王忠鑫，孫 鑫，曾祥玉，辛鳳陽*，田鳳亮，宋 波，周 浩，白怡明，陳大偉

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

2020 年3 月，國家發(fā)展改革委和國家能源局等8 部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源（2020）283 號(hào)），為中國露天煤礦智能化建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展明確了目標(biāo)并提出了主要任務(wù)和保障措施。2021 年12 月，國家能源局印發(fā)了《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法（試行）》（國能發(fā)煤炭規(guī)（2021）69 號(hào)），對(duì)確定的71 個(gè)國家首批智能化示范煤礦的驗(yàn)收管理工作提供了依據(jù)和基本遵循。在2020—2021 年，內(nèi)蒙、山西、陜西、新疆等地相繼發(fā)布了各地的《指導(dǎo)意見》、《行動(dòng)方案》或《驗(yàn)收辦法》等指導(dǎo)性文件[1]，并于2021 年下半年開始進(jìn)行了?。ㄗ灾螀^(qū)）的智能化煤礦驗(yàn)收工作，如內(nèi)蒙古自治區(qū)截至2021 年12 月30 日，已經(jīng)完成了41 座煤礦的智能化驗(yàn)收，其中露天煤礦12 座，井工煤礦29 座。

雖然全行業(yè)的智能化建設(shè)和驗(yàn)收工作在行業(yè)主管部門的推動(dòng)下取得了較大進(jìn)展，而且已經(jīng)有一批礦山通過了地方的智能化驗(yàn)收，獲評(píng)“首批智能化礦山”。但從橫向上看，大部分露天煤礦都面臨建設(shè)目標(biāo)不清晰、路徑不明確、內(nèi)容不系統(tǒng)、重點(diǎn)不突出、效果不明顯、智能化價(jià)值體現(xiàn)較低等問題[2]；從縱向上看，大部分露天煤礦的智能化建設(shè)工作都是集中在信息基礎(chǔ)設(shè)施、固定崗位無人值守、帶式輸送機(jī)無人巡檢、卡車無人駕駛等幾方面，建設(shè)范圍不能覆蓋礦山工程的全部要素，特別是基本都未將外委承包施工部分納入智能化建設(shè)范疇，而外委承包施工在中國露天煤礦是普遍存在且占有較大比重的，智能化與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的融合深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尚停留在展示、輔助、備用等水平，未真正進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)行的階段。

造成上述局面的主要原因是復(fù)雜且多方面的。但根本原因是企業(yè)未能將露天礦山的智能化建設(shè)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來整體規(guī)劃和有序推進(jìn)，多數(shù)礦山主要存在“重‘軟’系統(tǒng)建設(shè)，輕‘硬’工藝裝備變革；重業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，輕數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘；偏離需求片面追求無人化，忽視智能化建設(shè)的經(jīng)濟(jì)屬性”等誤區(qū)[3]。因此，厘清中國露天煤礦智能化建設(shè)的真實(shí)現(xiàn)狀和實(shí)際價(jià)值，分析其智能化建設(shè)所面臨的困境和問題根源，結(jié)合中國露天煤礦的開發(fā)現(xiàn)狀和基礎(chǔ)條件，研究提出露天煤礦智能化建設(shè)工作的發(fā)展對(duì)策和措施，明確深化實(shí)施路徑，對(duì)于保障和提升中國露天煤礦智能化建設(shè)工作實(shí)效具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 中國露天煤礦開發(fā)現(xiàn)狀

1）空間布局。隨著煤炭集約開發(fā)布局進(jìn)一步優(yōu)化，截至2021 年底，全國煤礦數(shù)量減少到4 500 處以內(nèi)，煤炭生產(chǎn)重心加快向“晉陜蒙新”地區(qū)集中、向優(yōu)勢企業(yè)集中。至2021 年，中國共有露天煤礦約400 處，產(chǎn)能約950 Mt／a，占全國煤礦產(chǎn)能的20%左右，主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、山西等13 個(gè)省。其中，內(nèi)蒙古、新疆、山西、云南4 個(gè)省的露天煤礦數(shù)量達(dá)300 余處，內(nèi)蒙古有200 余處[4]。

2）規(guī)模數(shù)量。目前，全國共有產(chǎn)能4 Mt/a 及以上的大型露天煤礦53 處，占全國露天煤礦總數(shù)量的14.10%，合計(jì)產(chǎn)能637 Mt/a，占全國露天煤礦總產(chǎn)能的67.05%。千萬噸級(jí)特大型露天煤礦26 處，占全國露天煤礦總數(shù)量的6.90%，產(chǎn)能493 Mt/a，占全國露天煤礦總產(chǎn)能的51.90%。

