平朔东露天矿智能化矿山建设的研究与应用

2022-06-30李亚林李金典

露天采矿技术 2022年3期

李亚林，宁浩，李金典，韩猛

（1.中煤平朔集团有限公司东露天矿，山西朔州 036000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

煤炭工业的飞速发展为智能开采打下了良好的基础。而智能开采在5G 通信和精确传感等技术的逐步发展中，已成为煤矿进一步实现安全生产的重要手段，智慧矿山逐步成为我国煤炭开采技术的前沿发展方向[1]。为从根本上提升煤矿产业竞争力，实现安全、高效、经济、绿色与可持续的发展目标，通过智能化高新技术促进煤炭产业转型与升级显得尤为重要[2]。因此，为解决当前煤炭工业面临的问题及发展需要，建设智能煤矿、发展智能化开采成为了必然选择，而露天矿相较于井工矿更适合开展智慧化、现代化矿山建设[3－4]。我国智能化开采技术相较于国外起步较晚，但在穿孔爆破、模型更新等领域有了一定的突破，并一定程度上实现了功能的单一或几个联合模块的数据化管控。山煤集团霍尔辛赫煤矿在智慧矿山系统建设的关键技术、系统建设的内容和功能等方面进行了实践，智慧矿山系统的应用有效提高了生产系统的智能化，达到了降本增效的目的[5]。皖北煤电集团麻地梁煤矿在顶层设计、优化设计、创新管理、数据治理等方面开展了智慧矿山体系的建设，在生产过程智能化、安全监控数字化、企业管理信息化、信息管理集成化等方面逐步向矿山智慧化迈进[6]；白音华三号矿基于开采工艺和信息化建设现状，设计了智慧矿山1 个智慧管控平台、4 个业务系统的建设构架，并提出建设智慧矿山的3 个阶段的建设思路，为推动我国露天矿信息化、智慧化和现代化建设做出了实践[7]。随着我国露天煤矿对智慧矿山建设的不断探索，在网络通信建设、生产过程管控、无人驾驶等方面取得了大量成果，但在智慧矿山建设上仍存在智能化及信息化标准不统一、多学科交叉应用不充分、重硬件轻软件、信息孤岛化严重、高新技术人才稀缺、自动化及感知范围不足、未形成统一综合管控平台等问题[8-9]。为此，中煤平朔集团东露天矿针对信息基础设施、矿山设计、智能穿爆、矿山工程、智能辅助、管理与决策、智能化园区、智能化选煤厂等方面对智能化矿山建设进行。

1 平朔东露天矿智能化矿山体系建设

平朔东露天矿以智能化建设为抓手，以安全、高效、智能、绿色发展为目标，使智能化基础支持系统、智能化设备工艺系统、智能化综合管理系统得以有机汇接，实现矿山工业的分布式协同工作，在安全保障、高效生产、绿色环保3 个方面取得了良好效益，带动矿山安全高效生产，促进经济效益持续提高，为高质量发展提供了强大技术支撑。东露天矿智能化建设内容概览图如图1。

图1 平朔东露天矿智能化建设内容概览图

1.1 智能化基础支撑系统

1）平朔东露天矿已建成的通信网络高速可靠并能够实现数据、文件、视频等快速传输，满足智能化矿山建设具备网络安全环境的需求。核心网络设备采用3 层交换机，5G 网络目前主要覆盖东露天矿南帮1260 平盘至东西向的爆破、采装、运输、排土等作业区域。

2）平朔数据中心已部署3 台超融合一体机、2 台业务接入交换机、2 台存储交换机，重要的数据与服务器均采用冗余配置，具有结构化或者非结构化数据存储功能，具备专业数据库软件、虚拟化软件、防病毒软件。

3）平朔东露天矿管控一体化平台具备实现生产决策、安全管理和设备控制统一协调管控的条件，支持大屏显示、PC 端显示、笔记本电脑显示，现已完成平台功能的开发和全部22 个子系统的接入。

4）平朔智能调度指挥中心协调管控露天矿现场作业，并对各系统实现统一管理，具备智能化指挥、调度、管控、办公、培训、展示等功能。同时建设办公自动化管理系统、ERP 系统、EAM 系统，各系统数据能够实现交互。东露天矿智能化基础支撑系统概览图如图2。

图2 东露天矿智能化基础支撑系统概览图

1.2 智能化设备及工艺系统

1）已建设钻机无人值守技术研究与应用项目，以智能运动控制系统作为钻机远程遥控和无人驾驶的中枢系统，通过环境感知技术、精准自动导航技术等，能够实现钻机运行状态参数实时监测、异常报警、故障智能诊断、故障预测功能，在远程操作钻机驶的情况下能够完成钻机的运行、钻孔和水平找正等操作，完成无人值守下的布孔工作。

