露天煤矿智能安全保障体系现状与发展趋势

雷志勇，王 磊，高振飞，王忠鑫，3

（1.国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司，陕西 榆林 719000；2.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；3.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000）

2020 年3 月，国家发展和改革委员会、国家能源局等8 部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（发改能源［2020］283 号），为中国露天煤矿的高质量发展及智能化的建设指明了方向，并且提出了露天煤矿智能化建设的首要任务及保障措施。2021 年12 月，国家能源局印发了国能发煤炭规［2021］69 号《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》，对首批确定的71 个国家智能化示范煤矿的具体建设目标、推荐的建设项目、验收申报流程等提供了基础依据。在2020—2021 年间，陕西、山东、内蒙古、河南、新疆、贵州、山西、等地相继发布了、《行动方案》、《验收办法》、《指导意见》、《实施方案》等政策文件，并于2021 年开展了智能化煤矿验收工作[1]。

安全是露天煤矿智能化建设的重点内容之一，近年来随着国内大数据、云计算、5G、物联网等新兴技术及产业的发展及国内政府相关政策的推行，国内露天煤矿智能化建设工作正在进行，构建完善的智能安全保障体系是国内露天煤矿智能化建设的首要目标。目前国内多数露天煤矿智能安全保障体系的建设还处于初级阶段，相关的智能安全系统有待完善，根据露天煤矿安全风险因素的类别进行划分。为此，从“智能边坡安全保障、智能疏干排水、移动设备智能安全保障、火灾智能预警、爆破智能安全预警、人员智能安全管控”6 个方面对露天煤矿安全保障体系相关的监测、预警系统及建设现状、发展趋势进行阐述[2]，并且指明当前露天煤矿智能安全保障体系存在的问题。

1 安全智能保障体系建设现状

1.1 智能边坡安全保障

露天煤矿开采煤层需要将上部岩土层剥离，形成了露天煤矿边坡，在地表境界确定的条件下，为了多采出煤炭，在保证经济性的前提下边坡角会被确定为1 个相对安全的角度，但是随着降雨、风化剥蚀、设备作业等因素影响，边坡极易发生滑坡、片帮、坍塌等灾害，因此边坡监测是露天煤矿生产安全重要环节，部分露天煤矿采用多种边坡监测方式，实现立体化监测，通过多源数据融合提高边坡监测的准确性[3]。露天矿边坡多源数据立体化监测示意图如图1。

图1 露天矿边坡多源数据立体化监测示意图

1）GNSS 边坡监测系统。GNSS 的全称是全球导航卫星系统，其基本原理是已知位置的卫星到GNSS接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据解析得到接收机的具体位置，获得监测点的三维坐标数据，并以时间序列为基础记录边坡岩体的形变信息。在构建GNSS 系统过程中，露天矿山通常采用几个或十几个监测点组成全矿的监测网络，覆盖大部分重点或具有潜在危险的边坡台阶表面[4]。

2）边坡雷达。边坡雷达的全称是边坡稳定性监测雷达，其原理是通过测定电磁波从发射器发射至目标及被目标反射至接收器的时间，计算出雷达至目标的距离，当目标发生形变时，电磁波的相位将产生一定差值，因此通过雷达对同一位置的连续测量可以获 取目标的相对位移量，进而记录边坡岩体时间序列上的形变信息。

3）边坡测量机器人。测量机器人通过全站仪识别露天矿边坡坡面上的棱镜，采集的数据自动上传至后台，实现对露天矿边坡危害的全面监测。系统主要由操控端、计算机、控制器、传感器、后端软件平台等组成。通过自动化作业，能够及时发现边坡危险因素，并及时发出预警通知相关人员进行处理[5]。

4）三维激光扫描仪。三维激光扫描仪通过激光测距，识别露天矿边坡坡面三维点的位置信息，进而建立露天矿边坡的三维图像。系统利用反射器呈扇形扫描露天矿指定的边坡范围，然后利用激光信号的往返的时间来确定三维点的距离，并且利用算法转换获得边坡的三维点的精确坐标。

1.2 智能疏干排水

露天煤矿水害是指由于大气降水、地下水汇入采掘场，淹没设备或人员，造成人身伤害、财产损失、工作面的破坏。目前露天煤矿防治水害的主要方式有采用防洪沟截流、集水坑排水、疏干孔进行地下水疏干、帷幕截水等。露天煤矿通过建设智能化疏干排水系统、水文数据动态监测、三维地下水流场模型等智能化手段为露天煤矿水害防治赋能。

