曹勝武，羅懷廷，賈學(xué)軍

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展，綜合國力有了明顯提升，高速發(fā)展背后隱藏的就是各種能源消耗量逐年遞增。其中，煤炭消耗量始終居于首位，這就意味著當(dāng)下煤炭企業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度越來越大[1-2]?；诋?dāng)前露天煤礦全面推進(jìn)數(shù)字化礦山建設(shè)的時(shí)代背景[3]，從“無人則安、少人則全”角度進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)智能化發(fā)展主要將單系統(tǒng)自動(dòng)化升級(jí)為多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化乃至于數(shù)字化礦山。升級(jí)的目標(biāo)主要體現(xiàn)在將人員操作業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化為單系統(tǒng)自動(dòng)化，將多項(xiàng)單系統(tǒng)自動(dòng)化功能信息互通，聯(lián)合起來升級(jí)為多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)自動(dòng)化，進(jìn)而逐步邁向綜合系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化礦山[4]。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，部分露天煤礦正逐步邁向綜合自動(dòng)化和數(shù)字化礦山，但是，數(shù)字礦山推進(jìn)過程中，大量新型風(fēng)險(xiǎn)、隱患會(huì)伴隨出現(xiàn)，原始隱患也發(fā)生變化，因此，以往安全管理模式需作出改變[5-6]，亟待制定有效性管控措施，重構(gòu)新型數(shù)字化安全管理系統(tǒng)與智能化生產(chǎn)相匹配。

1 數(shù)字化露天礦山

數(shù)字化露天礦山即采用先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、5G+網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等科學(xué)技術(shù)手段將露天礦山地質(zhì)形貌、空間坐標(biāo)、生產(chǎn)設(shè)備、工藝技術(shù)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、應(yīng)急救援等由原始單邊信息化管理變?yōu)榫C合系統(tǒng)信息共享式管理。礦山作業(yè)工序由具備人類感知、診斷、決策、識(shí)別、記憶等功能的人工智能代替原始人員操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)露天礦山安全、綠色、高效、“無人化生產(chǎn)”[7]。露天礦山智能化發(fā)展歸納分為4 階段：單項(xiàng)自動(dòng)化、多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)自動(dòng)化、綜合系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化礦山。

1）單項(xiàng)自動(dòng)化。即穿孔爆破、采掘剝離、運(yùn)輸排棄、道路修筑、供電檢修、電纜移設(shè)等某項(xiàng)工序能采用自動(dòng)化手段完成單項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，設(shè)備具有穩(wěn)定可靠的感知力和執(zhí)行力[8]，同時(shí)能夠被人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控，異常情況下人員具有優(yōu)先操縱權(quán)。例如當(dāng)下黑岱溝露天煤礦采用防撞預(yù)警系統(tǒng)、邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及正在逐步推進(jìn)的無人駕駛技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)單一項(xiàng)工序完全依靠自動(dòng)化開展。

2）多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)自動(dòng)化。即將露天礦生產(chǎn)過程中2 項(xiàng)或者2 項(xiàng)以上聯(lián)合作業(yè)工序采用自動(dòng)化方式完成作業(yè)，例如神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦的IDS 系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備、人員原始調(diào)度管理模式做出升級(jí)優(yōu)化，包括生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、報(bào)警處理系統(tǒng)和設(shè)備維修系統(tǒng)。

3）綜合系統(tǒng)自動(dòng)化。即以多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)自動(dòng)化基礎(chǔ)，配備高速網(wǎng)絡(luò)基站，將所有自動(dòng)化系統(tǒng)信息進(jìn)行融合，基礎(chǔ)信息數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化綜合分析、處理，實(shí)時(shí)更新，逐步實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)場(chǎng)所少人化。

4）數(shù)字化礦山。即基于綜合系統(tǒng)自動(dòng)化，運(yùn)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，結(jié)合逐步完善的礦用車輛無人駕駛技術(shù)，將煤礦行業(yè)內(nèi)各專業(yè)專家思想及專業(yè)方案編制成若干可重復(fù)運(yùn)行、決策指揮的決策分析系統(tǒng)，為安全生產(chǎn)經(jīng)營提供決策依據(jù)，經(jīng)過實(shí)踐改進(jìn)完全能夠?qū)崿F(xiàn)露天礦山生產(chǎn)過程智能化、無人化、設(shè)備設(shè)施管理控制物聯(lián)化，決策處理互聯(lián)一體化的歷史性改變。

