摘 要

為解決勝利一號(hào)露天礦極寒條件下原位分選及坑下分選系統(tǒng)移動(dòng)不便問題，研究了極寒條件下智能干選機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)、坑下智能干法分選系統(tǒng)移動(dòng)方式及智能干選機(jī)處理能力提升技術(shù)。通過開發(fā)集裝箱內(nèi)部熱循環(huán)系統(tǒng)與自適應(yīng)溫控系統(tǒng)，建立了極寒環(huán)境設(shè)備保障方案;對(duì)比多種移動(dòng)方式，確定了組合式移動(dòng)方案;優(yōu)化煤矸識(shí)別算法與設(shè)備結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了高效處理系統(tǒng)。結(jié)果顯示，設(shè)備在極寒環(huán)境可穩(wěn)定運(yùn)行，坑下移動(dòng)便捷，干選機(jī)輸送帶速度達(dá)3.2~3.6 m/s，煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率≥95%，提升了煤礦智能化水平與資源利用率。

文章來源：《智能礦山》2025年第10期“煤炭清潔高效利用智能化先進(jìn)成果專欄”

作者簡介：李偉，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司總包事業(yè)部設(shè)計(jì)所副所長，主要從事煤炭清潔高效利用及選煤廠的設(shè)計(jì)工作。E-mail：13681470390@163.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司

引用格式：李偉.勝利一號(hào)露天礦原位移動(dòng)式智能干法分選技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(10)：35-41.

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國能北電勝利能源有限公司勝利一號(hào)露天礦（簡稱勝利一號(hào)露天礦）位于蒙東缺水地區(qū)，生產(chǎn)規(guī)模為28.00 Mt/a，煤種為褐煤。主要開采煤層為5、5和6號(hào)煤層。5煤巖混雜，首采區(qū)平均煤層層數(shù)5，平均矸石層數(shù)6，純煤平均厚度2.3 m，矸石平均厚度2.48 m，含矸率52％。發(fā)熱量1 900～2 200 kcal/kg，灰分43.10％，夾矸層與煤層混雜。煤層頂板巖性以泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。因設(shè)備條件限制，僅能對(duì)0.5 m以上煤層進(jìn)行有效選采。標(biāo)志層上部煤層煤巖混雜，0.5 m厚度以下煤層選采效率差。

智能干法分選研究內(nèi)容

1.1 極寒條件下智能干選機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行研究

極寒運(yùn)行條件對(duì)于電氣設(shè)備及元器件具有一定的挑戰(zhàn)。智能干選機(jī)內(nèi)電氣元器件需要工作在一定的溫度范圍內(nèi)，過低或過高溫度都影響設(shè)備正常運(yùn)行。隔熱、保溫處理為在箱體內(nèi)增加恒溫措施外，考慮集裝箱體隔熱保溫效果，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件、集裝箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究并使用熱導(dǎo)系數(shù)小的高效保溫隔熱材料，通過最小總熱阻計(jì)算，確定保溫構(gòu)造與厚度，集裝箱外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集裝箱外部結(jié)構(gòu)

（1）研制合理的集裝箱內(nèi)部熱循環(huán)系統(tǒng)，滿足隔離外部超低氣溫的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部合理有效的熱循環(huán)，設(shè)備基礎(chǔ)環(huán)境溫度有一定的提升，減少設(shè)備熱控系統(tǒng)運(yùn)行壓力。具體方案為在安裝箱內(nèi)同步進(jìn)行合理的保溫材料處理，并在符合空氣熱控流向的合理節(jié)點(diǎn)加裝帶自反饋的加溫裝置，每個(gè)加溫節(jié)點(diǎn)可根據(jù)環(huán)境反饋溫度，自行實(shí)現(xiàn)加熱流程。

（2）減少通風(fēng)除塵對(duì)設(shè)備運(yùn)行溫度的影響，通風(fēng)道與保溫器件分離，減少熱量損失。收集到設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生熱量用，將空壓機(jī)安裝在單獨(dú)的集裝箱中，運(yùn)行后產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)入干選機(jī)集裝箱體內(nèi)，充分利用余熱，除塵風(fēng)道與入料口出料如圖2所示。

