郭英杰

（內蒙古平莊煤業(yè)（集團）有限責任公司，內蒙古 赤峰 024000）

2021 年4 月自然資源部發(fā)布《智能礦山建設規(guī)范》征求意見，其中對智能礦山的定義為：在地質測量、資源管理、采礦生產(chǎn)、選礦加工、運輸倉儲等方面實現(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（初級階段）技術體系以及智能化煤礦分類、分級評價指標體系，但研究內容同主要側重于井工煤礦；張瑞新等[8]提出智慧露天礦山建設基本框架及體系設計；應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鍵技術進行研究。上述學者總結凝練智能露天礦山的總體架構，但并未對露天礦智能化的評價體系做深入及總結。2020 年自然資源部下發(fā)建設綠色礦山評價指標，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 個方面對綠色礦山建設水平進行評分，一共涵蓋105 個指標，總分1 000 分?；诖耍_展露天礦山智能化評價體系的研究[10-16]。

1 露天礦智能化生產(chǎn)系統(tǒng)評價體系

露天礦智能化生產(chǎn)系統(tǒng)評價體系主要涵蓋：地質基礎指標、信息基礎指標、綠色開采指標以及智能系統(tǒng)指標，4 大類指標細分后，分成地質、測量、穿爆、采運排（采掘、運輸、排土）、維修、安全輔助、基礎設施以及綠色開采等8 類指標。

1）地質體系。地質三維模型系統(tǒng)平臺實現(xiàn)地質儲量的統(tǒng)一平臺的管理，地質系統(tǒng)平臺實現(xiàn)礦床三維建模工作；露天礦山地質數(shù)據(jù)庫建設涵蓋所有剖面數(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)一在地質云平臺進行管理；實現(xiàn)對地質模型數(shù)據(jù)的關聯(lián)預測、地質數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析，形成地質數(shù)據(jù)的模擬推演。當模型發(fā)布后，可以供測量部門、采礦計劃部門進行數(shù)據(jù)綜合應用。地質平臺提供各類不同比例尺的礦山圖件的下載功能，礦山所有地質類圖件信息統(tǒng)一保存在地質平臺。

2）測量體系。實現(xiàn)智能露天礦山測量，需采用無人機測量的方式。通過無人機生成點云以及DTM 的校對，校對過程中，需要具有現(xiàn)場經(jīng)驗的測量工程師進行噪聲數(shù)據(jù)去除，防止發(fā)生誤差過大的現(xiàn)象。生成精準露天礦山DTM 模型后，測量技術人員通過登錄地質云系統(tǒng)，將精準DTM 模型進行發(fā)布。地質平臺保存每次發(fā)布的精準測量數(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。同時建立測量數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、統(tǒng)計以及圖形化展現(xiàn)等數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)應具有行業(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是實現(xiàn)礦山外業(yè)測量的無人化。

3）穿爆體系。實現(xiàn)穿孔，爆破等環(huán)節(jié)的爆破設計，鉆機實時定位，動態(tài)跟蹤和故障診斷以及炸藥入庫、出庫，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的實時動態(tài)管理，同時實現(xiàn)與露天礦采運排系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)。

4）采掘體系。主要露天礦山采掘負責部門為礦山剝離、采礦部門、測量部門。實現(xiàn)智慧露天礦山的采掘，應實現(xiàn)采掘設備的無人操作，采掘設備自動甄別開采周圍環(huán)境實時信息，精準識別煤巖屬性。采掘設備工況感知數(shù)據(jù)實時傳輸至智慧露天云數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自主分析，實現(xiàn)采掘系統(tǒng)的智能化。當采掘環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常信息后，云數(shù)據(jù)中心第一時間給出預警分析結果，遠程控制系統(tǒng)自主控制采掘設備，解決故障信息。其最終目標是實現(xiàn)礦山采掘環(huán)節(jié)全流程的無人化。

6）排土體系。露天礦山運輸主要涉及剝離排土和工程輔助設備排土場平整、反坡、擋墻的設計實施工作。負責部門主要為露天礦山排土部門、采礦設計部門、安環(huán)部門。當采用單斗卡車排棄時，剝離卡車將排棄物料運送至對應排土場時，由工程輔助設備完成排泄點土地平整、反坡及擋墻設計，同時實現(xiàn)工程設備與排土設備之間的協(xié)同避讓作業(yè)。此過程最終目標是實現(xiàn)所有設備的無人化。當采用輪斗-帶式輸送機-排土機工藝時，實現(xiàn)整個過程的遠程控制，無人化排土。

7）設備維修體系。露天礦設備主要包含：采掘設備（電鏟、挖掘機）、運輸設備（卡車、帶式輸送機）、排土設備（帶式輸送機、卡車）、穿孔設備（鉆機等）、破碎站以及輔助設備等。負責礦山主要設備維修的部門為露天礦山機電設備科。智能露天礦山設備維修體系主要實現(xiàn)對礦山所有工程設備工況信息聯(lián)網(wǎng)，通過感知設備工況數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設備故障風險的預警預判，露天礦山設備維修的智能化預警、智能化維修指導。

