露天煤礦智能開采技術(shù)應(yīng)用

宋偉麗，劉輝

摘 要：在現(xiàn)階段的露天煤礦開采作業(yè)中，各種智能開采技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常普及。如果想最大限度地發(fā)揮露天煤礦智能開采技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，則必須把握技術(shù)關(guān)鍵，選擇適合的技術(shù)。文章簡要介紹了露天煤礦開采工藝，結(jié)合實際分析了露天煤礦智能開采技術(shù)及其應(yīng)用，闡明了露天煤礦智能開采技術(shù)應(yīng)用的意義，希望有助于促進我國露天煤礦智能開采技術(shù)的進步與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：露天煤礦;煤礦智能開采技術(shù)

中圖分類號：TP3;TD61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.010

近年來，我國煤礦業(yè)的快速發(fā)展及社會對煤礦需求的不斷增加，露天煤礦開采量正呈逐年上升趨勢，對露天煤礦開采技術(shù)提出了更高的要求。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及動力挖掘機的創(chuàng)新與推廣，露天開采技術(shù)的發(fā)展越來越迅速，逐漸呈現(xiàn)信息化特點。隨著智能化時代的到來，現(xiàn)代先進智能化技術(shù)在露天煤礦開采中的應(yīng)用，降低了開采成本，提高了開采效率和安全水平。

1 露天煤礦開采工藝概述

露天煤礦開采工藝是指根據(jù)露天煤層的賦存狀態(tài)、礦區(qū)地形地貌情況、剝離物堆放位置等進行煤礦開采的工藝技術(shù)，可以將其作為完成采剝、運輸、排土三個主要工藝環(huán)節(jié)的機械作業(yè)方式的總稱[1]。

根據(jù)開采程序，可以分為全境界開采工藝、并段開采工藝、陡幫開采工藝、分區(qū)開采工藝、分期開采工藝、分期分區(qū)開采工藝六種類型。

根據(jù)工作線布置方式，可以分為橫向布置采剝工藝、縱向布置采剝工藝、環(huán)形布置采剝工藝、扇形布置采剝工藝四種類型。

根據(jù)開采物料流的連續(xù)性，可以分為連續(xù)式開采工藝、間斷式開采工藝、半連續(xù)式開采工藝三種類型。

根據(jù)開采主要環(huán)節(jié)機械設(shè)備運用情況，則可以分為獨立式開采工藝、合并式開采工藝兩種類型。

在實際露天煤礦開采中，通常分為年度、月度及日常開采計劃。其中，年度計劃是基于初步設(shè)計并結(jié)合礦區(qū)當前實際情況確定全年開采目標及順序;月度計劃是根據(jù)年度計劃及相關(guān)設(shè)備和車輛情況、采剝運輸系統(tǒng)布置情況等確定每月開采計劃;日常計劃則是根據(jù)相關(guān)設(shè)備和車輛的現(xiàn)場條件組織開采作業(yè)。

2 露天煤礦智能開采技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 MES生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)

MES生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)是露天煤礦智能開采的核心技術(shù)，依托于單站覆蓋半徑極長、寬帶集群功能強大的LTE—4G無線寬帶技術(shù)，采用1.8G專網(wǎng)頻段，實現(xiàn)包括語音、視頻通話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)蓉S富的功能。露天煤礦4G專網(wǎng)覆蓋內(nèi)的最大并發(fā)群組高達512個，且群組建立的時延不到300 ms[2]。

MES生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)能夠提供制造數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度、計劃排程、質(zhì)量、庫存、運行設(shè)備、人力資源、采購、生產(chǎn)過程控制、成本控制以及上層數(shù)據(jù)集成分解、底層數(shù)據(jù)集成分析等管理功能。

MES生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)中運用了先進的信息化手段，可以對露天煤礦開采過程中的計劃層與過程控制進行銜接、礦與職能科室與區(qū)隊進行銜接。在實踐中，領(lǐng)導(dǎo)人員、業(yè)務(wù)主管部門工作人員均可通過計算機或手機等終端查閱開采信息，區(qū)隊班組輕松實現(xiàn)集群通信，且不同區(qū)隊班組可以建立不同的群組，群組之間互不干擾，各個開采作業(yè)點可實現(xiàn)語音與視頻的融合通信，以使現(xiàn)場情況一目了然[3]。