圖2 除塵風(fēng)道與入料口出料

（3）開發(fā)自適應(yīng)溫控系統(tǒng)，以確保核心器件以及整機(jī)在極寒環(huán)境下的自我保護(hù)能力。在設(shè)備待機(jī)和停運(yùn)時(shí)，通過檢測(cè)環(huán)境溫度，若環(huán)境溫度低于閾值，則對(duì)核心器件啟動(dòng)低溫保護(hù)。設(shè)備運(yùn)行前，通過既定的溫控設(shè)置，設(shè)備各核心器件以設(shè)計(jì)好的加熱模式到達(dá)設(shè)定溫度后停止升溫。以上方案經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)合理的升溫曲線，雙向確保核心精密器件不受極寒影響，確保在加溫過程中不因?yàn)樗矔r(shí)局部加熱導(dǎo)致器件受到損壞。X射線源光機(jī)箱中配置恒溫加熱器，當(dāng)箱內(nèi)溫度低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)加熱，當(dāng)箱內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱，智能干選機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)景如圖3所示。

圖3 智能干選機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)景

1.2 坑下智能干法分選系統(tǒng)移動(dòng)方式研究

為適應(yīng)各種使用環(huán)境，研發(fā)出各種類型移動(dòng)式礦山設(shè)備，包括輪胎站、履帶站、拖掛車、撬裝、集裝箱式等。因石油、煤炭、天然氣等能源行業(yè)開采區(qū)大多比較偏遠(yuǎn)，催生出移動(dòng)式設(shè)備組件工廠的概念。相較于傳統(tǒng)設(shè)備，移動(dòng)式設(shè)備具有方便運(yùn)輸、不依賴廠房基建、節(jié)省工時(shí)等特點(diǎn)。

歸納總結(jié)目前露天礦坑下設(shè)備的移動(dòng)方式，對(duì)比分析輪胎式、履帶式、滑撬式、吊裝式等多種移動(dòng)方式的使用環(huán)境優(yōu)缺點(diǎn)，確定適用于勝利一號(hào)露天礦坑下原位移動(dòng)方式，原位移動(dòng)方式對(duì)比見表1，輪胎式移動(dòng)方式如圖4所示，履帶式移動(dòng)方式如圖5所示，滑撬式移動(dòng)方式如圖6所示，吊裝式移動(dòng)方式如圖7所示。

表1 原位移動(dòng)方式對(duì)比

圖4 輪胎式移動(dòng)方式

圖5 履帶式移動(dòng)方式

圖6 滑撬式移動(dòng)方式

圖7 吊裝式移動(dòng)方式

破碎站是露天礦半連續(xù)開采工藝中的關(guān)鍵設(shè)備。露天礦大型電鏟挖掘的原煤由卡車運(yùn)送至破碎站破碎后，轉(zhuǎn)運(yùn)通過生產(chǎn)系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)。破碎站鋼結(jié)構(gòu)的作用是支撐設(shè)備，保證受料和為卡車的卸料創(chuàng)造條件；為實(shí)現(xiàn)半移動(dòng)式破碎站的整體移設(shè)，必須實(shí)現(xiàn)其各設(shè)備的同步移設(shè)，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要為破碎站的整體移設(shè)提供可能。

在露天礦半連續(xù)開采工藝中，地面生產(chǎn)系統(tǒng)中的破碎站和帶式輸送機(jī)的布置，必須在時(shí)間和空間上與露天礦的發(fā)展和采剝工藝相協(xié)調(diào)。因此，可移設(shè)的大型破碎站成為露天礦半連續(xù)開采工藝中的關(guān)鍵設(shè)備。大型半移動(dòng)式破碎站相當(dāng)于1個(gè)復(fù)雜的大型破碎車間，露天煤礦傳統(tǒng)破碎站布置如圖8所示，研發(fā)的刮板輸送滑撬破碎模塊如圖9所示。

