、機(jī)械自控、設(shè)備監(jiān)控等露天礦山生產(chǎn)和技術(shù)的方方面面，形成一套完善的采礦生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)平臺(tái)[2]。以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的信息技術(shù)，與露天采礦技術(shù)深度融合已成為露天礦山發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 礦山概況

黑岱溝露天煤礦隸屬于國(guó)家能源集團(tuán)神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行施工的特大型露天煤礦。

2019 年生產(chǎn)商品煤2 817 萬(wàn)t，平均日生產(chǎn)商品煤7.7 萬(wàn)t，完成巖石、黃土剝離物20 370 萬(wàn)m3，平均日剝離量55.8 萬(wàn)m3。擁有斗容90 m3的拉斗鏟1臺(tái)，大型礦用電鏟15 臺(tái)，電動(dòng)輪裝載機(jī)3 臺(tái)，大型鉆機(jī)12 臺(tái)，載重154～363 t 的9 種型號(hào)電動(dòng)輪自卸卡車92 臺(tái)，以及其他工程設(shè)備229 臺(tái)，外委施工單位不同型號(hào)的鏟裝和運(yùn)輸設(shè)備600 多臺(tái)，設(shè)備數(shù)量多，運(yùn)輸?shù)缆奋嚵髅芏却?，生產(chǎn)任務(wù)重，安全壓力極大。

近年來(lái)，黑岱溝露天煤礦不斷推進(jìn)信息化建設(shè)，上線各類信息化系統(tǒng)，成為了繁重安全生產(chǎn)任務(wù)順利完成的保障。

2 應(yīng)用情況

2.1 采礦設(shè)計(jì)方面

地測(cè)與生產(chǎn)三維系統(tǒng)：采用激光掃描儀和自身攜帶有數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字彩色攝像機(jī)等設(shè)備，與獲取地表信息，取高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)，生成三維可視化數(shù)據(jù)的航測(cè)無(wú)人機(jī)，可高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確地完成采場(chǎng)各作業(yè)面、各排土場(chǎng)地形測(cè)量，建立地表三維模型。工程技術(shù)人員在三維模型上可以進(jìn)行采場(chǎng)、排土場(chǎng)方案設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確安排月度生產(chǎn)計(jì)劃，使采礦設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，提高了工作效率和設(shè)備使用效率。

2.2 爆破方面

爆破是露天開(kāi)采的首要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，爆破效果的好壞直接關(guān)系到后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率和成本。黑岱溝露天煤礦創(chuàng)造性的在我國(guó)采用拋擲爆破拉斗鏟倒堆剝離為主的綜合開(kāi)采新工藝，拋擲爆破技術(shù)應(yīng)用的好壞將對(duì)拉斗鏟倒堆工藝應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生巨大影響[3]，爆破對(duì)生產(chǎn)組織、成本控制是重中之重。

黑岱溝露天煤礦倒堆剝離實(shí)體采寬60～80 m，倒堆剝離臺(tái)階高度為40～55 m。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模、設(shè)備規(guī)格及其能力計(jì)算，一次拋擲爆破炮區(qū)的長(zhǎng)度一般為300～600 m[4]。一次爆破巖石量200 萬(wàn)m3左右，進(jìn)行如此大規(guī)模的拋擲爆破，為了確保爆破的安全和拋擲效果，采用了高精度鉆孔、精準(zhǔn)測(cè)孔裝藥等先進(jìn)技術(shù)做保障，精準(zhǔn)鉆孔、裝藥示意圖如圖1。

圖1 精準(zhǔn)鉆孔、裝藥示意圖

穿孔設(shè)備應(yīng)用高精定位技術(shù)的主要作用是能夠根據(jù)鉆孔計(jì)劃精確定位目標(biāo)孔位，并且能夠?yàn)殂@機(jī)司機(jī)提供目標(biāo)孔位的導(dǎo)航[5]?；诒倍犯呔鹊亩ㄎ患夹g(shù)，利用定位主機(jī)和智能布孔軟件，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)智能布孔定位和自動(dòng)導(dǎo)航等功能，精確度小于5 cm。采用履帶式機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)，完成炮孔位置智能巡航，自動(dòng)找孔并對(duì)準(zhǔn)孔位后，孔深測(cè)量?jī)x自動(dòng)測(cè)量孔深、水深及孔底溫度。通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。多功能現(xiàn)場(chǎng)炸藥混裝車，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器自動(dòng)獲取炮孔數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)計(jì)算炮孔裝藥種類和數(shù)量，裝藥結(jié)束后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器。精準(zhǔn)的數(shù)碼電子雷管、鉆孔和裝藥有效地提高了爆破質(zhì)量。

