露天煤矿安全-绿色-高效-低碳协同开采技术体系

露天煤矿安全绿色高效低碳开采是全球露天煤矿发展的共识性目标。我国露天煤矿资源开发强度与生态承载力呈现逆向发展特征,我国西北部生态环境脆弱区已成为露天煤炭的主产区,使得露天煤矿开采与生态环境保护成为亟需解决的重要科学问题、生态问题和发展问题。基于我国露天煤矿发展概况、自然条件及主要影响因素,阐释了实现露天煤矿安全-绿色-高效-低碳开采内涵特征与总体架构,针对露天煤矿采前-采中-采后全生命开采周期特点,从安全开采技术、绿色开采技术、高效开采技术、低碳开采技术4个层次,归纳总结了时效边坡控制技术、智能预警决策技术、运输环节新模式、矿区生态建设、相邻矿山协调开采、智能采矿设计、电动矿卡应用以及采矿源头生态减损8项关键技术,明确了露天煤矿安全-绿色-高效-低碳协同开采研究重点工作和方向。在安全-绿色-高效-低碳协同发展措施方面,从强化顶层设计、加快分布实施、深化科研攻关、提升人才培养以及完善标准规范5个方面,提出2025年、2030年、2035年不同阶段需要完成的目标任务。新时期露天煤矿要坚定不移走安全-绿色-高效-低碳发展路径,实现露天煤矿在新时期、新格局下的高质量发展目标。

基于无人机影像的露天煤矿短期生产计划可视化编制

为提高露天煤矿短期(日、周)生产计划编制效率、快速分析设备计划完成情况以及可视化设计和直观性表达的效果,提出基于无人机影像数据进行短期生产计划快速编制,利用C++语言开发了基于无人机影像的露天煤矿短期生产计划可视化软件系统(Intelligent Mining Design Software System),简称“IMDS”软件。结果表明:①采用无人机影像数据进行短期计划的编制可视化视觉效果增强;②采用无人机影像数据进行局部1500 m×1500 m范围的露天煤矿采场台阶线自动生成,用时为17.392 s,而人工绘图需要5 min;③利用软件平台编制周计划、日计划,降低采矿人员需要反复去现场查验的频率以及突破传统采矿实体、块体算量的复杂性,内部预设设备能力分析模块,直接分析出短期计划内设备完成情况信息;④基于影像数据进行斜坡道快速绘制,自动计算坡道填挖土方量,实现运输道路修筑的精准性;⑤“IMDS”软件提供十大功能模块,235个子功能,可实现对无人机影像数据短期计划编制和基于三维地质实体模块的月度、年度计划快速工程量和工程位置精准确定的编制;⑥短期生产计划编制后,可通过数据发布的方式将短期生产计划发布至露天煤矿综合管控平台,实现计划数据直观展示,实现数据一数一源,保证了数据的准确性和安全性。该系统软件的开发,有助于促进智能化采矿设计软件系统的进一步发展。

基于三元DEM的露天煤矿封闭壳状包络体素建模研究

传统地质模型受自身结构性质和布尔运算效率的局限,限制了采矿模型的生成,无法满足露天矿大规模物料规划问题的需求。针对上述问题,对开采体块段模型及采矿模型进行了定义,并提出了一种基于三元DEM的露天煤矿封闭壳状包络体素快速建模方法,即煤岩模型的顶面、底面和侧面DEM建模,三元DEM经固化后即可生成煤岩体对应的封闭壳状包络体素模型。该模型介于实体模型和块体模型之间,能够保障算量精度,同时具有较高的布尔运算效率,可以现实定点、定向的尺寸和结构剖切,在传统算量地模的基础上,通过特定的结构定义,丰富剥采程序和工艺参数等技术指标属性,定制专属的采矿模型,更好地服务于露天矿物料流规划、采剥生产计划动态优化等问题。