此外，應(yīng)用MES生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)后，領(lǐng)導(dǎo)人員、業(yè)務(wù)主管部門工作人員等均可通過計算機或手機等終端來查閱相關(guān)露天煤礦開采信息。

2.2 鏟臂智能化路徑規(guī)劃技術(shù)

電鏟是露天煤礦開采中的重要設(shè)備之一，鏟臂則是電鏟上的關(guān)鍵構(gòu)件。露天煤礦開采環(huán)境十分復(fù)雜，鏟臂容易與其他設(shè)備發(fā)生交叉碰撞，針對該問題，必須對鏟臂路徑進行合理規(guī)劃，將現(xiàn)代智能化技術(shù)應(yīng)用到鏟臂中，實施鏟臂智能化路徑規(guī)劃技術(shù)。

具體來說，鏟臂智能化路徑規(guī)劃技術(shù)是以煤礦挖掘點為起點、煤礦卸載點為終點，借助毫米波雷達、激光雷達等相關(guān)感知設(shè)備的數(shù)據(jù)對多傳感器數(shù)據(jù)進行融合，對電鏟作業(yè)環(huán)境進行數(shù)字圖像建模和點云成像。

基于精準解析的實時RTK信號定位信息、動作感知信息及運動學(xué)模型等，通過智能規(guī)劃算法，智能化規(guī)劃出無碰撞的平滑路徑;再然后，傳達相關(guān)控制指令，驅(qū)動電鏟的各傳動機構(gòu)的電動機來精準控制相關(guān)動作，最終實現(xiàn)鏟臂智能化路徑規(guī)劃目的。

在實際進行鏟臂路徑規(guī)劃前，應(yīng)先對露天煤礦電鏟作業(yè)區(qū)域內(nèi)的各種運行設(shè)備及障礙物進行準確識別，且為進一步優(yōu)化鏟臂的智能化避障效果、提高規(guī)劃路徑的安全性，還要對作業(yè)空間內(nèi)的相關(guān)障礙物實施規(guī)則化包絡(luò)處理，即采用長方體模型對障礙物進行包絡(luò)，以簡化障礙物模型。通過應(yīng)用移動設(shè)備障礙物、相關(guān)感知設(shè)備及自帶定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r跟蹤定位作業(yè)現(xiàn)場的各種移動障礙物[4]。

此外，要運用相關(guān)三維路徑規(guī)劃算法，如遺傳算法、蟻群算法、RRT算法、A*算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，確保鏟臂能夠于存在移動障礙物的三維空間內(nèi)良好運行。

2.3 采場邊坡北斗定位監(jiān)測技術(shù)

露天煤礦采場的邊坡是最易發(fā)生安全事故的地點之一，也是安全監(jiān)測的關(guān)鍵位置。在露天煤礦開采過程中，隨著采剝作業(yè)的不斷深入，巖體原本的自然應(yīng)力平衡狀態(tài)逐漸被打破，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降、變形運動概率上升。影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有臺階變坡度的大小、邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)的變化、降雨及地下水對邊坡巖體的浸泡和沖刷、邊坡巖體地質(zhì)構(gòu)造的變化、軟弱巖層的變化、開采方式等，如不及時采取具體措施解決處理，極易引發(fā)安全事故，危及人員和設(shè)備的安全。因此，在露天煤礦開采期間，觀測研究采場邊坡變形參數(shù)，了解采場邊坡變形運動規(guī)律，對保證生產(chǎn)安全具有十分重要的意義[5]。

現(xiàn)階段，我國主要是應(yīng)用北斗系統(tǒng)進行采場邊坡監(jiān)測，即采場邊坡北斗定位監(jiān)測技術(shù)。在北斗系統(tǒng)導(dǎo)航下，利用無人機航測生成露天煤礦三維模型，能夠清晰地顯示采場邊坡區(qū)域的邊坡角、坡頂、底位置等情況，精準發(fā)現(xiàn)邊坡中存在的超挖或欠挖等問題，為高陡邊坡動態(tài)監(jiān)測、移動變電站監(jiān)測、采空區(qū)炭車及火災(zāi)監(jiān)測、疏干排水監(jiān)測等提供安全保障。

2.4 自卸卡車智能調(diào)度技術(shù)

