露天矿智能高效开采关键技术及重大装备国产化创新团队成员
团队简介
露天矿智能高效开采关键技术及重大装备国产化创新团队，是中国煤炭科工集团倾力打造的露天智能开采工艺及装备方向唯一的创新团队，重点攻克露天开采重大装备研发及智能开采技术、智能矿山系统及平台类产品开发、智能化设计等卡脖子技术难题，是中国煤炭科工集团在露天矿智能开采领域前沿技术的代表，肩负着引领行业露天智能开采技术及装备国产化的重任。
团队成员近60人，其中博士3人，硕士19人，高级工程师以上30余人，毕业于985、211、双一流重点高校26人，平均年龄36周岁，包含露天采矿、机械及自动化、力学、数字矿山与计算机等专业，“国家煤矿智能化专家”“全国煤炭青年科技奖获得者”“辽宁省百千万人才”“沈阳市领军人才”“沈阳市拔尖人才”“沈阳市中青年科技创新人才支持计划项目获得者”“煤炭行业技能大师”12人，承担(参与)省部级以上科技项目10项。
01
露天煤矿智能化建设顶层规划
“十四五”开局以来，我国煤矿智能化建设加快推进。数据显示，全国有近400座煤矿正开展智能化建设，总投资规模超过1000亿元，目前已完成约470亿元，已建成智能化采掘工作面800余个，在国家煤炭安全增产增供中发挥了重要作用。
编制露天煤矿智能化政策文件及标准
以来，国家能源局、国家矿山安全监察局等八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（以下简称《指导意见》），以提高煤炭保供能力为目标，以示范项目为抓手，建立煤矿智能化发展协调机制，全面铺开煤矿智能化建设。
，为贯彻《指导意见》精神，科学规范有序开展煤矿智能化建设，国家能源局、国家矿山安全监察局又制定出台了《煤矿智能化建设指南(版)》(以下简称《指南》)，而其中关于露天矿的相关内容，包括智能化矿山建设、验收办法等国家标准，皆由团队牵头完成。随后团队陆续协助国家能源局完成《智能化示范煤矿验收管理办法(试行)》的起草与解读，协助内蒙古自治区能源局完成《内蒙古自治区煤矿智能化建设验收办法》修编与解读，同期围绕露天煤矿智能化与数字化交付立项行业标准2项、团体标准6项。
其中，《指南》作为提升行业智能化水平和规范建设工作的引导性文件， 团队结合国内外露天煤矿智能化建设的实践经验、先进技术和先进理念，提出了主要建设内容，包括露天煤矿智能化建设总体设计、信息基础设施建设、研究采用连续和半连续工艺的可行性、辅助生产系统和灾害预警系统的智能化、建设信息智能综合管控平台5个方面的重点工作。
团队秉承着规划先行、有序推进、动态调整的理念，基于我国现阶段露天煤矿智能化建设现状、智能化技术与装备研发应用实际，提出了煤矿智能化建设的原则、目标、技术架构和建设内容，为露天煤矿智能化建设的系统性、实效性和可操作性起到了重要的指引作用。智能化露天煤矿总体架构如图1所示。
图1 智能化露天煤矿总体架构示意
露天煤矿智能化建设总体规划
行业的智能化建设和验收工作在国家智能化政策文件及标准的指引下，在行业主管部门的推动下取得了较大进展，且已有一批矿山通过了地方的智能化验收，获评“首批智能化矿山”。但从横向上看，大部分露天煤矿依然面临建设目标不清晰、路径不明确、内容不系统、重点不突出、效果不明显、智能化价值体现较低等问题；从纵向上看，大部分露天煤矿的智能化建设工作都是集中在信息基础设施、固定岗位无人值守、带式输送机无人巡检、卡车无人驾驶等几个方面，建设范围无法覆盖矿山工程的全部要素，特别是基本都未将外委承包施工部分纳入智能化建设范畴，而外委承包施工在中国露天煤矿是普遍存在且占有较大比重，智能化与业务系统的融合深度还远远不够，尚停留在展示、辅助、备用等水平，未真正进入常态化运行阶段。
针对上述问题，团队分析其根本原因是企业未能将露天矿山的智能化建设作为一项系统工程来整体规划和有序推进，多数矿山存在“重‘软’系统建设，轻‘硬’工艺装备变革、重业务系统建设，轻数据价值挖掘、偏离需求片面追求无人化，忽视智能化建设的经济属性”等误区。
因此，团队针对不同矿山，厘清其智能化建设的真实现状和实际价值，分析其智能化建设所面临的困境和问题根源，结合国内露天煤矿的开发现状和基础条件，研究提出露天煤矿智能化建设工作的发展对策和措施，明确深化实施路径。团队针对露天矿智能建设坚持“一矿一策”原则，以矿山企业实际需求为导向，以矿山智能化现状及资金承受能力为基础，以工艺及装备为核心，为行业提供了露天矿智能化建设的整体解决方案，确保取得最佳的投资收益、最实用的建设效果、最系统的智能化建设内容。
