數(shù)字化智能管理系統(tǒng)在露天礦山的應(yīng)用

陳 勇，曹遠(yuǎn)見(jiàn)

（中國(guó)非金屬材料南京礦山工程有限公司，江蘇 南京 210000）

1 數(shù)字化礦山的意義

1）改變礦山的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式，在礦山設(shè)計(jì)、測(cè)量、開采、安全、應(yīng)急管理以及綠色化礦山建設(shè)等方面產(chǎn)生正面積極的引導(dǎo)作用，促進(jìn)本就稀缺的礦山資源合理有效的開采，防止出現(xiàn)礦產(chǎn)資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

2）數(shù)字化礦山為礦山開采技術(shù)的發(fā)展提供更強(qiáng)大的動(dòng)力。使礦山開采具有更高效、更豐富的管理手段、更多的信息獲取，從而提高礦山生產(chǎn)管理的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，提高資源優(yōu)化配置水平，促進(jìn)礦山的可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字化礦山為礦山管理者搭建了一個(gè)帶有準(zhǔn)確坐標(biāo)、時(shí)間節(jié)點(diǎn)和對(duì)象屬性的三維虛擬環(huán)境體系，在這個(gè)體系中進(jìn)行規(guī)劃、決策和管理，使管理者在處理礦山復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)能夠建立更強(qiáng)的立體感和全局觀念。

2 虎提山灰?guī)r礦背景介紹

1）本工程是棗莊創(chuàng)新山水水泥有限公司一條4 000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線和一條100萬(wàn)t/a水泥粉磨生產(chǎn)線的配套工程，礦山生產(chǎn)規(guī)模200萬(wàn)t/a。

2）本礦采用露天開采，自上而下、水平分臺(tái)階開采，礦山共劃分為6個(gè)開采水平，臺(tái)階高度15 m。依據(jù)礦山現(xiàn)狀，為盡快達(dá)產(chǎn)，在基建期內(nèi)對(duì)+110 m水平以上削頂，礦山主要開采工作面布置在+95 m、+80 m、+65 m和+50 m水平。根據(jù)礦體產(chǎn)狀要素及其空間展布狀態(tài)，礦山工作面前期采用縱向采剝方法，隨著工作面的推進(jìn)改為橫向采剝方法，工作面根據(jù)礦山實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)下頁(yè)圖1）。

采剝工藝：采用潛孔鉆機(jī)穿孔，多排孔孔內(nèi)毫秒延時(shí)逐孔爆破，挖掘機(jī)裝車，礦山專用自卸汽車將礦石自工作面運(yùn)至礦區(qū)西南側(cè)的破碎站，破碎后的礦石由皮帶輸送機(jī)運(yùn)至礦區(qū)西側(cè)0.95 km外的水泥生產(chǎn)線。

3）本礦礦石儲(chǔ)量規(guī)模大，Ⅰ級(jí)品礦石主要分布在KC01礦層中下部，礦石平均品位：w（CaO）為49.23%；w（MgO）為1.99%；w（K2O+Na2O）為0.43%，為一優(yōu)質(zhì)水泥用灰?guī)r礦床，礦石類型以鮞?；?guī)r和豹皮灰?guī)r為主；Ⅱ級(jí)品礦石主要分布在KC01礦層上部，礦石平均品位：w（CaO）為46.64%，w（MgO）為1.64%，w（K2O+Na2O）為0.76%，礦石類型以泥質(zhì)條帶灰?guī)r為主；經(jīng)企業(yè)前期水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，Ⅱ級(jí)品礦石不能單獨(dú)進(jìn)行水泥生產(chǎn)，必須和Ⅰ級(jí)品礦石搭配使用。

3 虎提山灰?guī)r礦開采中存在的問(wèn)題

1）礦山在被掛牌出讓前已被開采多年，在開采中采用機(jī)械鑿巖，深孔爆破，汽車運(yùn)輸，由于礦山以往未按照設(shè)計(jì)要求采用自上而下水平分臺(tái)階開采，致使目前礦區(qū)內(nèi)已形成了多個(gè)采坑。礦區(qū)內(nèi)的采坑主要分布在礦區(qū)北部、中部及東部，北部采坑主要分布在00勘查線以北，中部和東部采坑主要分布在00勘查線與IV勘查線之間，其中礦區(qū)北部和中部大部分已采至+50～58.7 m水平，部分采坑內(nèi)有積水；礦區(qū)東部已形成的平臺(tái)呈南北向，其標(biāo)高由西向東分別為+80 m、+95 m及+110 m水平，通往各工作面的運(yùn)輸?shù)缆酚傻V區(qū)南側(cè)進(jìn)入。

