国能准能集团有限责任公司（简称准能集团）是集煤炭开采、坑口发电及煤炭循环经济产业为一体的大型综合能源企业。准能集团拥有煤炭资源储量30.85亿t，被誉为“绿色煤炭”。并拥有年生产能力6900万t的黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿及配套选煤厂；装机容量960MW的煤矸石发电厂，年生产能力4000t的粉煤灰提取氧化铝工业化中试工厂，以及生产配套的供电、供水等生产辅助设施。2023年，准能集团黑岱沟露天煤矿及配套选煤厂通过国家首批智能化示范建设煤矿验收，达到中级标准；哈尔乌素露天煤矿及配套选煤厂通过国家能源集团智能化建设煤矿验收，达到中级标准。标志着准能集团智能化建设进入新阶段，为下一步全面推进“智慧准能”建设奠定了坚实的基础。
文章来源：《智能矿山》2024年第2期理事会特刊“智能示范矿井”专栏
作者简介：杨胜利，高级工程师，现任国能准能集团有限责任公司副总经理、《智能矿山》常务理事，主要从事机电设备、电力生产和煤矿信息化、智能化管理等工作
作者单位：国能准能集团有限责任公司
引用格式：杨胜利.准能集团露天煤矿智能化建设探索与成效[J].智能矿山，2024，5（2）：21-27.
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准能集团牢固树立“人民至上、生命至上”理念，以少人无人为导向，以数字赋能为重点，通过智能化建设实现采矿设备自动化、开采数据可视化、开采过程透明化、采掘现场无人化、矿山环境低损化，采取“规划先行+目标引领”的建设思路，推动露天矿山安全、高效、智能、绿色发展。
（1）整体规划目标
准能集团煤矿智能化建设重点为提升基础网络、数据中心、感知系统、智能装备、机器人等；重点建设远程操控、无人驾驶、远程运维、综合管控等系统，实现开采环境数字化、采剥装备智能化、生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息化。
（2）总体框架思路
准能集团立足于现有矿山智能化建设基础，强化生产单元智能化向矿山各生产系统智能化迈进，推动矿山从系统智能化向智能系统化进阶；实现生产条件先知先觉、生产过程可视可控、生产安全可防可测、生产要素可调可配，达到信息精准采集、网络化传输、规范化集成、可视化展示、自动化操作、智能化服务。准能集团智能矿山建设总体框架如图1所示。
图1 智能矿山建设总体框架
（3）重点任务落实
利用智能化技术赋能减人、增安、提效、低损等各项需求，逐步实现地质勘查透明化、采矿设计协同化、穿爆采装无人化、运输排土自主化、灾害预警精准化、矿山生态绿色化等智能化升级；完成露天矿山装备的单机自主运行，集群网联协作，系统数字孪生，实现采前孪生地质，采中煤流智能采、运、排和采后绿色循环利用的目标。共同推动机器人技术、新一代人工智能技术、煤矿工业互联网等创新技术在露天矿山的应用示范。
煤矿智能化建设典型成果
准能集团以《国家能源集团煤矿智能化建设指南》为顶层设计，整合、优化已建成的信息系统，以业务深度融合、系统高效集成、打破数据孤岛为目标，建成了覆盖煤矿安全、生产、调度、运营等各业务领域的一体化综合管控平台（图2），实现了煤炭全产业链要素实时动态监控和生产任务实时动态管理；建设了数据共享协同、互联互通的标准化数据中心，满足了智能化系统多源异构数据采集、存储要求；建成了140Gbit/s光环网，搭配数据中心与生产环境高速可靠的数据通道，实现了全公司万兆业务全接入和千兆有线、无线网络全覆盖；建成了覆盖矿区53.2km2范围的4G/5G专网；核心网本地部署的超级上行5G专网，单个基站终端上行通信速率500Mbit/s以上，端到端传输时延小于20ms。一体化综合管控平台、工业环网等基础设施的建设为准能集团露天煤矿实现后续无人驾驶、工业控制、人工智能等技术提供了网络覆盖保障。
（1）采矿设计软件为矿山采剥提供了可靠的技术支撑
该软件以矿山三维地质模型为基础，基于云端技术和GIS技术建立测绘管理系统，动态更新地质资源储量；模拟矿山开采，运用完备的“地测采”保障系统，实现了矿山工程量自动计算、剥采比优化设计、“采、运、排”线路精准规划。
（2）智能穿爆实现了全流程智能化