团队先后承担了多座国家级智能化示范矿山、内蒙古自治区首批示范矿山、新疆维吾尔自治区智能化示范矿山的建设任务，引领露天煤矿智能化发展，助力煤炭行业的高质量发展，展现了煤炭行业智能化发展“国家队”的担当。智能化露天煤矿总体架构如图1所示。
02
露天煤矿智能化建设核心技术
露天开采重大装备
目前，露天煤矿轮斗挖掘机、自移式破碎机、排土机等大型设备主要依靠进口，设备购买成本高且运行数据无法获取，严重制约了设备所在工艺系统的智能化建设。露天煤矿智能化升级的目标不仅体现在单台设备、单个环节上，更主要的是体现在跨设备、跨工艺环节、跨工艺系统，甚至跨业务范畴的信息共通共享、高效利用上。因此，露天煤矿设备规格大、类型多的特点给矿山设备及工艺系统智能化建设提出了更高要求。
团队倡导智能高效的连续、半连续智能开采工艺，集中力量攻关轮斗挖掘机、端帮大倾角带式输送机、转载机以及排土机等露天矿重大装备，力求突破国外长期的技术垄断，实现核心装备的国产化替代，解决我国露天矿重大装备的“卡脖子”问题。
其中，“高寒地区露天矿轮斗连续采煤系统研究与示范工程”是由团队承担的一项国家能源集团科技项目，是以构建露天煤矿“自主开采+多机协同”的连续系统少人化开采作业模式，打造国内高寒地区轮斗连续采煤系统装备研发及示范工程项目。
团队经过前期现场勘察与研究，确定宝日希勒露天矿的煤层赋存条件具备采用全连续工艺开采的条件，该项目的实施将解决现有生产系统运距大、运输成本高、智能化实现困难等问题，经对比分析，采用露天轮斗连续采煤工艺年采煤量每500万t将节约成本2835万元，减少人员数量44人，经济效益显著。
高寒地区轮斗连续采煤系统装备研发及示范工程项目，针对高寒复杂露天环境自动作业时存在的安全保障难、多装备串联连高效连续作业进行了技术攻关。研究了轮斗挖掘机开采装备全自动作业控制系统，实现自动切割、自主进给和精确定位的数字化控制技术；基于电气同步控制理论实现了多机协同控制和远程操控。通过多传感器多源检测数据融合和故障预测方法，实现连续系统设备运行状态预测与故障预警；基于设备位姿状态感知检测技术，首次研发了串联设备智能对中控制算法，实现轮斗连续装备自动对接。基于轮斗连续多设备集群化远程控制和通信技术，建立轮斗开采工艺系统远程集控系统和管控平台，实现系统生产与移设作业过程的少人化。其中，整机稳定性分析、结构力学分整机动力学分析及整机三维设计模型如图2—图5所示。
图2 整机稳定性分析示意
图3 结构静力学分析示意
图4 整机动力学分析示意
图5 整机三维设计模型
智能矿山系统及平台
露天矿山是开放的空间，是由人员、设备、环境、管理组成的复杂巨系统。传统露天煤矿生产运行过程中，各子系统的运行管理由“人”主导，主要凭经验指挥。智能化露天矿山将以人的经验和有限的知识为主导转变为以基于知识积累的智能化自主决策为主导，对矿山生产运行全过程、全环节、全要素的智能管控，进而实现露天煤矿的安全、高效、绿色开采，这对矿山的信息基础设施建设水平提出了要求。
团队以矿山管理及安全生产的信息化建设为基本手段和前提，侧重于对多源设备、异构系统、运行环境、人员等要素信息进行实时高效采集、网络化传输、可视化展示和规范化集成等，紧密围绕露天矿智能开采关键核心技术、系统、平台等布局研发项目，开发了露天矿智能综合管控、人员车辆生产指挥监管、智慧露天矿开采设计施工一体化、露天矿储量管理、露天矿破碎站无人值守、智能供配电等智能系统与平台，为行业提供了“规划设计-方案实施-技术监理-生产运维”全生命周期服务链条的智能矿山一体化解决方案，并在新疆维吾尔自治区打造了第一座露天煤矿智能化一体化解决方案的落地及示范工程。其中，典型智能矿山系统产品如图6—图9所示。
图6 典型智能矿山系统：露天矿智能综合管控平台
图7 典型智能矿山系统：大数据资源管理平台
图8 典型智能矿山系统：人员-车辆生产指挥监管平台
图9 典型智能矿山系统：露天矿储量管理系统
其中，露天矿一体化智能综合管控平台针对露天矿各子系统由于开发方式、编码规则、接口、协议等的不一致，导致应用过程中收集的海量数据无法实现资源共享，大数据难以利用，各系统之间互相独立，无法进行数据互联和集中展示形成“信息孤岛”，各系统间效率无法协同发挥等问题，构建多产业链、多系统集成，最终实现矿山一体化管控、精细化管理的高目标的煤矿智能化系统。
