何斌全， 張維國， 伏彩萍， 張海勝

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司， 湖南 郴州 423037；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

隨著當(dāng)前全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，自動化、數(shù)字化、智能化技術(shù)在礦山行業(yè)得到了全面推廣和應(yīng)用，礦山行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級也持續(xù)加速[1-2]。近年來，國家多部委相繼發(fā)布《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》《有色金屬行業(yè)智能礦山建設(shè)指南(試行)》《智能礦山建設(shè)規(guī)范》等，大力推進(jìn)智能礦山建設(shè)[3-5]。在此背景下，國內(nèi)眾多礦山企業(yè)都相繼推出智能化轉(zhuǎn)型方案并陸續(xù)在局部實現(xiàn)了智能化升級改造，例如：鞍鋼集團(tuán)將管控智能化作為建設(shè)世界級礦山的重要抓手，加速建立智能生產(chǎn)、智能管理、智能服務(wù)新模式，為打造高質(zhì)量發(fā)展新鞍鋼提供有力支撐；金川集團(tuán)提出了“機(jī)械化、自動化、信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化”五化建設(shè)方案，在三個礦區(qū)分別打造多個“智能化樣板工程”，為公司安全生產(chǎn)提供有力保障；山東黃金集團(tuán)三山島金礦以打造“國際一流示范礦山”為目標(biāo)，相繼建立了三維管控平臺和綜合自動化集成平臺系統(tǒng)、“一云、一湖、一平臺”數(shù)據(jù)底座等智能化系統(tǒng)，由此可以看出智能礦山建設(shè)是礦業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇[6-9]。

柿竹園多金屬礦為生產(chǎn)多年的老礦山，已經(jīng)建有面向不同業(yè)務(wù)和管理需求的自動化和信息化系統(tǒng)，如井下安全六大系統(tǒng)、地壓微震監(jiān)測系統(tǒng)、企業(yè)辦公系統(tǒng)等，對礦山安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理起到了一定的技術(shù)支撐作用。但是由于缺少總體建設(shè)思路，導(dǎo)致各系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，礦山整體信息化、自動化建設(shè)不夠通暢，信息系統(tǒng)與采礦工藝、設(shè)備未能有效融合，“信息孤島”問題突出。因此，本文立足于柿竹園多金屬礦基本現(xiàn)狀，梳理采礦及選礦工程存在的問題，借助新一代信息通信技術(shù)(ICT)和智能裝備的發(fā)展趨勢，提出柿竹園礦山智能化建設(shè)的總體思路及保障措施，推動礦山向本質(zhì)安全、資源集約、經(jīng)濟(jì)高效的智能礦山邁進(jìn)。

1 柿竹園多金屬礦現(xiàn)狀

1.1 礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀

柿竹園公司以資源豐富著稱，其鎢多金屬礦床資源豐富、品種繁多，被譽為“世界有色金屬博物館”。但因其礦體集中厚大、礦物品種多、成分復(fù)雜、礦物嵌布粒度細(xì)，不僅礦石加工難度大，礦床開采也面臨諸多難題。該公司共有兩個采礦場，由于經(jīng)濟(jì)原因暫停了柴山采礦場的開采，目前柿竹園多金屬礦是該公司的主采礦體，采出的礦石同時供給柿竹園多金屬選礦廠和東波多金屬選礦廠。

1.2 智能化升級存在的問題

(1)采礦系統(tǒng)存在的問題

柿竹園多金屬礦采礦技術(shù)水平總體比較落后，井下作業(yè)屬于機(jī)械化開采初級階段，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

采礦技術(shù)與裝備相對落后，未全部實現(xiàn)大型機(jī)械化開采：巷道掘進(jìn)仍采用傳統(tǒng)的7655手持式鑿巖機(jī)鑿巖，回采鑿巖采用KQG150型高風(fēng)壓環(huán)形潛孔鉆機(jī)和阿特拉斯Simba1354中深孔液壓鑿巖臺車，裝藥采用BQF- 100裝藥器人工裝填炸藥，井下設(shè)備效率低，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)人員多。

