我國露天煤礦智能化建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.煤炭科學(xué)研究總院沈陽露天采礦技術(shù)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(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)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(shè)數(shù)據(jù)采集與傳輸通道、綜合管控平臺(tái)和智能化裝備等，將露天礦生產(chǎn)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和綜合管理系統(tǒng)等進(jìn)行集成、挖掘、推廣、共享和應(yīng)用，實(shí)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(chǎn)，提升露天煤礦綠色、安全、高效和智能化水平，確保碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下煤炭的穩(wěn)定供應(yīng)[2]。目前，煤礦智能化相關(guān)研究論文和報(bào)告層出不窮，但其中涉及露天煤礦智能化建設(shè)的內(nèi)容較為分散、系統(tǒng)性不強(qiáng)。為此，以內(nèi)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(guān)智能化露天礦山建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)意見、建設(shè)指南等為基礎(chǔ)，對(duì)其中涉及智能化露天煤礦的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行歸納、整理，厘清脈絡(luò)，為露天煤礦智能化建設(shè)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(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 現(xiàn)行國家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2016 年4 月7 日，為推動(dòng)實(shí)施能源“4 個(gè)革命，1個(gè)合作”的戰(zhàn)略思想，國家發(fā)展改革委員會(huì)、國家能源局聯(lián)合組織編制了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016－2030 年）》指出了要通過能源技術(shù)創(chuàng)新[3]，推進(jìn)能源技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，構(gòu)建一體化、智能化的能源技術(shù)體系。

2020 年2 月25 日，國家發(fā)展改革委、國家能源局和應(yīng)急部等8 部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（以下簡稱“指導(dǎo)意見”）。確定了分別以2021、2025 和2035 年為近期、中期和遠(yuǎn)期時(shí)間節(jié)點(diǎn)的發(fā)展目標(biāo)，系統(tǒng)性地明確了頂層設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、科技創(chuàng)新、智能改造、示范建設(shè)、綠色礦山、新一代信息技術(shù)、服務(wù)模式、人才培養(yǎng)和國際合作等10 個(gè)主要任務(wù)領(lǐng)域?！爸笇?dǎo)意見”的發(fā)布對(duì)智能化露天煤礦建設(shè)是一針強(qiáng)心劑。

2021 年6 月5 日，《智能化煤礦建設(shè)指南（2021年版）》正式發(fā)布，明確了從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，規(guī)范了露天煤礦智能化建設(shè)的目標(biāo)，分別突出了生產(chǎn)煤礦和新建露天煤礦的建設(shè)重點(diǎn)，明確了要實(shí)現(xiàn)開采環(huán)境數(shù)字化、采掘裝備智能化、生產(chǎn)過程遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和經(jīng)營管理信息化目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算、數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的智能開采目標(biāo)[4]。

通過國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息服務(wù)平臺(tái)查詢，涉及露天礦山智能化、智慧等字眼的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)和2021-04-09 公示的智能礦山建設(shè)規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 現(xiàn)行地方性標(biāo)準(zhǔn)

地方性智能化露天煤礦的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)地方性特點(diǎn)制定并發(fā)布的，體現(xiàn)了地方政府對(duì)國家政策的理解和地方煤礦特點(diǎn)的總體把控，我國露天煤礦大多集中于內(nèi)蒙、新疆和山西等地區(qū)，各地方政府響應(yīng)國家政策相繼出臺(tái)了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范。

1）內(nèi)蒙古自治區(qū)實(shí)施意見辦法及相關(guān)實(shí)施方案。2020 年6 月2 日，內(nèi)蒙古自治區(qū)能源局、發(fā)展和改革委員會(huì)等9 部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快全區(qū)煤礦智能化建設(shè)的實(shí)施意見》（以下簡稱“實(shí)施意見”），明確了分別以2021 年、2025 年和2035 年為近期、中期和遠(yuǎn)期時(shí)間節(jié)點(diǎn)的發(fā)展目標(biāo)[5]。2021 年4 月14 日，內(nèi)蒙古自治區(qū)能源局發(fā)布了關(guān)于《內(nèi)蒙古自治區(qū)煤礦智能化建設(shè)驗(yàn)收辦法（試行）》和《內(nèi)蒙古自治區(qū)煤礦智能化建設(shè)基本要求及評(píng)分方法（試行）》征求意見的公告，指出堅(jiān)持示范引領(lǐng)、分步建設(shè)、統(tǒng)籌推進(jìn)，加快提升煤礦各生產(chǎn)系統(tǒng)智能化作業(yè)能力[6]。內(nèi)蒙古自治區(qū)露天煤礦多、特點(diǎn)突出，對(duì)露天煤礦智能化制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、辦法等具有鮮明的延續(xù)性和先進(jìn)性。

