露天矿山智能化评价体系研究

郭英杰

（内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司，内蒙古 赤峰 024000）

2021 年4 月自然资源部发布《智能矿山建设规范》征求意见，其中对智能矿山的定义为：在地质测量、资源管理、采矿生产、选矿加工、运输仓储等方面实现数字化、信息化、智能化管控的现代化矿山。王国法院士等[1-7]提出煤矿智能化（初级阶段）技术体系以及智能化煤矿分类、分级评价指标体系，但研究内容同主要侧重于井工煤矿；张瑞新等[8]提出智慧露天矿山建设基本框架及体系设计；应急管理部信息研究院付恩三等[9]提出智慧露天矿山总体框架及关键技术进行研究。上述学者总结凝练智能露天矿山的总体架构，但并未对露天矿智能化的评价体系做深入及总结。2020 年自然资源部下发建设绿色矿山评价指标，分别从矿区环境、资源开发方式、资源综合利用、节能减排、科技创新与智能矿山、企业管理与企业形象6 个方面对绿色矿山建设水平进行评分，一共涵盖105 个指标，总分1 000 分。基于此，开展露天矿山智能化评价体系的研究[10-16]。

1 露天矿智能化生产系统评价体系

露天矿智能化生产系统评价体系主要涵盖：地质基础指标、信息基础指标、绿色开采指标以及智能系统指标，4 大类指标细分后，分成地质、测量、穿爆、采运排（采掘、运输、排土）、维修、安全辅助、基础设施以及绿色开采等8 类指标。

1）地质体系。地质三维模型系统平台实现地质储量的统一平台的管理，地质系统平台实现矿床三维建模工作；露天矿山地质数据库建设涵盖所有剖面数据、钻孔数据、地形数据、顶底板等高线数据都统一在地质云平台进行管理；实现对地质模型数据的关联预测、地质数据的关联分析，形成地质数据的模拟推演。当模型发布后，可以供测量部门、采矿计划部门进行数据综合应用。地质平台提供各类不同比例尺的矿山图件的下载功能，矿山所有地质类图件信息统一保存在地质平台。

2）测量体系。实现智能露天矿山测量，需采用无人机测量的方式。通过无人机生成点云以及DTM 的校对，校对过程中，需要具有现场经验的测量工程师进行噪声数据去除，防止发生误差过大的现象。生成精准露天矿山DTM 模型后，测量技术人员通过登录地质云系统，将精准DTM 模型进行发布。地质平台保存每次发布的精准测量数据，为矿山后期模拟开采和工程反演提供数据支撑。同时建立测量数据采集、存储、处理、统计以及图形化展现等数据管理系统，系统应具有行业通用格式的数据输入、输出接口。智能测量的最终目标是实现矿山外业测量的无人化。

3）穿爆体系。实现穿孔，爆破等环节的爆破设计，钻机实时定位，动态跟踪和故障诊断以及炸药入库、出库，实现各环节的实时动态管理，同时实现与露天矿采运排系统的协同作业。

4）采掘体系。主要露天矿山采掘负责部门为矿山剥离、采矿部门、测量部门。实现智慧露天矿山的采掘，应实现采掘设备的无人操作，采掘设备自动甄别开采周围环境实时信息，精准识别煤岩属性。采掘设备工况感知数据实时传输至智慧露天云数据中心，实现数据自主分析，实现采掘系统的智能化。当采掘环节出现异常信息后，云数据中心第一时间给出预警分析结果，远程控制系统自主控制采掘设备，解决故障信息。其最终目标是实现矿山采掘环节全流程的无人化。

6）排土体系。露天矿山运输主要涉及剥离排土和工程辅助设备排土场平整、反坡、挡墙的设计实施工作。负责部门主要为露天矿山排土部门、采矿设计部门、安环部门。当采用单斗卡车排弃时，剥离卡车将排弃物料运送至对应排土场时，由工程辅助设备完成排泄点土地平整、反坡及挡墙设计，同时实现工程设备与排土设备之间的协同避让作业。此过程最终目标是实现所有设备的无人化。当采用轮斗-带式输送机-排土机工艺时，实现整个过程的远程控制，无人化排土。

7）设备维修体系。露天矿设备主要包含：采掘设备（电铲、挖掘机）、运输设备（卡车、带式输送机）、排土设备（带式输送机、卡车）、穿孔设备（钻机等）、破碎站以及辅助设备等。负责矿山主要设备维修的部门为露天矿山机电设备科。智能露天矿山设备维修体系主要实现对矿山所有工程设备工况信息联网，通过感知设备工况数据，实现对设备故障风险的预警预判，露天矿山设备维修的智能化预警、智能化维修指导。