柿竹園公司關(guān)鍵作業(yè)工序未能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制：主要采掘設(shè)備沒有實現(xiàn)大型機(jī)械化作業(yè)，鑿巖、出礦等工序難以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。井下礦石運輸采用卡車運輸和有軌電機(jī)車運輸均為人工現(xiàn)場操作，未能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，作業(yè)人員多。

固定安裝設(shè)備未能實現(xiàn)無人值守：地表破碎機(jī)、空壓機(jī)站、供水水泵以及井下振動放礦機(jī)仍采用現(xiàn)場人工控制方式，未能實現(xiàn)無人值守，井下勞動人員數(shù)量多，生產(chǎn)效率低，礦山整體自動化水平有待提高。

出礦進(jìn)路懸拱嚴(yán)重，大塊處理難度大：礦山先前采用大爆破對上部的礦柱進(jìn)行集中爆破處理，目前在490 m集中出礦懸頂事件發(fā)生較為頻繁，卡斗位置較高，人員無法靠近，主要采用裸露藥包進(jìn)行處理。到達(dá)出礦口的礦石塊度很大，無法通過溜井格篩下放，主要采用人工打眼放炮方式處理，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。

(2)選礦系統(tǒng)存在的問題

東波選廠整體自動化水平較高，全流程已經(jīng)實現(xiàn)自動化控制，各生產(chǎn)流程配備了監(jiān)控設(shè)施。而柿竹園選廠由于建設(shè)時間稍早，主要裝備水平智能化偏低，且其配套設(shè)施和輔助設(shè)施距離選廠自動化控制要求均有較大的差距，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

自動化穩(wěn)定控制不完善：例如破碎系統(tǒng)基本無自動控制，設(shè)備之間無相互關(guān)聯(lián)性；磨礦系統(tǒng)的最終產(chǎn)品的濃度和細(xì)度無在線檢測控制；浮選系統(tǒng)原礦、精礦、尾礦品位無在線檢測不能實時反饋生產(chǎn)狀況等。

配套輔助設(shè)施自動化程度低：除塵系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)基本無自動控制；鍋爐供熱系統(tǒng)、空壓機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)供氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)基本無自動控制；加球系統(tǒng)也無自動控制。輔助設(shè)施的自動化空間大，實施難度較小，但是其對主工藝的保障作用大。

管理系統(tǒng)靈活性差：其生產(chǎn)管理模式基本按照經(jīng)濟(jì)責(zé)任制的考核制度進(jìn)行，在保證精礦數(shù)量與質(zhì)量、選礦指標(biāo)的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加處理能力，加大產(chǎn)出，無法根據(jù)市場行情變化合理調(diào)整生產(chǎn)以適應(yīng)外部環(huán)境的變化。

為優(yōu)化控制準(zhǔn)備的大數(shù)據(jù)基本未形成：由于缺乏完善的DCS系統(tǒng)，導(dǎo)致對工藝流程基本參數(shù)的獲取不便捷，因此無法形成有效的大數(shù)據(jù)，這為將來實現(xiàn)優(yōu)化控制增加了難度。

生產(chǎn)管理模式有待變革：以設(shè)備為中心定員、定崗的生產(chǎn)模式將極大地增加人工成本，隨著自動化程度的提升，智能化的逐步推進(jìn)，應(yīng)逐漸實施轉(zhuǎn)變以控制為中心，保證維護(hù)為重點的勞動定員制度。

2 柿竹園多金屬礦智能化建設(shè)思路

2.1 柿竹園智能礦山建設(shè)目標(biāo)

