數(shù)字信息化及自動化智能采礦技術(shù)在地下礦山的應(yīng)用與發(fā)展*

楊清平，蔣先堯，陳順滿

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 北京 100083； 2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

數(shù)字信息化及自動化智能采礦技術(shù)在地下礦山的應(yīng)用與發(fā)展*

楊清平1，蔣先堯1，陳順滿2

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 北京 100083； 2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

數(shù)字信息化、自動化智能采礦是現(xiàn)代礦山的發(fā)展方向，不僅能提高礦山生產(chǎn)整體管理水平，而且能提高礦山綜合效益。礦業(yè)發(fā)達國家礦山的數(shù)字信息化及自動化智能采礦技術(shù)發(fā)展已日益完善。介紹了國外幾個典型礦山應(yīng)用實踐，闡述了地下礦山數(shù)字信息化、自動化智能采礦的關(guān)鍵技術(shù)，并對礦山數(shù)字信息化、自動化智能采礦提出了幾點建議，可為礦山數(shù)字化，信息化同，智能化建設(shè)提供參考。

數(shù)字信息化；自動化；智能采礦；地下礦山

0 引 言

數(shù)字信息化、自動化、智能化作為新興技術(shù)極大地促進了各行各業(yè)的發(fā)展，礦業(yè)技術(shù)發(fā)達國家許多礦山已經(jīng)實現(xiàn)了礦山數(shù)字化、信息化和自動化智能采礦，極大地提高了礦山的生產(chǎn)管理水平，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。數(shù)字信息化、自動化智能采礦技術(shù)促使礦山生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)得以高效運行，是現(xiàn)代礦山的追求目標和發(fā)展方向。芬蘭的Pyhaslami 礦、瑞典的Kiruna 鐵礦以及加拿大的Kidd Creek礦等先進礦山都率先做出了表率，通過自動化、智能化和無人化采礦，在千米深井條件下實現(xiàn)了很高的勞動效率、安全指標與技術(shù)經(jīng)濟指標。一些深井礦山，炸藥、油料等均已做到通過管道直接下放到井下，同時先進的通訊系統(tǒng)也做到了對設(shè)備的遠程遙控，減少上下班交接班時間，提高設(shè)備有效工作時間，從而實現(xiàn)高效。其它的通風(fēng)、排水、提升等系統(tǒng)更是實現(xiàn)了地面遠程控制，既高效，又可節(jié)省人力成本。

近幾年，我國在礦山數(shù)字信息化建設(shè)方面也取得一定成果，首鋼杏山鐵礦通過礦山信息化建設(shè)，實現(xiàn)了有軌無人駕駛電機車運輸、井下人員、設(shè)備定位、井下語音通信及井下通風(fēng)、排水、配電等固定設(shè)備設(shè)施無人值守等生產(chǎn)調(diào)度自動控制管理系統(tǒng)。但同國外先進礦山相比還遠遠不足，尤其是自動化智能采礦技術(shù)差距更大。

1 國外礦山信息化及自動化智能采礦技術(shù)

1.1 Pyhǎsalmi Mine信息化及自動化采礦技術(shù)

1.1.1 自動化出礦技術(shù)

Pyhǎsalmi Mine是礦山自動化的倡導(dǎo)者和實踐者，與山特維克公司合作獲得了最先進的技術(shù)。自動化出礦技術(shù)既降低了礦山采礦安全風(fēng)險，又節(jié)省了人員頻繁上下設(shè)備的時間。

Pyhǎsalmi Mine現(xiàn)裝備有6臺鏟運機， 其中LH621型4臺、TORO11型1臺和LH517型1臺，并裝備有3套AutoMine Loading-Lite單臺鏟運機自動化系統(tǒng)，三套系統(tǒng)可控制4臺LH621型鏟運機及1臺TORO11型鏟運機，鏟運機從采場到溜井平均運距250 m。

自動化鏟運機系統(tǒng)包括以下主要系統(tǒng)：門禁控制系統(tǒng) (ACS)； 操作站；MineLAN通訊網(wǎng)絡(luò)；自動化鏟運機。

門禁控制系統(tǒng) (ACS)用于控制人員和設(shè)備進入自動化運行區(qū)域的屏障。光柵門禁系統(tǒng)確保外界因素打破該系統(tǒng)后鏟運機能自動停止工作。該系統(tǒng)靈活性大，可以根據(jù)生產(chǎn)需要很快地挪位和安裝。