1）智能化疏干排水系统[6]。智能化疏干排水系统通过可编程的逻辑控制器，可在系统平台远程控制阀门、水泵等设备，同时，泵房的控制、液位、视频等信号通过无线网络接入系统平台，可实现远程操作水泵启停并显示设备参数和运行状态，系统平台根据液位信号实现水泵远程自动启停。

2）水文数据动态监测系统。水文数据动态监测系统依托工业物联网网关实现数据采集、数据上云、远程监控、自动报警等功能。通过网关连接各类传感器，可以实时获取地下水的水位、水量、流速、温度、电导率等水文数据，传输到系统平台，并且提供可视化数据图表支持，并在数据异常时自动报警。

3）水文地质数值模型。利用Modflow、GMS 等地下水数值模拟软件，通过地质报告、水文监测数据等资料建立露天煤矿三维水文地质数值模型，通过模型预测露天煤矿地下水的流场，进而指导露天煤矿进行疏干方案的设计工作[7]。

1.3 移动设备智能安全保障

当前我国露天煤矿剥离工程外委施工模式占据主导地位，外委施工队伍普遍采用小型化作业设备，设备数量多，整体呈现“蚂蚁搬家”的局面[8]，露天煤矿对外委施工队伍的安全管理面临极大压力，在此背景下厂家开发出车辆防碰撞系统、驾驶员行为分析系统、胎温胎压监测系统等智能化相关产品，大大提高了露天煤矿安全管理水平。

1）车辆防碰撞系统。通过高精度定位模块获取车辆的位置、高程、速度、方向等信息，并使用无线网络通信技术，向车辆四周进行广播本车位置信息，通过系统终端判断两车间的距离、行驶方向、速度等信息，并实在显示终端上实时显示，通过设置阈值报警实现矿用卡车的碰撞及超速预警。车辆防碰撞应急制动基于毫米波雷达探测、AI 视觉等多种技术于一体，实时探测前方物体的距离，雷达控制器根据雷达传感器测得本车速度得出安全距离，融合动态图像识别算法，对车辆前方的障碍物物体进行实时动态识别，当雷达传感器测得的距离小于安全距离时刹车电机自动转动进行车辆减速。

2）驾驶员行为分析系统。利用深度学习算法，实现对驾驶员违章行为的自动侦测，可以识别驾驶员驾驶接打电话、吸烟等违章行为，当驾驶员出现违章行为时，AI 视频摄像头自动识别并上传记录至后台终端，并且在驾驶室内进行语音警报，相关的违章信息储存在本地随时调阅。

3）胎温胎压监测系统。露天矿卡车胎温胎压监测可以实时监测卡车轮胎的胎温胎压状态，在轮胎出现异常时可以及时发出警报，提示相关人员进行处理，避免事故的发生[9]，系统利用温度探测、无线网络通信等技术，可实时检测运行车辆轮胎的温度，压力，加速度等信息，并对采样信息进行统计分析，形成历史表格和曲线，有效的统计轮胎磨损以及破坏规律，同时可对轮胎温度过高，压力过低进行报警提示。

4）司机健康监测系统。基本原理就是基于人体的生命特征参数发生变化时，根据生命体征的数据也会发生变化，通过智能设备对驾驶员生命体征的实时监测，再由智能系统进行分析，及时采取相应的措施，以减少或避免引发更大的事故。系统利用智能穿戴设备实时监测驾驶员心率、血压、血氧饱和度等健康信息，以AI 算法融合视频信息与人员健康信息，自动判别驾驶员异常行为，当系统检测到异常行为时，终端提供声音预警。

1.4 火灾智能预警

露天煤矿火灾形式多样，可能有人为因素、电气设备故障、火工品油料车事故、煤层自燃、输送带或轮胎摩擦等因素，针对露天煤矿火灾的特点，厂商开发出感温电缆／分布光纤测温、红外扫描测温、可燃气体及粉尘监测等多种智能化感知手段。