大数据时代矿山协同监管监察新思路

为解决当前我国矿山监管监察现场查验工作量大、数据分析薄弱等问题,基于大数据、人工智能、5G等新技术在矿山行业的部署实施应用,提出矿山监管监察手段智能化转型和创新协同发展新思路;首先分析大数据时代矿山多元协同监管的超时空性、数据采集强连续性、数据分析强关联性等特征,建立协同监管总体架构;然后基于新型协同监管监察发展形态、处置流程以及服务职能,建立新型监管监察协同服务数据平台;最后挖掘大数据深层次关联关系,优化精准执法、应急救援指导、远程专家诊断、实时风险分析、灾害风险预警等服务机制,提出大数据时代矿山多元协同监管监察逻辑路径、协同监管监察行为路径、纵横联动处置流程。结果表明:矿山风险“智”理转变、数据治理与决策、风险全流程处置等矿山协同监管监察的创新路径,将成为今后政府部门、科研院所、高校以及煤矿企业形成多元协同监管监察的新业态。

大数据背景下露天矿山专业知识服务系统研究与设计

为解决当前露天矿山专业知识服务供需不平衡的问题,提升我国露天矿山行业的整体竞争能力和新技术、新装备、新理念的精准供应能力,提出了“以核心数据资源为支撑、融合分析为引导、用户需求为牵引”的露天矿山专业知识服务体系框架,设计并规划了涵盖我国露天矿山行业咨询、政策法规、科技成果、标准规范、专利论文、专家机构、研究报告、教辅教材、基础信息、统计数据等18大类露天矿山专业知识服务体系;提出了露天矿山专业知识服务系统强化顶层设计、协作共建机制以及深化科研攻关等建设路径。可为露天矿山从业者提供精准的智能搜索、知识图谱、多维数据统计以及智能推送等服务,将有助于提升我国露天矿山科学研究、产业发展以及科技创新的能力。

基于多源数据的露天煤矿安全风险态势评价研究

为客观评价全国露天煤矿的安全风险态势,掌握露天煤矿风险底数,通过采用问卷和现场实地调研以及搜集各主要露天采煤省(区)相关标准,从动态和静态两个方面构建涵盖人、环境、设备和管理累计40项指标的露天煤矿安全风险态势评价指标体系;建立了D S证据理论以及可拓理论模型,对全国26处千万吨级露天煤矿进行了综合风险评价,并进行了实例应用。结果表明,当前我国26处千万吨级露天煤矿整体安全风险可控,但还存在专业人才短缺、大型智能化装备应用方面存在短板等问题。认为今后需重点关注中小型露天煤矿安全风险,努力提升露天煤矿整体安全生产水平。

煤矿风险隐患评估系统

为解决当前煤矿风险隐患处置不及时、各类风险隐患之间的关联关系不强以及煤矿风险隐患与事故风险之间可量化性不强等问题。首先,通过采集煤矿“三位一体”系统数据,进行语义识别,建立煤矿灾害事故链以及风险评价模型,量化分析煤矿风险;然后,建立包含煤矿综合风险动态评估、煤矿各专业风险动态评估、隐患时间分布、隐患地点分布、煤矿自查风险评估契合度比对分析、重复隐患数据分析、隐患重要度分析以及隐患年份与关键词分析等功能的煤矿风险评价系统。结果表明,通过煤矿风险隐患进行语义识别,可实现对煤矿各类灾害风险的量化表达、可视化展示和风险超前预警,为煤矿降低事故风险、及时隐患闭环处置,提供技术支撑。

“十三五”期间我国煤矿事故特征及演变趋势分析

为从宏观层面总体评价全国各产煤省事故风险,并分析事故变化特征,搜集“十三五”期间国内煤矿事故数据,从煤矿事故类型、伤亡情况、时空地域等方面,采用数理统计、可拓理论等数学方法,分析煤矿整体安全演变趋势。研究结果表明:顶板事故取代瓦斯事故成为主要事故类型,事故发生地域呈现出由南向北转移趋势,国有煤矿事故总量占比增大,乡镇煤矿较大以上事故多发;频发事故省份存在煤矿数量多、百万吨死亡率高及地质条件复杂等特性,矿山机构改革以及强化企业安全生产主体责任,对于矿山安全生产起到积极的推动作用;煤矿事故类型变化与国内灾害治理投入、标准制定、煤矿安全生产风险监测预警体系的建立,以及淘汰小型落后煤矿存在强耦合关联关系;采用可拓理论分析得出“十三五”初期整体煤矿事故风险等级为三级,到“十三五”末期整体煤矿事故风险等级为二级,整体安全形势趋于向好。