2）新疆維吾爾自治區(qū)實(shí)施意見辦法及相關(guān)實(shí)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(yīng)急管理廳、煤礦安全監(jiān)察局等8 個(gè)部門制定了《自治區(qū)煤礦智能化建設(shè)實(shí)施方案》，推動(dòng)了本自治區(qū)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，明確了分4 個(gè)階段實(shí)施[7]，到2022 年底，露天煤礦固定崗位實(shí)現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)程控制，到2025 年底，全區(qū)煤礦基本完成智能化建設(shè)，到2030 年，基本建成智能感知、智能決策、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)智能化。新疆發(fā)布的實(shí)施方案緊緊圍繞國家八部委聯(lián)合發(fā)布的“指導(dǎo)意見”，因地制宜、科學(xué)布局自治區(qū)露天煤礦智能化的發(fā)展。

3）山西省實(shí)施意見辦法及相關(guān)實(shí)施方案。2020年5 月18 日，山西省能源局、發(fā)展和改革委員會(huì)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(shè)實(shí)施意見》，結(jié)合本省情況制定了以2022 年、2025年和2030 年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)的近期、遠(yuǎn)期目標(biāo)，全省建成智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的煤礦智能化體系[8]。2020 年12 月9 日，山西省科學(xué)技術(shù)廳發(fā)布了關(guān)于印發(fā)《煤礦智能化技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)中心建設(shè)實(shí)施意見》的通知，建設(shè)“1 個(gè)中心”、“2 個(gè)基地”和“3 個(gè)平臺(tái)”，組織開展重大前沿引領(lǐng)技術(shù)、共性關(guān)鍵技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)等戰(zhàn)略研究和技術(shù)開發(fā)，提升技術(shù)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(shí)施意見辦法及相關(guān)實(shí)施方案。其他主要產(chǎn)煤省份，如河南、安徽、山東等也都各自結(jié)合自身特點(diǎn)分別制定了智能化礦山建設(shè)的實(shí)施方案、實(shí)施意見和行動(dòng)方案。河南省2019 年9 月提出了《河南省煤礦智能化建設(shè)實(shí)施方案》，安徽省2020 年6 月發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的實(shí)施意見》，但所發(fā)布的實(shí)施方案、實(shí)施意見等為煤礦通用規(guī)范，依托于井工礦的標(biāo)準(zhǔn)，涉及露天煤礦的內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和相關(guān)辦法數(shù)量也不盡相同，露天煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)行地方規(guī)范如下：①DB37/T 2322—2013 智慧礦山建設(shè)規(guī)范（山東）；②DB41/T 1383—2017 智能煤礦建設(shè)規(guī)范（河南）；③DB14/T 2271—2015 智能化露天礦建設(shè)規(guī)范（山西）。山東及河南地方標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了露天煤礦智能化建設(shè)，但大都是局限于框架的搭建和術(shù)語的解釋，涉及露天煤礦具體條款較少。山西省針對(duì)露天礦專門制定了智能化建設(shè)規(guī)范[10]，為山西省露天煤礦智能化建設(shè)提供了框架和規(guī)范，也為全國露天煤礦智能化建設(shè)提供了借鑒。

2 智能化露天煤礦

國家從多個(gè)方面推動(dòng)搭建智能化煤礦研發(fā)平臺(tái)建設(shè)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器人研究院、試驗(yàn)中心、機(jī)器人協(xié)同創(chuàng)新中心，共同開展智能開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)，致力于解決煤礦智能化共性關(guān)鍵技術(shù)問題[11]。自國家相關(guān)政策制定以來，產(chǎn)出了一批關(guān)于智能化煤礦的相關(guān)論文研究和報(bào)告等，為我國智能化礦山建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

