田小平

(金誠(chéng)信礦山工程設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100070)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)礦山的粗放式開(kāi)采，不僅帶來(lái)較大的生產(chǎn)安全隱患，而且造成大量資源浪費(fèi)，同時(shí)還給環(huán)境和生態(tài)帶來(lái)巨大壓力。隨著我國(guó)資源環(huán)保政策的逐漸收緊，礦業(yè)將被迫轉(zhuǎn)型升級(jí)，從而促進(jìn)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(jìn)入智慧礦山建設(shè)和智能化開(kāi)采的時(shí)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(luò)化和機(jī)器自主為主的礦業(yè)革命屬性。礦山智能化開(kāi)采的核心意義在于采用高新裝備和技術(shù)，提高生產(chǎn)率和工作面利用率，顯著改善安全性和事故預(yù)防能力，以較低開(kāi)采成本和更高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，解決礦山效率、安全、環(huán)保等經(jīng)營(yíng)問(wèn)題，提升企業(yè)整體的竟?fàn)巸?yōu)勢(shì)。

芬蘭、加拿大、瑞典等發(fā)達(dá)國(guó)家在智能采礦方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，如山特維克和阿特拉斯科普，不單研制出了具有自動(dòng)化或智能化性能的采掘運(yùn)輸設(shè)備，并且開(kāi)發(fā)出諸如AotoMine、OptiMine和MineLan等多種智能采礦技術(shù)和設(shè)備的操作平臺(tái)，應(yīng)用于礦山生產(chǎn)。如瑞典基律納鐵礦地下無(wú)人采礦，智利特尼恩特銅礦的自動(dòng)采礦系統(tǒng)，力拓皮爾巴拉礦區(qū)15座礦山的遠(yuǎn)程控制，加拿大無(wú)人駕駛采礦技術(shù)等成果。

我國(guó)在礦山智能化開(kāi)采與智慧礦山建設(shè)方面經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，從零開(kāi)始，取得了豐碩的成果，但也存在研發(fā)不足、國(guó)產(chǎn)設(shè)備落后、自主軟件單一、信息孤島嚴(yán)重等問(wèn)題，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在智能礦山建設(shè)方面仍有較大的發(fā)展空間。在這種情況下，為了促進(jìn)我國(guó)礦山企業(yè)的科技實(shí)力，展開(kāi)智能化開(kāi)采和智能化建設(shè)技術(shù)的鉆研，逐步推行和完成礦山的智能化開(kāi)采顯得尤為重要。

1 什么是礦山智能化開(kāi)采

“礦山智能化開(kāi)采”是通過(guò)對(duì)礦山的資源、材料、設(shè)備、人員、環(huán)境的數(shù)字化，使礦山一切信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸、標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)算、全景可視化仿真和自動(dòng)化操作，使礦山像智能機(jī)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(yùn)營(yíng)，其核心意義是解決礦山生產(chǎn)中資源的最經(jīng)濟(jì)回收和低成本運(yùn)營(yíng)。

礦山實(shí)施智能化開(kāi)采主要有5個(gè)方面的重大影響，一是順應(yīng)和支持國(guó)家“兩化融合”發(fā)展戰(zhàn)略，推進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新。二是從資源利用的經(jīng)濟(jì)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(yíng)的核心問(wèn)題，取得在礦山領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(yíng)業(yè)態(tài)下無(wú)法完全避免的安全問(wèn)題。四是減少礦山勞動(dòng)定員，降低人工成本。五是員工遠(yuǎn)離生產(chǎn)一線，通過(guò)遠(yuǎn)程控制設(shè)備，完成礦山的采選冶工作，工作體驗(yàn)和生活質(zhì)量得到大幅改善和提高。

