礦山智能化開采與智慧礦山建設技術

田小平

(金誠信礦山工程設計院有限公司， 北京 100070)

0 引言

長期以來，我國礦山的粗放式開采，不僅帶來較大的生產(chǎn)安全隱患，而且造成大量資源浪費，同時還給環(huán)境和生態(tài)帶來巨大壓力。隨著我國資源環(huán)保政策的逐漸收緊，礦業(yè)將被迫轉型升級，從而促進了智能化、數(shù)字化、大型化、環(huán)?；V山的蓬勃發(fā)展，礦山行業(yè)將很快進入智慧礦山建設和智能化開采的時代。

智慧礦山是基于信息物理融合系統(tǒng)的礦業(yè)生產(chǎn)革命，具有高度數(shù)字化、網(wǎng)絡化和機器自主為主的礦業(yè)革命屬性。礦山智能化開采的核心意義在于采用高新裝備和技術，提高生產(chǎn)率和工作面利用率，顯著改善安全性和事故預防能力，以較低開采成本和更高技術經(jīng)濟指標，解決礦山效率、安全、環(huán)保等經(jīng)營問題，提升企業(yè)整體的竟爭優(yōu)勢。

芬蘭、加拿大、瑞典等發(fā)達國家在智能采礦方面取得了長足的進步，如山特維克和阿特拉斯科普，不單研制出了具有自動化或智能化性能的采掘運輸設備，并且開發(fā)出諸如AotoMine、OptiMine和MineLan等多種智能采礦技術和設備的操作平臺，應用于礦山生產(chǎn)。如瑞典基律納鐵礦地下無人采礦，智利特尼恩特銅礦的自動采礦系統(tǒng)，力拓皮爾巴拉礦區(qū)15座礦山的遠程控制，加拿大無人駕駛采礦技術等成果。

我國在礦山智能化開采與智慧礦山建設方面經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，從零開始，取得了豐碩的成果，但也存在研發(fā)不足、國產(chǎn)設備落后、自主軟件單一、信息孤島嚴重等問題，與發(fā)達國家相比，我國在智能礦山建設方面仍有較大的發(fā)展空間。在這種情況下，為了促進我國礦山企業(yè)的科技實力，展開智能化開采和智能化建設技術的鉆研，逐步推行和完成礦山的智能化開采顯得尤為重要。

1 什么是礦山智能化開采

“礦山智能化開采”是通過對礦山的資源、材料、設備、人員、環(huán)境的數(shù)字化，使礦山一切信息實現(xiàn)自動采集、實時傳輸、標準化運算、全景可視化仿真和自動化操作，使礦山像智能機器一般自我分析和決策，在高度協(xié)調(diào)的系統(tǒng)中高效益運營，其核心意義是解決礦山生產(chǎn)中資源的最經(jīng)濟回收和低成本運營。

礦山實施智能化開采主要有5個方面的重大影響，一是順應和支持國家“兩化融合”發(fā)展戰(zhàn)略，推進礦業(yè)領域科技創(chuàng)新。二是從資源利用的經(jīng)濟模型中真正解決了回采率、貧化率、回收率和成本等礦業(yè)經(jīng)營的核心問題，取得在礦山領域的競爭優(yōu)勢。三是根本上解決塌方、冒落、突水、窒息、電傷、誤操作等在傳統(tǒng)經(jīng)營業(yè)態(tài)下無法完全避免的安全問題。四是減少礦山勞動定員，降低人工成本。五是員工遠離生產(chǎn)一線，通過遠程控制設備，完成礦山的采選冶工作，工作體驗和生活質量得到大幅改善和提高。

