宋偉麗，劉輝

摘 要：在現(xiàn)階段的露天煤礦開(kāi)采作業(yè)中，各種智能開(kāi)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(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，則必須把握技術(shù)關(guān)鍵，選擇適合的技術(shù)。文章簡(jiǎn)要介紹了露天煤礦開(kāi)采工藝，結(jié)合實(shí)際分析了露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)及其應(yīng)用，闡明了露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用的意義，希望有助于促進(jìn)我國(guó)露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：露天煤礦;煤礦智能開(kāi)采技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3;TD61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.010

近年來(lái)，我國(guó)煤礦業(yè)的快速發(fā)展及社會(huì)對(duì)煤礦需求的不斷增加，露天煤礦開(kāi)采量正呈逐年上升趨勢(shì)，對(duì)露天煤礦開(kāi)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(dòng)力挖掘機(jī)的創(chuàng)新與推廣，露天開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越迅速，逐漸呈現(xiàn)信息化特點(diǎn)。隨著智能化時(shí)代的到來(lái)，現(xiàn)代先進(jìn)智能化技術(shù)在露天煤礦開(kāi)采中的應(yīng)用，降低了開(kāi)采成本，提高了開(kāi)采效率和安全水平。

1 露天煤礦開(kāi)采工藝概述

露天煤礦開(kāi)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(jìn)行煤礦開(kāi)采的工藝技術(shù)，可以將其作為完成采剝、運(yùn)輸、排土三個(gè)主要工藝環(huán)節(jié)的機(jī)械作業(yè)方式的總稱(chēng)[1]。

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

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

根據(jù)開(kāi)采主要環(huán)節(jié)機(jī)械設(shè)備運(yùn)用情況，則可以分為獨(dú)立式開(kāi)采工藝、合并式開(kāi)采工藝兩種類(lèi)型。

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

2 露天煤礦智能開(kāi)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(kāi)采的核心技術(shù)，依托于單站覆蓋半徑極長(zhǎng)、寬帶集群功能強(qiáng)大的LTE—4G無(wú)線寬帶技術(shù)，采用1.8G專(zhuān)網(wǎng)頻段，實(shí)現(xiàn)包括語(yǔ)音、視頻通話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)蓉S富的功能。露天煤礦4G專(zhuān)網(wǎng)覆蓋內(nèi)的最大并發(fā)群組高達(dá)512個(gè)，且群組建立的時(shí)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(jì)劃排程、質(zhì)量、庫(kù)存、運(yùn)行設(shè)備、人力資源、采購(gòu)、生產(chǎn)過(guò)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(yùn)用了先進(jìn)的信息化手段，可以對(duì)露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中的計(jì)劃層與過(guò)程控制進(jìn)行銜接、礦與職能科室與區(qū)隊(duì)進(jìn)行銜接。在實(shí)踐中，領(lǐng)導(dǎo)人員、業(yè)務(wù)主管部門(mén)工作人員均可通過(guò)計(jì)算機(jī)或手機(jī)等終端查閱開(kāi)采信息，區(qū)隊(duì)班組輕松實(shí)現(xiàn)集群通信，且不同區(qū)隊(duì)班組可以建立不同的群組，群組之間互不干擾，各個(gè)開(kāi)采作業(yè)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音與視頻的融合通信，以使現(xiàn)場(chǎng)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(mén)工作人員等均可通過(guò)計(jì)算機(jī)或手機(jī)等終端來(lái)查閱相關(guān)露天煤礦開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(duì)該問(wèn)題，必須對(duì)鏟臂路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，將現(xiàn)代智能化技術(shù)應(yīng)用到鏟臂中，實(shí)施鏟臂智能化路徑規(guī)劃技術(shù)。

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

基于精準(zhǔn)解析的實(shí)時(shí)RTK信號(hào)定位信息、動(dòng)作感知信息及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型等，通過(guò)智能規(guī)劃算法，智能化規(guī)劃出無(wú)碰撞的平滑路徑;再然后，傳達(dá)相關(guān)控制指令，驅(qū)動(dòng)電鏟的各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)來(lái)精準(zhǔn)控制相關(guān)動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)鏟臂智能化路徑規(guī)劃目的。

