平朔東露天礦智能化礦山建設(shè)的研究與應(yīng)用

李亞林，寧 浩 ，李金典 ，韓 猛

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司 東露天礦，山西 朔州 036000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

煤炭工業(yè)的飛速發(fā)展為智能開(kāi)采打下了良好的基礎(chǔ)。而智能開(kāi)采在5G 通信和精確傳感等技術(shù)的逐步發(fā)展中，已成為煤礦進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要手段，智慧礦山逐步成為我國(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)的前沿發(fā)展方向[1]。為從根本上提升煤礦產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色與可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo)，通過(guò)智能化高新技術(shù)促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)顯得尤為重要[2]。因此，為解決當(dāng)前煤炭工業(yè)面臨的問(wèn)題及發(fā)展需要，建設(shè)智能煤礦、發(fā)展智能化開(kāi)采成為了必然選擇，而露天礦相較于井工礦更適合開(kāi)展智慧化、現(xiàn)代化礦山建設(shè)[3－4]。我國(guó)智能化開(kāi)采技術(shù)相較于國(guó)外起步較晚，但在穿孔爆破、模型更新等領(lǐng)域有了一定的突破，并一定程度上實(shí)現(xiàn)了功能的單一或幾個(gè)聯(lián)合模塊的數(shù)據(jù)化管控。山煤集團(tuán)霍爾辛赫煤礦在智慧礦山系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)容和功能等方面進(jìn)行了實(shí)踐，智慧礦山系統(tǒng)的應(yīng)用有效提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化，達(dá)到了降本增效的目的[5]。皖北煤電集團(tuán)麻地梁煤礦在頂層設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、創(chuàng)新管理、數(shù)據(jù)治理等方面開(kāi)展了智慧礦山體系的建設(shè)，在生產(chǎn)過(guò)程智能化、安全監(jiān)控?cái)?shù)字化、企業(yè)管理信息化、信息管理集成化等方面逐步向礦山智慧化邁進(jìn)[6]；白音華三號(hào)礦基于開(kāi)采工藝和信息化建設(shè)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了智慧礦山1 個(gè)智慧管控平臺(tái)、4 個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)構(gòu)架，并提出建設(shè)智慧礦山的3 個(gè)階段的建設(shè)思路，為推動(dòng)我國(guó)露天礦信息化、智慧化和現(xiàn)代化建設(shè)做出了實(shí)踐[7]。隨著我國(guó)露天煤礦對(duì)智慧礦山建設(shè)的不斷探索，在網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)、生產(chǎn)過(guò)程管控、無(wú)人駕駛等方面取得了大量成果，但在智慧礦山建設(shè)上仍存在智能化及信息化標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、多學(xué)科交叉應(yīng)用不充分、重硬件輕軟件、信息孤島化嚴(yán)重、高新技術(shù)人才稀缺、自動(dòng)化及感知范圍不足、未形成統(tǒng)一綜合管控平臺(tái)等問(wèn)題[8-9]。為此，中煤平朔集團(tuán)東露天礦針對(duì)信息基礎(chǔ)設(shè)施、礦山設(shè)計(jì)、智能穿爆、礦山工程、智能輔助、管理與決策、智能化園區(qū)、智能化選煤廠等方面對(duì)智能化礦山建設(shè)進(jìn)行。

1 平朔東露天礦智能化礦山體系建設(shè)

平朔東露天礦以智能化建設(shè)為抓手，以安全、高效、智能、綠色發(fā)展為目標(biāo)，使智能化基礎(chǔ)支持系統(tǒng)、智能化設(shè)備工藝系統(tǒng)、智能化綜合管理系統(tǒng)得以有機(jī)匯接，實(shí)現(xiàn)礦山工業(yè)的分布式協(xié)同工作，在安全保障、高效生產(chǎn)、綠色環(huán)保3 個(gè)方面取得了良好效益，帶動(dòng)礦山安全高效生產(chǎn)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益持續(xù)提高，為高質(zhì)量發(fā)展提供了強(qiáng)大技術(shù)支撐。東露天礦智能化建設(shè)內(nèi)容概覽圖如圖1。

圖1 平朔東露天礦智能化建設(shè)內(nèi)容概覽圖

1.1 智能化基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)

