雷志勇，王 磊，高振飛，王忠鑫，3

（1.國家能源集團陜西神延煤炭有限責任公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；3.遼寧工程技術(shù)大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000）

2020 年3 月，國家發(fā)展和改革委員會、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)展的指導意見》（發(fā)改能源［2020］283 號），為中國露天煤礦的高質(zhì)量發(fā)展及智能化的建設(shè)指明了方向，并且提出了露天煤礦智能化建設(shè)的首要任務及保障措施。2021 年12 月，國家能源局印發(fā)了國能發(fā)煤炭規(guī)［2021］69 號《智能化示范煤礦驗收管理辦法（試行）》，對首批確定的71 個國家智能化示范煤礦的具體建設(shè)目標、推薦的建設(shè)項目、驗收申報流程等提供了基礎(chǔ)依據(jù)。在2020—2021 年間，陜西、山東、內(nèi)蒙古、河南、新疆、貴州、山西、等地相繼發(fā)布了、《行動方案》、《驗收辦法》、《指導意見》、《實施方案》等政策文件，并于2021 年開展了智能化煤礦驗收工作[1]。

安全是露天煤礦智能化建設(shè)的重點內(nèi)容之一，近年來隨著國內(nèi)大數(shù)據(jù)、云計算、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及國內(nèi)政府相關(guān)政策的推行，國內(nèi)露天煤礦智能化建設(shè)工作正在進行，構(gòu)建完善的智能安全保障體系是國內(nèi)露天煤礦智能化建設(shè)的首要目標。目前國內(nèi)多數(shù)露天煤礦智能安全保障體系的建設(shè)還處于初級階段，相關(guān)的智能安全系統(tǒng)有待完善，根據(jù)露天煤礦安全風險因素的類別進行劃分。為此，從“智能邊坡安全保障、智能疏干排水、移動設(shè)備智能安全保障、火災智能預警、爆破智能安全預警、人員智能安全管控”6 個方面對露天煤礦安全保障體系相關(guān)的監(jiān)測、預警系統(tǒng)及建設(shè)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢進行闡述[2]，并且指明當前露天煤礦智能安全保障體系存在的問題。

1 安全智能保障體系建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 智能邊坡安全保障

露天煤礦開采煤層需要將上部巖土層剝離，形成了露天煤礦邊坡，在地表境界確定的條件下，為了多采出煤炭，在保證經(jīng)濟性的前提下邊坡角會被確定為1 個相對安全的角度，但是隨著降雨、風化剝蝕、設(shè)備作業(yè)等因素影響，邊坡極易發(fā)生滑坡、片幫、坍塌等災害，因此邊坡監(jiān)測是露天煤礦生產(chǎn)安全重要環(huán)節(jié)，部分露天煤礦采用多種邊坡監(jiān)測方式，實現(xiàn)立體化監(jiān)測，通過多源數(shù)據(jù)融合提高邊坡監(jiān)測的準確性[3]。露天礦邊坡多源數(shù)據(jù)立體化監(jiān)測示意圖如圖1。

圖1 露天礦邊坡多源數(shù)據(jù)立體化監(jiān)測示意圖

1）GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)。GNSS 的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，其基本原理是已知位置的衛(wèi)星到GNSS接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)解析得到接收機的具體位置，獲得監(jiān)測點的三維坐標數(shù)據(jù)，并以時間序列為基礎(chǔ)記錄邊坡巖體的形變信息。在構(gòu)建GNSS 系統(tǒng)過程中，露天礦山通常采用幾個或十幾個監(jiān)測點組成全礦的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，覆蓋大部分重點或具有潛在危險的邊坡臺階表面[4]。

2）邊坡雷達。邊坡雷達的全稱是邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測雷達，其原理是通過測定電磁波從發(fā)射器發(fā)射至目標及被目標反射至接收器的時間，計算出雷達至目標的距離，當目標發(fā)生形變時，電磁波的相位將產(chǎn)生一定差值，因此通過雷達對同一位置的連續(xù)測量可以獲 取目標的相對位移量，進而記錄邊坡巖體時間序列上的形變信息。

3）邊坡測量機器人。測量機器人通過全站儀識別露天礦邊坡坡面上的棱鏡，采集的數(shù)據(jù)自動上傳至后臺，實現(xiàn)對露天礦邊坡危害的全面監(jiān)測。系統(tǒng)主要由操控端、計算機、控制器、傳感器、后端軟件平臺等組成。通過自動化作業(yè)，能夠及時發(fā)現(xiàn)邊坡危險因素，并及時發(fā)出預警通知相關(guān)人員進行處理[5]。

