数字化露天矿山安全设施三同时管理构想

曹胜武，罗怀廷，贾学军

（国家能源集团准格尔能源有限责任公司 黑岱沟露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

随着我国科学技术发展，综合国力有了明显提升，高速发展背后隐藏的就是各种能源消耗量逐年递增。其中，煤炭消耗量始终居于首位，这就意味着当下煤炭企业生产强度越来越大[1-2]。基于当前露天煤矿全面推进数字化矿山建设的时代背景[3]，从“无人则安、少人则全”角度进行研究，结果发现智能化发展主要将单系统自动化升级为多项联合作业自动化、综合自动化乃至于数字化矿山。升级的目标主要体现在将人员操作业务转化为单系统自动化，将多项单系统自动化功能信息互通，联合起来升级为多项联合作业自动化，进而逐步迈向综合系统自动化、数字化矿山[4]。随着科学技术发展，部分露天煤矿正逐步迈向综合自动化和数字化矿山，但是，数字矿山推进过程中，大量新型风险、隐患会伴随出现，原始隐患也发生变化，因此，以往安全管理模式需作出改变[5-6]，亟待制定有效性管控措施，重构新型数字化安全管理系统与智能化生产相匹配。

1 数字化露天矿山

数字化露天矿山即采用先进的全球定位系统、遥感系统、5G+网络技术等科学技术手段将露天矿山地质形貌、空间坐标、生产设备、工艺技术、监测监控、应急救援等由原始单边信息化管理变为综合系统信息共享式管理。矿山作业工序由具备人类感知、诊断、决策、识别、记忆等功能的人工智能代替原始人员操作，进而实现露天矿山安全、绿色、高效、“无人化生产”[7]。露天矿山智能化发展归纳分为4 阶段：单项自动化、多项联合作业自动化、综合系统自动化、数字化矿山。

1）单项自动化。即穿孔爆破、采掘剥离、运输排弃、道路修筑、供电检修、电缆移设等某项工序能采用自动化手段完成单项作业任务，设备具有稳定可靠的感知力和执行力[8]，同时能够被人员实时监测、监控，异常情况下人员具有优先操纵权。例如当下黑岱沟露天煤矿采用防撞预警系统、边坡雷达监测系统以及正在逐步推进的无人驾驶技术等，实现单一项工序完全依靠自动化开展。

2）多项联合作业自动化。即将露天矿生产过程中2 项或者2 项以上联合作业工序采用自动化方式完成作业，例如神华准格尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿的IDS 系统，对设备、人员原始调度管理模式做出升级优化，包括生产调度系统、报警处理系统和设备维修系统。

3）综合系统自动化。即以多项联合作业自动化基础，配备高速网络基站，将所有自动化系统信息进行融合，基础信息数字化，实现系统化综合分析、处理，实时更新，逐步实现危险场所少人化。

4）数字化矿山。即基于综合系统自动化，运用云计算、物联网等技术，结合逐步完善的矿用车辆无人驾驶技术，将煤矿行业内各专业专家思想及专业方案编制成若干可重复运行、决策指挥的决策分析系统，为安全生产经营提供决策依据，经过实践改进完全能够实现露天矿山生产过程智能化、无人化、设备设施管理控制物联化，决策处理互联一体化的历史性改变。

2 数字矿山建设落实三同时意义

在数字化露天矿山推进过程中，安全设施需与主体技术从设计阶段开始同步推进，做到同时设计、同时施工、同时投入生产和使用[9]。只有如此，才符合安全管理事前预防的核心意义，为保障强化事中、事后管控奠定基础。

