信息化技术在黑岱沟露天矿安全生产中的应用

宋天仁

（神华和利时信息技术有限公司，北京 100011）

处于从传统社会走向全面信息社会的大变革时代，跨行业的融合都在发生着巨大的改变，不断从工业文明走向信息文明[1]。随着近些年信息化技术和采矿技术的不断进步，露天矿山充分利用互联网等通信技术把传感器、控制器、采矿设备、人员等连结在一起，实现信息化技术与露天矿山安全生产系统深度融合，已进入了实质性阶段。如露天矿山卡车调度系统，伴随着卫星空间定位、移动数据采集、计算机软件、地理信息以及人工智能技术的快速发展，卡车调度系统不再局限于卡车方面的应用，而是拓展到安全预警、机械自控、设备监控等露天矿山生产和技术的方方面面，形成一套完善的采矿生产调度管理系统平台[2]。以互联网、大数据、人工智能为代表的信息技术，与露天采矿技术深度融合已成为露天矿山发展的必然趋势。

1 矿山概况

黑岱沟露天煤矿隶属于国家能源集团神华准格尔能源有限责任公司，是我国自行设计、自行施工的特大型露天煤矿。

2019 年生产商品煤2 817 万t，平均日生产商品煤7.7 万t，完成岩石、黄土剥离物20 370 万m3，平均日剥离量55.8 万m3。拥有斗容90 m3的拉斗铲1台，大型矿用电铲15 台，电动轮装载机3 台，大型钻机12 台，载重154～363 t 的9 种型号电动轮自卸卡车92 台，以及其他工程设备229 台，外委施工单位不同型号的铲装和运输设备600 多台，设备数量多，运输道路车流密度大，生产任务重，安全压力极大。

近年来，黑岱沟露天煤矿不断推进信息化建设，上线各类信息化系统，成为了繁重安全生产任务顺利完成的保障。

2 应用情况

2.1 采矿设计方面

地测与生产三维系统：采用激光扫描仪和自身携带有数码相机、数字彩色摄像机等设备，与获取地表信息，取高分辨率数字影像和高精度定位数据，生成三维可视化数据的航测无人机，可高效快速、精细准确地完成采场各作业面、各排土场地形测量，建立地表三维模型。工程技术人员在三维模型上可以进行采场、排土场方案设计，准确安排月度生产计划，使采矿设计更加优化，提高了工作效率和设备使用效率。

2.2 爆破方面

爆破是露天开采的首要生产环节，爆破效果的好坏直接关系到后续生产环节的效率和成本。黑岱沟露天煤矿创造性的在我国采用抛掷爆破拉斗铲倒堆剥离为主的综合开采新工艺，抛掷爆破技术应用的好坏将对拉斗铲倒堆工艺应用的经济效益产生巨大影响[3]，爆破对生产组织、成本控制是重中之重。

黑岱沟露天煤矿倒堆剥离实体采宽60～80 m，倒堆剥离台阶高度为40～55 m。根据生产规模、设备规格及其能力计算，一次抛掷爆破炮区的长度一般为300～600 m[4]。一次爆破岩石量200 万m3左右，进行如此大规模的抛掷爆破，为了确保爆破的安全和抛掷效果，采用了高精度钻孔、精准测孔装药等先进技术做保障，精准钻孔、装药示意图如图1。

图1 精准钻孔、装药示意图

穿孔设备应用高精定位技术的主要作用是能够根据钻孔计划精确定位目标孔位，并且能够为钻机司机提供目标孔位的导航[5]。基于北斗高精度的定位技术，利用定位主机和智能布孔软件，实现了钻机智能布孔定位和自动导航等功能，精确度小于5 cm。采用履带式机器人自主导航技术，完成炮孔位置智能巡航，自动找孔并对准孔位后，孔深测量仪自动测量孔深、水深及孔底温度。通过4G 网络将测量数据上传至服务器。多功能现场炸药混装车，通过4G 网络从服务器自动获取炮孔数据，精准计算炮孔装药种类和数量，装药结束后将相关数据传至服务器。精准的数码电子雷管、钻孔和装药有效地提高了爆破质量。

2.3 安全方面

露天矿山作业现场，运输道路情况复杂，上下坡道、弯道、交叉路口较多，加之，大型运输卡车盲区范围大，车流密度大，卡车运输是露天矿山安全管理的重要环节，特别是卡车与卡车、卡车与指挥车相撞极易造成人员伤亡，而且每起事故财产损失较大。近几年，先后在现场作业的大型运输卡车、工程设备、指挥车安装了卡车防碰撞系统，有效地降低了因卡车碰撞造成的事故。

卡车防碰撞系统，主要由雷达传感器，通过天线向外发射一列连续调频信号，并接受目标的反射信号，根据反射回的信号频谱得出目标的距离和速度等信息。雷达传感器就像在每台卡车安装了眼睛，能够感知运输道路上障碍物或行驶车辆的远近距离，比人眼目测要精确多了。防撞预警器，远距离时为雷达防撞主板提供对方车辆的GPS 数据及车速，为雷达防撞主板计算对方车辆轨迹提供数据，同时提示司机注意相关车辆。雷达防撞主板，接受雷达传感器及防撞预警器数据进行相关的运算及判断，控制刹车系统进行有效的刹车控制。实质上就是雷达防撞主板根据雷达传感器测得车辆自身速度，得出安全距离，利用此安全距离和雷达测得的对方车辆或障碍物距离比较，当雷达测得的距离小于安全距离时，雷达防撞主板给出刹车信号，控制电机运转牵动刹车制动踏板进行刹车。司机疲劳预警系统，通过全天候监测驾驶员面部表情特征，实现疲劳状态的非接触识别，并在司机疲劳瞌睡时自动报警，达到警示司机稍作休息，避免疲劳驾驶，同时，报警会自动上传，便于车队管理。