4）三維激光掃描儀。三維激光掃描儀通過激光測距，識別露天礦邊坡坡面三維點的位置信息，進而建立露天礦邊坡的三維圖像。系統(tǒng)利用反射器呈扇形掃描露天礦指定的邊坡范圍，然后利用激光信號的往返的時間來確定三維點的距離，并且利用算法轉(zhuǎn)換獲得邊坡的三維點的精確坐標。

1.2 智能疏干排水

露天煤礦水害是指由于大氣降水、地下水匯入采掘場，淹沒設(shè)備或人員，造成人身傷害、財產(chǎn)損失、工作面的破壞。目前露天煤礦防治水害的主要方式有采用防洪溝截流、集水坑排水、疏干孔進行地下水疏干、帷幕截水等。露天煤礦通過建設(shè)智能化疏干排水系統(tǒng)、水文數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測、三維地下水流場模型等智能化手段為露天煤礦水害防治賦能。

1）智能化疏干排水系統(tǒng)[6]。智能化疏干排水系統(tǒng)通過可編程的邏輯控制器，可在系統(tǒng)平臺遠程控制閥門、水泵等設(shè)備，同時，泵房的控制、液位、視頻等信號通過無線網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)平臺，可實現(xiàn)遠程操作水泵啟停并顯示設(shè)備參數(shù)和運行狀態(tài)，系統(tǒng)平臺根據(jù)液位信號實現(xiàn)水泵遠程自動啟停。

2）水文數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。水文數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)依托工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上云、遠程監(jiān)控、自動報警等功能。通過網(wǎng)關(guān)連接各類傳感器，可以實時獲取地下水的水位、水量、流速、溫度、電導率等水文數(shù)據(jù)，傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺，并且提供可視化數(shù)據(jù)圖表支持，并在數(shù)據(jù)異常時自動報警。

3）水文地質(zhì)數(shù)值模型。利用Modflow、GMS 等地下水數(shù)值模擬軟件，通過地質(zhì)報告、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)等資料建立露天煤礦三維水文地質(zhì)數(shù)值模型，通過模型預測露天煤礦地下水的流場，進而指導露天煤礦進行疏干方案的設(shè)計工作[7]。

1.3 移動設(shè)備智能安全保障

當前我國露天煤礦剝離工程外委施工模式占據(jù)主導地位，外委施工隊伍普遍采用小型化作業(yè)設(shè)備，設(shè)備數(shù)量多，整體呈現(xiàn)“螞蟻搬家”的局面[8]，露天煤礦對外委施工隊伍的安全管理面臨極大壓力，在此背景下廠家開發(fā)出車輛防碰撞系統(tǒng)、駕駛員行為分析系統(tǒng)、胎溫胎壓監(jiān)測系統(tǒng)等智能化相關(guān)產(chǎn)品，大大提高了露天煤礦安全管理水平。

1）車輛防碰撞系統(tǒng)。通過高精度定位模塊獲取車輛的位置、高程、速度、方向等信息，并使用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，向車輛四周進行廣播本車位置信息，通過系統(tǒng)終端判斷兩車間的距離、行駛方向、速度等信息，并實在顯示終端上實時顯示，通過設(shè)置閾值報警實現(xiàn)礦用卡車的碰撞及超速預警。車輛防碰撞應急制動基于毫米波雷達探測、AI 視覺等多種技術(shù)于一體，實時探測前方物體的距離，雷達控制器根據(jù)雷達傳感器測得本車速度得出安全距離，融合動態(tài)圖像識別算法，對車輛前方的障礙物物體進行實時動態(tài)識別，當雷達傳感器測得的距離小于安全距離時剎車電機自動轉(zhuǎn)動進行車輛減速。

2）駕駛員行為分析系統(tǒng)。利用深度學習算法，實現(xiàn)對駕駛員違章行為的自動偵測，可以識別駕駛員駕駛接打電話、吸煙等違章行為，當駕駛員出現(xiàn)違章行為時，AI 視頻攝像頭自動識別并上傳記錄至后臺終端，并且在駕駛室內(nèi)進行語音警報，相關(guān)的違章信息儲存在本地隨時調(diào)閱。