3）開發(fā)經(jīng)營模式。進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著煤炭產(chǎn)能的急劇增大，這一時(shí)期的露天煤礦企業(yè)為節(jié)省投資和運(yùn)營成本，中小型露天煤礦剝離和采煤工程普遍采用外包運(yùn)營模式，配備大量小型采運(yùn)設(shè)備進(jìn)行開采，千萬噸級(jí)以上的大型露天煤礦也采用該模式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)蒙古地區(qū)露天煤礦剝離工程量的外包比例達(dá)70%以上，新疆地區(qū)露天煤礦的比例達(dá)90%以上。千萬噸級(jí)的露天煤礦單礦外包工程量已經(jīng)接近1 億m3，為適應(yīng)露天礦的生產(chǎn)需求，外包設(shè)備型號(hào)有增大的趨勢，如蒙東地區(qū)露天礦的外包剝離高峰期采場內(nèi)車輛多達(dá)800 多臺(tái)，單班作業(yè)人數(shù)超過1 000 人。采剝工程外包運(yùn)營模式在安全、環(huán)保、效率等方面存在的問題是十分突出的，與智能化發(fā)展的總體趨勢也是相背離的。

4）工藝裝備。目前，中國中小型露天煤礦以單斗－卡車間斷工藝為主，千萬噸級(jí)以上露天煤礦采煤工程大多均采用單斗－卡車－半固定式破碎站半連續(xù)開采工藝，剝離工程在一些大礦引進(jìn)了半連續(xù)及連續(xù)工藝，如元寶山、扎哈淖爾、伊敏等露天礦松軟表土層剝離采用輪斗連續(xù)開采工藝，霍林河南露天煤礦、扎哈淖爾露天煤礦巖石剝離采用半移動(dòng)式破碎站半連續(xù)工藝，黑岱溝露天煤礦深部巖層剝離采用拋擲爆破拉斗鏟倒堆工藝，半連續(xù)及連續(xù)工藝設(shè)備全部為進(jìn)口[5]。中小型露天煤礦多采用4～6 m3液壓挖掘機(jī)配40～80 t 級(jí)卡車，千萬噸級(jí)大型露天煤礦以10 m3級(jí)電鏟配108 t 自卸卡車為主，隨著開采規(guī)模和開采范圍的擴(kuò)大，逐步引進(jìn)了23 m3、35 m3電鏟及150 t 級(jí)、220 t 級(jí)自卸卡車，外包設(shè)備配置的液壓挖掘機(jī)斗容由1～3 m3提高到4～6 m3，卡車載重由20～30 t 提高到40～60 t 級(jí)，幾乎全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

2 中國露天煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)狀

當(dāng)前，煤礦智能化建設(shè)尚處于初級(jí)階段[6]，智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在開采環(huán)節(jié)數(shù)字化、采掘裝備自動(dòng)化、生產(chǎn)過程遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和經(jīng)營管理信息化，側(cè)重于礦山企業(yè)信息采集存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)中心、系統(tǒng)集成、可視化展示、遠(yuǎn)程操控等方面內(nèi)容。

通過調(diào)研和參加智能化驗(yàn)收工作，對(duì)國內(nèi)不同企業(yè)性質(zhì)、生產(chǎn)規(guī)模、開采工藝、運(yùn)營模式的露天煤礦智能化建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)。主要從信息基礎(chǔ)設(shè)施、礦山設(shè)計(jì)、智能穿爆、礦山工程、智能輔助、管理與決策、智能化園區(qū)7 個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 信息基礎(chǔ)設(shè)施

信息基礎(chǔ)設(shè)施是露天煤礦數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算、應(yīng)用、管理的基礎(chǔ)[7]，涉及網(wǎng)絡(luò)、通信、平臺(tái)、模型等多方面內(nèi)容，能夠?yàn)槁短烀旱V的穿爆、采剝、運(yùn)輸、排土、選煤等環(huán)節(jié)提供信息化基礎(chǔ)支撐，是露天煤礦智能化建設(shè)的底層保障。

當(dāng)前露天煤礦信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)總體上呈現(xiàn)出兩極分化的趨勢。國有大型露天礦信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為完善，實(shí)現(xiàn)了萬兆有線環(huán)網(wǎng)及5G 無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本可滿足現(xiàn)階段智能化系統(tǒng)的運(yùn)行要求。中小型全外包運(yùn)營模式的露天礦，其信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平低，以千兆網(wǎng)絡(luò)和4G無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為主，機(jī)房老舊，算力不足。

存在的共性問題主要有：①5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景單一，多以無人駕駛應(yīng)用為主；②可實(shí)現(xiàn)流媒體視頻監(jiān)控，但普遍缺少AI 智能算法加持；③公網(wǎng)與專網(wǎng)界限模糊，生產(chǎn)、安全、管理等運(yùn)行數(shù)據(jù)出礦現(xiàn)象普遍，網(wǎng)絡(luò)安全措施不到位；④露天礦綜合管控平臺(tái)建設(shè)效果及進(jìn)度參差不齊，差異較大，已建立管控平臺(tái)的多以系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)匯聚展示為主，鮮有能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的成功案例。

2.2 礦山設(shè)計(jì)

礦山設(shè)計(jì)涉及地質(zhì)、測量、穿爆、采礦等多方面內(nèi)容，能夠?yàn)槁短烀旱V的穿爆、采剝、運(yùn)輸、排土、選煤等環(huán)節(jié)提供優(yōu)化、決策和執(zhí)行依據(jù)，是露天煤礦智能化建設(shè)的技術(shù)保障。