2.3 安全方面

露天礦山作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)輸?shù)缆非闆r復(fù)雜，上下坡道、彎道、交叉路口較多，加之，大型運(yùn)輸卡車盲區(qū)范圍大，車流密度大，卡車運(yùn)輸是露天礦山安全管理的重要環(huán)節(jié)，特別是卡車與卡車、卡車與指揮車相撞極易造成人員傷亡，而且每起事故財(cái)產(chǎn)損失較大。近幾年，先后在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的大型運(yùn)輸卡車、工程設(shè)備、指揮車安裝了卡車防碰撞系統(tǒng)，有效地降低了因卡車碰撞造成的事故。

卡車防碰撞系統(tǒng)，主要由雷達(dá)傳感器，通過(guò)天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻信號(hào)，并接受目標(biāo)的反射信號(hào)，根據(jù)反射回的信號(hào)頻譜得出目標(biāo)的距離和速度等信息。雷達(dá)傳感器就像在每臺(tái)卡車安裝了眼睛，能夠感知運(yùn)輸?shù)缆飞险系K物或行駛車輛的遠(yuǎn)近距離，比人眼目測(cè)要精確多了。防撞預(yù)警器，遠(yuǎn)距離時(shí)為雷達(dá)防撞主板提供對(duì)方車輛的GPS 數(shù)據(jù)及車速，為雷達(dá)防撞主板計(jì)算對(duì)方車輛軌跡提供數(shù)據(jù)，同時(shí)提示司機(jī)注意相關(guān)車輛。雷達(dá)防撞主板，接受雷達(dá)傳感器及防撞預(yù)警器數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算及判斷，控制剎車系統(tǒng)進(jìn)行有效的剎車控制。實(shí)質(zhì)上就是雷達(dá)防撞主板根據(jù)雷達(dá)傳感器測(cè)得車輛自身速度，得出安全距離，利用此安全距離和雷達(dá)測(cè)得的對(duì)方車輛或障礙物距離比較，當(dāng)雷達(dá)測(cè)得的距離小于安全距離時(shí)，雷達(dá)防撞主板給出剎車信號(hào)，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)牽動(dòng)剎車制動(dòng)踏板進(jìn)行剎車。司機(jī)疲勞預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)全天候監(jiān)測(cè)駕駛員面部表情特征，實(shí)現(xiàn)疲勞狀態(tài)的非接觸識(shí)別，并在司機(jī)疲勞瞌睡時(shí)自動(dòng)報(bào)警，達(dá)到警示司機(jī)稍作休息，避免疲勞駕駛，同時(shí)，報(bào)警會(huì)自動(dòng)上傳，便于車隊(duì)管理。

爆破震動(dòng)效應(yīng)對(duì)露天礦邊坡的穩(wěn)定性具有很大的影響，拋擲爆破一次裝藥量大，爆破能量大，這種作用更加突出[3]。拋擲爆破臺(tái)階邊坡角約70°，邊坡長(zhǎng)度65 m 左右，邊坡的穩(wěn)定性關(guān)系到，在邊坡下部從事采煤作業(yè)的電鏟、卡車、爆破工等人員和設(shè)備的安全。邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)、差分相位干涉測(cè)量技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和永久散射體技術(shù)等國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)集成，通過(guò)設(shè)置雷達(dá)系統(tǒng)，全天候進(jìn)行掃描實(shí)時(shí)檢測(cè)，將數(shù)據(jù)適時(shí)回傳，大于設(shè)定邊坡移動(dòng)數(shù)據(jù)范圍，適時(shí)報(bào)警，及時(shí)撤出作業(yè)人員和設(shè)備。10 多年來(lái)，多次邊坡體滑落，都進(jìn)行了提前預(yù)警，未造成人員和設(shè)備的損傷。

2.4 成本方面

輪胎和柴油的消耗是露天礦山成本管控的重點(diǎn)，最大限度延長(zhǎng)輪胎使用壽命，降低柴油消耗是成本管理的目標(biāo)。而輪胎的壽命除與鏟裝現(xiàn)場(chǎng)和運(yùn)輸?shù)缆酚嘘P(guān)以外，還與輪胎的壓力、溫度有著重要的關(guān)系?？ㄜ嚭凸こ誊囕v，在生產(chǎn)過(guò)程中，柴油的消耗量非常大。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，建設(shè)了卡車輪胎在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和燃油監(jiān)控管理系統(tǒng)。

卡車輪胎在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在輪胎內(nèi)安裝輪胎傳感器，實(shí)時(shí)采集輪胎壓力和溫度數(shù)據(jù)，完成輪胎車內(nèi)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，保證了礦內(nèi)作業(yè)的92 臺(tái)卡車，552條輪胎始終在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