2）无人值守钻机利用精准自动导航系统进行定位钻孔，并结合倾角仪、深度检测系统、激光测距传感器和振动传感器获取当前炮孔倾角、钻孔深度、阻力情况，动态调整自动钻孔的姿态。

3）已建设爆破远程监控及预警系统，在矿坑南北帮较高位置处各部署1 台超长焦距热成像双光谱云台枪机，对爆破区域关键环节和现场工况进行实时监控，通过后台人形侦测和移动检测算法判定是否有人或者移动设备进入爆破警戒区域。

4）智能调度管理系统、大型设备安全预警系统通过高精度组合惯导设备能够实现单斗挖掘机智能精准定位、轨迹回放；单斗挖掘机的电控系统能够实现能耗监测、运行状态参数实时监测异常报警、故障诊断、故障预测功能。

5）车辆防撞预警系统能够实现卡车防碰撞安全保障功能；大型设备安全预警系统能够实现卡车防疲劳驾驶、超速报警安全保障功能；矿用卡车无人驾驶技术改造项目的故障诊断系统能够实现卡车的运行状态参数实时监测异常报警、故障诊断、故障预测功能。

6）卡车智能调度管理系统能够实现自动精确计量、调度—终端通信、高精地图显示、轨迹回放、调度图表、统计查询、系统运行数据分析报告等功能；矿用卡车无人驾驶技术改造项目能够实现智能配车、高精地图显示、路径智能规划、智能导航等功能。

7）已建设矿用卡车无人驾驶技术改造项目，无人矿卡系统通过V2C 通信，自主沿着规划好的路径向任务指定地点行驶，在行驶的过程中实时进行障碍物检测，当检测到障碍物时，自动规划局部最优路径进行安全避障行驶；实现“1＋7＋13”即1 台电铲、7 台无人矿卡、13 台辅助作业设备的协同作业功能，完成1 台套作业设备的全面测试与工业化运行。

8）推土机的电控系统能够对其自身设备构件及运行状态进行监测，同时对其传动、制动、液压等系统的相关部位实现故障预警，进一步向自主保护、远程可视化监控、远程操控等方面探索。平朔东露天矿智能化设备及工艺系统概览图如图3。

图3 平朔东露天矿智能化设备及工艺系统概览图

1.3 智能化综合管理系统

1）已建成EAM 系统、ERP 系统、Linkone 系统，能够实现生产计划、设备维修、材料消耗、设备运维和配件库存信息管理、辅助分析。

2）ERP 系统、法律系统、主数据平台、采购一体化（原电子商务系统）、可视化管理系统能够实现销售和采购、资金信息和经营指标、投资和成本信息管理、辅助分析。

3）双预控系统、综合信息集成平台、煤炭监管信息平台、ERP 系统能够实现生产信息、经营信息和人力资源信息管理。东露天智能化综合管理系统概览图如图4。

图4 东露天智能化综合管理系统概览图

2 智能化建设效益分析

东露天矿智能化矿山建设效益主要体现在安全保障、高效生产、绿色环保3 个方面。

1）安全保障。管理与决策方面，风险管控与隐患排查系统通过专项安全检查和常态巡检，全过程参与完成现场安全隐患的信息采集、数据传输、排查整改和隐患消除等闭环跟踪与管理。机电设备安全方面，单斗挖掘机电控系统、车辆防碰撞系统、推土机电控系统实现实时监测与故障诊断；卡车智能调度系统，无人驾驶技术具备自动避障及控制能力。环境安全方面，边坡雷达监测系统实现全天候实时监测并具备预警报警功能。

2）高效生产。管理与决策方面，综合管理系统能够实现各系统数据的交互，生产经营中的各种综合数据上报至生产运营管理部，实现了生产经营的全局管控。穿爆方面，实现钻孔智能精准定位，钻机无人值守常态化使用。运输排土方面，具备单斗挖掘机-无人驾驶卡车协同作业功能，实现运输排土的智能与高效。供电方面，变电所实现集中监控以及无人值守，同时可实现智能控制。排水方面，排水泵站具备集中监控、无人值守功能。

3）绿色环保。排水泵站具有水位自动监测功能和根据水位情况自动选择水泵启停，提高矿山疏干效率，降低耗电量。无人智能变电站具备智能开关和关键负荷电缆的测温报警功能，提高矿山电能利用率。