通过三维设计软件、北斗定位、智能布孔、智能装药和电子雷管起爆等系统，应用炮孔测量机器人、智能电动牙轮钻机，实现了穿孔、爆破全过程智能化。穿孔爆破环节多系统联动，北斗自动布孔系统替代人工布孔，孔位误差由20cm降至10cm以内，提高作业效率30%，布孔工作量减少66.7%，布孔工、验孔工减少12人；具备远程操控功能的钻机自主找孔，自动定量钻进；炮孔智能测量机器人自动巡航炮孔位置，自动测量炮孔孔深、水深、温度；搭载智能装药系统的炸药混装车，精准定位炮孔位置、自动调配炸药种类及用量，实现了精准装药；智能起爆系统网络控制数码电控雷管，实现了安全高效的智能起爆；爆破数字化综合处理系统，统筹各子系统及相关设备，穿爆作业从设计、穿孔、测量、装药、起爆全方位远程操控、无人作业，同时实现了爆破效果模拟及爆破质量反演优化。
（3）无人驾驶卡车实现了多编组无安全员常态化运行
通过搭建地面、车载双向控制平台，应用4D光场、惯导等先进感知技术，以及数字孪生、协同作业等多元系统，同时针对无人驾驶作业场景复杂、效率提升等痛点问题，攻克了多车协同装载、多车多点位排弃等技术难点，单车装载时间缩短50s、卸载时间缩短60s，提高效率10%；建立了数字孪生仿真系统，对无人驾驶运行作业进行精准模拟仿真与实时监控，实现了首批国内载重最大的300t级无人驾驶矿用卡车（图3）多编组“装、运、卸”无安全员常态化运行，效率达有人驾驶的85%；单编组单班无安全员拉运最高达120车，同等条件下与有人驾驶持平；120余台工程辅助设备实现全流程协同作业；160余名卡车司机实现阶段性转岗，取得了“安全零事故、作业无等待、运输低排放、智能少人员”的新成效。
图3 300t级无人驾驶矿用卡车
（4）构建了大型煤炭企业智能化洗选新模式
选煤厂通过对原煤洗选、生产辅助、生产保障等系统全流程智能化改造，258台关键设备安装了电流、温度、振动检测传感器，实现了关键设备故障预警保护；安装8套生产工艺系统煤泥水、水耗、介质等检测仪表，重点关键工艺环节安装了32台在线灰分仪、21台在线水分仪、22台全自动采样器，实现了煤质精准管控，有力提升了生产全过程数据感知精度；跳汰洗选系统通过开发与生产过程相匹配的算法模型，实现了一体化无人集中控制，生产效率提升3%；重介浅槽系统通过重介环节预测数学模型优化，循环悬浮液密度实现了随煤质变化智能调整，从而达到最优的入选产出比例。
（5）应用一体化综合管控平台
实现了全生产流程工艺系统主要设备间的智能联动；全面融合了治理控制和管理数据，建立了国内首个千万吨级选煤厂成套数据标准，填补选煤行业空白；首次实现了千万吨级跳汰洗选系统全流程智能控制；应用了基于定制化生产的效益最大化智能决策系统，建成了智能安全保障系统。
（1）优化设计了生产运营协同调度业务模式和管理体系
生产运营协同调度系统具备三级响应信息接报、应急值守、一键群呼、数据分析、应急资源管理调度等功能；矿区范围内安装了3000多个摄像头，炸药厂、油品库等重点区域实现了越界警告、火灾监控、异常报警等功能，监控系统与生产指挥系统联动。通过构建“系统、智能、共享、协同、安全”的运营指挥工作载体，打造了一体化集中管控、智能化高效协同、可视化高度融合的协同调度指挥智能化平台。
（2）构建了无人驾驶卡车健康管理系统（图4）
图4 无人驾驶卡车健康管理系统界面
分别部署在车载端、数据中台和手持终端，重点针对发动机、电动轮、前仰角、GE电气系统、销轴、液压系统6个模块，在原车基础上增设45处传感器，实现了车辆全方位状态监控、故障诊断、健康评估、自动灭火等功能，确保车辆安全运行。目前，已接收车辆故障代码469条、采集无人驾驶矿卡运行数据近900G，为后续健康管理系统模型建立和辅助维修决策提供了大数据分析基础。
（3）实施了“地表位移+深层位移”边坡监测预警
智能边坡监测系统通过在采场部署高台阶雷达监测系统，在排土场部署边坡实时监测预警系统，实现了对露天矿边坡进行24h“鹰眼式”实时监测；预警时效由24h缩短至2h，实现边坡灾害超前精准预警150余次，构建了“天地一体化”边坡监测预警模式。黑岱沟露天煤矿边坡监测预警平台如图5所示。
图5 黑岱沟露天煤矿边坡监测预警平台
（4）建设应用了运输卡车“四位一体”安全防撞预警系统和机动车安全管理平台