3）胎溫胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。露天礦卡車胎溫胎壓監(jiān)測可以實時監(jiān)測卡車輪胎的胎溫胎壓狀態(tài)，在輪胎出現(xiàn)異常時可以及時發(fā)出警報，提示相關(guān)人員進行處理，避免事故的發(fā)生[9]，系統(tǒng)利用溫度探測、無線網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，可實時檢測運行車輛輪胎的溫度，壓力，加速度等信息，并對采樣信息進行統(tǒng)計分析，形成歷史表格和曲線，有效的統(tǒng)計輪胎磨損以及破壞規(guī)律，同時可對輪胎溫度過高，壓力過低進行報警提示。

4）司機健康監(jiān)測系統(tǒng)。基本原理就是基于人體的生命特征參數(shù)發(fā)生變化時，根據(jù)生命體征的數(shù)據(jù)也會發(fā)生變化，通過智能設(shè)備對駕駛員生命體征的實時監(jiān)測，再由智能系統(tǒng)進行分析，及時采取相應的措施，以減少或避免引發(fā)更大的事故。系統(tǒng)利用智能穿戴設(shè)備實時監(jiān)測駕駛員心率、血壓、血氧飽和度等健康信息，以AI 算法融合視頻信息與人員健康信息，自動判別駕駛員異常行為，當系統(tǒng)檢測到異常行為時，終端提供聲音預警。

1.4 火災智能預警

露天煤礦火災形式多樣，可能有人為因素、電氣設(shè)備故障、火工品油料車事故、煤層自燃、輸送帶或輪胎摩擦等因素，針對露天煤礦火災的特點，廠商開發(fā)出感溫電纜／分布光纖測溫、紅外掃描測溫、可燃氣體及粉塵監(jiān)測等多種智能化感知手段。

1）感溫電纜與分布式光纖。由至少2 根導線組成感溫電纜，當起火時，導線的電阻數(shù)值發(fā)生改變，當超過報警界限時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，通知相關(guān)人員進行處理。按纜式線型感溫火災探測器來實時監(jiān)測電纜溫度，通過對露天礦主變電所電纜、電纜接頭和電纜溝等位置的溫度在線監(jiān)測。分布式光纖又名線型光纖感溫火災探測器。其主要運用光纖的“光時域反射原理”以及“后向喇曼散溫度效應”。光纖測溫利用光纖內(nèi)部散射光的光強隨溫度變化的原理，測量散射光的強度，通過算法計算出反射點的溫度，當反射點的溫度超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)進行報警。

2）紅外掃描測溫。紅外掃描測溫利用熱成像探測溫度，利用云臺及行走機構(gòu)，實現(xiàn)采掘場、穹頂倉、條形儲煤場的連續(xù)測溫，通過系統(tǒng)軟件顯示報警溫度和出現(xiàn)高溫的空間位置，實現(xiàn)全域溫度狀態(tài)異常監(jiān)測，當溫度超過界限時，系統(tǒng)進行預警，并且通過后臺提示出現(xiàn)火災危險點的位置信息。

3）可燃氣體、粉塵監(jiān)測。露天煤礦需要對煤塵、一氧化碳、甲烷等可燃氣體、粉塵監(jiān)測，相關(guān)監(jiān)測設(shè)備主要安裝在煤倉、運煤帶式輸送機等容易發(fā)生火災區(qū)域，氣體、粉塵傳感器可以實時監(jiān)測目標區(qū)域的粉塵及氣體濃度，當濃度超過預先設(shè)定的報警閾值時，系統(tǒng)自動進行報警，并顯示對應的濃度數(shù)值。監(jiān)測設(shè)備可以實現(xiàn)露天礦多種場景火災事故的預報及預測。

1.5 爆破智能安全預警

露天煤礦爆破安全事故包括爆破飛石傷人、人員及設(shè)備撤離不及時導致的人員傷亡及設(shè)備損壞，爆破震動、沖擊導致的構(gòu)建筑的損壞等。露天煤礦智能化建設(shè)通過建立智能爆破設(shè)計系統(tǒng)、爆破警戒區(qū)域預警系統(tǒng)，實現(xiàn)露天煤礦爆破工程的精準設(shè)計、爆破區(qū)域的安全預警。

1）爆破警戒區(qū)域監(jiān)控預警系統(tǒng)。爆破警戒區(qū)域監(jiān)控預警系統(tǒng)主要由前端的高清長焦距云臺攝像機與搭載高清攝像機的無人機配合組成視頻采集系統(tǒng)，通過AI 攝像頭自動識別人員及車輛，當其進入露天礦爆破警戒區(qū)時，通過多種方式提示相關(guān)人員危險預警信息，進而避免事故的發(fā)生。