當(dāng)前露天煤礦設(shè)計(jì)受礦山人力資源等的限制，整體技術(shù)水平不高。主要表現(xiàn)在：①地質(zhì)保障方面：多數(shù)礦山具有三維設(shè)計(jì)軟件、無人機(jī)等軟硬件設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)采集、測量信息三維可視化展示、工程量計(jì)算等功能；②穿爆設(shè)計(jì)方面：以外包為主，大部分礦山僅能應(yīng)用CAD 等常用輔助設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)露天煤礦穿爆設(shè)計(jì)圖的繪制；③采礦設(shè)計(jì)方面：大型露天煤礦整體技術(shù)水平較高，可利用三維采礦設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建礦山地質(zhì)、采礦模型，實(shí)現(xiàn)模型三維可視化及短期計(jì)劃等基礎(chǔ)功能的應(yīng)用[8]。

存在的共性問題主要有：①缺乏資源儲(chǔ)量管理系統(tǒng)，或未實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)資源儲(chǔ)量的實(shí)時(shí)監(jiān)管；②穿爆設(shè)計(jì)以外包作業(yè)為主，缺乏對(duì)該項(xiàng)內(nèi)容的管理和優(yōu)化；③大部分大型露天煤礦具有三維采礦設(shè)計(jì)軟件但未進(jìn)行有效應(yīng)用，對(duì)生產(chǎn)技術(shù)管理的支撐有限；④中小型露天煤礦的采礦設(shè)計(jì)技術(shù)管理水平差距較大，因該類露天煤礦數(shù)量多、分布廣、影響大，制約了行業(yè)的平均技術(shù)水平和整體形象，亟待規(guī)范和系統(tǒng)解決。

2.3 智能穿爆

智能穿爆是露天煤礦開采環(huán)節(jié)的前端，穿爆作業(yè)的效果將直接對(duì)采運(yùn)排等環(huán)節(jié)造成影響，也影響著工藝裝備的智能化應(yīng)用效果。

當(dāng)前露天煤礦穿爆工程多以外包為主，穿爆系統(tǒng)及裝備智能化程度較低。主要表現(xiàn)在：①穿孔環(huán)節(jié)：普遍以鉆機(jī)定位和遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測為主，可實(shí)現(xiàn)穿孔過程、作業(yè)和能耗監(jiān)測[9]；②裝藥環(huán)節(jié)：目前裝藥車以實(shí)現(xiàn)車輛定位和定量裝藥功能為主；③爆破環(huán)節(jié)，具備爆破警戒區(qū)域的遠(yuǎn)程監(jiān)控和及時(shí)預(yù)警功能。

存在的共性問題主要有：①鉆機(jī)、裝藥車等裝備多以自動(dòng)化為主，遠(yuǎn)程操控、自主作業(yè)等智能化功能尚未成熟應(yīng)用；②設(shè)計(jì)、穿孔、裝藥、爆破各環(huán)節(jié)依然相互獨(dú)立，未形成閉環(huán)聯(lián)動(dòng)反饋機(jī)制，缺少全環(huán)節(jié)的綜合優(yōu)化。

2.4 礦山工程

2.4.1 單斗－卡車間斷工藝

間斷工藝系統(tǒng)由單斗挖掘機(jī)、卡車、輔助設(shè)備構(gòu)成。該工藝系統(tǒng)的智能化以挖掘機(jī)遠(yuǎn)程操控、移動(dòng)設(shè)備安全監(jiān)管和卡車無人駕駛等為主。具體為：①采裝環(huán)節(jié)：集智能自主作業(yè)、智能感知、遠(yuǎn)程遙控、智能診斷等功能于一體[10]，當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)鏟齒監(jiān)控、車鏟對(duì)位等功能；②運(yùn)輸環(huán)節(jié)：以實(shí)現(xiàn)設(shè)備三防系統(tǒng)、卡車調(diào)度系統(tǒng)和卡車無人駕駛為主，各單位的礦用無人駕駛卡車研究都進(jìn)入了試驗(yàn)測試階段[11]，但總體來看各廠商技術(shù)參差不齊、安全員未下車，尚無法常態(tài)化運(yùn)行；③排土環(huán)節(jié)：推土機(jī)可實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控功能。

存在的共性問題主要有：①挖掘機(jī)感知所采用的傳感器各有利弊，施工現(xiàn)場存在環(huán)境干擾的情況下，圖像識(shí)別率不高；②挖掘機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，短時(shí)間內(nèi)存在多個(gè)源故障并發(fā)的可能，難以進(jìn)行精準(zhǔn)故障識(shí)別與診斷；③無人駕駛地圖更新難以適應(yīng)礦區(qū)頻繁推進(jìn)變化；④作業(yè)調(diào)度難以滿足混編后復(fù)雜作業(yè)計(jì)劃要求；⑤無人駕駛作業(yè)效率遠(yuǎn)低于有人駕駛。