操作站用于操作人員控制系統(tǒng)及查看用戶地圖界面，設(shè)置于移動面包車內(nèi)，在采場外進行操作控制。

MineLAN通訊網(wǎng)絡(luò)為AutoMine Loading -Lite 子系統(tǒng)與自動化鏟運機間提供無線網(wǎng)絡(luò)連接。AutoMine Loading-Lite有兩個液晶顯示面板，一個面板顯示鏟運機的工作環(huán)境情況、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、運行速度和油料情況、鏟斗和大臂的情況、鏟斗相對于巷道底板的情況、鏟運機橫向和縱向的傾角并據(jù)此來判斷鏟運機的工作穩(wěn)定性。可以設(shè)置工作穩(wěn)定性的最小值，當其低于該值時意味著鏟運機可能有發(fā)生傾覆的危險，鏟運機將自動停止運行。另一面板顯示鏟運機在整個開拓系統(tǒng)中所處的位置。

自動化鏟運機配有InfraFREE導(dǎo)航系統(tǒng)及視頻系統(tǒng)，同時還包含MineLAN礦山局域網(wǎng)通訊模塊移動終端和ACS門禁模塊。自動化鏟運機的運行路徑和速度的獲取，首先需要通過人員駕駛沿該路徑行駛一次，鏟運機會自動掃描并存儲該路徑。然后只要選擇該路徑，鏟運機就會根據(jù)此記錄的路徑和速度來運行，而對于每段的行駛速度后續(xù)是可以手動更改的。每臺自動化鏟運機每年出礦量可達30萬t，整個礦山產(chǎn)量較使用自動化鏟運機前的80萬t提高到140萬t以上，全員勞動生產(chǎn)率20 t/人天左右。

1.1.2 自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。

Pyhǎsalmi Mine自動化生產(chǎn)系統(tǒng)包括自動化提升系統(tǒng)和自動化輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。

自動化提升系統(tǒng)由ABB公司制造，該系統(tǒng)同時控制礦山的箕斗、平衡錘及罐籠的運行。Pyhǎsalmi Mine主井直徑為5 m，使用直徑為4.5 m的四繩摩擦式提升機，電機為2500 kW的直流拖動同步電機,直接轉(zhuǎn)矩控制。罐籠可乘坐20人，運行速度為12 m/s，箕斗運行速度為15.5 m/s，每小時提升能力為279 t。當滿載的箕斗達到井口卸載平臺后將21.5 t礦石卸載到地表礦倉，地表礦倉可存儲5 d的出礦量。

自動化生產(chǎn)輔助系統(tǒng)包括通風(fēng)、排水、破碎、轉(zhuǎn)運、消防等系統(tǒng)，系統(tǒng)集成度高，采用統(tǒng)一界面，在地表或井下均可以進行監(jiān)控操作。兩條主網(wǎng)絡(luò)與30 個PLC 相連，其中一條主網(wǎng)絡(luò)負責排水、消防、提升等系統(tǒng)；另一條主網(wǎng)絡(luò)負責通風(fēng)等其它系統(tǒng)?？傁到y(tǒng)中設(shè)置了通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷報警系統(tǒng)，對各子系統(tǒng)中PLC 和通信路線狀況實時監(jiān)控。同時建立了井下排水狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對水泵輸入端、自由端、電機輸出端、自由端軸承振動大小、溫度進行實時在線監(jiān)測。

1.1.3 生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

Pyhǎsalmi Mine生產(chǎn)管理系統(tǒng)包含生產(chǎn)管理中各方面的重要數(shù)據(jù)資源，通過系統(tǒng)可實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度與安排。生產(chǎn)管理系統(tǒng)中最重要的是生產(chǎn)計劃管理。

Pyhǎsalmi Mine生產(chǎn)計劃的編制分為幾個階段，首先使用Surpac 軟件建立礦體模型和礦塊模型，然后建立采場模型并將其導(dǎo)入KATTI 采場數(shù)據(jù)庫，探礦鉆孔也同樣建模，最后將所有的數(shù)據(jù)整理成電子表，并編制礦山18 個月的生產(chǎn)滾動計劃。每個月根據(jù)生產(chǎn)實際情況對滾動計劃進行調(diào)整，每個采場在投產(chǎn)前對其模型進行重新修改，及時更新相關(guān)數(shù)據(jù)，最后根據(jù)最新的礦塊模型、金屬價格、生產(chǎn)成本和選冶成本等核計每個采場的經(jīng)濟價值，再決定具體采場的出礦量等。

