矿山行业现处于转型发展的临界点，“互联网+”和“3060”碳排放目标等国家行动计划正在稳步施行。2021年3月，国家发改委、国家能源局发布《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》，指出源网荷储一体化和多能互补发展是提升可再生能源开发消纳水平和非化石能源消费比重的必然选择，对于促进能源转型和经济社会发展具有重要意义，要积极探索其实施路径。
矿山行业经济发展已进入新常态，新技术替代旧技术、智能型技术替代劳动密集型技术、零碳化的趋势日益明显。越来越多的国内外矿山用户开始利用新能源化、智能化、无人驾驶等新兴技术，坚定不移走生态优先、零碳绿色的高质量发展道路，助力矿山行业实现绿色、智能、安全、高效发展，赋能零碳矿山建设与“双碳”目标实现，最终建设人与自然和谐共生的现代化。
一、 背景介绍
1.政策背景
自工业革命以来，全球经济飞速发展的同时，大气中温室气体浓度急剧升高，温室效应愈加明显。面对气候变化挑战，2009年，中国政府在哥本哈根国际气候大会上，首次提出了中国的温室气体减排目标：到2020年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%-45%；2014年中美发表气候联合声明，承诺到2030年左右，中国二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰，并计划到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右；2020年，习近平总书记在气候雄心峰会上再次承诺，到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上；2021年12月29日发布的《中国碳达峰碳中和进展报告（2021）》建议加快产业结构调整，调整能源结构，打造清洁高效现代能源体系，重视节能提高能效，实现能源“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变。
2.行业现状
我国矿业资源丰富，矿产资源的开发利用已成为我国社会经济发展的重要支柱产业之一。早期矿产资源的开发大多较为粗犷，大量改变了地表的地形地貌以及地下岩层的结构和构造，并长期影响地表及地质环境。随着国家经济发展转型，矿山开采也逐渐向绿色环保转型。国内外学者针对矿山开采业的环境保护开展了大量研究，致力于开拓矿产资源的开发利用与生态环境保护协调发展的道路，但集中阐述零碳矿山建设的研究较少。国家早在本世纪初就倡导矿产企业建设绿色矿山，鼓励矿山开采循环发展、低碳开采、生态复垦、科学管理等。建设至今也涌现了一批绿色示范矿山，但是大多数矿山多为低碳发展，零碳矿山建设案例鲜有耳闻。
二、 零碳矿山重要性
零碳矿山以数字赋能矿山企业全方位转型、运用动态监测等科技手段，加快推进矿业自动化、智能化、减碳化，站在综合利用以及全方面开放的基础上进行的矿山开采经营服务。同时，更重视矿山行业的建设及规划，逐步助力行业转型，加快行业变革，向着第三产业及新能源方向平稳过渡实现转变，不断提高安全生产水平、经济效益、生态效益。
三、 零碳矿山具体实施路线
1. 构建综合智慧能源管控平台
1.1 能量管理系统
1.1.1 源网荷储协同优化
能量管理系统利用采集的多种能源数据，实现用能负荷调控决策分析；同时通过“源网荷储”协同优化、多时间尺度及多应用场景负荷预测技术、多时间尺度负荷协同优化等手段为协同发电控制，提供制定控制命令的依据，保证微网运行的稳定和高效。具体功能包括自动发电控制、自动电压控制、协同发电控制、优化调度和负荷互动响应。