圖8 露天煤礦傳統(tǒng)破碎站布置

圖9 研發(fā)的刮板輸送滑撬破碎模塊

常規(guī)礦用分選破碎系統(tǒng)已大量應(yīng)用，其中篩分、破碎等設(shè)備主要以自行履帶站和依靠牽引車移動(dòng)的輪胎站2種方式，滿足較高頻次的移動(dòng)需求。但此類移動(dòng)方式集成了車橋系統(tǒng)，增加了成本和故障點(diǎn)，更適用小型化生產(chǎn)作業(yè)。集裝箱式適用于相對(duì)中頻次的移動(dòng)部署，可通過多種標(biāo)準(zhǔn)集裝箱運(yùn)輸設(shè)備完成裝配、聯(lián)運(yùn)、吊裝。

研究坑下智能干法分選系統(tǒng)移動(dòng)方式以集裝箱式為主，其他移動(dòng)為輔，完成系統(tǒng)整體可移動(dòng)化設(shè)計(jì)。結(jié)合5煤開采計(jì)劃及露天礦破碎站坑下移設(shè)備，移動(dòng)頻率基本保持在2年移動(dòng)最多1次，通過全面對(duì)比分析，移動(dòng)方案采用組合形式為：破碎站采用滑撬移動(dòng)式破碎站；篩分單元采用模塊式布置形式；智能干選設(shè)備采用集裝箱吊裝式移動(dòng)方式；智能干選輔助供氣設(shè)備采用輪胎移動(dòng)方式進(jìn)行移設(shè)，研發(fā)的坑下可移動(dòng)式智能干法分選系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 研發(fā)的坑下可移動(dòng)式智能干法分選系統(tǒng)

1.3 智能干選機(jī)處理能力研究

光電智能干選機(jī)是基于先進(jìn)成像和人工智能技術(shù)的干法選煤設(shè)備，主要由布料系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)組成。近年來，智能光電干選技術(shù)已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一，主要分為X射線、γ射線及色差智能識(shí)別3個(gè)部分。

在既定帶寬條件下，智能干選機(jī)整體產(chǎn)能受4大核心速度制約：煤塊在既定加速距離下能達(dá)到的最高穩(wěn)定運(yùn)行速度、成像環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)的最高采集速度、算法識(shí)別環(huán)節(jié)最快能實(shí)現(xiàn)的煤礦檢測(cè)識(shí)別速度、分離環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)的最高執(zhí)行速度。

（1）高通過性帶式布料裝置設(shè)計(jì)及調(diào)速系統(tǒng)

采用整體式機(jī)架，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)滾筒和改向滾筒的位置，保證滾筒垂直于帶式輸送機(jī)長度方向的中心線，設(shè)計(jì)輸送帶的張緊裝置，輸送帶滾筒兩側(cè)安裝限位跑偏輪，保證輸送帶張緊程度處于合理狀態(tài)；輸送帶設(shè)置托輥組和襯板，襯板采用特殊表面處理工藝，減小輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)阻力，減少輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的不穩(wěn)定性。當(dāng)布料電機(jī)輸出功率一定時(shí)，帶上物料越多電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)阻力越大、轉(zhuǎn)矩變大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速也會(huì)存在一定變化，當(dāng)帶上物料的承載量在不斷變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化不可避免，最終體現(xiàn)出輸送帶帶料速度波動(dòng)大，物料噴吹不準(zhǔn)的情況。

針對(duì)此問題，采用變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制功能，對(duì)布料電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，減小因帶上物料質(zhì)量突變?cè)斐傻妮斔蛶俣鹊耐话l(fā)性波動(dòng)。在布料系統(tǒng)下側(cè)較平坦位置裝2個(gè)增量式編碼器，通過編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)控帶速，通過內(nèi)置算法半閉環(huán)控制布料電機(jī)，達(dá)到布料帶速在3.0～3.5 m/s相對(duì)穩(wěn)定的目的。

（2）煤矸識(shí)別裝置和軟件系統(tǒng)

煤矸智能分選核心技術(shù)是煤矸識(shí)別算法，由X射線透射和機(jī)器視覺掃描煤矸獲取多維度圖像和點(diǎn)云信息，并設(shè)計(jì)基于多特征的煤矸識(shí)別系統(tǒng)。對(duì)X射線透射圖像進(jìn)行閾值分割提取特征，對(duì)機(jī)器視覺使用坐標(biāo)映射分割提取特征，通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行特征分類，實(shí)現(xiàn)煤矸智能識(shí)別。