柿竹園公司智能礦山建設(shè)總體目標(biāo)是運用現(xiàn)代信息技術(shù)和控制技術(shù)，按照系統(tǒng)簡單化、生產(chǎn)集約化、裝備現(xiàn)代化、控制自動化、管理信息化的建設(shè)理念，以建設(shè)“安全、高效、綠色、智能”礦山為宗旨，設(shè)計和建設(shè)集企業(yè)生產(chǎn)管理、指揮調(diào)度、生產(chǎn)經(jīng)營管控一體化的綜合信息化系統(tǒng)，最大限度地挖掘和發(fā)揮礦山數(shù)據(jù)的潛能和作用，為礦山的資源管理、開采設(shè)計、生產(chǎn)管控和運營提供現(xiàn)代化的管理手段和科學(xué)的決策支持，以增強(qiáng)礦山企業(yè)在市場中的競爭能力和適應(yīng)能力，保證可持續(xù)發(fā)展。柿竹園公司智能礦山建設(shè)具體實現(xiàn)內(nèi)容和目標(biāo)如下：

(1)地質(zhì)資源與開采環(huán)境數(shù)字化：引進(jìn)三維地質(zhì)軟件創(chuàng)建礦山地理信息、地質(zhì)資源、開采環(huán)境三維數(shù)字化模型，實現(xiàn)資源開采可視化、工程設(shè)計三維化和開采管理透明化。

(2)采選生產(chǎn)裝備現(xiàn)代化：逐步淘汰礦山落后設(shè)備，優(yōu)先實現(xiàn)井下主要采掘設(shè)備機(jī)械化，并向智能化方向發(fā)展，運用信息化手段提升裝備的健康和運維管理水平，發(fā)揮設(shè)備能力。

(3)采選生產(chǎn)過程遙控化：推進(jìn)生產(chǎn)全流程的自動化和智能化建設(shè)，通風(fēng)、壓氣、供水、供配電等固定安裝設(shè)備遠(yuǎn)程操控和無人值守，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)全過程遠(yuǎn)程遙控化，現(xiàn)場無人值守。

(4)礦山運營管理信息化：建立綜合管理運營平臺，推進(jìn)扁平化、協(xié)同化、實時化的運營管理模式，通過統(tǒng)一運營和分析中心的建設(shè)，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)運營的透明化管理及各系統(tǒng)信息資源共享，提高運營決策分析水平。

(5)數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)化：以信息網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將采掘、運輸、提升、選礦等生產(chǎn)系統(tǒng)及財務(wù)、設(shè)備、物資等管理系統(tǒng)集成一體，通過對數(shù)據(jù)的自動化采集、傳輸、存儲和利用，在中鎢高新公司和五礦集團(tuán)層面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和共享。

2.2 柿竹園智能礦山建設(shè)總體框架

結(jié)合礦山信息化、自動化現(xiàn)狀，按照智能礦山建設(shè)的整體規(guī)劃目標(biāo)，柿竹園公司智能礦山建設(shè)共分為四大層次，包括設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)執(zhí)行、智能管控、運營決策層級。結(jié)合《有色金屬行業(yè)智能礦山建設(shè)指南》建議，采用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的云、邊、端架構(gòu)，建立面向“礦石流”的全流程智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)，將礦山大量基于傳統(tǒng)IT架構(gòu)的信息系統(tǒng)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)源，繼續(xù)發(fā)揮系統(tǒng)剩余價值，同時逐步推進(jìn)傳統(tǒng)信息化業(yè)務(wù)云化部署，實現(xiàn)礦山全流程的少人無人化生產(chǎn)。

柿竹園智能礦山建設(shè)依托大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，通過礦區(qū)高速5G+融合網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)各個層級的應(yīng)用系統(tǒng)融合和協(xié)同優(yōu)化工作，柿竹園多金屬礦智能礦山建設(shè)總體框架如圖1所示。

圖1 柿竹園智能礦山建設(shè)總體框架

2.3 柿竹園智能礦山建設(shè)內(nèi)容

(1)基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

建設(shè)一套融合網(wǎng)絡(luò)，將辦公網(wǎng)、視頻網(wǎng)和工控網(wǎng)有機(jī)聯(lián)系，結(jié)合5G無線局域網(wǎng)，將智能礦山管理系統(tǒng)所需的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，實現(xiàn)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)之間的融合、多網(wǎng)合一、全面采集地下生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為智能控制和大數(shù)據(jù)生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

(2)工業(yè)大數(shù)據(jù)中心建設(shè)