爆破震动效应对露天矿边坡的稳定性具有很大的影响，抛掷爆破一次装药量大，爆破能量大，这种作用更加突出[3]。抛掷爆破台阶边坡角约70°，边坡长度65 m 左右，边坡的稳定性关系到，在边坡下部从事采煤作业的电铲、卡车、爆破工等人员和设备的安全。边坡雷达监测系统将步进频率连续波技术、差分相位干涉测量技术、合成孔径雷达技术和永久散射体技术等国际领先技术集成，通过设置雷达系统，全天候进行扫描实时检测，将数据适时回传，大于设定边坡移动数据范围，适时报警，及时撤出作业人员和设备。10 多年来，多次边坡体滑落，都进行了提前预警，未造成人员和设备的损伤。

2.4 成本方面

轮胎和柴油的消耗是露天矿山成本管控的重点，最大限度延长轮胎使用寿命，降低柴油消耗是成本管理的目标。而轮胎的寿命除与铲装现场和运输道路有关以外，还与轮胎的压力、温度有着重要的关系。卡车和工程车辆，在生产过程中，柴油的消耗量非常大。针对这一实际问题，建设了卡车轮胎在线监测系统和燃油监控管理系统。

卡车轮胎在线监测系统，通过在轮胎内安装轮胎传感器，实时采集轮胎压力和温度数据，完成轮胎车内监测和报警，保证了矿内作业的92 台卡车，552条轮胎始终在最佳状态下运行。

燃油监控管理系统，主要包括燃油系统管理平台、油槽车管理子系统和受油设备管理子系统3 个部分。在油槽车、受油设备安装了相应的软硬件。在油槽车驾驶室中安装车载终端模块和车载控制模块，侧边安装受油设备身份识别装置，出油口安装有电磁阀和流量计；在受油设备上安装抗金属标签，进行车辆身份识别，每个司机都有身份卡，进行人员身份识别，在油箱中安装液位计，在驾驶室中安装液位驱动器，将液位数据传输给系统终端。矿内的92 台卡车，23 台油槽车全部纳入燃油监控管理系统进行管控。

3 应用效果与分析

1）卡车轮胎在线监测系统。卡车轮胎在线监测系统2019 年6 月完成初验，开始在92 台卡车进行使用，取得效果明显。轮胎气压是影响轮胎寿命的重要因素，胎压过高过低对轮胎都有不利的影响，胎温急剧升高，轮胎容易出现热剥离的现象[6]。2018 年1—8 月，热剥离的轮胎为50 条，2019 年同期热剥离的轮胎为36 条，减少14 条。按照每条轮胎30 万元的价格计算，节约成本420 万元。此外，系统应用后，轮胎异常状态可实时显示，维修人员对温度和压力有异常的少数轮胎进行点检维修，据统计维修人员点检维修效率提高78.80%，设备的出动率提高了3.60%。

2）精准钻孔和装药系统。系统应用为现场钻孔作业和炸药装填提供了实时数据支持，提高了爆破质量，降低了炸药消耗量。每个炮孔的装药时间较过去节约3 min，装药效率提高25%，炸药厂每年节约人工和运行费用约180 万元。经统计分析，抛掷爆破的装药量每年可节约860 t 左右，按每吨炸药4 500元的成本价格计算，每年节约成本387 万元。同时，精准钻孔确保了爆破设计的孔距、排距以及孔深的准确性，进一步改善了爆破的效果。为后续电铲装车创造了便利条件，有效降低剥离综合成本。

3）GPS 卡车智能调度系统。GPS 卡车智能调度系统正常使用后，优化了卡车的生产线路，提高了运行效率。较以往每日同等产量的情况下，可减少2～3 台车的运行。按照每台车每月耗油50 t 计，每年节约柴油至少1 200 t，其成本降低约792 万元。同时，调度值班员能够高效协调与组织生产，实现卡车与电铲的最优分配。

4）卡车防碰撞系统。露天矿山的路况复杂，运输车辆种类繁多，因此运输过程是安全生产的重要管控对象。此前，由于卡车相撞事故，造成了人员伤亡与严重的设备损失。卡车防碰撞系统上线以来，有效地避免了卡车碰撞事故的发生。自2017 年以来，未发生卡车与卡车、卡车与工程设备以及指挥车辆的碰撞事故。通过这一信息化措施，延伸了人员的避险能力，提升了安全管理的水平[7]。

4 结语

随着大数据、物联网、互联网等新一代信息技术出现，矿山数字化与智能化深入发展，智能矿山必将成为未来露天煤矿发展的趋势。现代信息化技术在露天煤矿的应用，提高了从采煤设计、穿孔爆破、采装、运输、排土全过程的运行效率，提升了人员设备的安全保障能力，有效地降低了生产成本，提高了露天煤矿整体创新能力和技术水平，保证了管理决策更科学、更便捷，有力推进了矿山管理的现代化，为今后智能矿山的建设奠定技术基础。