2.4.2 半連續(xù)工藝

半連續(xù)工藝系統(tǒng)由單斗挖掘機(jī)、卡車、破碎站、帶式輸送機(jī)等構(gòu)成，智能化建設(shè)內(nèi)容除包括間斷工藝系統(tǒng)的內(nèi)容外，還包括破碎站、帶式輸送機(jī)、排土機(jī)、裝車倉等內(nèi)容。具體為：①破碎環(huán)節(jié)：普遍實(shí)現(xiàn)破碎站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警、車流密度遠(yuǎn)程監(jiān)控、卸載臺(tái)位智能分配，給料機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)同調(diào)速，初步實(shí)現(xiàn)了與間斷工藝的耦合協(xié)同，具備無人值守功能；②運(yùn)輸環(huán)節(jié)：普遍實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、5 項(xiàng)保護(hù)功能，部分露天礦建立了帶式輸送機(jī)無人巡檢系統(tǒng)；③儲(chǔ)裝環(huán)節(jié)：已實(shí)現(xiàn)料倉物料量、溫度、可燃性氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警功能，已具備裝車倉無人值守、定量裝車功能。

存在的共性問題主要有：①帶式輸送機(jī)智能調(diào)速需要更換變頻電機(jī)，受原系統(tǒng)限制部分系統(tǒng)無法進(jìn)行升級(jí)改造；②破碎站無人值守的作業(yè)效率受智能調(diào)度影響，卸載臺(tái)位智能分配等內(nèi)容有待優(yōu)化；③破碎站、帶式輸送機(jī)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)等的故障診斷、預(yù)測等智能化尚未實(shí)現(xiàn)。

2.4.3 輪斗連續(xù)工藝

連續(xù)工藝系統(tǒng)由輪斗挖掘機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、受料車、帶式輸送機(jī)等組成。目前，全連續(xù)工藝系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用不多，且核心設(shè)備多為進(jìn)口，受協(xié)議開放性的限制，難以對(duì)輪斗挖掘機(jī)進(jìn)行深度智能化改造。具體為：①裝備方面：輪斗挖掘機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、排土機(jī)等設(shè)備可實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)警、可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控等功能。近年來隨著國產(chǎn)輪斗挖掘機(jī)的逐漸成熟[12-15]，輪斗挖掘機(jī)具備斗齒健康狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)警、整機(jī)穩(wěn)定性監(jiān)測、自主保護(hù)等功能；②系統(tǒng)方面：已實(shí)現(xiàn)輪斗挖掘機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、排土機(jī)的精準(zhǔn)定位、自動(dòng)對(duì)中、多機(jī)協(xié)同[16-18]、智能控制[19-20]等功能。

存在的共性問題主要有：①亟需自主研發(fā)大切割力緊湊型輪斗挖掘機(jī)提升連續(xù)系統(tǒng)的適用性，擴(kuò)大該工藝系統(tǒng)的適用范圍；②裝備的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性有待提升；③無人化開采技術(shù)有待系統(tǒng)研究及實(shí)踐。

2.5 智能輔助

當(dāng)前露天煤礦智能輔助系統(tǒng)建設(shè)水平參差不齊，總體來講，邊坡監(jiān)測和供配電應(yīng)用程度較高，防排水、防滅火項(xiàng)目與礦山自然條件緊密相關(guān)。具體為：①數(shù)字孿生方面：行業(yè)技術(shù)成熟度處于L3 水平，大部分礦山的數(shù)字孿生正處于L1 幾何模型階段；②邊坡監(jiān)測方面：GNSS、應(yīng)力錨索、機(jī)器人、無人機(jī)等邊坡監(jiān)測手段屢見不鮮，邊坡條件較差的露天煤礦甚至?xí)C合應(yīng)用多手段進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)警；③供配電方面：逐步實(shí)現(xiàn)變電站遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能，主變電所配備智能巡檢機(jī)器人，變電所無人值守。

存在的共性問題主要有：①目前不能對(duì)復(fù)雜條件下礦山采運(yùn)排環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)孿生、智能控制、實(shí)時(shí)反饋和交互映射，實(shí)現(xiàn)裝備的智能協(xié)同與實(shí)時(shí)監(jiān)控；②邊坡監(jiān)測手段比較齊全，但現(xiàn)有的邊坡監(jiān)測側(cè)重地表監(jiān)測，尚未實(shí)現(xiàn)智能決策。

2.6 管理與決策

管理與決策系統(tǒng)是對(duì)露天煤礦生產(chǎn)、運(yùn)營、維修、銷售等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理與分析，給管理者提供決策依據(jù)。涉及生產(chǎn)、經(jīng)營、決策支持管理等多方面內(nèi)容，具體為：①生產(chǎn)信息管理方面：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備維修、工程質(zhì)量、材料消耗、設(shè)備運(yùn)維和配件庫存信息化管理；②經(jīng)營信息管理方面：實(shí)現(xiàn)銷售和采購、資金信息和經(jīng)營指標(biāo)、投資和成本信息化管理；③決策支持管理方面：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、經(jīng)營和人力資源信息化管理。