智能露天矿山评价体系研究

针对当前智能露天矿山尚未形成统一的评价体系及建设思路的问题,通过实地调研、问卷调查、网络数据分析等方式,对全国45处露天煤矿开展了智能露天矿发展状态评价。构建了包括智能技术应用、智能安全治理、智能环境体系、智能基础设施以及智能应急体系5个一级指标的评价指标体系和评价模型,从子系统协调关系分析我国当前露天矿的智能化建设水平,并给出了45处露天煤矿的智能化评价结果。结果表明:目前大部分露天矿的智能化处在发展和追赶阶段,智能应急、智能基础设施以及智能技术应用成为发展短板和未来露天矿应关注的重点。

智能露天矿山框架及关键技术

在分析国内露天矿山智能化建设相关资料的基础上,针对我国智能露天矿山缺乏总体建设框架等问题,系统论述了智能露天矿山的总体架构、关键技术。详细介绍了智能露天矿山在生产层、感知层、网络层、平台层以及服务层的5层架构;梳理了露天矿山在安全生产保障和监测预警应急2方面的协同流程,提出了智能露天矿山建设的大数据采集平台、无人机测量技术、无人驾驶系统、导航开采技术、数字孪生技术、设备故障诊断及图谱等内容。

倾斜煤层露天矿纵采转横采排土场建设发展研究

针对倾斜煤层露天矿纵采转横采条件下,随着开采程序的改变,导致内、外排土程序、剥离运距、提升高度、年征地面积及货料流发生变化。针对这一问题,建立排土场建设发展的经济模型,从露天矿山内外排货料流规划,外排土场运输、征地,内排土场动态发展形态及内外排剥离物提升高度等因素出发,优化露天矿生命周期内内外排土场建设发展程序。结合新疆准东露天煤矿首采区由纵采转横采的过程中,进行实例研究。

基于不同排队模型对露天矿卡车等待时间的研究分析

露天矿装运系统直接影响到露天矿的生产效率。文中利用排队理论,建立数学模型,从卡车到达电铲的时间和卡车在电铲处的服务时间等因素出发,研究不同的排队模型对卡车在电铲处的等待时间的影响,为露天矿运输系统的通畅性、高效性,提供了理论依据。

露天矿山无人驾驶技术及系统架构研究

结合我国露天矿山无人驾驶卡车系统开发及应用现状,梳理了露天矿山无人驾驶场景、技术及系统架构。分析了露天矿山协同作业场景,包括3种道路形态及6种露天矿设备协同作业场景。总结了无人驾驶定位、感知及路径模型算法技术及无人驾驶系统平台架构和作业流程。无人驾驶系统的开发建设投入应用,是大型露天矿山实现智能化的一个重要组成部分。

极薄煤层开采方法之采面爆破

随着煤矿井开采年限的增加和开采强度的加大，煤炭资源越来超少，在煤炭资源本来就不丰富的地区，这种现象尤为突出，厚煤层、中厚煤层和薄煤层所剩无几，为延长矿井的服务年限，不得不在极薄煤层开采上寻找出路。

露天矿相邻采区间内排压帮高度及重复剥离深度的综合优化

分析了不同压帮方式的内排运距特点与计算原理,建立了内排压帮高度及重复剥离深度的数学模型,得出通用的计算公式并给出有效判据。以黑岱沟露天矿为例,采用费用补偿法确定最优的内排压帮高度,利用最小重复剥采比确定最佳的重复剥离深度。研究结果表明:分区开采露天矿相邻采区间内排压帮高度与重复剥离深度需同时确定,以费用补偿法建立的数学模型简单且可靠,研究成果对露天矿相邻采区间生产设计具有指导意义。