單斗—卡車工藝是露天煤礦開采中的重要環(huán)節(jié)。一般來說，采場剝離運輸費用占露天煤礦生產(chǎn)成本的60%以上。通常情況下，露天煤礦開采現(xiàn)場與排土場之間的運輸距離可長達幾千米，在實際運輸過程中，重載自卸卡車用于爬坡行駛，空載車輛用于下坡行駛。為提高自卸卡車的運輸效率，降低成本，保障生產(chǎn)安全，需應(yīng)用自卸卡車智能調(diào)度技術(shù)。

自卸卡車智能調(diào)度技術(shù)是在調(diào)度室設(shè)置調(diào)度中心，由調(diào)度人員通過調(diào)度指揮控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、報警系統(tǒng)及維修調(diào)度管理系統(tǒng)等指揮調(diào)度自卸卡車運行，具有智能調(diào)度、地圖管理、自動計量、報表統(tǒng)計、鉆機鉆孔導(dǎo)航、歷史回訪、安全管理、故障維修管理等功能，能夠真實、全面、詳細、及時地反映自卸卡車的運行狀況。

2.5 智能機電一體化皮帶運輸機技術(shù)

皮帶運輸機是露天煤礦開采中的重要運輸設(shè)備，它以膠帶為牽引結(jié)構(gòu)，可以連續(xù)運轉(zhuǎn)，具有運輸量級大、距離長等優(yōu)勢，既能保證運行的高效性與連續(xù)性，又能保證穩(wěn)定性與安全性。將智能機電一體化技術(shù)應(yīng)用到皮帶運輸機，可以實現(xiàn)對皮帶運輸機的自動化集中控制[6]。

智能機電一體化技術(shù)是指對機械技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、接口技術(shù)以及傳感技術(shù)等高新技術(shù)的綜合應(yīng)用。其中，機械技術(shù)是智能機電一體化的基礎(chǔ)，其各方面的發(fā)展是實現(xiàn)智能機電一體化應(yīng)用優(yōu)化的前提;網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是智能機電一體化實現(xiàn)的關(guān)鍵;接口技術(shù)的主要作用是提高硬盤數(shù)據(jù)傳輸率，關(guān)系著智能機電一體化運行過程中各組成部件之間的連接;傳感技術(shù)則是對機械設(shè)備進行智能化檢測和優(yōu)化輔助[7]。

智能機電一體化皮帶運輸機主要具有以下幾項功能：一是診斷報警功能，實時自動監(jiān)控診斷皮帶運輸機運行期間的各類故障問題并發(fā)出警報;二是自動生產(chǎn)功能，通過自動化操作運行降低人工勞動難度和強度，節(jié)省人力資源，減少人工操作錯誤和疏漏;三是優(yōu)化提升功能，優(yōu)化運輸作業(yè)流程，提升運輸速度、提高露天煤礦整體生產(chǎn)效率;四是性能改善功能，改善皮帶運輸機的設(shè)備性能，方便日常檢修維護，減少設(shè)備故障，延長設(shè)備壽命。

2.6 煤礦開采智能安全監(jiān)控技術(shù)

露天煤礦開采風(fēng)險較高，存在邊坡滑落、作業(yè)平盤臺階幫不齊、地不平、臺階超高、局部有扇檐障礙、運輸車輛行駛超載超速等安全隱患，要應(yīng)用煤礦開采智能安全監(jiān)控技術(shù)，通過高清攝像頭拍攝和智能識別、遠程監(jiān)控露天煤礦開采實況，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并解決處理。煤礦開采智能安全監(jiān)控技術(shù)中應(yīng)用的高清攝像頭不但清晰度高，而且重量輕、體積小、照度低、傳輸距離遠、可變焦及自帶紅外燈，能夠根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境情況而自動轉(zhuǎn)換模式[8]。

煤礦開采智能安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是由聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、中心站主機、數(shù)據(jù)存儲功能區(qū)、防火墻及殺毒軟件構(gòu)成的，其中，中心站主機由兩臺聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器構(gòu)建，一臺用于向上級監(jiān)測監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)單項傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)（上級聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器），另一臺用于向煤礦綜合自動化系統(tǒng)單項傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)（Web服務(wù)器）。一般情況下，煤礦開采智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可在硬盤中保存3年。