2）智能爆破設(shè)計系統(tǒng)。智能爆破設(shè)計通過軟件建立三維地質(zhì)模型，輸入巖石種類、密度、臺階參數(shù)、炸藥種類等指標，設(shè)計不同的布孔參數(shù)，通過爆破效果模擬功能預測在不同布孔、裝藥參數(shù)下，對爆破塊度、爆堆形態(tài)、爆破震速、爆破飛石等指標效果進行預測，以指導爆破參數(shù)的精準設(shè)計、爆破警戒區(qū)域的劃定，實現(xiàn)精準爆破、規(guī)避風險。

1.6 人員智能安全管控

露天煤礦安全重點在于保障人的安全，關(guān)鍵點在于知道作業(yè)人員的“位置、狀態(tài)”，進而避免事故的發(fā)生。目前露天煤礦通過智能化設(shè)備實現(xiàn)“人員精確定位、健康狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)置電子圍欄”方式保障作業(yè)人員安全，避免事故發(fā)生。

1）UWB 高精度定位。UWB（超寬帶技術(shù)）具有厘米級的高精度定位能力，其信號時域?qū)挾葮O窄，接收端在測量時，能獲得極高的時間分辨率。以已知空間坐標的基站為基點，基站通過脈沖間隔一定時間自動識別員工的定位標簽，不間斷進行測距，進而識別員工的位置。

2）人員健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。露天煤礦利用可穿戴設(shè)備進行一線作業(yè)人員的健康的監(jiān)測工作?；驹砭褪腔谌梭w的生命特征參數(shù)發(fā)生變化時，根據(jù)生命體征的數(shù)據(jù)也會發(fā)生變化，通過檢測設(shè)備對駕駛員生命體征的實時監(jiān)測，再由智能系統(tǒng)進行分析，及時采取相應的措施，以減少或避免引發(fā)更大的事故。

3）電子圍欄。電子圍欄通過AI 攝像機實現(xiàn)越界偵測、區(qū)域入侵偵測、進入/離開區(qū)域偵測、徘徊偵測、人員聚集偵測、快速移動偵測、停車偵測、物品遺留／拿取偵測、場景變更偵測等功能。AI 分析系統(tǒng)對偵測數(shù)據(jù)進行學習、分析、分類，進而不斷提升監(jiān)測報警準確率。通過電子圍欄對破碎站作業(yè)區(qū)域、帶式輸送機沿線、邊坡危險區(qū)域、爆破作業(yè)危險區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測，當發(fā)生越界入侵時發(fā)出報警信息，進而最大程度避免事故發(fā)生。

2 安全智能化建設(shè)存在問題

2.1 系統(tǒng)間存在數(shù)據(jù)壁壘

露天煤礦在安全智能化建設(shè)過程中往往將各個系統(tǒng)獨立建設(shè)，各個系統(tǒng)間數(shù)據(jù)未實現(xiàn)互聯(lián)互通，各安全防護類產(chǎn)品各自為戰(zhàn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)間未形成有效的關(guān)聯(lián)，智能化生產(chǎn)作業(yè)場景與數(shù)字技術(shù)融合程度較低[10]，導致領(lǐng)導決策延遲、安全信息管理分散、數(shù)據(jù)重復管理等情況，礦山未形成有效的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，未建設(shè)統(tǒng)一的安全管控平臺，礦山安全管理水平未得到本質(zhì)提升[11]。

2.2 缺乏組織管理制度建設(shè)

目前安全智能化系統(tǒng)建設(shè)存在“重硬件輕軟件”、“重建設(shè)輕運營”的現(xiàn)象[12]。很多礦山建成相關(guān)的安全智能化系統(tǒng)的建設(shè)后，未建設(shè)相關(guān)的系統(tǒng)管理制度及運行體系，如車輛三防系統(tǒng)發(fā)出超速報警后應該如何處理，邊坡監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出預警信息應該如何應如何上報、系統(tǒng)的信息及數(shù)據(jù)應該如何維護等。同時礦山缺少既懂采礦、又通機電信息的復合型人才[13]，安全智能化系統(tǒng)的運行維護大部分仍然依賴設(shè)備供應商，系統(tǒng)的正常運行受到制約。