1）平朔東露天礦已建成的通信網(wǎng)絡(luò)高速可靠并能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)、文件、視頻等快速傳輸，滿足智能化礦山建設(shè)具備網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境的需求。核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用3 層交換機(jī)，5G 網(wǎng)絡(luò)目前主要覆蓋東露天礦南幫1260 平盤(pán)至東西向的爆破、采裝、運(yùn)輸、排土等作業(yè)區(qū)域。

2）平朔數(shù)據(jù)中心已部署3 臺(tái)超融合一體機(jī)、2 臺(tái)業(yè)務(wù)接入交換機(jī)、2 臺(tái)存儲(chǔ)交換機(jī)，重要的數(shù)據(jù)與服務(wù)器均采用冗余配置，具有結(jié)構(gòu)化或者非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，具備專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、虛擬化軟件、防病毒軟件。

3）平朔東露天礦管控一體化平臺(tái)具備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)決策、安全管理和設(shè)備控制統(tǒng)一協(xié)調(diào)管控的條件，支持大屏顯示、PC 端顯示、筆記本電腦顯示，現(xiàn)已完成平臺(tái)功能的開(kāi)發(fā)和全部22 個(gè)子系統(tǒng)的接入。

4）平朔智能調(diào)度指揮中心協(xié)調(diào)管控露天礦現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，并對(duì)各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，具備智能化指揮、調(diào)度、管控、辦公、培訓(xùn)、展示等功能。同時(shí)建設(shè)辦公自動(dòng)化管理系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)、EAM 系統(tǒng)，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)交互。東露天礦智能化基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)概覽圖如圖2。

圖2 東露天礦智能化基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)概覽圖

1.2 智能化設(shè)備及工藝系統(tǒng)

1）已建設(shè)鉆機(jī)無(wú)人值守技術(shù)研究與應(yīng)用項(xiàng)目，以智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為鉆機(jī)遠(yuǎn)程遙控和無(wú)人駕駛的中樞系統(tǒng)，通過(guò)環(huán)境感知技術(shù)、精準(zhǔn)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警、故障智能診斷、故障預(yù)測(cè)功能，在遠(yuǎn)程操作鉆機(jī)駛的情況下能夠完成鉆機(jī)的運(yùn)行、鉆孔和水平找正等操作，完成無(wú)人值守下的布孔工作。

2）無(wú)人值守鉆機(jī)利用精準(zhǔn)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位鉆孔，并結(jié)合傾角儀、深度檢測(cè)系統(tǒng)、激光測(cè)距傳感器和振動(dòng)傳感器獲取當(dāng)前炮孔傾角、鉆孔深度、阻力情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整自動(dòng)鉆孔的姿態(tài)。

3）已建設(shè)爆破遠(yuǎn)程監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)，在礦坑南北幫較高位置處各部署1 臺(tái)超長(zhǎng)焦距熱成像雙光譜云臺(tái)槍機(jī)，對(duì)爆破區(qū)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)和現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)后臺(tái)人形偵測(cè)和移動(dòng)檢測(cè)算法判定是否有人或者移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入爆破警戒區(qū)域。

4）智能調(diào)度管理系統(tǒng)、大型設(shè)備安全預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)高精度組合慣導(dǎo)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)單斗挖掘機(jī)智能精準(zhǔn)定位、軌跡回放；單斗挖掘機(jī)的電控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能耗監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)異常報(bào)警、故障診斷、故障預(yù)測(cè)功能。

5）車(chē)輛防撞預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)卡車(chē)防碰撞安全保障功能；大型設(shè)備安全預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)卡車(chē)防疲勞駕駛、超速報(bào)警安全保障功能；礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)改造項(xiàng)目的故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)卡車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)異常報(bào)警、故障診斷、故障預(yù)測(cè)功能。

6）卡車(chē)智能調(diào)度管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)精確計(jì)量、調(diào)度—終端通信、高精地圖顯示、軌跡回放、調(diào)度圖表、統(tǒng)計(jì)查詢、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析報(bào)告等功能；礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)改造項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)智能配車(chē)、高精地圖顯示、路徑智能規(guī)劃、智能導(dǎo)航等功能。

7）已建設(shè)礦用卡車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)改造項(xiàng)目，無(wú)人礦卡系統(tǒng)通過(guò)V2C 通信，自主沿著規(guī)劃好的路徑向任務(wù)指定地點(diǎn)行駛，在行駛的過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行障礙物檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，自動(dòng)規(guī)劃局部最優(yōu)路徑進(jìn)行安全避障行駛；實(shí)現(xiàn)“1＋7＋13”即1 臺(tái)電鏟、7 臺(tái)無(wú)人礦卡、13 臺(tái)輔助作業(yè)設(shè)備的協(xié)同作業(yè)功能，完成1 臺(tái)套作業(yè)設(shè)備的全面測(cè)試與工業(yè)化運(yùn)行。