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)以及智能視頻識別系統(tǒng)。例如：視頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)對露天礦山的安全管控，邊坡監(jiān)測區(qū)域的實時動態(tài)監(jiān)測預警。

9）基礎設施體系。智能露天礦基礎設施體系是實現(xiàn)智能露天礦山的基礎底座，主要包括：基礎設施；調度控制中心；數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)服務；監(jiān)控調度與協(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)境體系需要構建露天礦山采場及排土場的環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)，具備與排棄計劃、復墾計劃以及相應污染物的處置及建議。

2 智能露天礦山評價指標及分級

2.1 智能露天礦山體系評價指標

根據(jù)露天礦山智能化建設的體系結構和流程，智能露天礦山體系評價指標如下:

1）基礎設施指標。涵蓋6 個方面：①辦公網(wǎng)絡：企業(yè)辦公區(qū)建設辦公網(wǎng)；②采場網(wǎng)絡：露天礦坑部署建成5G 或者礦坑內局域網(wǎng)絡；③數(shù)據(jù)采集：部署露天礦數(shù)據(jù)采集轉換設備，實現(xiàn)露天礦坑內多維生產(chǎn)數(shù)據(jù)接入上傳；④調度中心：露天礦建設調度控制中心中網(wǎng)絡、通信、視頻、大屏幕展示等基礎設施；⑤安全保護：礦山網(wǎng)絡安全；⑥資產(chǎn)管理：構建露天礦數(shù)字資產(chǎn)管理平臺，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)質量的管理。

2）地質系統(tǒng)指標。涵蓋7 個方面：①三維基礎軟件：具有三維采礦軟件，支持礦山三維采礦、排土生產(chǎn)設計、具備模擬開采和虛擬排土功能；②地質數(shù)據(jù)平臺：建立地質數(shù)據(jù)平臺，支持圖紙下載、上傳，支持數(shù)據(jù)接口的對接；③二三維轉換：地質系統(tǒng)平臺支持二三維數(shù)據(jù)的轉換功能；④報表調度：地質系統(tǒng)平臺具有儲量報表的導出功能；⑤協(xié)同制圖：地質系統(tǒng)平臺支持采礦、測量、地質協(xié)同制圖；⑥服務年限：大型露、特大型天礦服務年限＞35 年，中型露天礦服務年限＞30 年；⑦噸煤效率。

六、參考文獻必須以作者親自閱讀過的近幾年主要文獻為據(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（近5年內的文獻，不得少于所引文獻的50%）公開發(fā)表的國外文獻，凡未發(fā)表的或內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。文獻編號必須按文內出現(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。涵蓋3 個方面：①鉆機智能管控：實現(xiàn)鉆機實時定位、自主鉆進；②穿爆系統(tǒng)平臺：建設穿孔爆破系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)三維爆破設計、實現(xiàn)裝藥設計、實現(xiàn)爆破模擬結果分析、實現(xiàn)與采礦設計數(shù)據(jù)接口對接；③巖性智能識別：鉆機實現(xiàn)鉆進過程中的巖性識別，實現(xiàn)對鉆進鉆頭速度、壓力監(jiān)測，實現(xiàn)巖性強度巖性預測。

4）測量系統(tǒng)指標。涵蓋2 個方面：①測量手段：采用RTK 測量手段來進行測量，采用三維激光掃描儀進行測量，采用無人機測量；②測量系統(tǒng)平臺：具有測量算量系統(tǒng)平臺，支持對無人機數(shù)據(jù)的處理、抽希等功能，同時可將無人機成果模型數(shù)據(jù)進行發(fā)布，為采礦設計提供數(shù)據(jù)底圖。

5）采運排系統(tǒng)指標。涵蓋3 個方面：①感知系統(tǒng)平臺：建設采掘、運輸、排土設備感知系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)所有設備無人駕駛；②工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺：建設設備工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)采運排數(shù)據(jù)的集中展示，數(shù)據(jù)包括：油耗、電耗、胎壓、溫度、轉速、車速、加速度等；③設備調度系統(tǒng)：建設采運排設備調度系統(tǒng)，實現(xiàn)采運排設備自主調度，車鏟智能匹配。

6）安全輔助系統(tǒng)指標。涵蓋6 個方面：①邊坡監(jiān)測測點部署：邊坡部署監(jiān)測點，對邊坡進行監(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，可生成測點實時數(shù)據(jù)和歷史曲線；③二三維邊坡穩(wěn)定性預測：實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性的三維模擬仿真及實時穩(wěn)定性計算；④視頻監(jiān)控系統(tǒng)：建設視頻監(jiān)控系統(tǒng)，覆蓋露天礦關鍵位置；⑤智能視頻識別系統(tǒng)：建設露天礦違章視頻識別系統(tǒng)，具有安全帽檢測，脫崗離崗檢測，儲煤倉煙火識別，區(qū)域入侵，絕緣手套識別，皮帶異物識別、皮帶跑偏識別等功能，其中違章作業(yè)場景包括但不限于上述場景，實現(xiàn)違章視頻片段的自動截取，違章視頻數(shù)據(jù)下載，支持閉環(huán)處置；⑥遠程操控：露天礦實現(xiàn)對水泵、破碎站、帶式輸送機、變電站的遠程操控。