2 礦山智能化開(kāi)采現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

目前，芬蘭、加拿大、瑞典等大國(guó)在礦山技術(shù)領(lǐng)域具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，較早制定了“智能化礦山”和“無(wú)人化礦山”的發(fā)展規(guī)劃。1992年，芬蘭提出了智能礦山技術(shù)方案，建立了集礦山實(shí)時(shí)生產(chǎn)控制、資源實(shí)時(shí)管理、新機(jī)械應(yīng)用和自動(dòng)控制等技術(shù)于一體的智能礦山技術(shù)，并于1997年進(jìn)一步提出智能礦山實(shí)施方案，建立智能礦山技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了智能采礦技術(shù)向?qū)嶓w礦山的傾斜，大大提高了礦山的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。瑞典也制定了向礦山自動(dòng)化進(jìn)軍的“Grountecknik 2000”戰(zhàn)略計(jì)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(shí)現(xiàn)了無(wú)人采礦。智利特尼恩特銅礦的自動(dòng)采礦系統(tǒng)，一人控制多臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)和卡車(chē)，運(yùn)行狀態(tài)及生產(chǎn)監(jiān)控、交通控制、導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施，適用性強(qiáng)。力拓皮爾巴拉礦區(qū)的15座礦山的采掘設(shè)備自動(dòng)運(yùn)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(dòng)無(wú)人化開(kāi)采技術(shù)地位國(guó)際領(lǐng)先，并由此外延出新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)。美國(guó)井下自動(dòng)定位導(dǎo)航技術(shù)的研究成果已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2016年，中國(guó)頒布《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016—2020年)》規(guī)劃，大力推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)的科技創(chuàng)新，加快建設(shè)智慧礦山，促進(jìn)礦山管理模式變革。近幾年來(lái)，我國(guó)各類(lèi)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(yuǎn)程監(jiān)控、無(wú)人運(yùn)輸、排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，人力資源、財(cái)務(wù)、物資、項(xiàng)目管理等辦公自動(dòng)化系統(tǒng)逐步在礦山企業(yè)得到了應(yīng)用。

因?yàn)榈V山資源稟賦和開(kāi)采條件的多樣性和復(fù)雜性，開(kāi)采理念、技術(shù)和管理水平的不均衡，給無(wú)人化開(kāi)采帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，還需突破一系列的關(guān)鍵技術(shù)和裝備。這種將礦山現(xiàn)有生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型為網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化、集成化、智能化的“智能化開(kāi)采”模式已被世界絕大多數(shù)企業(yè)重視并采用。

我國(guó)在“礦山智能化開(kāi)采”建設(shè)中起步較晚，從無(wú)到有，成果豐碩，但也存在許多尚待突破的難題。首先，國(guó)產(chǎn)礦山設(shè)備自動(dòng)化及信息化程度低，難以滿(mǎn)足智能開(kāi)采要求。二是系統(tǒng)規(guī)劃不足，科研力量分散，無(wú)法形成合力。三是科研人才和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)短缺，無(wú)法形成相對(duì)兼容的智能開(kāi)采軟件平臺(tái)。四是礦山管理模式陳舊，缺乏部門(mén)協(xié)調(diào)，信息資源難于共享。五是脫離礦山實(shí)際，盲目追求“智能化開(kāi)采”等。

3 礦山智能化開(kāi)采的組織保證

“礦山智能化開(kāi)采”是個(gè)全新的商業(yè)經(jīng)營(yíng)理念，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)思維模式和領(lǐng)導(dǎo)方式的轉(zhuǎn)變，對(duì)該項(xiàng)目的實(shí)施有著非常決定的作用。礦山智能化開(kāi)采”的核心意義是解決礦山生產(chǎn)中資源的最經(jīng)濟(jì)回收和礦山低成本運(yùn)營(yíng)，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(yíng)問(wèn)題，所以智能化開(kāi)采的規(guī)劃和實(shí)施最好由礦山企業(yè)和設(shè)計(jì)單位組成的團(tuán)隊(duì)牽頭負(fù)責(zé)，基建、設(shè)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(yàn)和教訓(xùn)，以最經(jīng)濟(jì)的投入來(lái)解決生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，確保項(xiàng)目實(shí)施不走偏。

