露天煤矿智慧矿山建设分析

宋 楠 ，梁新成

（1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室；3.北矿智能科技有限公司，北京 102628）

长期以来，煤炭是我国主要的一次能源，其开采技术经历了数次迭代。人工智能时代，智慧矿山将是矿山发展的主流趋势。然而，矿山作业环境的复杂性和不可预见性也成为影响矿山开采智能化的主要因素之一。随着人工智能、大数据等技术的发展，露天煤矿的无人开采在技术上已经成为可能。在一些人力成本较高、相关技术成熟的国家已经实现部分采区作业完全无人化。早在2013年，卡特彼勒公司牵头，在所罗门铁矿区试验了首批无人驾驶的矿用自卸卡车（简称矿卡），时至今日，运行的卡车已经超过50辆，累计运输量超过2亿t。最近几年，国外露天煤矿的智能开采更是取得阶段性成果。2021年，澳大利亚力拓公司在西澳大利亚州建成一个真正意义上的无人矿山，整个生产过程由各种机器人、无人驾驶矿卡、无人钻机及智慧物流系统完成，这是世界首个无人化的智慧矿山。无论从经济效益还是从安全生产角度来看，智能化无人化开采都是未来露天煤矿发展的主流趋势。

1 我国露天煤矿开采工艺的发展历程

新中国成立以来，我国露天煤矿开采工艺大致经历了三个发展阶段。第一阶段为1949年至20世纪80年代早期，我国露天煤矿开采工艺以间断工艺为主，其主要特点是采取单斗挖掘机配合铁道运输。这一阶段，露天煤矿设计生产能力一般小于200万t/a，产量较低且作业灵活性不高。第二阶段以1987年平朔安太堡露天煤矿建成投产为标志，我国露天煤矿开始进入千万吨级别，这一时期，开采工艺开始向连续工艺和半连续工艺转变，生产效率得到明显提升。第三阶段是2012年至今。随着人工智能、大数据等技术的普及，一些大型露天煤矿开始建设信息化管理平台，基本实现基础生产作业的智能化管控，如卡车的智能化调度、钻机的高精度导航布孔等。

2 我国露天煤矿智慧矿山建设现状

2020年初，国家发展和改革委员会发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出由企业牵头设立相关基金，结合当前发展水平，分三阶段逐步推进我国煤矿智能化建设，力争在2035年前建成完备的煤矿智能化生产体系，届时煤炭的生产运输与使用将形成智能化、无人化、低碳化的生态圈。

2.1 配套基础设施建设

开展配套基础设施建设是建设露天煤矿智慧矿山的前提条件和有力保障。在国家产业升级的背景下，工业互联网中心、5G基站、人工智能云计算平台等基础建设项目大量上马，随着配套基础设施的完善，一些前期投入巨大、单个矿山无法承担的技术平台逐渐进入露天煤矿智慧化领域。这无疑为今后全面建设无人化智慧矿山奠定了基础。未来要充分利用我国基建优势和完备的工业体系，而后发的技术保障将成为我国智慧矿山与国际同行竞争的巨大优势。

2.2 主要煤炭产区建设试点工程

2020年，我国煤炭总产量为38.4亿t。经过数年的整合，我国煤炭行业已经建成14个亿吨级煤炭基地，彻底摆脱产能分散、技术落后的弊病。在这个大前提下，各主要煤炭产区都出台了激励政策。例如，山西省对于购置煤矿智慧化改造设备给出减免税款的政策支持，同时与中国煤炭科工集团有限公司等单位签订战略合作协议，进一步推动煤矿的智慧化。近年来，国家大力发展露天煤矿无人矿卡试点项目。2021年9月，世界首个极寒条件下露天煤矿5G无人驾驶矿卡项目在内蒙古自治区试运行，这也标志着我国在露天煤矿无人开采技术上进入世界先进行列。

2.3 以人为本的战略方针

我国露天煤矿智慧矿山建设本着以人为本的战略方针，从需求出发对露天煤矿生产体系进行智能化改造，由点到面逐步推进矿山智能化工程。要优先在高危矿山进行智能化推广，改善煤矿工人作业环境，提升生产效率，同时加大技术力量建设，夯实相关人才储备，从根本上建设智能化露天煤矿生态圈。

3 我国露天煤矿智慧矿山建设的制约因素

如图1所示，露天煤矿智慧化的基本架构主要由4个模块组成，前端进行测量建模，然后开展环境分析和智能化演算，以可视化平台的方式将信息呈现给管理层。这个基本架构衍生出丰富的智慧化体系。在前期建设过程中，可以根据实际生产情况对一个或数个模块进行优先开发建设，由现有设备辅助实现矿山的智能化管控。但是，我国露天煤矿智慧矿山建设目前依然存在部分制约因素。

图1 露天煤矿智慧化的基本架构

3.1 主要装备国产化程度低

我国首批现代化露天煤矿建设之初，大量进口设备开始进入我国露天煤矿。长期执行国外技术标准，这使得智慧矿山建设中国有技术与进口设备衔接困难，生产实践中甚至出现很多技术纠纷。这一现象严重制约我国露天煤矿智慧矿山建设。虽然近些年国产矿用设备发展势头迅猛，但是大吨位的矿卡、电铲等关键设备仍主要依赖进口。解决设备自主生产问题无疑是未来发展的重中之重。

3.2 矿用软件开发程度低

在新一轮的煤矿智能化竞争中，软件无疑居于关键地位。目前，与国外相比，我国矿用软件仍相对落后。软件开发前期投入大，后期收益慢，导致软件开发企业对基础矿业软件的开发热情低。这一现象严重制约了我国露天煤矿智慧矿山建设。

3.3 开采环境较差

我国大型露天煤矿多分布在自然条件恶劣的区域，这就对智能化设备的维护和稳定运行提出更高的要求。一些露天煤矿采区存在安全隐患（如小煤窑盛行时期留下的空巷），更加剧了无人化生产的不稳定性。

3.4 人力成本较低

相较于发达国家高昂的人力成本，我国工人薪酬一直维持在较低的水平，发展无人化采矿的经济效益不高，直接导致我国露天煤矿智慧矿山建设步伐缓慢。这也从侧面反映出国家政策层面保障露天煤矿智慧矿山建设的必要性。

4 结语

我国露天煤矿开采工艺经历了三个发展阶段，目前已基本实现基础生产作业的智能化管控。但是，主要装备国产化程度低，矿用软件开发程度低，开采环境较差，人力成本较低，制约了我国露天煤矿智慧矿山建设。未来，要结合我国露天煤矿智慧矿山建设现状，加强配套基础设施建设，在主要煤炭产区建设试点工程，坚持以人为本的战略方针，完善露天煤矿智慧化的基本架构，稳步推进露天煤矿智慧矿山建设。