采場回采結(jié)束后，采用Optech 激光掃描儀掃描采場采空區(qū)形態(tài)，單個采場空區(qū)掃描需半小時，最多可獲得53000 個三維測點坐標，井下掃描最大范圍可達200 m，然后將其導(dǎo)入軟件建立空區(qū)模型，一方面為采空區(qū)充填設(shè)計提供依據(jù)；另一方面為二步驟回采采場扇形中深孔設(shè)計提供依據(jù)。

1.2 南非Finsch mine卡車自動化出礦技術(shù)

Finsch mine年生產(chǎn)能力350萬t。卡車自動化系統(tǒng)于2005年下半年開始試生產(chǎn)，2006年12月正式投入生產(chǎn)，是全球第一家實現(xiàn)自動化出礦的礦山。Finsch mine現(xiàn)有13臺6 m3以上鏟運機和8臺50 t卡車，設(shè)備維修保養(yǎng)由山特維克公司承擔。根據(jù)礦山建設(shè)自動化出礦的要求，F(xiàn)insch mine礦所有路面均鋪設(shè)有混凝土，且為了保證卡車與運輸水平之間的較好銜接，提高卡車的工作效率，鏟運機的卸載水平比卡車的運輸水平高3 m。

通過對現(xiàn)場礦卡自動化出礦技術(shù)進行對比分析，其應(yīng)用效果較為顯著，表1為礦卡自動化技術(shù)實施效果，設(shè)備的行駛速度快，縮短了循環(huán)時間，輪胎消耗、燃油消耗、卡車數(shù)量和操作人員均大大減少，維護成本降低，主要部件壽命、設(shè)備開機率、使用率和設(shè)備經(jīng)濟壽命均得到顯著提高；在安全方面，設(shè)置了門禁系統(tǒng)等，可顯著降低安全風(fēng)險，保證自動化生產(chǎn)過程中的安全。

表1 礦卡自動化技術(shù)實施效果

1.3 加拿大Kidd Creek礦自動化采礦技術(shù)

加拿大的Kidd Creek礦，年設(shè)計的生產(chǎn)能力為230萬t?，F(xiàn)裝備4套Sandvik公司的單臺鏟運機自動化系統(tǒng)，控制4臺LH514型鏟運機，操作站位于地表中央控制室。單臺鏟運機自動化可以實現(xiàn)自動行駛、自動卸礦及遠程遙控鏟裝。由于該礦井深達3000 m，地表距離井下距離較大，設(shè)備和人員從地表到井下的消耗時間較長，每天可達到的有效工作時間為12 h，當采用自動化采礦技術(shù)后，每天的有效工作時間可延長至15 h，而礦山的生產(chǎn)能力可提高50%。

Kidd Creek礦雖已領(lǐng)略到自動化鏟運機的優(yōu)越性，但是使用過程依然存在不少問題，主要原因在于自動化系統(tǒng)是在原有系統(tǒng)上添加的，往往因為人員設(shè)備進入自動化門禁區(qū)而導(dǎo)致系統(tǒng)自動停機，影響設(shè)備效率。目前設(shè)備的平均運行時間在13 h/d左右，每斗鏟裝10 t左右，臺班產(chǎn)量1000 t/臺班，尚未發(fā)揮設(shè)備的最大效能。

而且，Kidd Creek礦井下的通風(fēng)、排水、壓氣、污水處理、油料下放等均實現(xiàn)了遠程自動化控制，其中油料輸送系統(tǒng)由供貨商Shell公司設(shè)計，井下油料庫集中供料，在調(diào)度室可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

Kidd Creek礦礦山局域網(wǎng)系統(tǒng)提供在自動化鏟運機和門禁系統(tǒng)之間的通訊，網(wǎng)絡(luò)范圍涵蓋自動化作業(yè)區(qū)域和操作站內(nèi)的設(shè)備。

2 信息化及自動化智能采礦的關(guān)鍵技術(shù)

礦山信息化及自動化智能采礦主要包括智能開采綜合信息平臺建設(shè)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和各職能部門的信息化管理三方面內(nèi)容。圖1為自動化智能采礦理論框架圖。

圖1 自動化智能采礦的理論框架圖

2.1 智能開采綜合信息平臺建設(shè)