在實(shí)際進(jìn)行鏟臂路徑規(guī)劃前，應(yīng)先對(duì)露天煤礦電鏟作業(yè)區(qū)域內(nèi)的各種運(yùn)行設(shè)備及障礙物進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，且為進(jìn)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(duì)作業(yè)空間內(nèi)的相關(guān)障礙物實(shí)施規(guī)則化包絡(luò)處理，即采用長(zhǎng)方體模型對(duì)障礙物進(jìn)行包絡(luò)，以簡(jiǎn)化障礙物模型。通過(guò)應(yīng)用移動(dòng)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(shí)跟蹤定位作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種移動(dòng)障礙物[4]。

此外，要運(yùn)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(dòng)障礙物的三維空間內(nèi)良好運(yùn)行。

2.3 采場(chǎng)邊坡北斗定位監(jiān)測(cè)技術(shù)

露天煤礦采場(chǎng)的邊坡是最易發(fā)生安全事故的地點(diǎn)之一，也是安全監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵位置。在露天煤礦開(kāi)采過(guò)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(yùn)動(dòng)概率上升。影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有臺(tái)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(duì)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(kāi)采方式等，如不及時(shí)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(kāi)采期間，觀測(cè)研究采場(chǎng)邊坡變形參數(shù)，了解采場(chǎng)邊坡變形運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)保證生產(chǎn)安全具有十分重要的意義[5]。

現(xiàn)階段，我國(guó)主要是應(yīng)用北斗系統(tǒng)進(jìn)行采場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)，即采場(chǎng)邊坡北斗定位監(jiān)測(cè)技術(shù)。在北斗系統(tǒng)導(dǎo)航下，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)生成露天煤礦三維模型，能夠清晰地顯示采場(chǎng)邊坡區(qū)域的邊坡角、坡頂、底位置等情況，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)邊坡中存在的超挖或欠挖等問(wèn)題，為高陡邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、移動(dòng)變電站監(jiān)測(cè)、采空區(qū)炭車(chē)及火災(zāi)監(jiān)測(cè)、疏干排水監(jiān)測(cè)等提供安全保障。

2.4 自卸卡車(chē)智能調(diào)度技術(shù)

單斗—卡車(chē)工藝是露天煤礦開(kāi)采中的重要環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，采場(chǎng)剝離運(yùn)輸費(fèi)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(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)與排土場(chǎng)之間的運(yùn)輸距離可長(zhǎng)達(dá)幾千米，在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，重載自卸卡車(chē)用于爬坡行駛，空載車(chē)輛用于下坡行駛。為提高自卸卡車(chē)的運(yùn)輸效率，降低成本，保障生產(chǎn)安全，需應(yīng)用自卸卡車(chē)智能調(diào)度技術(shù)。

自卸卡車(chē)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(guò)調(diào)度指揮控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)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(chē)運(yùn)行，具有智能調(diào)度、地圖管理、自動(dòng)計(jì)量、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、鉆機(jī)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(shí)、全面、詳細(xì)、及時(shí)地反映自卸卡車(chē)的運(yùn)行狀況。

2.5 智能機(jī)電一體化皮帶運(yùn)輸機(jī)技術(shù)

皮帶運(yùn)輸機(jī)是露天煤礦開(kāi)采中的重要運(yùn)輸設(shè)備，它以膠帶為牽引結(jié)構(gòu)，可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，具有運(yùn)輸量級(jí)大、距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，既能保證運(yùn)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(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到皮帶運(yùn)輸機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)的自動(dòng)化集中控制[6]。

智能機(jī)電一體化技術(shù)是指對(duì)機(jī)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(jī)械技術(shù)是智能機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，其各方面的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)智能機(jī)電一體化應(yīng)用優(yōu)化的前提;網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是智能機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵;接口技術(shù)的主要作用是提高硬盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸率，關(guān)系著智能機(jī)電一體化運(yùn)行過(guò)程中各組成部件之間的連接;傳感技術(shù)則是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行智能化檢測(cè)和優(yōu)化輔助[7]。

智能機(jī)電一體化皮帶運(yùn)輸機(jī)主要具有以下幾項(xiàng)功能：一是診斷報(bào)警功能，實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控診斷皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行期間的各類(lèi)故障問(wèn)題并發(fā)出警報(bào);二是自動(dòng)生產(chǎn)功能，通過(guò)自動(dòng)化操作運(yùn)行降低人工勞動(dòng)難度和強(qiáng)度，節(jié)省人力資源，減少人工操作錯(cuò)誤和疏漏;三是優(yōu)化提升功能，優(yōu)化運(yùn)輸作業(yè)流程，提升運(yùn)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(yùn)輸機(jī)的設(shè)備性能，方便日常檢修維護(hù)，減少設(shè)備故障，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2.6 煤礦開(kāi)采智能安全監(jiān)控技術(shù)