8）推土機(jī)的電控系統(tǒng)能夠?qū)ζ渥陨碓O(shè)備構(gòu)件及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)其傳動(dòng)、制動(dòng)、液壓等系統(tǒng)的相關(guān)部位實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，進(jìn)一步向自主保護(hù)、遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控等方面探索。平朔東露天礦智能化設(shè)備及工藝系統(tǒng)概覽圖如圖3。

圖3 平朔東露天礦智能化設(shè)備及工藝系統(tǒng)概覽圖

1.3 智能化綜合管理系統(tǒng)

1）已建成EAM 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)、Linkone 系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備維修、材料消耗、設(shè)備運(yùn)維和配件庫(kù)存信息管理、輔助分析。

2）ERP 系統(tǒng)、法律系統(tǒng)、主數(shù)據(jù)平臺(tái)、采購(gòu)一體化（原電子商務(wù)系統(tǒng)）、可視化管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)銷(xiāo)售和采購(gòu)、資金信息和經(jīng)營(yíng)指標(biāo)、投資和成本信息管理、輔助分析。

3）雙預(yù)控系統(tǒng)、綜合信息集成平臺(tái)、煤炭監(jiān)管信息平臺(tái)、ERP 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)信息、經(jīng)營(yíng)信息和人力資源信息管理。東露天智能化綜合管理系統(tǒng)概覽圖如圖4。

圖4 東露天智能化綜合管理系統(tǒng)概覽圖

2 智能化建設(shè)效益分析

東露天礦智能化礦山建設(shè)效益主要體現(xiàn)在安全保障、高效生產(chǎn)、綠色環(huán)保3 個(gè)方面。

1）安全保障。管理與決策方面，風(fēng)險(xiǎn)管控與隱患排查系統(tǒng)通過(guò)專項(xiàng)安全檢查和常態(tài)巡檢，全過(guò)程參與完成現(xiàn)場(chǎng)安全隱患的信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、排查整改和隱患消除等閉環(huán)跟蹤與管理。機(jī)電設(shè)備安全方面，單斗挖掘機(jī)電控系統(tǒng)、車(chē)輛防碰撞系統(tǒng)、推土機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷；卡車(chē)智能調(diào)度系統(tǒng)，無(wú)人駕駛技術(shù)具備自動(dòng)避障及控制能力。環(huán)境安全方面，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并具備預(yù)警報(bào)警功能。

2）高效生產(chǎn)。管理與決策方面，綜合管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中的各種綜合數(shù)據(jù)上報(bào)至生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理部，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的全局管控。穿爆方面，實(shí)現(xiàn)鉆孔智能精準(zhǔn)定位，鉆機(jī)無(wú)人值守常態(tài)化使用。運(yùn)輸排土方面，具備單斗挖掘機(jī)-無(wú)人駕駛卡車(chē)協(xié)同作業(yè)功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸排土的智能與高效。供電方面，變電所實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控以及無(wú)人值守，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)智能控制。排水方面，排水泵站具備集中監(jiān)控、無(wú)人值守功能。

3）綠色環(huán)保。排水泵站具有水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能和根據(jù)水位情況自動(dòng)選擇水泵啟停，提高礦山疏干效率，降低耗電量。無(wú)人智能變電站具備智能開(kāi)關(guān)和關(guān)鍵負(fù)荷電纜的測(cè)溫報(bào)警功能，提高礦山電能利用率。

3 結(jié)語(yǔ)

平朔東露天礦在基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、設(shè)備及工藝系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)3 個(gè)方面積極推動(dòng)智能化礦山建設(shè)，在安全保障、高效生產(chǎn)、綠色環(huán)保3 個(gè)方面充分體現(xiàn)了應(yīng)用效益，為高質(zhì)量發(fā)展提供了強(qiáng)大技術(shù)支撐。東露天礦在智能化建設(shè)上的研究與應(yīng)用，在智慧化礦山建設(shè)道路上進(jìn)行了深入探索，為國(guó)內(nèi)智能化礦山建設(shè)形成了示范作用。