2 礦山智能化開采現(xiàn)狀及存在的問題

目前，芬蘭、加拿大、瑞典等大國在礦山技術領域具有一定的競爭優(yōu)勢，較早制定了“智能化礦山”和“無人化礦山”的發(fā)展規(guī)劃。1992年，芬蘭提出了智能礦山技術方案，建立了集礦山實時生產(chǎn)控制、資源實時管理、新機械應用和自動控制等技術于一體的智能礦山技術，并于1997年進一步提出智能礦山實施方案，建立智能礦山技術標準，促進了智能采礦技術向實體礦山的傾斜，大大提高了礦山的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。瑞典也制定了向礦山自動化進軍的“Grountecknik 2000”戰(zhàn)略計劃，全球最大的地下礦山基律納鐵礦主要生產(chǎn)中段已全面實現(xiàn)了無人采礦。智利特尼恩特銅礦的自動采礦系統(tǒng)，一人控制多臺鏟運機和卡車，運行狀態(tài)及生產(chǎn)監(jiān)控、交通控制、導航系統(tǒng)無需基礎設施，適用性強。力拓皮爾巴拉礦區(qū)的15座礦山的采掘設備自動運行，而其控制中心在1 000多公里外的珀斯。加拿大多礦山聯(lián)動無人化開采技術地位國際領先，并由此外延出新的技術產(chǎn)業(yè)。美國井下自動定位導航技術的研究成果已實現(xiàn)商業(yè)化。

2016年，中國頒布《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016—2020年)》規(guī)劃，大力推進互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)的科技創(chuàng)新，加快建設智慧礦山，促進礦山管理模式變革。近幾年來，我國各類礦山安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，如井下人員定位、遠程監(jiān)控、無人運輸、排水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)，人力資源、財務、物資、項目管理等辦公自動化系統(tǒng)逐步在礦山企業(yè)得到了應用。

因為礦山資源稟賦和開采條件的多樣性和復雜性，開采理念、技術和管理水平的不均衡，給無人化開采帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，還需突破一系列的關鍵技術和裝備。這種將礦山現(xiàn)有生產(chǎn)模式轉型為網(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)化、集成化、智能化的“智能化開采”模式已被世界絕大多數(shù)企業(yè)重視并采用。

我國在“礦山智能化開采”建設中起步較晚，從無到有，成果豐碩，但也存在許多尚待突破的難題。首先，國產(chǎn)礦山設備自動化及信息化程度低，難以滿足智能開采要求。二是系統(tǒng)規(guī)劃不足，科研力量分散，無法形成合力。三是科研人才和自主知識產(chǎn)權短缺，無法形成相對兼容的智能開采軟件平臺。四是礦山管理模式陳舊，缺乏部門協(xié)調(diào)，信息資源難于共享。五是脫離礦山實際，盲目追求“智能化開采”等。

3 礦山智能化開采的組織保證

“礦山智能化開采”是個全新的商業(yè)經(jīng)營理念，企業(yè)領導思維模式和領導方式的轉變，對該項目的實施有著非常決定的作用。礦山智能化開采”的核心意義是解決礦山生產(chǎn)中資源的最經(jīng)濟回收和礦山低成本運營，真正目的是解決了回采率、貧化率、回收率、安全、環(huán)保和成本等礦業(yè)經(jīng)營問題，所以智能化開采的規(guī)劃和實施最好由礦山企業(yè)和設計單位組成的團隊牽頭負責，基建、設備、信息、科研中心等單位輔助，吸取其它企業(yè)在這方面的經(jīng)驗和教訓，以最經(jīng)濟的投入來解決生產(chǎn)中的實際問題，確保項目實施不走偏。

4 礦山智能化開采關鍵技術

筆者所在公司的科技創(chuàng)新和礦山智能設備制造2大板塊，近年來一直專注于智能化開采和智慧礦山建設技術的研發(fā)、應用和推廣，逐步形成貫穿礦山整個生命周期的數(shù)字化、信息化、智能化服務產(chǎn)品體系，開發(fā)出礦山數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、礦山安全生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)、礦山三維協(xié)同管理系統(tǒng)及試驗應用案例等。

4.1 數(shù)據(jù)采集、建模和分析系統(tǒng)

利用三維激光測量、監(jiān)測雷達、微震監(jiān)測、傾斜攝影等技術手段，對地質、采礦、測量等數(shù)據(jù)集成管理，建立各生產(chǎn)和管理系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)庫，通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、研究、共享和協(xié)同，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)對產(chǎn)能調(diào)控、結構優(yōu)化的技術支持，為礦山生產(chǎn)、安全決策提供技術和數(shù)據(jù)支撐。

圖1 礦山數(shù)據(jù)模型

4.2 安全管控系統(tǒng)