8）安全辅助体系。智能露天矿山安全辅助体系主要涵盖：边坡监测系统、防灭火系统、疏干防排水系统以及智能视频识别系统。例如：视频识别系统实现对露天矿山的安全管控，边坡监测区域的实时动态监测预警。

9）基础设施体系。智能露天矿基础设施体系是实现智能露天矿山的基础底座，主要包括：基础设施；调度控制中心；数据采集与数据服务；监控调度与协同管理；信息发布以及系统安全。

10）绿色开采体系。露天矿绿色环境体系需要构建露天矿山采场及排土场的环境监测预警系统，具备与排弃计划、复垦计划以及相应污染物的处置及建议。

2 智能露天矿山评价指标及分级

2.1 智能露天矿山体系评价指标

根据露天矿山智能化建设的体系结构和流程，智能露天矿山体系评价指标如下:

1）基础设施指标。涵盖6 个方面：①办公网络：企业办公区建设办公网；②采场网络：露天矿坑部署建成5G 或者矿坑内局域网络；③数据采集：部署露天矿数据采集转换设备，实现露天矿坑内多维生产数据接入上传；④调度中心：露天矿建设调度控制中心中网络、通信、视频、大屏幕展示等基础设施；⑤安全保护：矿山网络安全；⑥资产管理：构建露天矿数字资产管理平台，实现对数据质量的管理。

2）地质系统指标。涵盖7 个方面：①三维基础软件：具有三维采矿软件，支持矿山三维采矿、排土生产设计、具备模拟开采和虚拟排土功能；②地质数据平台：建立地质数据平台，支持图纸下载、上传，支持数据接口的对接；③二三维转换：地质系统平台支持二三维数据的转换功能；④报表调度：地质系统平台具有储量报表的导出功能；⑤协同制图：地质系统平台支持采矿、测量、地质协同制图；⑥服务年限：大型露、特大型天矿服务年限＞35 年，中型露天矿服务年限＞30 年；⑦吨煤效率。

六、参考文献必须以作者亲自阅读过的近几年主要文献为据。论著不超过20条，综述一般不超过40条，需尽量引用近10年内（近5年内的文献，不得少于所引文献的50%）公开发表的国外文献，凡未发表的或内部刊物的资料一律不得列入。日文汉字请勿与我国汉字及简化字混淆。文献编号必须按文内出现的先后依次排列，格式按下列规定书写：

3）穿爆系统指标。涵盖3 个方面：①钻机智能管控：实现钻机实时定位、自主钻进；②穿爆系统平台：建设穿孔爆破系统平台，实现三维爆破设计、实现装药设计、实现爆破模拟结果分析、实现与采矿设计数据接口对接；③岩性智能识别：钻机实现钻进过程中的岩性识别，实现对钻进钻头速度、压力监测，实现岩性强度岩性预测。

4）测量系统指标。涵盖2 个方面：①测量手段：采用RTK 测量手段来进行测量，采用三维激光扫描仪进行测量，采用无人机测量；②测量系统平台：具有测量算量系统平台，支持对无人机数据的处理、抽希等功能，同时可将无人机成果模型数据进行发布，为采矿设计提供数据底图。

5）采运排系统指标。涵盖3 个方面：①感知系统平台：建设采掘、运输、排土设备感知系统平台，实现所有设备无人驾驶；②工况数据采集系统平台：建设设备工况数据采集系统平台，实现采运排数据的集中展示，数据包括：油耗、电耗、胎压、温度、转速、车速、加速度等；③设备调度系统：建设采运排设备调度系统，实现采运排设备自主调度，车铲智能匹配。

6）安全辅助系统指标。涵盖6 个方面：①边坡监测测点部署：边坡部署监测点，对边坡进行监测；②边坡监测系统：边坡监测系统具有多参数查询功能，可生成测点实时数据和历史曲线；③二三维边坡稳定性预测：实现边坡稳定性的三维模拟仿真及实时稳定性计算；④视频监控系统：建设视频监控系统，覆盖露天矿关键位置；⑤智能视频识别系统：建设露天矿违章视频识别系统，具有安全帽检测，脱岗离岗检测，储煤仓烟火识别，区域入侵，绝缘手套识别，皮带异物识别、皮带跑偏识别等功能，其中违章作业场景包括但不限于上述场景，实现违章视频片段的自动截取，违章视频数据下载，支持闭环处置；⑥远程操控：露天矿实现对水泵、破碎站、带式输送机、变电站的远程操控。

7）设备维修体系指标。建设采运排+穿爆设备综合设备维修管理平台，具有故障诊断、设备基础数据调阅、安标检测检验数据调阅、故障记录、维修信息、设备故障知识图谱等功能。