1）感温电缆与分布式光纤。由至少2 根导线组成感温电缆，当起火时，导线的电阻数值发生改变，当超过报警界限时，系统发出报警信号，通知相关人员进行处理。按缆式线型感温火灾探测器来实时监测电缆温度，通过对露天矿主变电所电缆、电缆接头和电缆沟等位置的温度在线监测。分布式光纤又名线型光纤感温火灾探测器。其主要运用光纤的“光时域反射原理”以及“后向喇曼散温度效应”。光纤测温利用光纤内部散射光的光强随温度变化的原理，测量散射光的强度，通过算法计算出反射点的温度，当反射点的温度超过设定的阈值时，系统进行报警。

2）红外扫描测温。红外扫描测温利用热成像探测温度，利用云台及行走机构，实现采掘场、穹顶仓、条形储煤场的连续测温，通过系统软件显示报警温度和出现高温的空间位置，实现全域温度状态异常监测，当温度超过界限时，系统进行预警，并且通过后台提示出现火灾危险点的位置信息。

3）可燃气体、粉尘监测。露天煤矿需要对煤尘、一氧化碳、甲烷等可燃气体、粉尘监测，相关监测设备主要安装在煤仓、运煤带式输送机等容易发生火灾区域，气体、粉尘传感器可以实时监测目标区域的粉尘及气体浓度，当浓度超过预先设定的报警阈值时，系统自动进行报警，并显示对应的浓度数值。监测设备可以实现露天矿多种场景火灾事故的预报及预测。

1.5 爆破智能安全预警

露天煤矿爆破安全事故包括爆破飞石伤人、人员及设备撤离不及时导致的人员伤亡及设备损坏，爆破震动、冲击导致的构建筑的损坏等。露天煤矿智能化建设通过建立智能爆破设计系统、爆破警戒区域预警系统，实现露天煤矿爆破工程的精准设计、爆破区域的安全预警。

1）爆破警戒区域监控预警系统。爆破警戒区域监控预警系统主要由前端的高清长焦距云台摄像机与搭载高清摄像机的无人机配合组成视频采集系统，通过AI 摄像头自动识别人员及车辆，当其进入露天矿爆破警戒区时，通过多种方式提示相关人员危险预警信息，进而避免事故的发生。

2）智能爆破设计系统。智能爆破设计通过软件建立三维地质模型，输入岩石种类、密度、台阶参数、炸药种类等指标，设计不同的布孔参数，通过爆破效果模拟功能预测在不同布孔、装药参数下，对爆破块度、爆堆形态、爆破震速、爆破飞石等指标效果进行预测，以指导爆破参数的精准设计、爆破警戒区域的划定，实现精准爆破、规避风险。

1.6 人员智能安全管控

露天煤矿安全重点在于保障人的安全，关键点在于知道作业人员的“位置、状态”，进而避免事故的发生。目前露天煤矿通过智能化设备实现“人员精确定位、健康状态监测、设置电子围栏”方式保障作业人员安全，避免事故发生。

1）UWB 高精度定位。UWB（超宽带技术）具有厘米级的高精度定位能力，其信号时域宽度极窄，接收端在测量时，能获得极高的时间分辨率。以已知空间坐标的基站为基点，基站通过脉冲间隔一定时间自动识别员工的定位标签，不间断进行测距，进而识别员工的位置。

2）人员健康状态监测系统。露天煤矿利用可穿戴设备进行一线作业人员的健康的监测工作。基本原理就是基于人体的生命特征参数发生变化时，根据生命体征的数据也会发生变化，通过检测设备对驾驶员生命体征的实时监测，再由智能系统进行分析，及时采取相应的措施，以减少或避免引发更大的事故。

3）电子围栏。电子围栏通过AI 摄像机实现越界侦测、区域入侵侦测、进入/离开区域侦测、徘徊侦测、人员聚集侦测、快速移动侦测、停车侦测、物品遗留／拿取侦测、场景变更侦测等功能。AI 分析系统对侦测数据进行学习、分析、分类，进而不断提升监测报警准确率。通过电子围栏对破碎站作业区域、带式输送机沿线、边坡危险区域、爆破作业危险区域实时监测，当发生越界入侵时发出报警信息，进而最大程度避免事故发生。

2 安全智能化建设存在问题

2.1 系统间存在数据壁垒

露天煤矿在安全智能化建设过程中往往将各个系统独立建设，各个系统间数据未实现互联互通，各安全防护类产品各自为战，系统数据间未形成有效的关联，智能化生产作业场景与数字技术融合程度较低[10]，导致领导决策延迟、安全信息管理分散、数据重复管理等情况，矿山未形成有效的数据资产，未建设统一的安全管控平台，矿山安全管理水平未得到本质提升[11]。