2 數(shù)字礦山建設(shè)落實(shí)三同時(shí)意義

在數(shù)字化露天礦山推進(jìn)過程中，安全設(shè)施需與主體技術(shù)從設(shè)計(jì)階段開始同步推進(jìn)，做到同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投入生產(chǎn)和使用[9]。只有如此，才符合安全管理事前預(yù)防的核心意義，為保障強(qiáng)化事中、事后管控奠定基礎(chǔ)。

國內(nèi)外大部分露天礦山處在單系統(tǒng)自動(dòng)化和多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)自動(dòng)化階段，只有少數(shù)露天煤礦正在進(jìn)行綜合系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化階段的升級(jí)改進(jìn)。例如FMG 集團(tuán)、淡水河谷公司、力拓集團(tuán)、包鋼白云鄂博稀土礦、伊敏能源、神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦等均處于綜合系統(tǒng)自動(dòng)化完善階段，逐步向數(shù)字化礦山發(fā)展。但是，數(shù)字礦山推進(jìn)過程中，隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備出現(xiàn)，大量新型風(fēng)險(xiǎn)、隱患也會(huì)伴隨出現(xiàn)，原始隱患管控措施需與智能化新型管控相銜接，原始安全管理模式就需徹底改變。為加強(qiáng)建設(shè)項(xiàng)目安全管理，預(yù)防和減少生產(chǎn)安全事故，保障從業(yè)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全，生產(chǎn)經(jīng)營單位新建、改建、擴(kuò)建項(xiàng)目的安全設(shè)施必須與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投入生產(chǎn)和使用。安全設(shè)施主要從預(yù)防事故發(fā)生為主，包括防止事故發(fā)生的保護(hù)裝置、防護(hù)裝置、保護(hù)措施、先進(jìn)技術(shù)等。因此，推進(jìn)安全設(shè)施“三同時(shí)”與數(shù)字化礦山建設(shè)同步發(fā)展，是確保實(shí)現(xiàn)安全型數(shù)字化礦山發(fā)展的必由之路，依據(jù)“三同時(shí)”原則，提出構(gòu)建完善的安全型數(shù)字化露天礦山管理構(gòu)想與生產(chǎn)相匹配，避免各類突發(fā)事故發(fā)生，做到事前預(yù)防，能夠從根本上消除事故隱患，筑牢安全生產(chǎn)防線，防范遏制各類生產(chǎn)安全事故發(fā)生。

3 數(shù)字化露天礦山安全設(shè)施三同時(shí)管理

3.1 安全設(shè)施同時(shí)設(shè)計(jì)

為確保科學(xué)、系統(tǒng)、有序地建設(shè)數(shù)字化露天礦山，需要全面系統(tǒng)地對(duì)數(shù)字化露天礦理論、技術(shù)、建設(shè)總體方案做出詳細(xì)的規(guī)劃與研究，為構(gòu)建安全高效型數(shù)字化露天礦山提供保障措施。數(shù)字化露天礦山推進(jìn)之初，應(yīng)該與取得國家相應(yīng)資質(zhì)認(rèn)證的專業(yè)化技術(shù)型、安全管理型單位開展合作，將理論知識(shí)與相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，同步設(shè)計(jì)安全、技術(shù)方案，并通過Comsol、Vman 等仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真測(cè)試，獲取準(zhǔn)確度、精度較高的各項(xiàng)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)低成本理論性測(cè)試，再通過實(shí)踐進(jìn)行理論檢驗(yàn)測(cè)試，縮短減少實(shí)踐測(cè)試所需時(shí)間和成本開支，編撰相應(yīng)的可行性安全、技術(shù)專篇。

設(shè)計(jì)階段制定的內(nèi)容、技術(shù)、方案均需符合國家級(jí)或行業(yè)級(jí)相應(yīng)的法律法規(guī)和規(guī)章制度標(biāo)準(zhǔn)要求，與生產(chǎn)實(shí)踐相匹配，避免空中樓閣式設(shè)計(jì)。理論性應(yīng)用充分結(jié)合當(dāng)下國內(nèi)、國外先進(jìn)的5G 網(wǎng)絡(luò)基站、云計(jì)算、北斗導(dǎo)航等科學(xué)技術(shù)手段和安全管理經(jīng)驗(yàn)，確保設(shè)計(jì)方案中技術(shù)和安全設(shè)施可實(shí)施性[10]。