燃油監(jiān)控管理系統(tǒng)，主要包括燃油系統(tǒng)管理平臺(tái)、油槽車管理子系統(tǒng)和受油設(shè)備管理子系統(tǒng)3 個(gè)部分。在油槽車、受油設(shè)備安裝了相應(yīng)的軟硬件。在油槽車駕駛室中安裝車載終端模塊和車載控制模塊，側(cè)邊安裝受油設(shè)備身份識(shí)別裝置，出油口安裝有電磁閥和流量計(jì)；在受油設(shè)備上安裝抗金屬標(biāo)簽，進(jìn)行車輛身份識(shí)別，每個(gè)司機(jī)都有身份卡，進(jìn)行人員身份識(shí)別，在油箱中安裝液位計(jì)，在駕駛室中安裝液位驅(qū)動(dòng)器，將液位數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)終端。礦內(nèi)的92 臺(tái)卡車，23 臺(tái)油槽車全部納入燃油監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行管控。

3 應(yīng)用效果與分析

1）卡車輪胎在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。卡車輪胎在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2019 年6 月完成初驗(yàn)，開(kāi)始在92 臺(tái)卡車進(jìn)行使用，取得效果明顯。輪胎氣壓是影響輪胎壽命的重要因素，胎壓過(guò)高過(guò)低對(duì)輪胎都有不利的影響，胎溫急劇升高，輪胎容易出現(xiàn)熱剝離的現(xiàn)象[6]。2018 年1—8 月，熱剝離的輪胎為50 條，2019 年同期熱剝離的輪胎為36 條，減少14 條。按照每條輪胎30 萬(wàn)元的價(jià)格計(jì)算，節(jié)約成本420 萬(wàn)元。此外，系統(tǒng)應(yīng)用后，輪胎異常狀態(tài)可實(shí)時(shí)顯示，維修人員對(duì)溫度和壓力有異常的少數(shù)輪胎進(jìn)行點(diǎn)檢維修，據(jù)統(tǒng)計(jì)維修人員點(diǎn)檢維修效率提高78.80%，設(shè)備的出動(dòng)率提高了3.60%。

2）精準(zhǔn)鉆孔和裝藥系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用為現(xiàn)場(chǎng)鉆孔作業(yè)和炸藥裝填提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，提高了爆破質(zhì)量，降低了炸藥消耗量。每個(gè)炮孔的裝藥時(shí)間較過(guò)去節(jié)約3 min，裝藥效率提高25%，炸藥廠每年節(jié)約人工和運(yùn)行費(fèi)用約180 萬(wàn)元。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，拋擲爆破的裝藥量每年可節(jié)約860 t 左右，按每噸炸藥4 500元的成本價(jià)格計(jì)算，每年節(jié)約成本387 萬(wàn)元。同時(shí)，精準(zhǔn)鉆孔確保了爆破設(shè)計(jì)的孔距、排距以及孔深的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步改善了爆破的效果。為后續(xù)電鏟裝車創(chuàng)造了便利條件，有效降低剝離綜合成本。

3）GPS 卡車智能調(diào)度系統(tǒng)。GPS 卡車智能調(diào)度系統(tǒng)正常使用后，優(yōu)化了卡車的生產(chǎn)線路，提高了運(yùn)行效率。較以往每日同等產(chǎn)量的情況下，可減少2～3 臺(tái)車的運(yùn)行。按照每臺(tái)車每月耗油50 t 計(jì)，每年節(jié)約柴油至少1 200 t，其成本降低約792 萬(wàn)元。同時(shí)，調(diào)度值班員能夠高效協(xié)調(diào)與組織生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)卡車與電鏟的最優(yōu)分配。

4）卡車防碰撞系統(tǒng)。露天礦山的路況復(fù)雜，運(yùn)輸車輛種類繁多，因此運(yùn)輸過(guò)程是安全生產(chǎn)的重要管控對(duì)象。此前，由于卡車相撞事故，造成了人員傷亡與嚴(yán)重的設(shè)備損失?？ㄜ嚪琅鲎蚕到y(tǒng)上線以來(lái)，有效地避免了卡車碰撞事故的發(fā)生。自2017 年以來(lái)，未發(fā)生卡車與卡車、卡車與工程設(shè)備以及指揮車輛的碰撞事故。通過(guò)這一信息化措施，延伸了人員的避險(xiǎn)能力，提升了安全管理的水平[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)出現(xiàn)，礦山數(shù)字化與智能化深入發(fā)展，智能礦山必將成為未來(lái)露天煤礦發(fā)展的趨勢(shì)?，F(xiàn)代信息化技術(shù)在露天煤礦的應(yīng)用，提高了從采煤設(shè)計(jì)、穿孔爆破、采裝、運(yùn)輸、排土全過(guò)程的運(yùn)行效率，提升了人員設(shè)備的安全保障能力，有效地降低了生產(chǎn)成本，提高了露天煤礦整體創(chuàng)新能力和技術(shù)水平，保證了管理決策更科學(xué)、更便捷，有力推進(jìn)了礦山管理的現(xiàn)代化，為今后智能礦山的建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。