基于雙能X射線探測(cè)器實(shí)現(xiàn)雙能探測(cè)，獲取物料的高低能特征。雙能X射線探測(cè)器的基本原理過程為閃爍體將X射線能量轉(zhuǎn)換為可見光光子；由發(fā)光二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；經(jīng)過積分放大、AD轉(zhuǎn)換等步驟處理后，再通過高速傳輸網(wǎng)絡(luò)完成各圖像數(shù)據(jù)采集。

為提高采樣速率，保證圖像質(zhì)量，使用高性能芯片，最大限度提高X射線探測(cè)系統(tǒng)的精度和信噪比。覆蓋能量范圍為80~450 KeV。X射線探測(cè)系統(tǒng)采用千兆網(wǎng)絡(luò)接口，有效數(shù)據(jù)帶寬為600 Mbit/s；單系統(tǒng)最大支持64塊探測(cè)器，掃描速度最快為10 000 lines/s，最小積分時(shí)間100 us。由于物料運(yùn)行速度（帶速）為3.2 m/s，為圖像尺寸比例與實(shí)物比例相符，實(shí)際項(xiàng)目中積分時(shí)間設(shè)置為0.644 ms，采樣穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。長時(shí)間連續(xù)采樣試驗(yàn)表明每512行采樣時(shí)間為329 ms和330 ms的出現(xiàn)概率達(dá)到99.2 533%，表明使用的雙能X射線探測(cè)系統(tǒng)采樣速率高且穩(wěn)定。

表2 采樣穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

為保證成像質(zhì)量、采樣速率，中使用由高穩(wěn)定性的閃爍體、光電二極管、積分放大器、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA等芯片組成雙能X射線線陣探測(cè)系統(tǒng)，成像系統(tǒng)長時(shí)間工作信號(hào)穩(wěn)定、信噪比高，且在不同溫度成像質(zhì)量穩(wěn)定，成像系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定（橫坐標(biāo)為干選機(jī)輸送帶上不同位置采樣點(diǎn)，縱坐標(biāo)為反映能量強(qiáng)弱的灰度值，長時(shí)間采樣時(shí)，此曲線較穩(wěn)定，雙能X射線探測(cè)系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 雙能X射線探測(cè)系統(tǒng)

（3）算法優(yōu)化

針對(duì)傳統(tǒng)算法在復(fù)雜場(chǎng)景下效果不佳的問題，使用基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，在成像環(huán)境變化（如光路中存在的粉塵）、X射線源衰減、傳感器溫漂等因素的干擾下，仍然具有較好的效果。

針對(duì)小目標(biāo)難以檢測(cè)的問題，使用改進(jìn)的殘差網(wǎng)絡(luò)作為特征提取網(wǎng)絡(luò)，將殘差網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分解成多個(gè)均勻分支結(jié)構(gòu)；特征融合網(wǎng)絡(luò)采用一種基于通道和空間注意力的模塊，并嵌入特征金字塔網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多尺度預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位分割。

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精準(zhǔn)識(shí)別，從像素級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)3個(gè)層次，設(shè)計(jì)與開發(fā)多通道圖像融合算法。在像素級(jí)開發(fā)圖像變換算法，實(shí)現(xiàn)多通道圖像的精準(zhǔn)融合；在特征級(jí)基于X射線、傳感器及物質(zhì)在X射線下的特性，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)反映物質(zhì)特性差異的特征進(jìn)行多通道特征融合；在決策級(jí)通過設(shè)計(jì)開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索算法，在定義的指數(shù)級(jí)搜索空間中實(shí)施特定搜索策略，尋找不可見數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)高預(yù)測(cè)性能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證最終的決策準(zhǔn)確性。使用基于人工智能的圖像識(shí)別技術(shù)，采樣煤與矸石樣本各3 000塊，累計(jì)獲取X射線圖像30 000張?；谌斯ぶ悄苌疃葘W(xué)習(xí)方法，訓(xùn)練算法模型，迭代數(shù)曲線如圖12所示，算法精度曲線如圖13所示。