1.1.2 负荷及功率预测
光伏功率预测系统实现光伏电站短期、超短期功率预测功能，支持与主站功率预测系统通信功能。用电负荷预测是根据用户消费的历史数据和其它影响用户能量消费的一些因素，提炼、挖掘出用户未来一个时间周期内的负荷量。对用户进行分类，实现对用电负荷特性的分析。综合预测分析通过利用负荷预测和用户分析的结果数据，形成微电网负荷的供需分析结果，合理安排各个发电子系统的供电比例；对微网内的发电单元，按照制定的电价机制进行交易和调节，并对不同类型发电机组的数据和供电能力进行实时的监测、评估和管理。
1.2 储能系统应用
由于光伏电源具有高度的不稳定性，大规模光伏电站并网对电网带来的影响是不可忽视的。从电网安全、稳定性、经济运行的角度分析，不加储能的光伏并网发电系统将对线路潮流、系统保护、电网经济运行、电能质量和运行调度等方面产生不利影响。可以通过对并网光伏电站配置储能装置解决上述问题。
1.3 协调控制器
协调控制器与并网点的PT、CT直接连接，完成并网点的电压、频率、功率等的高速采集。通过级联架构实现储能系统的一次调频、动态调压和紧急功率支撑等控制功能。协调控制器具有自检功能，包括装置硬件故障、软件故障、装置失电等自检，应能给出告警或异常信号。协调控制器宜具有液晶显示功能，可以查看定值、报告等信息。协调控制器在控制动作、告警以及与之通信的设备发生遥信变位等事件时有对应的事件顺序记录。
1.4 构建碳中和功能应用体系
建立“碳地图”：该地图汇聚了矿山全区的电、气、煤、油以及生产经营管理活动等重要数据，创新利用能—碳、能—电、电—碳关联算法，构建各领域碳的排放计算模型。在碳地图上可查看碳排放总量、碳排放强度、能源消费总量、能耗强度“四大指标”，衡量对标矿山企业之间的指标差距。“碳足迹”追踪溯源：数字化平台以行业能源消费特征为导向，绘制碳流溯源图，打造了一个数字化碳排放的监测大厅。可实现对碳流全程的穿透分析和精准掌控，构建“双碳”县级、企业、部门等多级管理体系。
2. 新能源装备应用
露天矿山大型生产设备中运输车辆占80%以上，矿山运输领域传统的燃油运输设备因其燃油消耗高、污染排放重已经无法适应和满足零碳矿山建设需求。新能源装备的应用，不但从根本上杜绝燃油车碳排放高的问题，且通过其独有的能量回收系统可以将重载下坡时的动力势能转换为电能储存到电池中，节约30%能源。
2.1 纯电动无人矿卡
矿山开采环境复杂，从业人员存在一定的人身安全隐患。矿山运输人力成本也是矿山总成本的重要组成部分。采用纯电动无人矿卡代替传统矿卡，不仅可以从根本上解决矿山从业人员的安全问题，还可以降低人力成本及因不良人工驾驶习惯导致的额外损耗成本。
无人矿卡在无驾驶员介入的情况下，借助于高精度的车身传感器，对车辆周边环境进行感知，根据传感器搜集到的数据进行数据融合，获取环境信息，从而规划下一步车辆的运动决策，然后由控制模块完成相应的车身控制，进而完成驾驶任务。
2.2 纯电动远程遥控挖掘机
远程遥控纯电动挖掘机与性能与柴油发动机相当，瞬间扭矩、工地作业噪音、运营成本、维护成本低、环保零排放。配备高精度定位系统、电控驱动系统和各种传感器等装备，具有环境感知和决策控制能力。可降低运营成本：每年车辆、燃料和维护成本可节省多达90％。
2.3智能充电桩
智能充电桩采用基于SAAS平台的充电云多用户管理平台，具备设备属性识别功能，可利用车辆VIN自动识别技术实现“即插即充，拔枪结算”的便捷操作和自动支付功能。