所編撰安全專篇應(yīng)以確保數(shù)字化露天礦山安全生產(chǎn)為主線。設(shè)置專業(yè)化安全管理部門和安全管理人員，制定相應(yīng)的學(xué)習(xí)教育培訓(xùn)計(jì)劃。結(jié)合當(dāng)下智能化發(fā)展相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)方案，通過專家評(píng)估、桌面演練、仿真測(cè)試、頭腦風(fēng)暴等方法進(jìn)行分析，匯總出數(shù)字化露天礦山生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)和隱患，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和隱患進(jìn)行分析，有針對(duì)性地加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、建設(shè)相應(yīng)安全設(shè)施或制定安全管控措施。監(jiān)測(cè)監(jiān)控裝置、安全設(shè)施以及管控措施的設(shè)置需考慮所防范問題、隱患的位置，可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)類型、事故發(fā)生的可能性、嚴(yán)重度以及人員、設(shè)備暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的頻率等，同時(shí)進(jìn)行可行性和性能穩(wěn)定性測(cè)試，使其在生產(chǎn)過程中具備先進(jìn)性和高可靠度。此外，為防止突發(fā)事件出現(xiàn)，還需制定相應(yīng)的事故預(yù)防及應(yīng)急救援保障措施。通過整體分析，預(yù)估初步取得的成效，列出安全設(shè)施專項(xiàng)資金計(jì)劃。安全設(shè)施設(shè)計(jì)完成后，礦內(nèi)應(yīng)組織專家、技術(shù)人員、相關(guān)人員進(jìn)行審查，確保安全技術(shù)實(shí)用性和可行性。

3.2 安全設(shè)施同時(shí)施工

安全設(shè)施是確保數(shù)字化礦山安全穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。初始設(shè)計(jì)階段，安全設(shè)施就已經(jīng)融入數(shù)字化礦山建設(shè)的設(shè)計(jì)方案中，因此，安全設(shè)施必須與數(shù)字化礦山建設(shè)項(xiàng)目同步施工[11]，施工單位需要分別由具有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力強(qiáng)、設(shè)備可靠度高、安全管理能力強(qiáng)的單位合作施工，同時(shí)均具有相應(yīng)資質(zhì)認(rèn)證、符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

數(shù)字化露天礦山建設(shè)過程中最大的問題莫過于網(wǎng)絡(luò)故障和安全設(shè)施可靠度低，因此，需要在露天礦區(qū)周邊安設(shè)足夠數(shù)量的5G 大寬帶低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)基站，構(gòu)建穩(wěn)定的內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，確保網(wǎng)絡(luò)覆蓋無死角、無盲區(qū)、無漏洞，網(wǎng)速穩(wěn)定性傳播，防止設(shè)備出現(xiàn)失控和錯(cuò)誤指令狀況。同時(shí)，還需確保網(wǎng)絡(luò)安全性，安裝高強(qiáng)度防火墻，完善網(wǎng)絡(luò)信息硬件和軟件安全設(shè)施管理，嚴(yán)格按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)定進(jìn)行操作，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督監(jiān)察力度和安全網(wǎng)防護(hù)能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控坑下所有位置，重點(diǎn)部位特殊顯示，預(yù)防內(nèi)網(wǎng)操控系統(tǒng)受到干擾、攻擊，影響設(shè)備正常作業(yè)。同時(shí)，為防止設(shè)備異常、人員違規(guī)、環(huán)境惡劣等內(nèi)在、意外因素影響，安全設(shè)施需結(jié)合當(dāng)下科技保安系統(tǒng)：防撞預(yù)警系統(tǒng)、誤操作保護(hù)系統(tǒng)、承重保護(hù)系統(tǒng)、車輛超速管理系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、疲勞駕駛識(shí)別預(yù)警系統(tǒng)（改為車輛狀態(tài)自檢系統(tǒng)）、毫米波雷達(dá)自動(dòng)剎車系統(tǒng)等，通過技術(shù)集成技術(shù)將各項(xiàng)功能整合，最終形成一體化大數(shù)據(jù)綜合分析安全管控系統(tǒng)，具備失誤安全功能和故障安全功能，從而構(gòu)架完善的安全管理系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)安全管理信息化。安全設(shè)施施工單位需要在作業(yè)前制定完善的安全技術(shù)措施和綜合施工方案，涉及危險(xiǎn)性較大的需要制定專項(xiàng)方案，并制定相應(yīng)綜合應(yīng)急預(yù)案、專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案以及現(xiàn)場(chǎng)處置方案。施工過程設(shè)置專業(yè)的安全監(jiān)理人員，嚴(yán)格按照法律法規(guī)進(jìn)行監(jiān)督，并對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)交底和安全交底，施工中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，及時(shí)予以糾正，如若安全設(shè)施存在重大隱患，立即停止施工，直至消除該隱患再繼續(xù)施工。安全設(shè)施施工完成后，需要進(jìn)行驗(yàn)收檢查，對(duì)所發(fā)現(xiàn)不足之處及時(shí)進(jìn)行修正。