存在的共性問題有：①缺乏“人財(cái)物一體、產(chǎn)運(yùn)銷一體、業(yè)務(wù)全面互聯(lián)互通”的智能化經(jīng)營管理平臺(tái)，現(xiàn)有系統(tǒng)未能對(duì)煤礦管理決策、財(cái)務(wù)、生產(chǎn)、人力、物資、機(jī)電、計(jì)劃預(yù)算、安環(huán)、調(diào)度、項(xiàng)目管理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋；②現(xiàn)有當(dāng)前管理與決策以信息化與數(shù)字化管理為主，未形成大數(shù)據(jù)庫，缺乏管理與決策的輔助分析和預(yù)測功能。

2.7 智能化園區(qū)

智能化園區(qū)是整合園區(qū)的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)，形成智能感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、聯(lián)動(dòng)控制的智能園區(qū)管控系統(tǒng)。具體為：①基礎(chǔ)設(shè)施：包括智能園區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)和邊緣節(jié)點(diǎn)等；②數(shù)字平臺(tái)：包括AI 智能分析、智能邊緣子平臺(tái)、業(yè)務(wù)子平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入、分析存儲(chǔ)和開發(fā)服務(wù)。

存在的共性問題有：①當(dāng)前露天煤礦智能化園區(qū)的建設(shè)要滯后于采場智能化建設(shè)，大部分礦山做的智能化園區(qū)內(nèi)容主要集中在OA、ERP 等自動(dòng)化辦公系統(tǒng)的應(yīng)用和可視化展示等方面；②智能化園區(qū)建設(shè)內(nèi)容中少有涉及聯(lián)動(dòng)、決策、自學(xué)習(xí)、分析預(yù)測等智能化功能的應(yīng)用。

3 露天煤礦智能化建設(shè)面臨的困境

3.1 對(duì)露天礦智能化發(fā)展本質(zhì)的認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一

露天礦智能化發(fā)展至今，對(duì)露天礦由信息化向智能化發(fā)展的趨勢和路徑認(rèn)識(shí)不足。將智能化建設(shè)錯(cuò)誤認(rèn)為投入大、技術(shù)難和實(shí)用性差[21]，重點(diǎn)落在實(shí)現(xiàn)露天礦卡車無人駕駛和5G 信號(hào)全面覆蓋等局部場景。

露天礦發(fā)展由機(jī)械化、信息化、自動(dòng)化、智能化逐級(jí)遞進(jìn)，生產(chǎn)過程主要包括“穿、爆、采、運(yùn)、排”5大工藝環(huán)節(jié)[22]，與井工礦智能化存在明顯的區(qū)別。露天礦智能化建設(shè)內(nèi)容圍繞“人”、“設(shè)備”、“系統(tǒng)”3 條主線厘定，目標(biāo)是將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能化裝備系統(tǒng)與現(xiàn)代露天開采技術(shù)深度融合，構(gòu)建露天煤礦自主運(yùn)行、安全高效的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同管控系統(tǒng)，賦能礦山實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、安全、經(jīng)營等全要素、全過程、全生命周期的個(gè)性化安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 礦山企業(yè)未將其作為系統(tǒng)工程整體推進(jìn)

露天礦具備工藝種類多、生產(chǎn)覆蓋面廣等特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)，露天礦智能化主要體現(xiàn)在跨設(shè)備、跨環(huán)節(jié)、跨系統(tǒng)、跨業(yè)務(wù)范疇的全局信息共享[23]。礦山企業(yè)對(duì)智能化認(rèn)識(shí)不足、建設(shè)目標(biāo)不清晰、不重視規(guī)劃，沒有將智能化建設(shè)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程科學(xué)有序推進(jìn)，最后形成了大量的割裂的子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)融合共享難度極大，演變成露天礦智能化難以逾越的障礙。

露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)、設(shè)備三防系統(tǒng)是露天礦重點(diǎn)選建的項(xiàng)目，大部分來自不同廠家，各系統(tǒng)在設(shè)備端均需要承載體——移動(dòng)車載終端，最終形成了駕駛員前方擺放了各種各樣的終端，既影響駕駛員操作、又難以打通各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)，嚴(yán)重造成硬件冗余。

3.3 技術(shù)支撐企業(yè)對(duì)露天礦特殊性認(rèn)識(shí)不足

露天礦地處偏僻、生產(chǎn)作業(yè)工作面廣、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、大型進(jìn)口設(shè)備種類及數(shù)量多等特點(diǎn)，造就了露天礦的特殊性。但是很多技術(shù)支撐企業(yè)對(duì)露天開采行業(yè)缺乏認(rèn)識(shí)，特別是露天采礦技術(shù)、基本理論和原理、礦山的生產(chǎn)和技術(shù)管理等缺乏專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，提出的解決方案大多理想化、理論性強(qiáng)但偏離實(shí)際。技術(shù)支撐企業(yè)無論做技術(shù)研發(fā)還是產(chǎn)品開發(fā)，都要立足行業(yè)講專業(yè)，不能脫離行業(yè)基礎(chǔ)。

比如數(shù)字孿生概念的提出，做數(shù)字孿生技術(shù)的公司對(duì)露天礦的數(shù)字孿生的孿生對(duì)象如何選取，露天礦生產(chǎn)規(guī)律、孿生哪些信息、實(shí)際的需求怎樣結(jié)合等尚不清晰，以三維實(shí)景建模來替代數(shù)字孿生，屬于混淆概念，也是對(duì)礦山企業(yè)的誤導(dǎo)。