2.3 外委模式制約

目前國內(nèi)大部分露天煤礦剝離及爆破工程采用外委模式進行作業(yè)[14]，外委剝離施工隊伍一般采用小型設(shè)備作業(yè)，具有設(shè)備型號不統(tǒng)一、設(shè)備數(shù)量多的特點[15]，而爆破外委隊伍一般采用工廠預制好的藥卷進行爆破，不采用裝藥車進行裝藥，鉆機的智能化水平亦較低。外委施工隊伍為了節(jié)約成本，以完成合同約定的作業(yè)項目為前提，不愿對設(shè)備的智能化改造進行必要的投入。

2.4 新興技術(shù)應用帶來新挑戰(zhàn)

目前國內(nèi)露天煤礦以少人、無人作為智能化建設(shè)的目標之一，逐漸開展卡車無人駕駛、作業(yè)設(shè)備遠程遙控、破碎站無人值守、變電站無人值守等智能化項目的建設(shè)工作，無人化礦山建設(shè)的同時亦為礦山的安全管控帶來新的挑戰(zhàn)[16]。如何保障無人駕駛車輛與有人駕駛車輛安全穩(wěn)定混編運行、無人駕駛車輛如何在無人值守破碎站安全穩(wěn)定卸載物料、遠程遙控鉆機、電鏟、推土機等設(shè)備如何保證安全作業(yè)都是當前露天煤礦面臨的新挑戰(zhàn)。

3 安全智能化建設(shè)思路

3.1 構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合的安全管控系統(tǒng)

通過構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合的綜合安全管控系統(tǒng)[17]，將運輸、火災、邊坡、爆破等各項安全智能化系統(tǒng)接入，實現(xiàn)對露天煤礦安全類數(shù)據(jù)的全局管理，同時構(gòu)建多種數(shù)據(jù)驅(qū)動的煤礦綜合風險預警分析模型，打通安全類系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘，對煤礦海量安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析研判[18]，找出事故發(fā)生的區(qū)域性、周期性、關(guān)聯(lián)性等規(guī)律特征，實現(xiàn)對露天煤礦精準管控、精準生產(chǎn)、精準施策提供科學決策的需要[19]。露天煤礦安全綜合管控平臺技術(shù)架構(gòu)如圖2。

圖2 露天煤礦安全綜合管控平臺技術(shù)架構(gòu)

3.2 加速露天煤礦生產(chǎn)經(jīng)營模式轉(zhuǎn)變

外委經(jīng)營模式已成為露天礦常見的運營模式，該模式具有成本低、生產(chǎn)管理簡單、設(shè)備小型化等特點[20]，外委運營模式為國內(nèi)露天煤礦建設(shè)及運營作出了巨大的貢獻，但是在當下國家加速推進智能化礦山建設(shè)的條件下，外委運營模式嚴重阻礙了礦山的智能化升級，礦山在人員及作業(yè)設(shè)備皆為外委單位的條件下很難展開智能化建設(shè)。資金充裕的礦山企業(yè)應該購置自有設(shè)備，建設(shè)自身人才隊伍，逐步由外委運營模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽誀I模式，更好地開展本礦智能化建設(shè)及運營工作。

3.3 建立智能化露天煤礦安全管理體系

國內(nèi)露天煤礦智能化建設(shè)工作逐步開展，勢必對露天煤礦原來安全管理體系帶來影響，根據(jù)對各礦調(diào)研結(jié)果來看，各礦還未開展相關(guān)管理方法、模式、標準的建設(shè)工作。露天煤礦應根據(jù)自身智能化系統(tǒng)建設(shè)情況，對露天煤礦業(yè)務應用架構(gòu)和底層業(yè)務邏輯進行梳理，重新制定智能化露天煤礦安全生產(chǎn)管理標準，以安全管理標準為載體，針對智能化系統(tǒng)的特點對露天煤礦的安全管理的業(yè)務流程進行重塑，構(gòu)建露天煤礦智能化安全管理體系。露天煤礦智能安全管理體系總體架構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 露天煤礦智能安全管理體系總體架構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

當前我國露天煤礦智能化建設(shè)逐步開展，在安全智能化建設(shè)領(lǐng)域取得了一定的成果，但是仍然面臨數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度不高、管理制度缺失、經(jīng)營模式制約、智能化作業(yè)新場景帶來的安全管理挑戰(zhàn)等問題。針對目前建設(shè)現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地提出了“構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合的安全管控系統(tǒng)、加速露天煤礦生產(chǎn)經(jīng)營模式轉(zhuǎn)變、建立智能化露天煤礦安全管理體系”的建設(shè)思路，保障我國露天煤礦安全智能化項目的順利實施，進一步提升中國露天煤礦的安全生產(chǎn)管理水平。