建立柿竹園工業(yè)大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運行參數(shù)及其他數(shù)據(jù)實時采集和管理，形成礦山生產(chǎn)運營大數(shù)據(jù)服務(wù)中心。在建設(shè)模式上，可以充分利用數(shù)據(jù)運營服務(wù)商和數(shù)據(jù)中心資源，建設(shè)礦山云服務(wù)系統(tǒng)，依托礦山生產(chǎn)運營大數(shù)據(jù)和云計算服務(wù)平臺，進(jìn)行實時在線數(shù)據(jù)分析，挖掘礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)規(guī)律，為礦山生產(chǎn)經(jīng)營提供決策，并可為礦山提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷和專家服務(wù)等。

(3)智能管控平臺建設(shè)

通過對目前現(xiàn)有子系統(tǒng)進(jìn)行改造整合實現(xiàn)基礎(chǔ)生產(chǎn)裝備數(shù)據(jù)接入，如人員定位系統(tǒng)、有毒有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)、井下鏟運機(jī)自動計量系統(tǒng)、礦石運輸及計量系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)等，達(dá)到數(shù)據(jù)整合、提高生產(chǎn)管控水平、優(yōu)化生產(chǎn)流程、強(qiáng)化安全管理、提升生產(chǎn)指揮能力目標(biāo)；通過生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)和經(jīng)營管理系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)橫向集成、縱向貫通、管理控制一體化的生產(chǎn)、運營管理體系，固化生產(chǎn)管理模式，實現(xiàn)整體能力提升；運用數(shù)據(jù)挖掘、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)指揮、資源預(yù)測、突發(fā)事件處理等決策支持功能，實現(xiàn)礦山從數(shù)字化到智能化的轉(zhuǎn)變。

(4)智能采礦系統(tǒng)建設(shè)

首先需通過建立地測采三維數(shù)字化系統(tǒng)，實現(xiàn)資源開采、工程設(shè)計和開采管理三維透明化，為智能礦山建設(shè)構(gòu)建三維環(huán)境基礎(chǔ)；然后根據(jù)柿竹園當(dāng)前面臨的采礦現(xiàn)狀，開展智能化采礦工藝與方法選擇，并逐步對礦山采掘設(shè)備進(jìn)行升級改造；最后通過采用人工智能、自動控制、融合網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實現(xiàn)井下有軌電機(jī)車運輸、固定安裝設(shè)施、智能供配電等系統(tǒng)遠(yuǎn)程遙控操作，現(xiàn)場無人值守，大幅減少井下作業(yè)人員，提高采礦安全保障程度和作業(yè)效率。

(5)智能選礦系統(tǒng)建設(shè)

第一部分是選礦自動化系統(tǒng)建設(shè)。一是建立設(shè)備自動化控制系統(tǒng)，檢測設(shè)備運行狀態(tài)，并進(jìn)行生產(chǎn)安全聯(lián)鎖、順序啟停邏輯控制，實現(xiàn)生產(chǎn)流程穩(wěn)定運行、提高生產(chǎn)過程自動化程度及水平；二是完善工藝自動化控制系統(tǒng)，對礦量、物位、流量、濃度、壓力、pH值、粒度、品位等參數(shù)進(jìn)行檢測與控制，針對具體關(guān)鍵作業(yè)進(jìn)行智能化控制，降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)指標(biāo)；三是優(yōu)化安全監(jiān)測系統(tǒng)，主要為尾礦庫安全監(jiān)測系統(tǒng)，對壩表位移、浸潤性、滲流量、庫水位等參數(shù)進(jìn)行全天候自動采集，視頻實時監(jiān)控，巡查信息現(xiàn)場報警，自動應(yīng)急報警，保障生產(chǎn)安全。第二部分是選礦工藝優(yōu)化控制系統(tǒng)，根據(jù)科學(xué)有效的工藝控制策略，配備優(yōu)化控制系統(tǒng)及相應(yīng)檢測分析儀器儀表，建設(shè)選礦作業(yè)流程的閉環(huán)控制，實現(xiàn)磨礦分級溢流產(chǎn)品濃細(xì)度，選別產(chǎn)品品位、回收率等關(guān)鍵工藝指標(biāo)穩(wěn)定與優(yōu)化。