3.4 外委經(jīng)營模式制約工藝技術(shù)發(fā)展

外委經(jīng)營模式已成為露天礦常見的運(yùn)營模式，具有成本低、生產(chǎn)管理簡單等特點(diǎn)。但是外委經(jīng)營模式制約工藝技術(shù)發(fā)展，為便于組織、減少投入，外委隊(duì)伍通常采用國產(chǎn)小型化設(shè)備、雇傭社會(huì)人員和配備部門管理人員進(jìn)行工程承包作業(yè)，采用2～5 m3小型挖掘機(jī)＋30 t 國產(chǎn)化重型卡車的間斷工藝作業(yè)，形成了設(shè)備規(guī)格型號(hào)不一、設(shè)備數(shù)量多等現(xiàn)象。直接影響設(shè)備無人駕駛線控改造的難度，增加了設(shè)備改造成本和降低了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，還影響著露天礦智能化管理和數(shù)據(jù)融合聯(lián)動(dòng)等問題，這些都直接證實(shí)了外委經(jīng)營模式嚴(yán)重制約著露天礦智能化的發(fā)展。

3.5 核心裝備的國產(chǎn)化替代能力不足

露天礦智能化建設(shè)核心在于保證安全的前提下，改善現(xiàn)場作業(yè)人員的工作環(huán)境，結(jié)合露天礦單體設(shè)備多、生產(chǎn)工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)備的遠(yuǎn)程操控和無人駕駛是重要的一環(huán)，但是均需要設(shè)備的線控改造技術(shù)來支撐，該技術(shù)需要獲取設(shè)備的通信協(xié)議、CAN 總線等信息，以至于進(jìn)口設(shè)備改造難度高于國產(chǎn)化設(shè)備。

露天礦單斗－卡車間斷工藝是最常用的生產(chǎn)工藝，國內(nèi)大斗容的液壓鏟生產(chǎn)能力遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)需求，基本依賴進(jìn)口。受煤炭行業(yè)繁榮和國內(nèi)大型露天煤礦開發(fā)速度加快的影響，國內(nèi)礦用卡車企業(yè)也飛速提升，國內(nèi)露天礦卡車使用分布主要以國產(chǎn)化設(shè)備為主，但也有部分進(jìn)口設(shè)備服役。國內(nèi)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造能力已完全可以滿足國內(nèi)特大型露天煤礦運(yùn)輸?shù)男枨蟆?/p>

3.6 數(shù)字技術(shù)在露天礦未形成應(yīng)用場景生態(tài)

在露天礦智能化建設(shè)的過程中，數(shù)字技術(shù)是基礎(chǔ)，安全、高效是主要推動(dòng)力，場景是露天礦智能化實(shí)施過程中的最小單元。智能化場景產(chǎn)生于需求，具象化于技術(shù)，露天礦智能化場景間要建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

由于露天礦生產(chǎn)工藝復(fù)雜、環(huán)境惡劣、單體設(shè)備多、工藝連續(xù)性不強(qiáng)等原因，對(duì)于單體智能化場景不能足以清晰表達(dá)露天礦智能化需求，場景之間的關(guān)聯(lián)程度不夠，無法串聯(lián)支撐起場景生態(tài)，從而導(dǎo)致智能化建設(shè)工作的系統(tǒng)性大打折扣。露天礦智能化建設(shè)日新月異，傳統(tǒng)的需求導(dǎo)向的研究范式已不再適合新形勢的需要，而構(gòu)建露天礦智能化場景生態(tài)才是關(guān)鍵。

4 露天煤礦智能化建設(shè)的深化路徑

4.1 推動(dòng)智能化礦山的制度體系建設(shè)

目前，中國智能化礦山建設(shè)方面的政策和制度體系尚未健全，對(duì)智能礦山的政策激勵(lì)和約束機(jī)制尚不明晰，建設(shè)工作仍以行政推動(dòng)為主，企業(yè)多為被動(dòng)落實(shí)，行業(yè)普遍共識(shí)不足。另外，智能礦山的建設(shè)和評(píng)價(jià)考核標(biāo)準(zhǔn)仍不完善，缺乏一定的針對(duì)性，亟待建立因地制宜、適應(yīng)性強(qiáng)的系列標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)由行政推動(dòng)向標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)的轉(zhuǎn)變。智能礦山建設(shè)這項(xiàng)系統(tǒng)工程涉及眾多主體，要進(jìn)一步理清政府、市場和社會(huì)的邊界，著力構(gòu)建政府引導(dǎo)、企業(yè)主體、標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)、政策扶持、社會(huì)監(jiān)督的系統(tǒng)性機(jī)制。政府多部門協(xié)同，從用地審批、礦權(quán)取得、產(chǎn)能指標(biāo)、財(cái)政、金融等方面提出明確的激勵(lì)政策，多維度依法優(yōu)先支持智能礦山建設(shè)企業(yè)，如出臺(tái)智能化露天礦建設(shè)用地優(yōu)惠政策、建立獎(jiǎng)勵(lì)制度對(duì)智能礦山示范企業(yè)進(jìn)行獎(jiǎng)補(bǔ)等。同時(shí)也要出臺(tái)約束政策逐步淘汰智能化驗(yàn)收不合格的企業(yè)，統(tǒng)一思想，讓智能礦山建設(shè)成為共識(shí)。