充电系统模块化设计，一套充电系统设备可满足多辆车充电使用，采用模块化结构，可根据停车场规模配置。系统采用群管群控主动防护、柔性充电等技术，可有效提高充电安全性，延长电池使用寿命。采用充电机一拖多枪技术和功率模块共享技术，实现多车轮充和多车群充。
2.4智能换电站
为最大程度提高能源综合利用效率、提高清洁能源使用比例，同时适配矿区气候条件和运输工况，推出矿卡换电站解决方案，支持所有换电标准的换电矿卡使用换电服务，为客户提供高效成熟的定制化矿区清洁能源补给方案：匹配矿卡能源需求：创新多车道设计，同时配备大容量电池；适应各种运营环境：运用先进的保温抗寒技术，采用保温+升温+循环三重措施，最低可在-35°工作；拥有出色的抗风抗震性能，具备12级抗风能力；一键扫码自动换电：自带超大吨位顶部吊装换电装置，手机端即可扫码换电，让换电矿卡快速满电出发，在保障安全的同时进一步提升设备运营效率。
3. 智慧化矿山建设
智慧矿山实施计划通过对资源和生产的实时管理、设备自动化和生产维护自动化三个领域的应用，通过大数据技术的加持，极大地提高矿区各个设备之间的协同作业能力，有效降低设备能源消耗，助力零碳矿山建设。
3.1 生产信息化平台
生产信息化平台能对矿山生产、安全环保以及后勤保障等方面进行迅速、灵活、正确的感知和处理。该平台的主要模块有：基础数据管理、智能调度管理、生产过程监控、系统安全管理等。根据生产设备、计划情况通过智能调度算法自动完成最优的车辆调度匹配；结合实景三维模型模拟矿区整个作业过程情况，全流程监控的生产过程、设备运行状况；监控车辆实时位置、工作状态；将各系统设备层的数据统一至矿山“一体化数据中心”，实现所有生产数据和生产流程统一标准。有效的解决数据融合，并能按照要求对数据进行分析处理，展现给各级管理者。
生产监控子系统可完成矿区所有生产相关数据的统一监控和管理，矿区涉及的审批事项通过生产监控子系统进行线上审批和留档记录，实现无纸化办公和矿区从穿、爆、铲、运等生产环节透明化、可视化、数据化、科学化的管理。实时监控矿区生产的运行情况（卡车、破碎站、开采区域、挖机、人员等），完善的数据大屏实时汇总矿区生产数据，便于管理人员及时调整人员和车辆的安排。智能调度系统综合运用现代先进手段，实现露天矿生产过程中设备的优化调度与实时监控，提高设备运行效率，降低燃油及车辆部件损耗，提升矿山管理水平和经济效益。设备管理子系统是数字化矿山建设的重要组成部分，完成对矿区智能生产设备信息的维护以及对设备的运作状态的监控管理。实时反映矿区各种智能装备数量以及其工作状态，便于及时根据设备情况对生产调度计划做出调整，及时发现潜在的故障和安全隐患。矿区管理子系统主要完成矿区下的部门、员工等信息的管理维护并结合GPS、电子围栏技术对矿区进行区域划分，根据实际开采情况实时对矿区下的分区进行调整，为矿区能够有条不紊的进行生产作业提供基础数据支撑。系统安全管理是生产信息化平台的基础保障模块，要求所有访问信息化平台的用户均应经过系统安全模块的校验和认证和授权。授权管理系统与统一认证相结合，为信息化系统提供方便、简单的、可靠的授权服务，保护系统资源不被非法或越权访问，防止信息泄漏。
3.2 数字化采矿系统
数字化采矿系统是建立在数字化、信息化、虚拟化和集成化基础上进行管控一体化，同时综合生产、经营、管理、环境、资源、安全与效益等各种因素，使企业在实施绿色采矿的条件下实现整体协调优化，以增强矿山企业在市场中的竞争能力和适应能力。
3.2.1 三维地质建模
对矿山不同阶段的勘探数据进行数字化处理和科学高效的分析，进行三维块体模型的建立。建成后的块体模型，可以实现三维环境下的快速筛查，对各种块体进行条件限定并可视化，对矿山资源完全掌控，完全模拟矿山中地质真实情况，实现三维平台对钻孔、勘探、测量、设计等数据进行过滤和集成。
