露天礦山智能化評價(jià)體系研究

郭英杰

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

2021 年4 月自然資源部發(fā)布《智能礦山建設(shè)規(guī)范》征求意見，其中對智能礦山的定義為：在地質(zhì)測量、資源管理、采礦生產(chǎn)、選礦加工、運(yùn)輸倉儲(chǔ)等方面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化管控的現(xiàn)代化礦山。王國法院士等[1-7]提出煤礦智能化（初級(jí)階段）技術(shù)體系以及智能化煤礦分類、分級(jí)評價(jià)指標(biāo)體系，但研究內(nèi)容同主要側(cè)重于井工煤礦；張瑞新等[8]提出智慧露天礦山建設(shè)基本框架及體系設(shè)計(jì)；應(yīng)急管理部信息研究院付恩三等[9]提出智慧露天礦山總體框架及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。上述學(xué)者總結(jié)凝練智能露天礦山的總體架構(gòu)，但并未對露天礦智能化的評價(jià)體系做深入及總結(jié)。2020 年自然資源部下發(fā)建設(shè)綠色礦山評價(jià)指標(biāo)，分別從礦區(qū)環(huán)境、資源開發(fā)方式、資源綜合利用、節(jié)能減排、科技創(chuàng)新與智能礦山、企業(yè)管理與企業(yè)形象6 個(gè)方面對綠色礦山建設(shè)水平進(jìn)行評分，一共涵蓋105 個(gè)指標(biāo)，總分1 000 分。基于此，開展露天礦山智能化評價(jià)體系的研究[10-16]。

1 露天礦智能化生產(chǎn)系統(tǒng)評價(jià)體系

露天礦智能化生產(chǎn)系統(tǒng)評價(jià)體系主要涵蓋：地質(zhì)基礎(chǔ)指標(biāo)、信息基礎(chǔ)指標(biāo)、綠色開采指標(biāo)以及智能系統(tǒng)指標(biāo)，4 大類指標(biāo)細(xì)分后，分成地質(zhì)、測量、穿爆、采運(yùn)排（采掘、運(yùn)輸、排土）、維修、安全輔助、基礎(chǔ)設(shè)施以及綠色開采等8 類指標(biāo)。

1）地質(zhì)體系。地質(zhì)三維模型系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)儲(chǔ)量的統(tǒng)一平臺(tái)的管理，地質(zhì)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)礦床三維建模工作；露天礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)涵蓋所有剖面數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、頂?shù)装宓雀呔€數(shù)據(jù)都統(tǒng)一在地質(zhì)云平臺(tái)進(jìn)行管理；實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)預(yù)測、地質(zhì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，形成地質(zhì)數(shù)據(jù)的模擬推演。當(dāng)模型發(fā)布后，可以供測量部門、采礦計(jì)劃部門進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用。地質(zhì)平臺(tái)提供各類不同比例尺的礦山圖件的下載功能，礦山所有地質(zhì)類圖件信息統(tǒng)一保存在地質(zhì)平臺(tái)。

2）測量體系。實(shí)現(xiàn)智能露天礦山測量，需采用無人機(jī)測量的方式。通過無人機(jī)生成點(diǎn)云以及DTM 的校對，校對過程中，需要具有現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的測量工程師進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)去除，防止發(fā)生誤差過大的現(xiàn)象。生成精準(zhǔn)露天礦山DTM 模型后，測量技術(shù)人員通過登錄地質(zhì)云系統(tǒng)，將精準(zhǔn)DTM 模型進(jìn)行發(fā)布。地質(zhì)平臺(tái)保存每次發(fā)布的精準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)，為礦山后期模擬開采和工程反演提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)建立測量數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)以及圖形化展現(xiàn)等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)具有行業(yè)通用格式的數(shù)據(jù)輸入、輸出接口。智能測量的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山外業(yè)測量的無人化。

3）穿爆體系。實(shí)現(xiàn)穿孔，爆破等環(huán)節(jié)的爆破設(shè)計(jì)，鉆機(jī)實(shí)時(shí)定位，動(dòng)態(tài)跟蹤和故障診斷以及炸藥入庫、出庫，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與露天礦采運(yùn)排系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)。