7）設備維修體系指標。建設采運排+穿爆設備綜合設備維修管理平臺，具有故障診斷、設備基礎數(shù)據(jù)調閱、安標檢測檢驗數(shù)據(jù)調閱、故障記錄、維修信息、設備故障知識圖譜等功能。

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

對于智慧露天礦的長期發(fā)展，各一級指標都具有重要的地位，因此，初步設定每個一級指標滿分為10 分。

評價指標融合性因子和評分如下：①上述系統(tǒng)并未實現(xiàn)2 個或2 個以上系統(tǒng)的關聯(lián)分析時，總分乘以融合因子0.75；②上述系統(tǒng)實現(xiàn)2～4 個系統(tǒng)的關聯(lián)分析時，總分乘以融合因子1，實現(xiàn)2 個系統(tǒng)關聯(lián)分析融合因子為0.75+0.05×2，3 個系統(tǒng)關聯(lián)分析融合因子為：0.75+0.05×3，4 個系統(tǒng)關聯(lián)分析融合因子為1；③上述系統(tǒng)實現(xiàn)全部系統(tǒng)的關聯(lián)分析時，總分乘以融合因子1.25。

2.2 智能露天礦山評價分級

為了方便礦山企業(yè)評估其智能礦山建設水平，將露天礦山智能化評價結果分成3 個等級：智能礦山準備階段、智能礦山追趕階段、智能礦山領跑階段。礦山智能化評價等級見表1。

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

1）智能化礦山準備階段。智能化建設剛剛起步，各項基礎體系不夠健全?？傮w智能化評價因子得分≤60 分。

2）智能化礦山追趕階段。起步較智能礦山領跑礦山稍晚但具有基本發(fā)展?jié)撃埽型麑崿F(xiàn)逐步趕超。總體智能化評價因子得分≤80 分。

3）智能化礦山領跑階段。起步早，發(fā)展穩(wěn)定，各項指標得分處于前列，并且生產(chǎn)過程各系統(tǒng)普遍采用智能化技術，所有智能化系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)協(xié)作?？傮w智能化評價因子得分≤100 分。

3 智能露天礦山建設評價

3.1 評價結果

根據(jù)評價指標體系和打分規(guī)則，通過邀請行業(yè)專家實地調研, 2020 年對露天礦智能化程度進行打分。通過調研可知，2017 年露天礦實現(xiàn)風險隱患管理系統(tǒng)的建設；2018 年露天礦實現(xiàn)礦區(qū)采場區(qū)域4G 網(wǎng)絡建設，實現(xiàn)采場范圍內的設備工況數(shù)據(jù)傳輸；2019 年露天礦已經(jīng)實現(xiàn)違章行為智能視頻識別系統(tǒng)的建設，同年實現(xiàn)無人機測量+三維激光掃描儀的測量；2020 年3 月露天礦進行無人駕駛系統(tǒng)的探索應用研究。根據(jù)露天礦智能化發(fā)展情況，對露天礦智能化水平進行打分，總得分為46.5。露天礦山智能化評價結果見表2。

表2 露天礦山智能化評價結果Table 2 Intelligent evaluation results

根據(jù)露天礦山智能化綜合評價結果可以看出，該露天礦處于智能礦山準備階段，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)、采運排系統(tǒng)、設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)的融合應用的問題。

3.2 演化趨勢

根據(jù)露天礦的智能化建設情況，目前，該礦實現(xiàn)了測量系統(tǒng)和采運排系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同一平臺的融合關聯(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，但從10 年智能化發(fā)展進程中可以看出，在2013 年至2016 年，這4 年中，智能化水平基本未發(fā)生變化，通過分析當時全國露天礦山經(jīng)濟背景可知，2013 年至2016 年，這4 年正處在我國去產(chǎn)能階段，整個煤炭行業(yè)正處在冰封期，產(chǎn)能過剩，煤價下跌，企業(yè)無暇顧及智能化建設發(fā)展。2017 年開始，煤礦開始逐步投入到智能化建設的加速期當中，這主要得益于國家相關政策支撐，加大智能化礦山建設，加之煤炭價格穩(wěn)中有升的驅動。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)濟實力強勁，在智能化建設進程中，處在前列。

4 結 語

針對我國露天礦山智能化評價體系沒有統(tǒng)一標準，建設過程中缺少建設依據(jù)、評價準則等關鍵問題，開展露天礦山智能化評價體系的研究。提煉出構建智能露天礦山的8 類一級指標：基礎設施指標地質系統(tǒng)、穿爆系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、采運排系統(tǒng)、安全輔助系統(tǒng)、綠色開采指標以及設備維修體系。將智能露天礦山建設發(fā)展分為領跑者、追趕者與準備者3 個階段。通過取樣對某特大型露天礦進行趨勢分析，結果表明：該露天礦智能化處于上升通道，反映智能露天礦建設確實取得一定成果，但還未實現(xiàn)特殊飛躍和突破，露天礦山智能化短板處在穿爆系統(tǒng)、采運排系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測方面。