4.2 統(tǒng)一國家和地方的智能化礦山驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

為了加強(qiáng)國家智能化示范煤礦的驗(yàn)收管理工作，2021 年12 月，國家能源局印發(fā)了《智能化示范煤礦驗(yàn)收管理辦法（試行）》（國能發(fā)煤炭規(guī)﹝2021﹞69號(hào)，以下簡稱“國家標(biāo)準(zhǔn)”），其中對(duì)智能化示范露天煤礦從信息基礎(chǔ)設(shè)施、礦山設(shè)計(jì)、礦山工程等7 大部分確定了評(píng)分項(xiàng)和評(píng)分指標(biāo)，內(nèi)容涵蓋了露天礦山工程的全生命周期、全要素，分值的分布充分考慮了露天礦的特點(diǎn)。2020—2021 年，內(nèi)蒙、山西、陜西、貴州等地相繼發(fā)布了各省的《驗(yàn)收辦法》（以下簡稱“地方標(biāo)準(zhǔn)”）。但這些地收標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容差異較大，大多源于國家標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿，但進(jìn)行了不同程度的簡化，主要存在以下問題：①驗(yàn)收內(nèi)容不完整，無法涵蓋全部露天煤礦工程要素；②評(píng)分項(xiàng)的分值分布不合理，過分關(guān)注智慧無人等方面內(nèi)容，如無人駕駛、AI 平臺(tái)、機(jī)器人等，但中國露天礦的自動(dòng)化和信息化基礎(chǔ)尚未充分建立，上述智慧無人等建設(shè)內(nèi)容在當(dāng)下基本無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，致使露天煤礦智能化建設(shè)工作易成為華而不實(shí)的投入；③驗(yàn)收結(jié)果的形式不統(tǒng)一，國家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)中國露天煤礦的實(shí)際條件，確定了“分級(jí)建設(shè)、分級(jí)驗(yàn)收”的原則，驗(yàn)收結(jié)果可充分體現(xiàn)驗(yàn)收對(duì)象的智能化水平（初級(jí)、中級(jí)或高級(jí)），但一些地方標(biāo)準(zhǔn)卻未進(jìn)行分級(jí)，僅有“通過”和“不通過”2 種結(jié)果，不考慮各礦山的開采條件、剩余服務(wù)年限、工藝類型、生產(chǎn)模式等因素的差異，相當(dāng)于用“1 把尺子”衡量全部礦山，顯然是不符合實(shí)際的。為了解決國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)不一致帶來的上述問題，更好的發(fā)揮驗(yàn)收辦法的引導(dǎo)作用，應(yīng)盡早統(tǒng)一國家和地方的智能化礦山驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)主體部分，特別是關(guān)于驗(yàn)收內(nèi)容、分值確定及驗(yàn)收結(jié)果形式等，原則上地方標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。此外，國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)差異過大，也將導(dǎo)致同一座露天煤礦面臨按國家和地方雙重標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收、得到雙重評(píng)價(jià)結(jié)果等問題，評(píng)價(jià)結(jié)果的有效銜接和科學(xué)運(yùn)用也將十分困難。

4.3 強(qiáng)化頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)的先導(dǎo)性和權(quán)威性

智能化礦山建設(shè)頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)是礦山企業(yè)進(jìn)行智能化建設(shè)的“必選題”。目前，雖然各露天煤礦都編制了《頂層規(guī)劃》或《建設(shè)方案》（以下簡稱“規(guī)劃”）。但普遍存在以下問題：①規(guī)劃的專業(yè)程度不足、與各礦的實(shí)際情況不吻合，各礦規(guī)劃的同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，高度雷同；②多由不具有資質(zhì)和礦山工程技術(shù)能力的單位完成，規(guī)劃內(nèi)容聚焦信息基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)礦山設(shè)計(jì)、礦山工程和輔助工程等露天礦的核心內(nèi)容涉獵較少；③規(guī)劃形同虛設(shè)，在智能化建設(shè)過程中的指導(dǎo)和引領(lǐng)作用發(fā)揮不明顯。露天煤礦的智能化建設(shè)工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，投入大、周期長、對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)管理影響較大。露天煤礦智能化方案規(guī)劃設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容是科學(xué)確定各項(xiàng)規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容的實(shí)施時(shí)序，在宏觀上設(shè)定合理的階段建設(shè)目標(biāo)，還要確定階段內(nèi)各項(xiàng)智能化建設(shè)內(nèi)容的先后次序，避免出現(xiàn)重復(fù)建設(shè)、超前投入、滯后產(chǎn)出等不合理情況。因此在開展智能化露天礦山建設(shè)工作前，首先要委托具有能力和設(shè)計(jì)資質(zhì)的單位定制化編制規(guī)劃，一經(jīng)審查批準(zhǔn)，即確立了規(guī)劃的先導(dǎo)性和權(quán)威性，必須嚴(yán)格執(zhí)行。