4）采掘體系。主要露天礦山采掘負(fù)責(zé)部門為礦山剝離、采礦部門、測量部門。實(shí)現(xiàn)智慧露天礦山的采掘，應(yīng)實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備的無人操作，采掘設(shè)備自動(dòng)甄別開采周圍環(huán)境實(shí)時(shí)信息，精準(zhǔn)識(shí)別煤巖屬性。采掘設(shè)備工況感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至智慧露天云數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自主分析，實(shí)現(xiàn)采掘系統(tǒng)的智能化。當(dāng)采掘環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常信息后，云數(shù)據(jù)中心第一時(shí)間給出預(yù)警分析結(jié)果，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)自主控制采掘設(shè)備，解決故障信息。其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山采掘環(huán)節(jié)全流程的無人化。

6）排土體系。露天礦山運(yùn)輸主要涉及剝離排土和工程輔助設(shè)備排土場平整、反坡、擋墻的設(shè)計(jì)實(shí)施工作。負(fù)責(zé)部門主要為露天礦山排土部門、采礦設(shè)計(jì)部門、安環(huán)部門。當(dāng)采用單斗卡車排棄時(shí)，剝離卡車將排棄物料運(yùn)送至對應(yīng)排土場時(shí)，由工程輔助設(shè)備完成排泄點(diǎn)土地平整、反坡及擋墻設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工程設(shè)備與排土設(shè)備之間的協(xié)同避讓作業(yè)。此過程最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的無人化。當(dāng)采用輪斗-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)工藝時(shí)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的遠(yuǎn)程控制，無人化排土。

7）設(shè)備維修體系。露天礦設(shè)備主要包含：采掘設(shè)備（電鏟、挖掘機(jī)）、運(yùn)輸設(shè)備（卡車、帶式輸送機(jī)）、排土設(shè)備（帶式輸送機(jī)、卡車）、穿孔設(shè)備（鉆機(jī)等）、破碎站以及輔助設(shè)備等。負(fù)責(zé)礦山主要設(shè)備維修的部門為露天礦山機(jī)電設(shè)備科。智能露天礦山設(shè)備維修體系主要實(shí)現(xiàn)對礦山所有工程設(shè)備工況信息聯(lián)網(wǎng)，通過感知設(shè)備工況數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警預(yù)判，露天礦山設(shè)備維修的智能化預(yù)警、智能化維修指導(dǎo)。

8）安全輔助體系。智能露天礦山安全輔助體系主要涵蓋：邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、防滅火系統(tǒng)、疏干防排水系統(tǒng)以及智能視頻識(shí)別系統(tǒng)。例如：視頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對露天礦山的安全管控，邊坡監(jiān)測區(qū)域的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警。

9）基礎(chǔ)設(shè)施體系。智能露天礦基礎(chǔ)設(shè)施體系是實(shí)現(xiàn)智能露天礦山的基礎(chǔ)底座，主要包括：基礎(chǔ)設(shè)施；調(diào)度控制中心；數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)服務(wù)；監(jiān)控調(diào)度與協(xié)同管理；信息發(fā)布以及系統(tǒng)安全。

10）綠色開采體系。露天礦綠色環(huán)境體系需要構(gòu)建露天礦山采場及排土場的環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，具備與排棄計(jì)劃、復(fù)墾計(jì)劃以及相應(yīng)污染物的處置及建議。

2 智能露天礦山評價(jià)指標(biāo)及分級(jí)

2.1 智能露天礦山體系評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)露天礦山智能化建設(shè)的體系結(jié)構(gòu)和流程，智能露天礦山體系評價(jià)指標(biāo)如下:

1）基礎(chǔ)設(shè)施指標(biāo)。涵蓋6 個(gè)方面：①辦公網(wǎng)絡(luò)：企業(yè)辦公區(qū)建設(shè)辦公網(wǎng)；②采場網(wǎng)絡(luò)：露天礦坑部署建成5G 或者礦坑內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)；③數(shù)據(jù)采集：部署露天礦數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換設(shè)備，實(shí)現(xiàn)露天礦坑內(nèi)多維生產(chǎn)數(shù)據(jù)接入上傳；④調(diào)度中心：露天礦建設(shè)調(diào)度控制中心中網(wǎng)絡(luò)、通信、視頻、大屏幕展示等基礎(chǔ)設(shè)施；⑤安全保護(hù)：礦山網(wǎng)絡(luò)安全；⑥資產(chǎn)管理：構(gòu)建露天礦數(shù)字資產(chǎn)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)質(zhì)量的管理。

2）地質(zhì)系統(tǒng)指標(biāo)。涵蓋7 個(gè)方面：①三維基礎(chǔ)軟件：具有三維采礦軟件，支持礦山三維采礦、排土生產(chǎn)設(shè)計(jì)、具備模擬開采和虛擬排土功能；②地質(zhì)數(shù)據(jù)平臺(tái)：建立地質(zhì)數(shù)據(jù)平臺(tái)，支持圖紙下載、上傳，支持?jǐn)?shù)據(jù)接口的對接；③二三維轉(zhuǎn)換：地質(zhì)系統(tǒng)平臺(tái)支持二三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能；④報(bào)表調(diào)度：地質(zhì)系統(tǒng)平臺(tái)具有儲(chǔ)量報(bào)表的導(dǎo)出功能；⑤協(xié)同制圖：地質(zhì)系統(tǒng)平臺(tái)支持采礦、測量、地質(zhì)協(xié)同制圖；⑥服務(wù)年限：大型露、特大型天礦服務(wù)年限＞35 年，中型露天礦服務(wù)年限＞30 年；⑦噸煤效率。

六、參考文獻(xiàn)必須以作者親自閱讀過的近幾年主要文獻(xiàn)為據(jù)。論著不超過20條，綜述一般不超過40條，需盡量引用近10年內(nèi)（近5年內(nèi)的文獻(xiàn)，不得少于所引文獻(xiàn)的50%）公開發(fā)表的國外文獻(xiàn)，凡未發(fā)表的或內(nèi)部刊物的資料一律不得列入。日文漢字請勿與我國漢字及簡化字混淆。文獻(xiàn)編號(hào)必須按文內(nèi)出現(xiàn)的先后依次排列，格式按下列規(guī)定書寫：

3）穿爆系統(tǒng)指標(biāo)。涵蓋3 個(gè)方面：①鉆機(jī)智能管控：實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)實(shí)時(shí)定位、自主鉆進(jìn)；②穿爆系統(tǒng)平臺(tái)：建設(shè)穿孔爆破系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維爆破設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)裝藥設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)爆破模擬結(jié)果分析、實(shí)現(xiàn)與采礦設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接口對接；③巖性智能識(shí)別：鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中的巖性識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對鉆進(jìn)鉆頭速度、壓力監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)巖性強(qiáng)度巖性預(yù)測。

4）測量系統(tǒng)指標(biāo)。涵蓋2 個(gè)方面：①測量手段：采用RTK 測量手段來進(jìn)行測量，采用三維激光掃描儀進(jìn)行測量，采用無人機(jī)測量；②測量系統(tǒng)平臺(tái)：具有測量算量系統(tǒng)平臺(tái)，支持對無人機(jī)數(shù)據(jù)的處理、抽希等功能，同時(shí)可將無人機(jī)成果模型數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布，為采礦設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)底圖。

5）采運(yùn)排系統(tǒng)指標(biāo)。涵蓋3 個(gè)方面：①感知系統(tǒng)平臺(tái)：建設(shè)采掘、運(yùn)輸、排土設(shè)備感知系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備無人駕駛；②工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)：建設(shè)設(shè)備工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)采運(yùn)排數(shù)據(jù)的集中展示，數(shù)據(jù)包括：油耗、電耗、胎壓、溫度、轉(zhuǎn)速、車速、加速度等；③設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)：建設(shè)采運(yùn)排設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采運(yùn)排設(shè)備自主調(diào)度，車鏟智能匹配。