8）绿色开采指标。建立环境监测系统，实现对采场及排土场征地规划、露天矿场内道路扬尘监测等。

对于智慧露天矿的长期发展，各一级指标都具有重要的地位，因此，初步设定每个一级指标满分为10 分。

评价指标融合性因子和评分如下：①上述系统并未实现2 个或2 个以上系统的关联分析时，总分乘以融合因子0.75；②上述系统实现2～4 个系统的关联分析时，总分乘以融合因子1，实现2 个系统关联分析融合因子为0.75+0.05×2，3 个系统关联分析融合因子为：0.75+0.05×3，4 个系统关联分析融合因子为1；③上述系统实现全部系统的关联分析时，总分乘以融合因子1.25。

2.2 智能露天矿山评价分级

为了方便矿山企业评估其智能矿山建设水平，将露天矿山智能化评价结果分成3 个等级：智能矿山准备阶段、智能矿山追赶阶段、智能矿山领跑阶段。矿山智能化评价等级见表1。

表1 矿山智能化等级Table 1 Mine intelligence grades

1）智能化矿山准备阶段。智能化建设刚刚起步，各项基础体系不够健全。总体智能化评价因子得分≤60 分。

2）智能化矿山追赶阶段。起步较智能矿山领跑矿山稍晚但具有基本发展潜能，有望实现逐步赶超。总体智能化评价因子得分≤80 分。

3）智能化矿山领跑阶段。起步早，发展稳定，各项指标得分处于前列，并且生产过程各系统普遍采用智能化技术，所有智能化系统实现联网协作。总体智能化评价因子得分≤100 分。

3 智能露天矿山建设评价

3.1 评价结果

根据评价指标体系和打分规则，通过邀请行业专家实地调研, 2020 年对露天矿智能化程度进行打分。通过调研可知，2017 年露天矿实现风险隐患管理系统的建设；2018 年露天矿实现矿区采场区域4G 网络建设，实现采场范围内的设备工况数据传输；2019 年露天矿已经实现违章行为智能视频识别系统的建设，同年实现无人机测量+三维激光扫描仪的测量；2020 年3 月露天矿进行无人驾驶系统的探索应用研究。根据露天矿智能化发展情况，对露天矿智能化水平进行打分，总得分为46.5。露天矿山智能化评价结果见表2。

表2 露天矿山智能化评价结果Table 2 Intelligent evaluation results

根据露天矿山智能化综合评价结果可以看出，该露天矿处于智能矿山准备阶段，正向着追赶阶段发展。通过分析可，该露天矿山智能化短板出现在穿爆系统、采运排系统、设备维修诊断以及绿色开采，下一步解决单一系统的智能化后，亟需解决多系统的融合应用的问题。

3.2 演化趋势

根据露天矿的智能化建设情况，目前，该矿实现了测量系统和采运排系统的数据同一平台的融合关联，因此，2020 年，取系统融合因子为0.85。通过查阅该矿智能化建设资料，给出该矿近10 年的智能化变化趋势表，智能露天矿山演化趋势分析见表3。

表3 智能露天矿山演化趋势分析Table 3 Analysis of the evolution trend of smart openpit mines

从露天矿近10 年的发展来看，露天矿山从2011 年逐步开始露天矿山智能化建设，但从10 年智能化发展进程中可以看出，在2013 年至2016 年，这4 年中，智能化水平基本未发生变化，通过分析当时全国露天矿山经济背景可知，2013 年至2016 年，这4 年正处在我国去产能阶段，整个煤炭行业正处在冰封期，产能过剩，煤价下跌，企业无暇顾及智能化建设发展。2017 年开始，煤矿开始逐步投入到智能化建设的加速期当中，这主要得益于国家相关政策支撑，加大智能化矿山建设，加之煤炭价格稳中有升的驱动。该露天矿在这10 年智能化发展过程中，稳步向好，企业经济实力强劲，在智能化建设进程中，处在前列。

4 结 语

针对我国露天矿山智能化评价体系没有统一标准，建设过程中缺少建设依据、评价准则等关键问题，开展露天矿山智能化评价体系的研究。提炼出构建智能露天矿山的8 类一级指标：基础设施指标地质系统、穿爆系统、测量系统、采运排系统、安全辅助系统、绿色开采指标以及设备维修体系。将智能露天矿山建设发展分为领跑者、追赶者与准备者3 个阶段。通过取样对某特大型露天矿进行趋势分析，结果表明：该露天矿智能化处于上升通道，反映智能露天矿建设确实取得一定成果，但还未实现特殊飞跃和突破，露天矿山智能化短板处在穿爆系统、采运排系统、环境监测方面。