3 柿竹園智能化礦山建設(shè)保障措施

(1)組織機(jī)構(gòu)保障

應(yīng)該在組織架構(gòu)里增設(shè)專門的信息化建設(shè)管理機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由公司信息中心和采選廠區(qū)信息中心組成。公司總部的信息中心包括新建的信息部、計算機(jī)中心與公司原有的網(wǎng)絡(luò)中心、監(jiān)控中心、線管中心、智能調(diào)度中心等，要形成一個完整的網(wǎng)絡(luò)信息平臺,該平臺能夠順暢地完成信息的采集、傳輸、存儲和處理。

(2)資金投入保障

資金投入是推進(jìn)信息化建設(shè)順利開展的重要保障,應(yīng)將智能礦山建設(shè)資金納入財政預(yù)算。要把智能礦山建設(shè)資金列為專項資金進(jìn)行管理，公司在每年預(yù)算中規(guī)劃出一定數(shù)額的資金作專款專用，以保證公司智能礦山建設(shè)資金投入的需要。同時，在保證信息化資金投入的同時，還要加強(qiáng)對智能礦山建設(shè)的投資決策管理，提高資金使用效率。

(3)人力資源保障

為了適應(yīng)柿竹園智能礦山建設(shè)的需求，必須加強(qiáng)對信息化、智能化人才隊伍的建設(shè)，強(qiáng)化對具有信息技術(shù)知識與業(yè)務(wù)知識的復(fù)合型人才的培養(yǎng)。通過采用科學(xué)的管理手段、人才激勵與培訓(xùn)機(jī)制，保證信息化人才隊伍技術(shù)結(jié)構(gòu)與數(shù)量上的穩(wěn)定，以確保信息化工作穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展。

4 柿竹園智能化升級的預(yù)期效果

(1)改善安全管控模式，提升企業(yè)形象

通過礦山智能化改造，實現(xiàn)采礦作業(yè)辦公室化，有力保障礦山安全生產(chǎn)，極大改善井下作業(yè)環(huán)境，生產(chǎn)過程的安全監(jiān)測防范,并消除了潛在的各種事故風(fēng)險，保障作業(yè)人員的安全健康和設(shè)備設(shè)施免受損壞，有效防范和堅決遏制安全事故發(fā)生。

(2)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展

通過智能礦山建設(shè)，徹底顛覆傳統(tǒng)礦山的生產(chǎn)模式，從半機(jī)械化過渡到機(jī)械化作業(yè)，從生產(chǎn)過程的手動控制過渡到智能化控制，從粗放式管理過渡到精細(xì)化、智能化管理，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)管控一體化。通過柿竹園公司智能礦山建設(shè)，將形成先進(jìn)的管理思想和方法，形成一套有色金屬礦山智能礦山建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)體系，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。

5 結(jié)論

本文以柿竹園礦山智能化發(fā)展面臨的問題為出發(fā)點，通過構(gòu)建智能化建設(shè)總體框架進(jìn)而梳理了主要建設(shè)內(nèi)容，可以得出以下結(jié)論：

(1)確立了柿竹園地質(zhì)資源與開采環(huán)境數(shù)字化、采選生產(chǎn)裝備現(xiàn)代化、采選生產(chǎn)過程遙控化、礦山運營管理信息化，數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)化的建設(shè)目標(biāo)。

(2)柿竹園智能礦山建設(shè)框架依托大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，通過礦區(qū)高速5G+融合網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)執(zhí)行、智能管控和運營決策四個層級的應(yīng)用系統(tǒng)融合和協(xié)同優(yōu)化工作。

(3)柿竹園智能化建設(shè)主要內(nèi)容包含基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、工業(yè)大數(shù)據(jù)中心建設(shè)、智能管控平臺建設(shè)、智能采礦系統(tǒng)建設(shè)和智能選礦系統(tǒng)建設(shè)五大方面。