2）虎提山+95 m以上水平礦石質(zhì)量較差，含鈣量較低，且分布不均，此現(xiàn)象主要因該層巖石較為接近原始地表，風(fēng)化巖較多。

為解決此問(wèn)題，保持現(xiàn)有開采面不少于3個(gè)，同時(shí)供礦的裝車點(diǎn)不少于4個(gè)。高品位礦石與低品位礦石相結(jié)合，搭配供礦，使進(jìn)入破碎站的礦石平均質(zhì)量達(dá)到相應(yīng)要求。因?yàn)檠b車設(shè)備過(guò)多，不可避免的造成了現(xiàn)有裝車設(shè)備出現(xiàn)窩工狀態(tài)，設(shè)備利用率低。采用人工調(diào)整裝車位置，分配運(yùn)輸車輛，往往調(diào)整速度偏慢，因?yàn)榈V石質(zhì)量波動(dòng)較大，調(diào)整后仍有可能無(wú)法滿足礦石質(zhì)量要求。

4 虎提山灰?guī)r礦數(shù)字化礦山應(yīng)用進(jìn)程

4.1 數(shù)字化礦山建設(shè)目標(biāo)

本系統(tǒng)的實(shí)施將建立石灰石原料統(tǒng)一管控平臺(tái)，打通礦石開采、礦石運(yùn)輸、地磅數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)的信息壁壘，將勘探數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔鑿巖取樣化驗(yàn)室檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、皮帶運(yùn)輸機(jī)在線分析儀在線檢測(cè)數(shù)據(jù)、礦車信息、管理信息、智能算法等有機(jī)融合，打造“綠色礦山-智能調(diào)度-智能檢測(cè)控制—智能調(diào)配礦車等”一體化系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。該系統(tǒng)以現(xiàn)有礦山勘測(cè)數(shù)據(jù)、炮孔巖粉化驗(yàn)數(shù)據(jù)、在線分析儀系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)和調(diào)度管理辦法等為基礎(chǔ)，在保證質(zhì)量指標(biāo)的前提下，實(shí)時(shí)對(duì)不同品位的石灰石資源進(jìn)行優(yōu)化配置和精準(zhǔn)調(diào)配，并優(yōu)化調(diào)度規(guī)則實(shí)現(xiàn)礦車調(diào)度智能化，最大程度的利用低品位礦石，減少礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)，延長(zhǎng)礦山壽命、降低生產(chǎn)成本和提高管理水平。

圖1 露天礦鳥瞰圖

圖2 數(shù)字化礦山中控室

4.2 礦車定位與狀態(tài)識(shí)別

礦山配備12臺(tái)礦用自卸卡車、3臺(tái)挖機(jī)、1臺(tái)鏟車等設(shè)備，挖運(yùn)設(shè)備上安裝有車載信息接收裝置，系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)這些設(shè)備精準(zhǔn)定位、智能調(diào)度。系統(tǒng)自動(dòng)采集各車載終端定位，自動(dòng)識(shí)別出各礦車運(yùn)行狀態(tài)(如裝車、卸車、空運(yùn)等)，并將運(yùn)行位置、狀態(tài)等信息在礦區(qū)電子地圖上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，保證調(diào)度員及時(shí)掌握礦車運(yùn)行情況（見(jiàn)圖3）。

該系統(tǒng)對(duì)礦區(qū)不同平臺(tái)、不同礦石品位區(qū)域進(jìn)行電子圍欄設(shè)置，通過(guò)電子圍欄對(duì)礦區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，當(dāng)?shù)V車進(jìn)入非指定的電子圍欄時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警及時(shí)提醒司機(jī)校正路線，避免司機(jī)走錯(cuò)路線造成安全問(wèn)題。同時(shí)也會(huì)將報(bào)警信息通過(guò)微信或APP及時(shí)推送到安全員手機(jī)上。當(dāng)?shù)V山有爆破時(shí)，調(diào)度員及安全員通過(guò)中控室大屏或手機(jī)可以隨時(shí)監(jiān)控爆破區(qū)是否還存在車輛及人員。

4.3 智能配礦調(diào)度

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中礦車出勤計(jì)劃、在線檢測(cè)的礦石有用、有害組分，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定配礦參數(shù)進(jìn)行配礦算法計(jì)算，并根據(jù)車輛調(diào)度原則，結(jié)合礦車、地理位置等情況的變化適時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)度（見(jiàn)圖4）。

圖3 電子地圖礦車定位

圖4 車輛任務(wù)狀態(tài)界面

調(diào)度員可根據(jù)生產(chǎn)的需要對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。也可以進(jìn)行人為干預(yù)。該系統(tǒng)為整個(gè)智能化礦山運(yùn)行的核心系統(tǒng)，因?yàn)榈V石質(zhì)量波動(dòng)極大，系統(tǒng)算法要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，在各種突發(fā)狀況中摸索符合實(shí)際的邏輯運(yùn)算規(guī)則，為解決礦石的綜合利用提供最完美的手段。

4.4 車載終端功能

接收調(diào)度指令：系統(tǒng)對(duì)礦車的調(diào)度指令以文字消息的形式在車載終端上顯示；

卸車提示：為了達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的配礦，對(duì)卸車進(jìn)行干預(yù)，通過(guò)聲光報(bào)警方式通知司機(jī)按照順序卸載；

確認(rèn)操作：礦車司機(jī)可通過(guò)車載終端觸摸屏進(jìn)行接收指令確認(rèn)、車輛狀態(tài)（請(qǐng)求任務(wù)、卸車、下班等）報(bào)告等操作，相關(guān)信息實(shí)時(shí)上傳調(diào)度系統(tǒng)如下頁(yè)圖5所示。