圖12 迭代數(shù)曲線

圖13 算法精度曲線

在精度不變或少量降低的情況下，使用剪枝、量化等方法，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升算法性能。算法精度>98％，mAP達(dá)到98.5％，平均每張圖片的處理時(shí)間為3 ms。

主要研究結(jié)論和成果

（1）智能干法分選設(shè)備在極寒條件下正常運(yùn)行

開發(fā)出合理的集裝箱內(nèi)部熱循環(huán)系統(tǒng)，在隔離外部超低氣溫的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部合理有效的熱循環(huán)及自適應(yīng)溫控系統(tǒng)，確保核心器件及整機(jī)在極寒環(huán)境下正常使用。設(shè)計(jì)合理的升溫曲線，雙向確保核心精密器件不受極寒影響，在加溫過程中不因?yàn)樗矔r(shí)局部加熱導(dǎo)致器件損壞。

（2）研發(fā)出坑下可移動(dòng)式智能干法分選系統(tǒng)

坑下可移動(dòng)式智能干法分選系統(tǒng)移動(dòng)方式以集裝箱式為主，移動(dòng)方案采用組合形式：破碎站采用滑撬移動(dòng)式破碎站；篩分單元采用模塊式布置形式；智能干選設(shè)備采用集裝箱吊裝式移動(dòng)方式；智能干選輔助供氣設(shè)備采用輪胎移動(dòng)方式進(jìn)行移設(shè)。

（3）研發(fā)大處理能力智能干選機(jī)

根據(jù)露天礦的低階煤煤質(zhì)特征，對(duì)比射線識(shí)別、圖像識(shí)別等多項(xiàng)干選識(shí)別技術(shù)，選出適用于低階煤的分選系統(tǒng)，優(yōu)化算法程序，實(shí)現(xiàn)輸送帶速度為3.2～3.6 m/s，精煤、矸石檢測(cè)識(shí)別準(zhǔn)確率≥95%。

總 結(jié)

（1）依托國家能源集團(tuán)與中國煤炭科工集團(tuán)聯(lián)合成立的煤礦智能化協(xié)同創(chuàng)新中心的勝利一號(hào)露天礦坑下移動(dòng)式智能干法分選關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目開展科研攻關(guān)。該技術(shù)已在勝利一號(hào)露天礦投入使用近3年，經(jīng)歷了2輪嚴(yán)寒酷暑考驗(yàn)，每年為使用單位帶來直接經(jīng)濟(jì)效益約22 584萬元。

（2）能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明節(jié)能減排效果明顯，與汽車運(yùn)輸至地面生產(chǎn)系統(tǒng)相比，每年節(jié)能78.68萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO排放211.54萬t；與帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至地面生產(chǎn)系統(tǒng)相比，每年節(jié)能94.40萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO排放253.80萬t。

（3）目前，智能干選技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能學(xué)習(xí)?？酉驴梢苿?dòng)式智能干法分選工藝代替選采工藝，提高了煤炭資源利用率和露天礦智能化水平。對(duì)于低變質(zhì)程度的褐煤資源，節(jié)約資源并有效利用好褐煤資源，對(duì)于國家能源儲(chǔ)備及能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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期刊成果：創(chuàng)刊5年來，策劃出版了“中國煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團(tuán)智能化建設(shè)成果”“聚焦煤炭工業(yè)‘十四五’高質(zhì)量發(fā)展”等特刊/專題30多期。主辦“煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)”“煤炭清潔高效利用先進(jìn)成果發(fā)布會(huì)”“《智能礦山》理事、特約編輯年會(huì)暨智能化建設(shè)論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設(shè)運(yùn)維與技術(shù)創(chuàng)新高新研修班”等活動(dòng)20余次。組建了理事會(huì)、特約編輯團(tuán)隊(duì)、卓越人物等千余人產(chǎn)學(xué)研用高端協(xié)同辦刊團(tuán)隊(duì)，打造了“刊-網(wǎng)-號(hào)-群-庫”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺(tái)，全方位發(fā)布礦山智能化領(lǐng)域新技術(shù)、新產(chǎn)品、新經(jīng)驗(yàn)。

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