在技术层面，智能综合管控平台采用开放的Hadoop大数据系统，依托于云计算、 AI、大数据、容器服务，在任务调度管理、用户管理、系统配置、数据建模、 ETL引擎、日志管理等基础服务上，提供行业内标准的数据代码集，完成数据集成和数据资产目录编目，实现数据接入、清洗、转换、写入等管理，提供灵活、丰富的大数据处理、数据分析计算、基础服务支撑等服务；基于BIM+GIS技术构建露天煤矿三维实景模型，关联矿山生产实时运行数据，实现了全天候的生产运行数据监测。
智能综合管控平台基于多系统联动，实现了少人作业，减少矿山安全隐患，实现了露天煤矿采剥、运输、排土设备的实时运行数据采集、管理及分析功能，对所有设备进行数字化管理使得矿山生产及管理效率提高20%，矿山数据利用率提高50%，并在新疆疆纳矿业有限公司兴盛露天煤矿等多个项目落地实施。
智能化设计技术
矿山生产设计智能化的主要特征为地质数据精确化、设计方法精细化、设计表达方式三维全息化等。在地质测绘方面，当前激光扫描仪、无人机倾斜摄影等地表建模手段已在国内大型露天矿山及科研设计单位得到了应用。在设计软件及方法方面，矿床地质模型及辅助优化设计系统已经基本普及，但本质上仍是基于矿床模型的土石方算量，对于生产计划的优化、智能设计决策、设备实际作业特性模拟、生产中存在的随机事件等考虑相对较少，与国外的开采设计方案预演仿真方法相比差距较大。
团队研发了基于倾斜摄影、点云、多源异构数据融合等技术的露天矿智能开采设计-施工一体化协同平台，实现了露天矿设计到生产施工的贯通和无人化智能开采模式常态化运行。该平台实现了矿山三维底图实时更新、生产计划精准编制、生产作业环节全要素一张图显示、业务数据高效集成应用、辅助推演采矿计划及多方案最优决策、工程设备三维作业任务书自动生成、实时回传设备作业进度、作业状态、作业质量信息等功能，打通了设计与施工之间的壁垒，实现了“日-周-月-年-期”生产计划的联动快速更新。露天矿智能开采设计-施工一体化协同平台如图10所示。
图10 露天矿智能开采设计-施工一体化协同平台
团队研发了基于统一信息模型分类与编码的露天矿工程三维协同设计与数字化交付体系，形成了三维地质模型精细化构建、三维地质模型精度评价与检验、BIM模型参数化设计、BIM模型轻量化处理，以及露天矿工程数字化交付等关键技术与方法，开发了矿山工程电子交付系统、矿山数字孪生系统，解决了模型及信息重复生产、信息孤岛等问题，为建设智能矿山统一模型底座提供了先进的技术手段与基础平台。露天矿数字化交付系统如图11所示。
图11 露天矿数字化交付系统
伊敏露天煤矿地面生产系统项目作为国内第1个进行三维设计与数字化交付的露天矿工程项目，采用智能化设计技术为高寒地区当年建设当年达产的目标提供了重要保障，大幅提高了设计与交付的质量及附加值，为智能化矿山建设搭建了坚实的数字底座，为矿山一体化管控、精细化管理、智能化运营助力。
03
未来三年发展规划
露天智能开采重大装备产品线
团队未来将继续围绕露天矿智能开采技术发展方向，开展当下超前性的开采技术研究，以实现露天开采核心装备国产化替代、高可靠性和智能化为总体目标。针对目前已经研制的连续、半连续开采工艺技术及核心装备等存在的关键技术和设备智能化控制的共性问题，集中力量开展攻关研究，突破露天矿智能开采技术的“卡脖子”关键核心技术。其中，露天开采关键技术及成套装备产品线如图12所示。
图12 露天开采关键技术及成套装备产品线
露天矿智能系统与平台产品线
团队未来将继续开展露天矿信息传输、处理、存储平台和集中管控体系构建，研究开采过程智能控制技术，开发露天矿智能化综合管控平台，研究以大数据分析、云计算、数字孪生为基础的智能开采技术。为我国露天煤矿安全、绿色、高质量发展提供一体化解决方案，建设智能化露天矿示范工程。其中，露天矿智能系统与平台产品线如图13所示。
图13 露天矿智能系统与平台产品线
04
结 语
近年来，团队申请及执行科技创新项目20余项，申请国家专利50余项，成果多次获行业科学技术奖、BIM技术创新奖以及“五小”技术创新奖并先后在华能伊敏露天矿、新疆疆纳露天矿、国能胜利能源、国家电投内蒙古能源公司、平庄煤业集团等多家企业的近20座露天煤矿得到推广应用。未来，团队将以“推动科技进步，服务能源发展”为使命，为推进行业露天智能开采技术及装备国产化持续拼搏奋斗。
来源：智能矿山杂志
校审：煤小青
责编：集团公司团委
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