6）安全輔助系統(tǒng)指標(biāo)。涵蓋6 個(gè)方面：①邊坡監(jiān)測測點(diǎn)部署：邊坡部署監(jiān)測點(diǎn)，對邊坡進(jìn)行監(jiān)測；②邊坡監(jiān)測系統(tǒng)：邊坡監(jiān)測系統(tǒng)具有多參數(shù)查詢功能，可生成測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史曲線；③二三維邊坡穩(wěn)定性預(yù)測：實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性的三維模擬仿真及實(shí)時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算；④視頻監(jiān)控系統(tǒng)：建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，覆蓋露天礦關(guān)鍵位置；⑤智能視頻識(shí)別系統(tǒng)：建設(shè)露天礦違章視頻識(shí)別系統(tǒng)，具有安全帽檢測，脫崗離崗檢測，儲(chǔ)煤倉煙火識(shí)別，區(qū)域入侵，絕緣手套識(shí)別，皮帶異物識(shí)別、皮帶跑偏識(shí)別等功能，其中違章作業(yè)場景包括但不限于上述場景，實(shí)現(xiàn)違章視頻片段的自動(dòng)截取，違章視頻數(shù)據(jù)下載，支持閉環(huán)處置；⑥遠(yuǎn)程操控：露天礦實(shí)現(xiàn)對水泵、破碎站、帶式輸送機(jī)、變電站的遠(yuǎn)程操控。

7）設(shè)備維修體系指標(biāo)。建設(shè)采運(yùn)排+穿爆設(shè)備綜合設(shè)備維修管理平臺(tái)，具有故障診斷、設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)閱、安標(biāo)檢測檢驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)閱、故障記錄、維修信息、設(shè)備故障知識(shí)圖譜等功能。

8）綠色開采指標(biāo)。建立環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對采場及排土場征地規(guī)劃、露天礦場內(nèi)道路揚(yáng)塵監(jiān)測等。

對于智慧露天礦的長期發(fā)展，各一級(jí)指標(biāo)都具有重要的地位，因此，初步設(shè)定每個(gè)一級(jí)指標(biāo)滿分為10 分。

評價(jià)指標(biāo)融合性因子和評分如下：①上述系統(tǒng)并未實(shí)現(xiàn)2 個(gè)或2 個(gè)以上系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析時(shí)，總分乘以融合因子0.75；②上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2～4 個(gè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析時(shí)，總分乘以融合因子1，實(shí)現(xiàn)2 個(gè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析融合因子為0.75+0.05×2，3 個(gè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析融合因子為：0.75+0.05×3，4 個(gè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析融合因子為1；③上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全部系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析時(shí)，總分乘以融合因子1.25。

2.2 智能露天礦山評價(jià)分級(jí)

為了方便礦山企業(yè)評估其智能礦山建設(shè)水平，將露天礦山智能化評價(jià)結(jié)果分成3 個(gè)等級(jí)：智能礦山準(zhǔn)備階段、智能礦山追趕階段、智能礦山領(lǐng)跑階段。礦山智能化評價(jià)等級(jí)見表1。

表1 礦山智能化等級(jí)Table 1 Mine intelligence grades

1）智能化礦山準(zhǔn)備階段。智能化建設(shè)剛剛起步，各項(xiàng)基礎(chǔ)體系不夠健全?？傮w智能化評價(jià)因子得分≤60 分。

2）智能化礦山追趕階段。起步較智能礦山領(lǐng)跑礦山稍晚但具有基本發(fā)展?jié)撃?，有望?shí)現(xiàn)逐步趕超?？傮w智能化評價(jià)因子得分≤80 分。

3）智能化礦山領(lǐng)跑階段。起步早，發(fā)展穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)得分處于前列，并且生產(chǎn)過程各系統(tǒng)普遍采用智能化技術(shù)，所有智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)協(xié)作。總體智能化評價(jià)因子得分≤100 分。

3 智能露天礦山建設(shè)評價(jià)