智能開采綜合信息平臺建設(shè)就是搭建信息化自動化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，建立更加精確、細致的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)地質(zhì)解譯的全面數(shù)字化。同時，構(gòu)建隨生產(chǎn)進行而動態(tài)更新的精細化礦體三維模型，采用三維激光掃描等技術(shù)手段獲得詳細的生產(chǎn)過程空間數(shù)據(jù)，將礦山已建的各類異構(gòu)信息化系統(tǒng)進行整合和信息集成，統(tǒng)一管理，打造智能開采調(diào)度與控制平臺，即生產(chǎn)調(diào)度控制中心，對井下人員、設(shè)備等生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)進行遠程控制和在線監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)計算機優(yōu)化分析設(shè)計和工藝仿真。

2.2 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

目前采用信息化、自動化和智能化的礦山較多，特別是在芬蘭、美國和智力等國家，因此，礦山生產(chǎn)管理系統(tǒng)可借鑒國內(nèi)外知名的采礦生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)人員、設(shè)備、生產(chǎn)、安全、質(zhì)量等的管理，對生產(chǎn)過程中的設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)過程等進行監(jiān)控。生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要可通過兩個方面來實現(xiàn)對礦山的管理，一方面，根據(jù)搜集到的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對礦山的生產(chǎn)計劃進行系統(tǒng)的管理，將礦山生產(chǎn)計劃分為年計劃、月計劃和周計劃等，該管理系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場情況進行實時調(diào)整；另一方面，該生產(chǎn)管理系統(tǒng)可將采集的各類數(shù)據(jù)自動傳送到生產(chǎn)調(diào)度中心。

同時，通過對井下生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施包括自動化采礦設(shè)備進行集成化管控，打造統(tǒng)一的設(shè)備虛擬管控系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備姿態(tài)實時仿真，完成設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的自動采集、自動傳輸及遠程監(jiān)測，實現(xiàn)礦山井下溜破系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、皮帶運輸系統(tǒng)無人值守、變電所遠程監(jiān)控系統(tǒng)自動化、通風(fēng)機遠程在線監(jiān)測與優(yōu)化、豎井提升自動化、礦山充填自動化、井下有軌(無軌)車輛集中調(diào)度控制、智能化裝藥、鏟運機出礦自動化、礦用三維激光掃描機器人應(yīng)用以及人員設(shè)備定位等的數(shù)字化、自動化、智能化管理。

2.3 各職能部門的信息化管理

由于管理模式變化，各職能部門比如生產(chǎn)計劃、技術(shù)、機電設(shè)備、備品備件、勞資以及決策支持等系統(tǒng)原有的管理制度、崗位職責已不適應(yīng)信息化管理新的要求，需要實時對原有管理制度、崗位職責按照信息化管理特別要求進行修訂和完善，并進行系統(tǒng)培訓(xùn)，才能實現(xiàn)各職能部門信息化、智能化管理發(fā)揮最大效能。

3 對信息化及自動化智能采礦的幾點看法

(1) 開展礦山智能化、信息化和自動化相關(guān)標準體系研究。為了實現(xiàn)地下礦山的信息化、自動化和智能化，需對對生產(chǎn)過程中的相關(guān)標準體系進行研究。信息化、自動化和智能化采礦是一個系統(tǒng)工程，需要將自動化、信息化、智能化的設(shè)備及其管理系統(tǒng)與礦山的開采技術(shù)條件結(jié)合起來，研究智能化采礦的關(guān)鍵技術(shù)，形成地下礦山信息化、自動化和智能化開采的通用標準體系。

(2) 促進礦山智能化、信息化和自動化系統(tǒng)的提升。為了建立良好的智能化、自動化和信息化系統(tǒng)，不僅需要大型的設(shè)備，更為重要的是需要信息融合建立，建立井下專用的工業(yè)通信系統(tǒng)，將各系統(tǒng)進行連接起來，確保礦山在生產(chǎn)過程中，能實時通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對智能化、自動化和信息化系統(tǒng)進行調(diào)控，將數(shù)據(jù)進行實時分析和傳遞。而礦山井下環(huán)境較復(fù)雜，需根據(jù)礦山不同地點不同數(shù)據(jù)種類來確定不同的通訊網(wǎng)絡(luò)，將井下信息系統(tǒng)進行較好的融合。