2.1 智能化露天煤礦建設(shè)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(shí)間起點(diǎn)，截止2021 年6 月末，各年關(guān)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(yīng)急部、國家煤礦安監(jiān)局等8 部委聯(lián)合發(fā)布“指導(dǎo)意見”前后，相關(guān)研究數(shù)量呈激增狀態(tài)，且露天煤礦研究占比整個(gè)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(shè)研究關(guān)鍵點(diǎn)及內(nèi)容

對(duì)露天煤礦智能化建設(shè)方面關(guān)鍵字大致集中于GPS、無人駕駛、智能礦山、卡車調(diào)度、智能設(shè)計(jì)、數(shù)字礦山、管控平臺(tái)、鉆孔、自動(dòng)化、5G、網(wǎng)絡(luò)安全、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)駕駛等，分布較廣但數(shù)量不多。露天煤礦智能化研究關(guān)鍵字統(tǒng)計(jì)如圖2。

圖2 露天煤礦智能化研究關(guān)鍵字統(tǒng)計(jì)

1）智能化管控平臺(tái)?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)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(wǎng)平臺(tái)和綜合管控平臺(tái)，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系實(shí)現(xiàn)集安監(jiān)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、智能經(jīng)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(shè)計(jì)。露天煤礦智能化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在三維地質(zhì)模型、三維采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，其中，三維地質(zhì)建模依據(jù)地質(zhì)報(bào)告、采用現(xiàn)行三維建模軟件進(jìn)行地質(zhì)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(jī)航測等技術(shù)）用于地表建模，實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)更新[14]；三維采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)礦體模型與開采方案的交叉顯示、實(shí)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(jī)、智能裝藥車等，目前智能化鉆機(jī)已在準(zhǔn)能公司黑岱溝礦得到了應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航的功能，可精準(zhǔn)定位各個(gè)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(yùn)、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(jìn)行智能化升級(jí)改造，單斗－卡車工藝建立安全預(yù)警平臺(tái)、多機(jī)協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)、智能調(diào)度、無人駕駛系統(tǒng)和電鏟遠(yuǎn)程遙控等，其中無人駕駛系統(tǒng)在華能伊敏露天礦，準(zhǔn)能公司黑岱溝、哈爾烏素露天礦，平朔集團(tuán)東露天、安家?guī)X、安太堡露天礦均得到了應(yīng)用，半連續(xù)工藝建立破碎站、帶式輸送機(jī)和排土機(jī)等智能控制系統(tǒng)，與卡車調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，保證卡車卸載與破碎站、帶式輸送機(jī)等達(dá)到綜合效率最大化，帶式輸送機(jī)同時(shí)還實(shí)現(xiàn)全線的機(jī)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(jī)智能控制系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)環(huán)境、物料參數(shù)、計(jì)劃下達(dá)等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)智能作業(yè)，吊斗鏟倒堆工藝目前國內(nèi)僅在準(zhǔn)能公司得到應(yīng)用，與拋擲爆破相關(guān)聯(lián)，建立1 套智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穿爆、采排的各環(huán)節(jié)的智能作業(yè)。

3 結(jié)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(dǎo)意見”前后，相關(guān)研究數(shù)量呈激增狀態(tài)，露天煤礦研究占比整個(gè)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(tái)的建設(shè)、智能化設(shè)計(jì)、智能化工藝及設(shè)備等方面，尤其側(cè)重于無人駕駛、卡調(diào)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標(biāo)不明確、各企業(yè)發(fā)展目標(biāo)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(shè)發(fā)展主要趨勢應(yīng)為“地、測、采”、“穿、爆、采、運(yùn)、排”和“管控、調(diào)度”等多專業(yè)、多環(huán)節(jié)全數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)采集與處理、智能化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步深入、智能化設(shè)備的全覆蓋、數(shù)字化交付常態(tài)化等，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦山的智能設(shè)計(jì)與智能化運(yùn)營一體化管控。