3.1 評價(jià)結(jié)果

根據(jù)評價(jià)指標(biāo)體系和打分規(guī)則，通過邀請行業(yè)專家實(shí)地調(diào)研, 2020 年對露天礦智能化程度進(jìn)行打分。通過調(diào)研可知，2017 年露天礦實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)隱患管理系統(tǒng)的建設(shè)；2018 年露天礦實(shí)現(xiàn)礦區(qū)采場區(qū)域4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)采場范圍內(nèi)的設(shè)備工況數(shù)據(jù)傳輸；2019 年露天礦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)違章行為智能視頻識(shí)別系統(tǒng)的建設(shè)，同年實(shí)現(xiàn)無人機(jī)測量+三維激光掃描儀的測量；2020 年3 月露天礦進(jìn)行無人駕駛系統(tǒng)的探索應(yīng)用研究。根據(jù)露天礦智能化發(fā)展情況，對露天礦智能化水平進(jìn)行打分，總得分為46.5。露天礦山智能化評價(jià)結(jié)果見表2。

表2 露天礦山智能化評價(jià)結(jié)果Table 2 Intelligent evaluation results

根據(jù)露天礦山智能化綜合評價(jià)結(jié)果可以看出，該露天礦處于智能礦山準(zhǔn)備階段，正向著追趕階段發(fā)展。通過分析可，該露天礦山智能化短板出現(xiàn)在穿爆系統(tǒng)、采運(yùn)排系統(tǒng)、設(shè)備維修診斷以及綠色開采，下一步解決單一系統(tǒng)的智能化后，亟需解決多系統(tǒng)的融合應(yīng)用的問題。

3.2 演化趨勢

根據(jù)露天礦的智能化建設(shè)情況，目前，該礦實(shí)現(xiàn)了測量系統(tǒng)和采運(yùn)排系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同一平臺(tái)的融合關(guān)聯(lián)，因此，2020 年，取系統(tǒng)融合因子為0.85。通過查閱該礦智能化建設(shè)資料，給出該礦近10 年的智能化變化趨勢表，智能露天礦山演化趨勢分析見表3。

表3 智能露天礦山演化趨勢分析Table 3 Analysis of the evolution trend of smart openpit mines

從露天礦近10 年的發(fā)展來看，露天礦山從2011 年逐步開始露天礦山智能化建設(shè)，但從10 年智能化發(fā)展進(jìn)程中可以看出，在2013 年至2016 年，這4 年中，智能化水平基本未發(fā)生變化，通過分析當(dāng)時(shí)全國露天礦山經(jīng)濟(jì)背景可知，2013 年至2016 年，這4 年正處在我國去產(chǎn)能階段，整個(gè)煤炭行業(yè)正處在冰封期，產(chǎn)能過剩，煤價(jià)下跌，企業(yè)無暇顧及智能化建設(shè)發(fā)展。2017 年開始，煤礦開始逐步投入到智能化建設(shè)的加速期當(dāng)中，這主要得益于國家相關(guān)政策支撐，加大智能化礦山建設(shè)，加之煤炭價(jià)格穩(wěn)中有升的驅(qū)動(dòng)。該露天礦在這10 年智能化發(fā)展過程中，穩(wěn)步向好，企業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)力強(qiáng)勁，在智能化建設(shè)進(jìn)程中，處在前列。

4 結(jié) 語

針對我國露天礦山智能化評價(jià)體系沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)過程中缺少建設(shè)依據(jù)、評價(jià)準(zhǔn)則等關(guān)鍵問題，開展露天礦山智能化評價(jià)體系的研究。提煉出構(gòu)建智能露天礦山的8 類一級(jí)指標(biāo)：基礎(chǔ)設(shè)施指標(biāo)地質(zhì)系統(tǒng)、穿爆系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、采運(yùn)排系統(tǒng)、安全輔助系統(tǒng)、綠色開采指標(biāo)以及設(shè)備維修體系。將智能露天礦山建設(shè)發(fā)展分為領(lǐng)跑者、追趕者與準(zhǔn)備者3 個(gè)階段。通過取樣對某特大型露天礦進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果表明：該露天礦智能化處于上升通道，反映智能露天礦建設(shè)確實(shí)取得一定成果，但還未實(shí)現(xiàn)特殊飛躍和突破，露天礦山智能化短板處在穿爆系統(tǒng)、采運(yùn)排系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測方面。