露天煤礦智慧礦山建設(shè)分析

宋 楠 ，梁新成

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.北礦智能科技有限公司，北京 102628）

長期以來，煤炭是我國主要的一次能源，其開采技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)次迭代。人工智能時(shí)代，智慧礦山將是礦山發(fā)展的主流趨勢。然而，礦山作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)見性也成為影響礦山開采智能化的主要因素之一。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，露天煤礦的無人開采在技術(shù)上已經(jīng)成為可能。在一些人力成本較高、相關(guān)技術(shù)成熟的國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)部分采區(qū)作業(yè)完全無人化。早在2013年，卡特彼勒公司牽頭，在所羅門鐵礦區(qū)試驗(yàn)了首批無人駕駛的礦用自卸卡車（簡稱礦卡），時(shí)至今日，運(yùn)行的卡車已經(jīng)超過50輛，累計(jì)運(yùn)輸量超過2億t。最近幾年，國外露天煤礦的智能開采更是取得階段性成果。2021年，澳大利亞力拓公司在西澳大利亞州建成一個(gè)真正意義上的無人礦山，整個(gè)生產(chǎn)過程由各種機(jī)器人、無人駕駛礦卡、無人鉆機(jī)及智慧物流系統(tǒng)完成，這是世界首個(gè)無人化的智慧礦山。無論從經(jīng)濟(jì)效益還是從安全生產(chǎn)角度來看，智能化無人化開采都是未來露天煤礦發(fā)展的主流趨勢。

1 我國露天煤礦開采工藝的發(fā)展歷程

新中國成立以來，我國露天煤礦開采工藝大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。第一階段為1949年至20世紀(jì)80年代早期，我國露天煤礦開采工藝以間斷工藝為主，其主要特點(diǎn)是采取單斗挖掘機(jī)配合鐵道運(yùn)輸。這一階段，露天煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力一般小于200萬t/a，產(chǎn)量較低且作業(yè)靈活性不高。第二階段以1987年平朔安太堡露天煤礦建成投產(chǎn)為標(biāo)志，我國露天煤礦開始進(jìn)入千萬噸級(jí)別，這一時(shí)期，開采工藝開始向連續(xù)工藝和半連續(xù)工藝轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)效率得到明顯提升。第三階段是2012年至今。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的普及，一些大型露天煤礦開始建設(shè)信息化管理平臺(tái)，基本實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)生產(chǎn)作業(yè)的智能化管控，如卡車的智能化調(diào)度、鉆機(jī)的高精度導(dǎo)航布孔等。

2 我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)現(xiàn)狀

2020年初，國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出由企業(yè)牽頭設(shè)立相關(guān)基金，結(jié)合當(dāng)前發(fā)展水平，分三階段逐步推進(jìn)我國煤礦智能化建設(shè)，力爭在2035年前建成完備的煤礦智能化生產(chǎn)體系，屆時(shí)煤炭的生產(chǎn)運(yùn)輸與使用將形成智能化、無人化、低碳化的生態(tài)圈。

2.1 配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

開展配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是建設(shè)露天煤礦智慧礦山的前提條件和有力保障。在國家產(chǎn)業(yè)升級(jí)的背景下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中心、5G基站、人工智能云計(jì)算平臺(tái)等基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目大量上馬，隨著配套基礎(chǔ)設(shè)施的完善，一些前期投入巨大、單個(gè)礦山無法承擔(dān)的技術(shù)平臺(tái)逐漸進(jìn)入露天煤礦智慧化領(lǐng)域。這無疑為今后全面建設(shè)無人化智慧礦山奠定了基礎(chǔ)。未來要充分利用我國基建優(yōu)勢和完備的工業(yè)體系，而后發(fā)的技術(shù)保障將成為我國智慧礦山與國際同行競爭的巨大優(yōu)勢。

2.2 主要煤炭產(chǎn)區(qū)建設(shè)試點(diǎn)工程

2020年，我國煤炭總產(chǎn)量為38.4億t。經(jīng)過數(shù)年的整合，我國煤炭行業(yè)已經(jīng)建成14個(gè)億噸級(jí)煤炭基地，徹底擺脫產(chǎn)能分散、技術(shù)落后的弊病。在這個(gè)大前提下，各主要煤炭產(chǎn)區(qū)都出臺(tái)了激勵(lì)政策。例如，山西省對(duì)于購置煤礦智慧化改造設(shè)備給出減免稅款的政策支持，同時(shí)與中國煤炭科工集團(tuán)有限公司等單位簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，進(jìn)一步推動(dòng)煤礦的智慧化。近年來，國家大力發(fā)展露天煤礦無人礦卡試點(diǎn)項(xiàng)目。2021年9月，世界首個(gè)極寒條件下露天煤礦5G無人駕駛礦卡項(xiàng)目在內(nèi)蒙古自治區(qū)試運(yùn)行，這也標(biāo)志著我國在露天煤礦無人開采技術(shù)上進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