圖5 車載終端日夜運(yùn)行模式對(duì)比圖

報(bào)警：當(dāng)?shù)V車在非指定的電子圍欄內(nèi)停留一定時(shí)間后，車載終端以醒目閃爍的文字形式進(jìn)行報(bào)警，通知司機(jī)按照正確的位置去裝車。

日夜模式：當(dāng)卡車進(jìn)入夜班狀態(tài)時(shí)，終端屏幕的亮度對(duì)司機(jī)產(chǎn)生一定的視覺(jué)干擾，此時(shí)司機(jī)可以切換到夜間模式。

4.5 道路粉塵監(jiān)測(cè)及氣象情況信息推送

將路面粉塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（PM2.5、PM10、TSP）集成到本系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，使管理人員及時(shí)通知灑水設(shè)備對(duì)路面、裝車點(diǎn)進(jìn)行灑水降塵，達(dá)到環(huán)保要求。

該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接氣象部門的公共開放接口，及時(shí)將獲取的氣象情況推送到調(diào)度員及安全員微信或手機(jī)APP上，隨時(shí)隨地的掌握氣象情況，盡可能的在崩塌、泥石流、滑坡、洪澇等災(zāi)害發(fā)生前采取必要的安全措施（見(jiàn)圖6）。

圖6 揚(yáng)塵檢測(cè)數(shù)據(jù)窗口

4.6 在線分析儀數(shù)據(jù)及派車的APP

可以通過(guò)手機(jī)APP隨時(shí)隨地查看石灰石元素在線分析儀數(shù)據(jù)，并根據(jù)在線分析儀結(jié)果進(jìn)行配礦干預(yù)、派車干預(yù)、卸車干預(yù)等（見(jiàn)圖7和圖8）。

圖7 在線分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線圖

圖8 派車APP操作界面圖

4.7 平臺(tái)儲(chǔ)量及平臺(tái)品位的自動(dòng)更新

本系統(tǒng)可以根據(jù)每天車輛的運(yùn)載量，及平臺(tái)的初始儲(chǔ)量，自動(dòng)更新現(xiàn)存儲(chǔ)量。當(dāng)現(xiàn)存儲(chǔ)量低于閾值時(shí)，會(huì)報(bào)警。平臺(tái)的品位由最近3車的在線分析儀數(shù)據(jù)的平均值為準(zhǔn)，對(duì)平臺(tái)品位進(jìn)行自動(dòng)更新（見(jiàn)圖9）。

4.8 自動(dòng)過(guò)磅系統(tǒng)

自2020年5月1日開始，礦山地磅升級(jí)為自動(dòng)過(guò)磅，依靠一整套成熟的自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別礦車，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)量（見(jiàn)圖10）。從而大大簡(jiǎn)化了過(guò)磅流程，提高了效率，節(jié)約了過(guò)磅時(shí)間，提高了運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

4.9 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

2020年6月1日，虎提山灰?guī)r礦山上架設(shè)了360o全景攝像頭，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將視頻信號(hào)直接傳回公司總部。通過(guò)手機(jī)APP也能實(shí)時(shí)掌控礦山生產(chǎn)情況（見(jiàn)圖11）。

圖9 自動(dòng)更新的平臺(tái)儲(chǔ)量窗口

圖10 自動(dòng)過(guò)磅感應(yīng)器

圖11 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

5 當(dāng)前數(shù)字化礦山存在的問(wèn)題

5.1 前期投資費(fèi)用較高

整個(gè)數(shù)字化礦山的重點(diǎn)核心設(shè)備為在線分析儀，其購(gòu)置一套的費(fèi)用在270萬(wàn)元以上，且兩年半需要更換一次放射性部件，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。

GPS終端設(shè)備、中央處理器和監(jiān)控顯示器一整套購(gòu)置費(fèi)用在30萬(wàn)元左右。處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件因各公司情況不一，價(jià)格相差懸殊，少則幾萬(wàn)多則幾十萬(wàn)元。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，科技成本將會(huì)不斷降低。

5.2 GPS終端信號(hào)接收問(wèn)題

因?yàn)榈V山環(huán)境比較復(fù)雜，且位于山東與江蘇交界處，導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備上的信號(hào)接收系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)法檢測(cè)到移動(dòng)設(shè)備的問(wèn)題。但這一問(wèn)題在國(guó)內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)不斷興起的潮流中，有望得到盡快解決。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合這一礦山案例，對(duì)于采礦業(yè)從業(yè)者來(lái)說(shuō)，要逐步走上科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、充分利用礦產(chǎn)資源、綠色化礦山、技術(shù)型人才得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化之路，數(shù)字化是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。面對(duì)這個(gè)趨勢(shì)，采礦人要與時(shí)俱進(jìn)，學(xué)以致用，充分發(fā)揮數(shù)字化礦山的優(yōu)勢(shì)，解決困擾我們實(shí)際生產(chǎn)中的各種頑疾，合理有效地用好每一份礦產(chǎn)資源。