3 露天煤礦智能開采技術(shù)應(yīng)用的意義

3.1 提升了煤礦開采設(shè)備控制的精準性

煤礦開采設(shè)備對控制精準性的要求極高，通過應(yīng)用露天煤礦智能開采技術(shù)，可以大大提高數(shù)據(jù)采集效率，并基于不斷采集的相關(guān)數(shù)據(jù)而實現(xiàn)對煤礦開采設(shè)備的精準自動控制，從而減少人工工作量、降低人工作業(yè)難度。

同時，還能夠有效擺脫傳統(tǒng)設(shè)備控制對模型和數(shù)據(jù)的依賴，以從根本上規(guī)避系統(tǒng)控制精準性低的問題[9]。

3.2 增強了煤礦開采設(shè)備運行的安全性

隨著露天煤礦開采生產(chǎn)中運用的設(shè)備類型越來越多、功能越來越復(fù)雜，雖顯著提高了露天煤礦開采效率，但與此同時也帶來了更高的作業(yè)安全風(fēng)險。尤其是現(xiàn)在有些煤礦開采設(shè)備本身的操作難度就較大，一個操作不慎即可能引發(fā)嚴重的安全事故。而通過應(yīng)用露天煤礦智能開采技術(shù)，則可以有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工操作，使各類開采設(shè)備的運行變得更加安全可靠。

3.3 促進了各類設(shè)備系統(tǒng)之間的聯(lián)動性

在露天煤礦開采生產(chǎn)過程中，需要各類設(shè)備系統(tǒng)之間相互良好配合，共同進行有序運作。針對這點，可以通過應(yīng)用露天煤礦智能開采技術(shù)來進行實現(xiàn)。

露天煤礦智能開采技術(shù)的應(yīng)用可促進各類設(shè)備系統(tǒng)之間的聯(lián)動性，使各類設(shè)備系統(tǒng)之間的連接與互動更加便捷高效。

3.4 強化了煤礦系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的一致性

數(shù)據(jù)處理是煤礦系統(tǒng)工作中的關(guān)鍵一環(huán)，但過去在沒有應(yīng)用智能化技術(shù)時，煤礦系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理難度較大、效率較低，且難以達到良好的一致性。而通過應(yīng)用露天煤礦智能開采技術(shù)，則可以對煤礦系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一、一致的處理，從而進一步提升煤礦系統(tǒng)的智能化程度。

3.5 實現(xiàn)了煤礦開采作業(yè)監(jiān)控的全方位性

近年來，露天煤礦開采規(guī)模正在不斷擴大，這大大提升了露天煤礦開采作業(yè)的安全風(fēng)險系數(shù)，給煤礦開采作業(yè)監(jiān)控帶來了更高的要求。

由于不同露天煤礦開采技術(shù)、開采設(shè)備在實踐中所可能引起的安全事故及其危害程度各不相同，所以在一定程度上增加了煤礦開采作業(yè)監(jiān)控難度[10]。

基于此，通過應(yīng)用露天煤礦智能開采技術(shù)，能夠有效強化對煤礦開采期間細節(jié)處的監(jiān)控，并減少監(jiān)控死角，更有效地發(fā)現(xiàn)煤礦開采作區(qū)域內(nèi)存在的各種安全隱患。

4 結(jié)語

綜上所述，露天煤礦開采是一項復(fù)雜性與系統(tǒng)性較強的作業(yè)，采用傳統(tǒng)的開采技術(shù)已經(jīng)無法滿足其實際生產(chǎn)要求，只有積極應(yīng)用MES生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)、鏟臂智能化路徑規(guī)劃技術(shù)、采場邊坡北斗定位監(jiān)測技術(shù)、自卸卡車智能調(diào)度技術(shù)、智能機電一體化皮帶運輸機技術(shù)、煤礦開采智能安全監(jiān)控技術(shù)等先進的露天煤礦智能開采技術(shù)，才能使整體露天煤礦開采水平得到進一步提高。

實踐表明，通過應(yīng)用露天煤礦智能開采技術(shù)，大大提升了煤礦開采設(shè)備控制的精準性，增強了煤礦開采設(shè)備運行的安全性，促進了各類設(shè)備系統(tǒng)之間的聯(lián)動性，強化了煤礦系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的一致性，實現(xiàn)了煤礦開采作業(yè)監(jiān)控的全方位性。

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