国内外大部分露天矿山处在单系统自动化和多项联合作业自动化阶段，只有少数露天煤矿正在进行综合系统自动化、数字化阶段的升级改进。例如FMG 集团、淡水河谷公司、力拓集团、包钢白云鄂博稀土矿、伊敏能源、神华准格尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿等均处于综合系统自动化完善阶段，逐步向数字化矿山发展。但是，数字矿山推进过程中，随着新技术、新工艺、新设备出现，大量新型风险、隐患也会伴随出现，原始隐患管控措施需与智能化新型管控相衔接，原始安全管理模式就需彻底改变。为加强建设项目安全管理，预防和减少生产安全事故，保障从业人员生命和财产安全，生产经营单位新建、改建、扩建项目的安全设施必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投入生产和使用。安全设施主要从预防事故发生为主，包括防止事故发生的保护装置、防护装置、保护措施、先进技术等。因此，推进安全设施“三同时”与数字化矿山建设同步发展，是确保实现安全型数字化矿山发展的必由之路，依据“三同时”原则，提出构建完善的安全型数字化露天矿山管理构想与生产相匹配，避免各类突发事故发生，做到事前预防，能够从根本上消除事故隐患，筑牢安全生产防线，防范遏制各类生产安全事故发生。

3 数字化露天矿山安全设施三同时管理

3.1 安全设施同时设计

为确保科学、系统、有序地建设数字化露天矿山，需要全面系统地对数字化露天矿理论、技术、建设总体方案做出详细的规划与研究，为构建安全高效型数字化露天矿山提供保障措施。数字化露天矿山推进之初，应该与取得国家相应资质认证的专业化技术型、安全管理型单位开展合作，将理论知识与相关实践经验相结合，同步设计安全、技术方案，并通过Comsol、Vman 等仿真软件进行虚拟仿真测试，获取准确度、精度较高的各项参数值，实现低成本理论性测试，再通过实践进行理论检验测试，缩短减少实践测试所需时间和成本开支，编撰相应的可行性安全、技术专篇。

设计阶段制定的内容、技术、方案均需符合国家级或行业级相应的法律法规和规章制度标准要求，与生产实践相匹配，避免空中楼阁式设计。理论性应用充分结合当下国内、国外先进的5G 网络基站、云计算、北斗导航等科学技术手段和安全管理经验，确保设计方案中技术和安全设施可实施性[10]。

所编撰安全专篇应以确保数字化露天矿山安全生产为主线。设置专业化安全管理部门和安全管理人员，制定相应的学习教育培训计划。结合当下智能化发展相关经验和生产技术设计方案，通过专家评估、桌面演练、仿真测试、头脑风暴等方法进行分析，汇总出数字化露天矿山生产过程中可能出现的风险和隐患，对风险和隐患进行分析，有针对性地加强监测监控、建设相应安全设施或制定安全管控措施。监测监控装置、安全设施以及管控措施的设置需考虑所防范问题、隐患的位置，可能产生的危险类型、事故发生的可能性、严重度以及人员、设备暴露于危险环境的频率等，同时进行可行性和性能稳定性测试，使其在生产过程中具备先进性和高可靠度。此外，为防止突发事件出现，还需制定相应的事故预防及应急救援保障措施。通过整体分析，预估初步取得的成效，列出安全设施专项资金计划。安全设施设计完成后，矿内应组织专家、技术人员、相关人员进行审查，确保安全技术实用性和可行性。

3.2 安全设施同时施工

安全设施是确保数字化矿山安全稳定生产的关键环节。初始设计阶段，安全设施就已经融入数字化矿山建设的设计方案中，因此，安全设施必须与数字化矿山建设项目同步施工[11]，施工单位需要分别由具有网络技术能力强、设备可靠度高、安全管理能力强的单位合作施工，同时均具有相应资质认证、符合国家标准要求。