因為礦山資源稟賦和生產(chǎn)條件的多變和復雜，企業(yè)各系統(tǒng)之間信息共享、協(xié)同配合對于礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。將設計優(yōu)化、施工管理、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)放礦、膠帶運輸、電機車卸礦、箕斗裝卸、豎井提升、設備檢修維護、能耗監(jiān)控、設備人員定位、無人駕駛、機車調(diào)度、智能通風排水、無人選廠、大型設備和尾礦庫遠程監(jiān)控、危險源預測預警、充填自動化等系統(tǒng)有效融合，并不斷完善，形成高度集成的一體化系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)信息實時共享，協(xié)同管理。

安全生產(chǎn)智能管理與控制系統(tǒng)是以生產(chǎn)和安全測試數(shù)據(jù)為基礎，以礦山資源模型、井巷工程和礦山環(huán)境三維模型為基礎，通過對礦山設備和安全監(jiān)測裝置的姿態(tài)、工況、過程和屬性的仿真、計算和三維再現(xiàn)，實時更新資源模型、動態(tài)估算、方案優(yōu)化、采礦設計、調(diào)整計劃和品位控制等產(chǎn)品和技術，實現(xiàn)對礦山從設計到生產(chǎn)的實時監(jiān)控與調(diào)度。其構架(TMC系統(tǒng))包括嵌入式軟件系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)、數(shù)字采礦軟件系統(tǒng)、生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)和變配電自動化系統(tǒng)五個層次。

4.3 協(xié)作管理系統(tǒng)

礦山企業(yè)的生產(chǎn)和管理是地質、測量、采礦、機電、運輸、通風、排水、安全、監(jiān)控監(jiān)測及調(diào)度等多專業(yè)多部門協(xié)同配合、綜合處理的工作模式。各部門的生產(chǎn)信息不斷累積且被多系統(tǒng)共享，因此各系統(tǒng)均不能孤立存在，必須基于統(tǒng)一的網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)礦山企業(yè)各層面、各系統(tǒng)的聯(lián)動與協(xié)同配合，達到安全、高效生產(chǎn)的目的；充分利用云計算與大數(shù)據(jù)技術，優(yōu)化配置行業(yè)資源，通過數(shù)據(jù)引導礦山工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈延伸、延展，實現(xiàn)協(xié)同工作。

礦山的地質、測量、采礦、機電、運輸、通風、排水、安全、監(jiān)控監(jiān)測及調(diào)度等多專業(yè)多部門通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)協(xié)同工作，生產(chǎn)信息不斷累積且被多系統(tǒng)共享。充分利用云計算與大數(shù)據(jù)支撐，優(yōu)化行業(yè)資源，指導產(chǎn)能調(diào)控和產(chǎn)業(yè)鏈延伸延展，實現(xiàn)礦山企業(yè)間各層面、各系統(tǒng)的聯(lián)動與協(xié)同配合。

4.4 智能開采應用

智能開采技術目前在贊比亞謙比希銅礦(Chambishi)、康柯拉銅礦(Konkala)、魯班比銅礦(Lubambe)、剛果卡莫阿銅礦(Kamoa)、云南普朗銅礦、會澤鉛鋅礦、貴州開磷等多個項目應用，實現(xiàn)了工作面全部或關鍵設備的遠程控制，為全球有色、黑色和化工礦山設計、施工和管理智能開采技術的應用和推廣積累了豐富經(jīng)驗。

據(jù)統(tǒng)計，采掘工作面在進行智能化改造過程中，控制系統(tǒng)、操作平臺等成本僅占綜合機械化采礦設備的10%，但生產(chǎn)效率提高5%～30%，同時減少了工人數(shù)量、降低了人工勞動強度，節(jié)約了人工成本[1]，提高了采掘運效率，降低了生產(chǎn)成本。

5 結語

礦山智能化開采與智慧礦山建設的技術研究與實踐，給礦山企業(yè)轉型和升級提供了發(fā)展思路，礦山智能化開采模式以礦山安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展為目標，打造礦業(yè)高度網(wǎng)絡化、大數(shù)據(jù)化、協(xié)同工作、分布式服務是今后礦山工業(yè)的發(fā)展方向。