(3) 完善礦山智能開采全過程安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，很多礦山的安全系統(tǒng)也逐漸完善，目前礦山六大系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用越來越廣，主要包括井下人員定位系統(tǒng)、礦山壓風(fēng)自救系統(tǒng)、井下緊急避險地下礦山安全避險系統(tǒng)、礦山監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、礦井供水施救系統(tǒng)和礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。但如何保證礦山六大系統(tǒng)的高效運行，如何發(fā)揮礦山六大系統(tǒng)的最大效能，需將多模塊、多網(wǎng)絡(luò)和多接口等進行融合起來，進一步完善礦山智能開采全過程安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，提高礦山六大系統(tǒng)的安全性、可靠性和兼容性。

(4) 建立礦山大型數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)的實時在線優(yōu)化。各大礦山在建立智能化、自動化的過程中，采用了強有力的信息融合技術(shù)，將現(xiàn)場開采的數(shù)據(jù)傳遞到計算機上，可通過建立的礦山智能開采調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)計劃系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)、成本控制系統(tǒng)等，將收集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)聯(lián)合起來，并傳遞到大型的數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)實時在線分析，對其整個系統(tǒng)進行實時優(yōu)化。同時，在生產(chǎn)過程中，通過建立的在線監(jiān)測系統(tǒng)等，對井下的大型設(shè)備和大型硐室等，例如變電所、水泵房、提升機和配電硐室等進行監(jiān)測，確保礦山在安全的狀態(tài)下進行最優(yōu)化生產(chǎn)。

(5) 加強礦山生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的自動化及建設(shè)。根據(jù)國內(nèi)外建立的智能化、自動化礦山經(jīng)驗，要建立高效的智能化和自動化礦山，不僅需建立高效的開采運輸系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)等，還需要建立良好的輔助系統(tǒng)，使其與智能化、信息化和自動化系統(tǒng)進行配套，涉及到的生產(chǎn)輔助系統(tǒng)主要包括：油料輸送系統(tǒng)、井下破碎系統(tǒng)、井下排水和通風(fēng)系統(tǒng)、井下逃逸系統(tǒng)和井下通訊系統(tǒng)等。

(6) 做好智能化、信息化和自動化人員培訓(xùn)。一個良好的智能化、自動化和信息化礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的建立，不僅需要有大型的自動化設(shè)備，與之配套的信息化和自動化系統(tǒng)等，還離不開礦山技術(shù)人員的支撐，這些智能化、自動化和信息化設(shè)備需技術(shù)人員來進行控制與操作，因此，需加強對技術(shù)人員的培訓(xùn)，使智能化、自動化、信息化系統(tǒng)和設(shè)備更好的服務(wù)于礦山的生產(chǎn)，為礦山創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益和安全效益。

4 小 結(jié)

本文對國內(nèi)外礦山的生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析，針對國內(nèi)礦山生產(chǎn)效率低、開采成本高、工作環(huán)境條件差等情況，結(jié)合國外一些智能化、自動化和信息化礦山應(yīng)用較為成功的實例，認為智能化、自動化和信息化礦山為未來采礦發(fā)展的主要研究方向。對芬蘭Pyhǎsalmi Mine自動化出礦技術(shù)、南非Finsch mine卡車自動化出礦技術(shù)和加拿大的Kidd Creek礦自動化采礦技術(shù)進行了重點分析，提出了建立智能化、自動化和信息化礦山的關(guān)鍵技術(shù)在于智能開采綜合信息平臺建設(shè)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和各職能部門的信息化管理。最后，針對國外的礦山應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)礦山的現(xiàn)狀，提出了建立智能化、自動化和信息化礦山的幾點建議，需引進國外智能化、自動化和信息化技術(shù)；制定礦山智能化生產(chǎn)標準體系、加強自動化和智能化設(shè)備的應(yīng)用；建立完善的智能化、自動化和信息化系統(tǒng)的建設(shè)；加強地下礦山的實時監(jiān)測等技術(shù)；建立礦山大型數(shù)據(jù)庫平臺，實時對井下生產(chǎn)情況分析；加強礦山技術(shù)人員的培訓(xùn)工作等。通過建立智能化、自動化和信息化系統(tǒng)，可大大提高礦山的生產(chǎn)效率，改善井下作業(yè)環(huán)境，減小礦山生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的核心競爭力，減小礦山安全生產(chǎn)風(fēng)險，勢必將成為未來礦山企業(yè)發(fā)展的重要方向。

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2017-08-04)

國家自然科學(xué)基金面上項目(51674012).