4 礦山智能化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)

筆者所在公司的科技創(chuàng)新和礦山智能設(shè)備制造2大板塊，近年來(lái)一直專(zhuān)注于智能化開(kāi)采和智慧礦山建設(shè)技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用和推廣，逐步形成貫穿礦山整個(gè)生命周期的數(shù)字化、信息化、智能化服務(wù)產(chǎn)品體系，開(kāi)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(yàn)應(yīng)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(cè)量、監(jiān)測(cè)雷達(dá)、微震監(jiān)測(cè)、傾斜攝影等技術(shù)手段，對(duì)地質(zhì)、采礦、測(cè)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(kù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、研究、共享和協(xié)同，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)能調(diào)控、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)支持，為礦山生產(chǎn)、安全決策提供技術(shù)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?yàn)榈V山資源稟賦和生產(chǎn)條件的多變和復(fù)雜，企業(yè)各系統(tǒng)之間信息共享、協(xié)同配合對(duì)于礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。將設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工管理、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)放礦、膠帶運(yùn)輸、電機(jī)車(chē)卸礦、箕斗裝卸、豎井提升、設(shè)備檢修維護(hù)、能耗監(jiān)控、設(shè)備人員定位、無(wú)人駕駛、機(jī)車(chē)調(diào)度、智能通風(fēng)排水、無(wú)人選廠、大型設(shè)備和尾礦庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控、危險(xiǎn)源預(yù)測(cè)預(yù)警、充填自動(dòng)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(tái)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)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(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以礦山資源模型、井巷工程和礦山環(huán)境三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)礦山設(shè)備和安全監(jiān)測(cè)裝置的姿態(tài)、工況、過(guò)程和屬性的仿真、計(jì)算和三維再現(xiàn)，實(shí)時(shí)更新資源模型、動(dòng)態(tài)估算、方案優(yōu)化、采礦設(shè)計(jì)、調(diào)整計(jì)劃和品位控制等產(chǎn)品和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度。其構(gòu)架(TMC系統(tǒng))包括嵌入式軟件系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字采礦軟件系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程管理系統(tǒng)和變配電自動(dòng)化系統(tǒng)五個(gè)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(zhì)、測(cè)量、采礦、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、安全、監(jiān)控監(jiān)測(cè)及調(diào)度等多專(zhuān)業(yè)多部門(mén)協(xié)同配合、綜合處理的工作模式。各部門(mén)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(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)各層面、各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)與協(xié)同配合，達(dá)到安全、高效生產(chǎn)的目的；充分利用云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)，優(yōu)化配置行業(yè)資源，通過(guò)數(shù)據(jù)引導(dǎo)礦山工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈延伸、延展，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。

礦山的地質(zhì)、測(cè)量、采礦、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、安全、監(jiān)控監(jiān)測(cè)及調(diào)度等多專(zhuān)業(yè)多部門(mén)通過(guò)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)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(jì)算與大數(shù)據(jù)支撐，優(yōu)化行業(yè)資源，指導(dǎo)產(chǎn)能調(diào)控和產(chǎn)業(yè)鏈延伸延展，實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)間各層面、各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)與協(xié)同配合。

4.4 智能開(kāi)采應(yīng)用

智能開(kāi)采技術(shù)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(huì)澤鉛鋅礦、貴州開(kāi)磷等多個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工作面全部或關(guān)鍵設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，為全球有色、黑色和化工礦山設(shè)計(jì)、施工和管理智能開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用和推廣積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，采掘工作面在進(jìn)行智能化改造過(guò)程中，控制系統(tǒng)、操作平臺(tái)等成本僅占綜合機(jī)械化采礦設(shè)備的10%，但生產(chǎn)效率提高5%～30%，同時(shí)減少了工人數(shù)量、降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人工成本[1]，提高了采掘運(yùn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

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