4.4 加速經(jīng)營模式轉(zhuǎn)變及工藝變革進(jìn)程

近十幾年來，中國露天煤礦的采剝工程廣泛采用單斗－卡車工藝外委承包的模式，受合同期較短及單價(jià)較低等因素影響，承包單位投入大量的小規(guī)格設(shè)備以降低工程單價(jià)。該模式雖然為礦山企業(yè)節(jié)省了工程造價(jià)，為施工單位創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，但長期嚴(yán)重制約著中國露天采礦技術(shù)及工藝裝備的發(fā)展。露天煤礦智能化建設(shè)的根本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色開采，而并非單純追求少人或無人，因此應(yīng)遵循“工藝為本”的策略。其發(fā)展路徑應(yīng)首先從開采工藝的優(yōu)化和改造開始，以連續(xù)或半連續(xù)開采工藝部分替代優(yōu)于單斗－卡車間斷開采工藝，以帶式輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)輸替代卡車運(yùn)輸，以相對(duì)成熟可靠的連續(xù)系統(tǒng)智能控制技術(shù)彌補(bǔ)尚不成熟的單斗挖掘機(jī)和卡車無人駕駛技術(shù)，以連續(xù)系統(tǒng)的輔助機(jī)器人作業(yè)替代單斗－卡車工藝的人工操作或遠(yuǎn)程駕駛。露天煤礦的智能化建設(shè)以工藝作為基本的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，攻克連續(xù)和半連續(xù)開采工藝核心裝備的系列卡脖子難題，早日實(shí)現(xiàn)裝備的國產(chǎn)化替代。總之，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營模式的轉(zhuǎn)變和開采工藝的變革是中國露天煤礦智能化建設(shè)的核心任務(wù)和關(guān)鍵目標(biāo)。

4.5 加快構(gòu)建數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用場景生態(tài)

對(duì)于露天煤礦智能化建設(shè)，數(shù)字技術(shù)是基礎(chǔ)，安全、高效是主要推動(dòng)力，也是礦山企業(yè)進(jìn)行智能化建設(shè)的訴求。至于建設(shè)過程中出現(xiàn)的“為什么要建設(shè)”、“建設(shè)什么”、“怎樣建設(shè)”等一系列疑問，其根本原因是不能清晰描述數(shù)字技術(shù)與露天礦建設(shè)、生產(chǎn)、管理等實(shí)際活動(dòng)的關(guān)系。主要表現(xiàn)為數(shù)字技術(shù)在露天煤礦的應(yīng)用場景較為單一，沒有從工藝系統(tǒng)的角度去研究創(chuàng)新智能應(yīng)用場景，更未形成場景生態(tài)，從而導(dǎo)致智能化建設(shè)工作的系統(tǒng)性和效果大打折扣。露天礦智能化建設(shè)必須以系統(tǒng)科學(xué)為基礎(chǔ)理論，從無人化場景、安全生產(chǎn)場景、智能管控場景、智能設(shè)計(jì)場景、智能決策設(shè)計(jì)等5 個(gè)方面，研發(fā)機(jī)構(gòu)、礦山企業(yè)、設(shè)備供應(yīng)商、信息技術(shù)公司等需要立足露天礦實(shí)際，強(qiáng)化露天采礦基本原理與數(shù)字技術(shù)的融合，加快構(gòu)建數(shù)字技術(shù)在露天煤礦的各類應(yīng)用場景，形成智能化場景生態(tài)，以確保智能應(yīng)用之間實(shí)現(xiàn)融合和聯(lián)動(dòng)。

5 結(jié)語

我國露天煤礦建設(shè)向著開發(fā)布局集約化、規(guī)模大型化、經(jīng)營模式多樣化和工藝裝備趨近國產(chǎn)化的態(tài)勢發(fā)展。隨著我國露天煤礦的智能化建設(shè)工作正在全面推進(jìn)，鑒于露天礦工程的復(fù)雜性，智能化建設(shè)現(xiàn)狀總體呈現(xiàn)出進(jìn)度遲緩、理解不一等問題。因此，中國露天煤礦的智能化發(fā)展面臨著智能化認(rèn)識(shí)不足、整體推進(jìn)進(jìn)展緩慢、技術(shù)支撐度不夠、經(jīng)營模式制約、裝備國產(chǎn)化能力不夠和未形成數(shù)字技術(shù)的場景生態(tài)6 大困境，亟待研究解決。

我國露天煤礦的智能化建設(shè)工作正在全面推進(jìn)，取得了一定的階段性成果，但面臨的技術(shù)瓶頸和體制機(jī)制問題仍然突出。針對(duì)該現(xiàn)狀，創(chuàng)新提出了我國露天煤礦智能化建設(shè)工作“完善制度體系、統(tǒng)一驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)化設(shè)計(jì)權(quán)威性、加快工藝變革、構(gòu)建場景生態(tài)”的深化路徑，保障中國露天煤礦智能化建設(shè)工作的有序穩(wěn)定常態(tài)化發(fā)展。