3.3 安全設(shè)施同時(shí)投入生產(chǎn)和使用

經(jīng)過驗(yàn)收合格的安全設(shè)施需與數(shù)字化露天礦山開采同步試運(yùn)行[12]，試運(yùn)行時(shí)間30～180 d，通過現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行，進(jìn)行性能測(cè)試，收集整理設(shè)備、安全設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)情況，例如防撞預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警、超時(shí)報(bào)警系統(tǒng)、緊急制動(dòng)系統(tǒng)等各項(xiàng)系統(tǒng)靈敏度、安全距離、安全行駛速度確定、面對(duì)突發(fā)狀態(tài)應(yīng)急措施有效度等，再進(jìn)行技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)性分析研究，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)、優(yōu)化技術(shù)，解決在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中所存在的問題，最后通過不斷地調(diào)試工作，確保生產(chǎn)技術(shù)和安全設(shè)施穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，促使礦山安全、節(jié)能、高效生產(chǎn)。

生產(chǎn)過程中，重點(diǎn)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)安全管理，后臺(tái)系統(tǒng)需24 h 全景顯示坑下作業(yè)場(chǎng)景、人員和設(shè)備所處位置，有針對(duì)性對(duì)網(wǎng)、人、機(jī)、環(huán)、管進(jìn)行精細(xì)化管理，避免不安全行為與不安全狀態(tài)交叉，防患于未然。安管系統(tǒng)主要具備6 大功能：①網(wǎng)絡(luò)方面：5G 大寬帶、低延時(shí)、多場(chǎng)景應(yīng)用、高強(qiáng)度防火墻、獨(dú)立組網(wǎng)；②人員、設(shè)備在坑下行駛的路線和軌跡計(jì)劃性管理、坑下監(jiān)控全覆蓋，重點(diǎn)部位實(shí)時(shí)專人監(jiān)控；③全面辨識(shí)危險(xiǎn)源和隱患，明確危險(xiǎn)源和隱患，構(gòu)建危險(xiǎn)源4 色圖并動(dòng)態(tài)更新危險(xiǎn)等級(jí)；④隱患實(shí)時(shí)監(jiān)控，閉環(huán)管理；⑤坑下無人化或少人化管理；⑥業(yè)務(wù)預(yù)警、緊急報(bào)警閾值設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)化，信息穩(wěn)定可靠。數(shù)字化礦山建設(shè)安全設(shè)施竣工或者試運(yùn)行完成后，組織具有符合資質(zhì)的安全評(píng)價(jià)單位、專家和業(yè)務(wù)人員對(duì)安全設(shè)施進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)價(jià)，并形成安全驗(yàn)收評(píng)價(jià)報(bào)告[13]。

4 結(jié)語

數(shù)字化露天礦山三同時(shí)管理是一項(xiàng)綜合性系統(tǒng)管理模式，國內(nèi)目前處于空白狀態(tài)，缺乏體系化的成文管理，涉及范圍不僅限于傳統(tǒng)的人、機(jī)、環(huán)、管4 方面，而且新增三維模擬和網(wǎng)絡(luò)安全性管理。不僅實(shí)現(xiàn)改變傳統(tǒng)礦山生產(chǎn)方式，而且安全管理模式和管理水平也取得階段性突破。原始露天礦山安全管理工作中，由于人員文化水平參差不齊、生活習(xí)慣差異、性格特征等多方面因素影響，人員一直是管理的難點(diǎn)，因此，管理的重心始終偏向于消除物的不安全狀態(tài)。而數(shù)字化礦山三同時(shí)管理的出現(xiàn)，不僅保障數(shù)字化礦山建設(shè)，更是將各單一系統(tǒng)由二維模擬發(fā)展為虛擬三維綜合管理，監(jiān)察管理工作也由傳統(tǒng)人員單一巡查轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上監(jiān)測(cè)為主、線下協(xié)同配合、綜合監(jiān)察管理模式。數(shù)據(jù)收集分析工作也由傳統(tǒng)人工輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)自動(dòng)生成、分析、更新等，為數(shù)字化礦山持續(xù)向好發(fā)展保駕護(hù)航，逐步實(shí)現(xiàn)少人則安、無人則安的宣傳理念，最終將從根本上解決“人”的問題，實(shí)現(xiàn)安全管理由事先預(yù)防向事先預(yù)控發(fā)展。