数字化露天矿山建设过程中最大的问题莫过于网络故障和安全设施可靠度低，因此，需要在露天矿区周边安设足够数量的5G 大宽带低延时网络基站，构建稳定的内网网络系统，确保网络覆盖无死角、无盲区、无漏洞，网速稳定性传播，防止设备出现失控和错误指令状况。同时，还需确保网络安全性，安装高强度防火墙，完善网络信息硬件和软件安全设施管理，严格按照网络标准化操作规定进行操作，强化网络监督监察力度和安全网防护能力，实时监控坑下所有位置，重点部位特殊显示，预防内网操控系统受到干扰、攻击，影响设备正常作业。同时，为防止设备异常、人员违规、环境恶劣等内在、意外因素影响，安全设施需结合当下科技保安系统：防撞预警系统、误操作保护系统、承重保护系统、车辆超速管理系统、自动报警系统、疲劳驾驶识别预警系统（改为车辆状态自检系统）、毫米波雷达自动刹车系统等，通过技术集成技术将各项功能整合，最终形成一体化大数据综合分析安全管控系统，具备失误安全功能和故障安全功能，从而构架完善的安全管理系统软件，实现安全管理信息化。安全设施施工单位需要在作业前制定完善的安全技术措施和综合施工方案，涉及危险性较大的需要制定专项方案，并制定相应综合应急预案、专项应急预案以及现场处置方案。施工过程设置专业的安全监理人员，严格按照法律法规进行监督，并对施工人员进行技术交底和安全交底，施工中发现设计中存在的问题，及时予以纠正，如若安全设施存在重大隐患，立即停止施工，直至消除该隐患再继续施工。安全设施施工完成后，需要进行验收检查，对所发现不足之处及时进行修正。

3.3 安全设施同时投入生产和使用

经过验收合格的安全设施需与数字化露天矿山开采同步试运行[12]，试运行时间30～180 d，通过现场试运行，进行性能测试，收集整理设备、安全设施现场作业的相关数据和动态情况，例如防撞预警系统报警、超时报警系统、紧急制动系统等各项系统灵敏度、安全距离、安全行驶速度确定、面对突发状态应急措施有效度等，再进行技术、安全、经济性分析研究，不断调整相关参数、优化技术，解决在实际生产作业中所存在的问题，最后通过不断地调试工作，确保生产技术和安全设施稳定持续运行，促使矿山安全、节能、高效生产。

生产过程中，重点针对现场加强安全管理，后台系统需24 h 全景显示坑下作业场景、人员和设备所处位置，有针对性对网、人、机、环、管进行精细化管理，避免不安全行为与不安全状态交叉，防患于未然。安管系统主要具备6 大功能：①网络方面：5G 大宽带、低延时、多场景应用、高强度防火墙、独立组网；②人员、设备在坑下行驶的路线和轨迹计划性管理、坑下监控全覆盖，重点部位实时专人监控；③全面辨识危险源和隐患，明确危险源和隐患，构建危险源4 色图并动态更新危险等级；④隐患实时监控，闭环管理；⑤坑下无人化或少人化管理；⑥业务预警、紧急报警阈值设定标准化，信息稳定可靠。数字化矿山建设安全设施竣工或者试运行完成后，组织具有符合资质的安全评价单位、专家和业务人员对安全设施进行验收评价，并形成安全验收评价报告[13]。

4 结语

数字化露天矿山三同时管理是一项综合性系统管理模式，国内目前处于空白状态，缺乏体系化的成文管理，涉及范围不仅限于传统的人、机、环、管4 方面，而且新增三维模拟和网络安全性管理。不仅实现改变传统矿山生产方式，而且安全管理模式和管理水平也取得阶段性突破。原始露天矿山安全管理工作中，由于人员文化水平参差不齐、生活习惯差异、性格特征等多方面因素影响，人员一直是管理的难点，因此，管理的重心始终偏向于消除物的不安全状态。而数字化矿山三同时管理的出现，不仅保障数字化矿山建设，更是将各单一系统由二维模拟发展为虚拟三维综合管理，监察管理工作也由传统人员单一巡查转变为线上监测为主、线下协同配合、综合监察管理模式。数据收集分析工作也由传统人工输入转变为系统自动生成、分析、更新等，为数字化矿山持续向好发展保驾护航，逐步实现少人则安、无人则安的宣传理念，最终将从根本上解决“人”的问题，实现安全管理由事先预防向事先预控发展。