2.3 以人為本的戰(zhàn)略方針

我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)本著以人為本的戰(zhàn)略方針，從需求出發(fā)對(duì)露天煤礦生產(chǎn)體系進(jìn)行智能化改造，由點(diǎn)到面逐步推進(jìn)礦山智能化工程。要優(yōu)先在高危礦山進(jìn)行智能化推廣，改善煤礦工人作業(yè)環(huán)境，提升生產(chǎn)效率，同時(shí)加大技術(shù)力量建設(shè)，夯實(shí)相關(guān)人才儲(chǔ)備，從根本上建設(shè)智能化露天煤礦生態(tài)圈。

3 我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)的制約因素

如圖1所示，露天煤礦智慧化的基本架構(gòu)主要由4個(gè)模塊組成，前端進(jìn)行測量建模，然后開展環(huán)境分析和智能化演算，以可視化平臺(tái)的方式將信息呈現(xiàn)給管理層。這個(gè)基本架構(gòu)衍生出豐富的智慧化體系。在前期建設(shè)過程中，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)一個(gè)或數(shù)個(gè)模塊進(jìn)行優(yōu)先開發(fā)建設(shè)，由現(xiàn)有設(shè)備輔助實(shí)現(xiàn)礦山的智能化管控。但是，我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)目前依然存在部分制約因素。

圖1 露天煤礦智慧化的基本架構(gòu)

3.1 主要裝備國產(chǎn)化程度低

我國首批現(xiàn)代化露天煤礦建設(shè)之初，大量進(jìn)口設(shè)備開始進(jìn)入我國露天煤礦。長期執(zhí)行國外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這使得智慧礦山建設(shè)中國有技術(shù)與進(jìn)口設(shè)備銜接困難，生產(chǎn)實(shí)踐中甚至出現(xiàn)很多技術(shù)糾紛。這一現(xiàn)象嚴(yán)重制約我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)。雖然近些年國產(chǎn)礦用設(shè)備發(fā)展勢頭迅猛，但是大噸位的礦卡、電鏟等關(guān)鍵設(shè)備仍主要依賴進(jìn)口。解決設(shè)備自主生產(chǎn)問題無疑是未來發(fā)展的重中之重。

3.2 礦用軟件開發(fā)程度低

在新一輪的煤礦智能化競爭中，軟件無疑居于關(guān)鍵地位。目前，與國外相比，我國礦用軟件仍相對(duì)落后。軟件開發(fā)前期投入大，后期收益慢，導(dǎo)致軟件開發(fā)企業(yè)對(duì)基礎(chǔ)礦業(yè)軟件的開發(fā)熱情低。這一現(xiàn)象嚴(yán)重制約了我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)。

3.3 開采環(huán)境較差

我國大型露天煤礦多分布在自然條件惡劣的區(qū)域，這就對(duì)智能化設(shè)備的維護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行提出更高的要求。一些露天煤礦采區(qū)存在安全隱患（如小煤窯盛行時(shí)期留下的空巷），更加劇了無人化生產(chǎn)的不穩(wěn)定性。

3.4 人力成本較低

相較于發(fā)達(dá)國家高昂的人力成本，我國工人薪酬一直維持在較低的水平，發(fā)展無人化采礦的經(jīng)濟(jì)效益不高，直接導(dǎo)致我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)步伐緩慢。這也從側(cè)面反映出國家政策層面保障露天煤礦智慧礦山建設(shè)的必要性。

4 結(jié)語

我國露天煤礦開采工藝經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，目前已基本實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)生產(chǎn)作業(yè)的智能化管控。但是，主要裝備國產(chǎn)化程度低，礦用軟件開發(fā)程度低，開采環(huán)境較差，人力成本較低，制約了我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)。未來，要結(jié)合我國露天煤礦智慧礦山建設(shè)現(xiàn)狀，加強(qiáng)配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在主要煤炭產(chǎn)區(qū)建設(shè)試點(diǎn)工程，堅(jiān)持以人為本的戰(zhàn)略方針，完善露天煤礦智慧化的基本架構(gòu)，穩(wěn)步推進(jìn)露天煤礦智慧礦山建設(shè)。