实现了生产及指挥车辆安全管控100%覆盖，有效保障了生产现场设备及人员安全。机动车安全管理平台具有统计分析、大数据展示等功能，并涵盖机动车辆安全、调度、维修、燃油等管理功能，全面提升了机动车辆整体安全管理水平。
煤矿智能化建设是指基于信息技术、物联网、云计算等技术手段，结合装备升级和功能融合，采取“技术应用+协同创新”的创新举措，以创新之力，聚发展之势，开辟一条推动矿山装备不断创新升级的新道路。
（1）煤炭开采技术变革创新
准能集团开创了“抛掷爆破、吊斗铲倒堆”工艺，利用三维激光扫描、无人机航测等技术和爆破数字化综合处理系统，搭配远程操控电动牙轮钻机、炮孔智能测量机器人、智能装药车等设备，实现了自动布孔、精准装药、微差爆破。吊斗铲采用AI识别、全息影像综合监测预警系统，实现了关键部位实时监控、设备状态远程诊断。建成后可实现原煤运输成本降低51%、碳排放降低64%，并提升矿车运输安全性和精细化管理水平，推动绿色化、智能化、清洁化、低碳化生产。吊斗铲倒堆作业如图6所示。
图6 吊斗铲倒堆作业
（2）关键核心技术自主可控
近3年，准能集团黑岱沟露天煤矿和哈尔乌素露天煤矿“穿、采、运、排”等主采设备整机及关键核心部件国产化替代取得进展：250mm孔径智能电动牙轮钻机、SD—90履带式推土机等实现国产装备首台套应用；35~55m3级电铲及卡车电驱电控系统、卡车大马力发动机和电动轮等打破技术壁垒，相关辅助设备及总成件实现了不同程度的国产化应用；液压反铲、钻机远程操控系统具备故障自诊断、工况自识别、自动灭火等功能，提升了装备智能化水平。国产化大型矿用装备如图7所示。
图7 国产化大型矿用设备
（3）作业场景机器人替代
准能集团研发应用了9种适应复杂作业场景的检修类机器人，包括成型线圈制作、大型结构件自动焊修、卡车轮胎螺栓自动拆装等；多种机器人在带式输送机巡检、配电室远程停送电、变电站巡检和孔深测量等场景得到广泛应用（图8）。准能集团累计应用机器人29台，提高了设备检修效率和质量，降低了职工劳动强度和安全风险系数。
图8 机器人在矿山得到广泛应用
随着煤矿智能化建设的不断发展和推进，其面临的关键性技术突破和人才问题已经成为制约发展的重要因素。因此，准能集团采用“组织保障+人才支撑”的管理模式，着力构建组织保障体系，打造人才聚集新高地。
（1）建立组织保障体系
准能集团成立了智能矿山建设领导小组，全面负责智能矿山建设相关规划审核，并对总体实施计划进行统筹研究和安排部署；此外，还设立了信息化、智能化专职管理人员，统筹推进智能化建设任务实施；在黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿及配套选煤厂和设备维修中心分别设立智能化建设管理机构，全面负责各单位智能化建设项目实施。
（2）落实重点推进措施
从实际出发，明确组织、管理、资金、技术4个方面具体措施。制定项目具体实施方案，明确责任人员、时间节点；与中国矿业大学（北京）、华为技术有限公司、航天重型工程装备有限公司、中国电信集团有限公司等科研院所和企业深度交流合作，完善了智能化建设奖励考核机制，配套设立了智能化建设专项奖励资金。
（3）组建智能化运维团队
通过搭建员工培训平台、建立技能实训基地、组织技能竞赛等，多举措提升员工智能化技术与运维水平；制定了《准能集团煤矿智能化建设培训方案》，建立了“项目建设+培训提升”双重机制，以加强行业级智能化技术人才培养；组建了露天煤矿卡车无人驾驶项目技术专班，协调解决现场技术难题，为无人驾驶安全高效运行提供了可靠保障。
准能集团将结合国家重点研发计划“大型露天矿机器人化自主运输装卸系统关键技术与应用示范”项目和《准能集团煤矿智能化建设三年行动计划实施方案（2023—2025）》要求，全力推动无人驾驶示范项目应用落地。未来3年（2023—2025年），准能集团煤矿智能化水平将显著提升，黑岱沟露天煤矿及配套选煤厂达到国家高级智能化示范煤矿；哈尔乌素露天煤矿及配套选煤厂达到国家能源集团中级标准，力争达到高级智能化水平。着力打造3000万t级特大型露天煤矿单坑少人化作业模式，逐步建成准能黑岱沟露天煤矿“423”（“穿、采、运、排”4工艺环节、采剥2亿m3、坑下作业300人示范煤矿）生产模式，为露天矿山行业发展提供“准能方案”。
助理编辑 | 江振鹏
编辑丨李雅楠
审核丨赵瑞