2.2 缺乏组织管理制度建设

目前安全智能化系统建设存在“重硬件轻软件”、“重建设轻运营”的现象[12]。很多矿山建成相关的安全智能化系统的建设后，未建设相关的系统管理制度及运行体系，如车辆三防系统发出超速报警后应该如何处理，边坡监测系统发出预警信息应该如何应如何上报、系统的信息及数据应该如何维护等。同时矿山缺少既懂采矿、又通机电信息的复合型人才[13]，安全智能化系统的运行维护大部分仍然依赖设备供应商，系统的正常运行受到制约。

2.3 外委模式制约

目前国内大部分露天煤矿剥离及爆破工程采用外委模式进行作业[14]，外委剥离施工队伍一般采用小型设备作业，具有设备型号不统一、设备数量多的特点[15]，而爆破外委队伍一般采用工厂预制好的药卷进行爆破，不采用装药车进行装药，钻机的智能化水平亦较低。外委施工队伍为了节约成本，以完成合同约定的作业项目为前提，不愿对设备的智能化改造进行必要的投入。

2.4 新兴技术应用带来新挑战

目前国内露天煤矿以少人、无人作为智能化建设的目标之一，逐渐开展卡车无人驾驶、作业设备远程遥控、破碎站无人值守、变电站无人值守等智能化项目的建设工作，无人化矿山建设的同时亦为矿山的安全管控带来新的挑战[16]。如何保障无人驾驶车辆与有人驾驶车辆安全稳定混编运行、无人驾驶车辆如何在无人值守破碎站安全稳定卸载物料、远程遥控钻机、电铲、推土机等设备如何保证安全作业都是当前露天煤矿面临的新挑战。

3 安全智能化建设思路

3.1 构建多源数据融合的安全管控系统

通过构建多源数据融合的综合安全管控系统[17]，将运输、火灾、边坡、爆破等各项安全智能化系统接入，实现对露天煤矿安全类数据的全局管理，同时构建多种数据驱动的煤矿综合风险预警分析模型，打通安全类系统间的数据壁垒，对煤矿海量安全生产数据进行分析研判[18]，找出事故发生的区域性、周期性、关联性等规律特征，实现对露天煤矿精准管控、精准生产、精准施策提供科学决策的需要[19]。露天煤矿安全综合管控平台技术架构如图2。

图2 露天煤矿安全综合管控平台技术架构

3.2 加速露天煤矿生产经营模式转变

外委经营模式已成为露天矿常见的运营模式，该模式具有成本低、生产管理简单、设备小型化等特点[20]，外委运营模式为国内露天煤矿建设及运营作出了巨大的贡献，但是在当下国家加速推进智能化矿山建设的条件下，外委运营模式严重阻碍了矿山的智能化升级，矿山在人员及作业设备皆为外委单位的条件下很难展开智能化建设。资金充裕的矿山企业应该购置自有设备，建设自身人才队伍，逐步由外委运营模式转变为自营模式，更好地开展本矿智能化建设及运营工作。

3.3 建立智能化露天煤矿安全管理体系

国内露天煤矿智能化建设工作逐步开展，势必对露天煤矿原来安全管理体系带来影响，根据对各矿调研结果来看，各矿还未开展相关管理方法、模式、标准的建设工作。露天煤矿应根据自身智能化系统建设情况，对露天煤矿业务应用架构和底层业务逻辑进行梳理，重新制定智能化露天煤矿安全生产管理标准，以安全管理标准为载体，针对智能化系统的特点对露天煤矿的安全管理的业务流程进行重塑，构建露天煤矿智能化安全管理体系。露天煤矿智能安全管理体系总体架构示意图如图3。

图3 露天煤矿智能安全管理体系总体架构示意图

4 结语

当前我国露天煤矿智能化建设逐步开展，在安全智能化建设领域取得了一定的成果，但是仍然面临数据关联度不高、管理制度缺失、经营模式制约、智能化作业新场景带来的安全管理挑战等问题。针对目前建设现状，创新性地提出了“构建多源数据融合的安全管控系统、加速露天煤矿生产经营模式转变、建立智能化露天煤矿安全管理体系”的建设思路，保障我国露天煤矿安全智能化项目的顺利实施，进一步提升中国露天煤矿的安全生产管理水平。