露天煤礦開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)較高，存在邊坡滑落、作業(yè)平盤(pán)臺(tái)階幫不齊、地不平、臺(tái)階超高、局部有扇檐障礙、運(yùn)輸車(chē)輛行駛超載超速等安全隱患，要應(yīng)用煤礦開(kāi)采智能安全監(jiān)控技術(shù)，通過(guò)高清攝像頭拍攝和智能識(shí)別、遠(yuǎn)程監(jiān)控露天煤礦開(kāi)采實(shí)況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并解決處理。煤礦開(kāi)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(yuǎn)、可變焦及自帶紅外燈，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境情況而自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式[8]。

煤礦開(kāi)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(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能區(qū)、防火墻及殺毒軟件構(gòu)成的，其中，中心站主機(jī)由兩臺(tái)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器構(gòu)建，一臺(tái)用于向上級(jí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)單項(xiàng)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（上級(jí)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器），另一臺(tái)用于向煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)單項(xiàng)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（Web服務(wù)器）。一般情況下，煤礦開(kāi)采智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可在硬盤(pán)中保存3年。

3 露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用的意義

3.1 提升了煤礦開(kāi)采設(shè)備控制的精準(zhǔn)性

煤礦開(kāi)采設(shè)備對(duì)控制精準(zhǔn)性的要求極高，通過(guò)應(yīng)用露天煤礦智能開(kāi)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(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦開(kāi)采設(shè)備的精準(zhǔn)自動(dòng)控制，從而減少人工工作量、降低人工作業(yè)難度。

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

3.2 增強(qiáng)了煤礦開(kāi)采設(shè)備運(yùn)行的安全性

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

3.3 促進(jìn)了各類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)性

在露天煤礦開(kāi)采生產(chǎn)過(guò)程中，需要各類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)之間相互良好配合，共同進(jìn)行有序運(yùn)作。針對(duì)這點(diǎn)，可以通過(guò)應(yīng)用露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用可促進(jìn)各類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)性，使各類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)之間的連接與互動(dòng)更加便捷高效。

3.4 強(qiáng)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(guò)去在沒(méi)有應(yīng)用智能化技術(shù)時(shí)，煤礦系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理難度較大、效率較低，且難以達(dá)到良好的一致性。而通過(guò)應(yīng)用露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)，則可以對(duì)煤礦系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、一致的處理，從而進(jìn)一步提升煤礦系統(tǒng)的智能化程度。

3.5 實(shí)現(xiàn)了煤礦開(kāi)采作業(yè)監(jiān)控的全方位性

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

由于不同露天煤礦開(kāi)采技術(shù)、開(kāi)采設(shè)備在實(shí)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(kāi)采作業(yè)監(jiān)控難度[10]。

基于此，通過(guò)應(yīng)用露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)，能夠有效強(qiáng)化對(duì)煤礦開(kāi)采期間細(xì)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(kāi)采作區(qū)域內(nèi)存在的各種安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，露天煤礦開(kāi)采是一項(xiàng)復(fù)雜性與系統(tǒng)性較強(qiáng)的作業(yè)，采用傳統(tǒng)的開(kāi)采技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足其實(shí)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(chǎng)邊坡北斗定位監(jiān)測(cè)技術(shù)、自卸卡車(chē)智能調(diào)度技術(shù)、智能機(jī)電一體化皮帶運(yùn)輸機(jī)技術(shù)、煤礦開(kāi)采智能安全監(jiān)控技術(shù)等先進(jìn)的露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)，才能使整體露天煤礦開(kāi)采水平得到進(jìn)一步提高。

實(shí)踐表明，通過(guò)應(yīng)用露天煤礦智能開(kāi)采技術(shù)，大大提升了煤礦開(kāi)采設(shè)備控制的精準(zhǔn)性，增強(qiáng)了煤礦開(kāi)采設(shè)備運(yùn)行的安全性，促進(jìn)了各類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)性，強(qiáng)化了煤礦系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的一致性，實(shí)現(xiàn)了煤礦開(kāi)采作業(yè)監(jiān)控的全方位性。

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