露天煤矿过无煤区留“岛”搭桥开采方案优化

针对露天矿田内出现无煤区,其上覆产生无效剥离量,为解决过渡无煤区期间生产剥采比增加、运距增大、煤量接续困难等问题,提出了一种露天煤矿过无煤区留"岛"开采新方法。系统研究了"岛"后搭桥、"岛"前滞后剥离的运输方式,优化留"岛"搭桥运输系统,动态模拟搭桥、拆桥衍变过程,提出过无煤区期间生产能力接续措施。研究成果在神华北电露天煤矿首采区过渡无煤区期间得到了应用,结果表明:对于露天矿田境界内出现无煤区,留"岛"开采方案有效降低了生产剥采比,"岛"后运输搭桥方式可减小运距,降低运输成本,提高矿山经济效益。

单一薄煤层露天开采新工艺分析

针对单一薄煤层露天开采剥采比大,井工开采效率低,造成资源浪费等问题,提出了一种吊斗铲倒堆机械铲采煤机分条区开采新工艺;系统研究了该工艺条件下的沟底开采参数、分条区宽度、长度、机械铲与吊斗铲跟进距离;提出分条区开采煤量接续方案;优化研究开采过程中运输系统及吊斗铲走行方式;现场应用结果表明:对于单一薄煤层露天矿,吊斗铲倒堆机械铲采煤机分条区开采工艺具有系统可靠性较高、生产成本低、地表扰动小等特点,可有效保护环境,提高劳动生产率,最大限度回采煤炭资源;实现科学、环保、绿色、智能一体化开采,同时对丰富和发展采矿理论具有重要意义。

SMCAD矿业工程软件在露天煤矿的应用

三维矿用软件是推进矿山企业进行数字化、信息化、智能化的关键技术之一。数字化露天煤矿计算机辅助系统(SMCAD)针对我国露天煤矿特点,兼顾工程技术人员设计习惯与操作水平,采用集成化设计思想,集成开发出了一套集地质信息管理、测量验收、开采进度计划编制及优化的露天矿山辅助系统。系统采用AutoCAD为开发基础平台,以三维实体建模为核心技术,全面实现地质信息管理、储量预测、地质预报、测量验收、开采设计及生产进度计划编制等工作的可视化、数字化与智能化,有效地提高了工程技术人员工作效率,降低了劳动强度。

露天矿山设备故障知识图谱框架及辅助决策系统研究

为解决露天矿山设备故障智能化诊断与维修不及时的难题,针对露天矿山工程设备各系统工作原理的知识体系进行系统建模与应用,设计了露天矿山工程设备故障处理辅助决策的知识图谱架构,自下而上分为5个层级,包括设备数据层、图谱实现层、数据分析层、推理决策层和综合展示层;通过知识抽取、知识融合、知识加工、知识更新、知识存储及可视化平台的构建技术,初步开发了露天矿设备故障辅助决策系统。

煤矿系统性安全风险评价指标体系及应用

针对当前我国煤矿事故时有发生,煤炭行业受内外部因素风险影响突出等问题,提出了煤矿系统性安全风险定义,分别阐述了煤矿系统性安全风险的特点、触发因素和传导机制。构建了煤矿系统性安全风险指标体系,涵盖1个一级指标、5个二级指标、25个三级指标,建立了煤矿系统性安全风险指数模型,并应用该模型对我国23个产煤省(区)2021年度煤矿系统性安全风险进行了分级分析研判。结果表明:一季度、四季度煤矿系统性安全风险指数高,分别为0.3926和0.3959,高于全国平均水平,主要是受企业普遍复工复产、抢工期赶进度、冬季供暖用煤量增加等因素影响,煤矿系统性安全风险呈现上升趋势;贵州、云南、陕西和河南4省煤矿系统性安全风险高,需重点加强对上述时段以及上述省份的煤矿安全监管,防范煤矿重特大事故发生。