3.2.2 三维实景建模
对整个矿区全貌进行三维实景建模首先需解决矿山地形复杂、手工建模困难、地形变化迅速等难点，采用无人机倾斜摄影对矿区进行三维实景建模。倾斜摄影采用在无人机上搭载镜头设备从垂直、倾斜等多角度采集影像数据、获取整个矿区完整准确的纹理信息和定位信息，倾斜摄影的优势在于能够获取高分辨率、丰富的地物纹理信息，高效率、自动化、逼真、大范围的模型输出，能适应矿山快速变化的地形这一特点。
3.2.3 开采计划
依托三维地质模型，编制长期、中期、短期计划，并从前瞻性、精准性两个维度提高计划编制效率和可执行性。矿山开采计划应按照全服务周期进行细化，按照战略规划，中长期计划，短期排程的顺序，逐级缩短规划时间跨度，并完善规划方案。
3.2.4 爆破设计
具有布孔设计的功能，实现在三维环境下，在矿山地表现状模型上布设生产爆破炮孔。依据不同的爆破参数便捷、快速、准确的完成矿山爆破布孔设计工作。
矿山采矿技术员现场布孔并测孔后，将炮孔位置信息上传至系统，系统可自动生成炮孔图，设置爆破参数后，按照爆破设计书模板自动生成爆破设计。按照相关参数，显示装药和填塞结果，同时按照要求形成炸药用量报告。可按照爆破方式和导爆雷管延迟时间进行联网爆破模拟并实现矿山生产爆破设计报告输出。
3.2.5 配矿计划
在露天矿开采现状和采剥计划的基础上，通过地质钻孔信息、炮孔岩粉化验数据、爆堆样化验数据对地质品位进行精确补充，根据地质统计学估算出爆堆品位空间分布，按照设定的产量和品位约束条件，在爆堆之间进行优化计算出最优的矿石搭配方案，得到爆堆方案数据，为露天矿生产优化调度提供科学依据和数据保障。
3.3 采场综合安环管理系统
采场综合安防管理系统依托最新计算机技术、物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能、VR&AR等技术相结合，为矿山现场管理提供先进技术手段，构建矿山现场智能监控和控制体系，变被动监管为主动监管。为有效防范和遏制矿山生产安全事故，进行现代化、数字化的安全监管已经成为矿业公认的重点。全场景视频监控系统是对全矿区所有视频进行统一汇聚管理、作业场景可视化及生产过程监督监管，实现矿区内全员无盲区监控、预警，消除不安全行为。针对特定场所和重点岗位，实施全过程、全场景智能视频监管，结合多种智能识别技术，实时获取各作业场所及人员的视频画面，为日常的生产管理、安全管理提供可靠保障。结合矿山实际环境，合理选择视界开阔，无遮挡的监控点位，部署环境监测设备，通过4G/5G网络与调度中心相连接，将监测数据传输到服务器并在数据大屏展示，并通过大数据分析技术，动态的完成近期各指标的变化趋势。在矿区的日常巡检可引入无人机将大大提高工作效率和质量。
四、 零碳矿山建设意义
建设零碳矿山，提升可再生能源开发消纳水平和非化石能源消费比重的必然选择，是对于促进能源转型和经济社会发展具有重要意义，更是积极探索其实施路径。推动矿山节能减排，助力国家“碳达峰”、“碳中和”目标达成。
作者1简介：乔峥（1974年11月出生）、男、籍贯（浙江省长兴县）、现任湖州南方矿业有限公司副总经理职务、大学本科、研究方向（企业经营管理，绿色矿山建设与管理）。
作者2简介：邢雪珂（1995年11月出生）、女、籍贯（河南省洛阳市）、现任河南跃薪时代新能源科技有限公司解决方案工程师职务、助理工程师职称、大学本科、研究方向（绿色矿山建设与管理，数字化矿山建设与发展，零碳矿山建设。）。