露天礦山智能化建設探討

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露天開采是1種安全高效的開采方式[1-2]。我國露天開采起步較晚近，30年來，由于露天礦基建投資小、投產快等優點逐漸興起，開采技術迅速發展。當前人工智能、5G、機器人、智能識別等技術成為科技發展的方向，給我國資源開發的轉型帶來了機遇同時面臨著技術革命的挑戰[3]。2015年以來，基礎工業智能化轉型成為發展的主要方向，同時以政府為導向，推出一系列政策措施加速我國工業智能化步伐，為企業日后可持續發展、應對錯綜復雜的國際環境爭取了寶貴時間，使我國礦業朝著安全高效、綠色可持續的方向發展[4]。

1國內外露天礦山智能化發展現狀

1．1國外露天礦山

國外礦產資源條件適合露天開采，因此對露天開采技術進行了長時間的探索，露天開采智能化已經取得了較大進展。為了保護工人的生命安全，瑞典山特維克礦山工程機械集團研發了EDC系統，對穿透率、孔底距離、鉆桿防護作業效率等進行有效防護，一旦超出系統設計的限值，系統將會提醒鉆機司機。美國卡特彼勒公司利用計算機技術推出了MineStarTM系統和Holepro系統，運用制導技術，該系統能夠根據現場地形位置對鉆孔作業開展相關管理，并將系統信息上傳并應用于整個采礦作業中。國外從20世紀70年代開始探索露天礦山無人駕駛技術，美國卡卡特彼勒公司在該技術較為領先，MineStarTM系統同樣運用在無人駕駛卡車上，并在澳大利亞、南美洲等地礦山現場實現了無人駕駛[5]。

1．2國內露天礦山

我國露天礦山經歷了機械化、自動化、數字化等階段，目前主要向智能化發展。我國露天礦山大量引進國外先進的開采設備，并投入使用，但是由于管理經驗不足，缺乏相關專業人才，對露天礦山智能化重視程度不足，導致我國與世界發達國家在露天礦山智能化方面還有較大差距[6]，但近年來隨著人工智能、5G通信，大數據處理等技術的高速發展，國內露天礦山智能化也取得了重大突破，具有代表性為華能伊敏露天礦、神華準能集團和中煤平朔集團等[7]：中煤平朔集團安太堡露天礦通過建設GPS智能卡車調度系統，實現了現場各個設備的定位、并可在云端進行設備的調用，對正在工作的設備實時監控，通過合理利用設備優化了生產效率；神華準能集團建設了車輛防碰撞預警系統，主要通過采集車輛的行駛信息，主要包括GPS坐標、行駛速度、行駛方向等，通過電子地圖進行道路擬合，在車輛可能發生碰撞時作出預警；2020年神華寶日希勒露天礦實現了世界首個極寒條件下無人卡車編組試運行[8]。上述礦山的智能化建設工作主要網絡數據共享為平臺，逐步建設了三維地質模型生成系統、開采設計優化系統、生產調度與監控系統（GPS調度控制系統）、礦山MIS（信息管理系統）等內容，有利于提升礦山安全高效生產形勢，推動了我國露天礦智能化發展。

2工程背景

2．1烏山銅鉬礦概況

烏山銅鉬礦位于滿洲里市西南端24km處，礦區面積9．8449km2，是1個以次斜長花崗巖斑巖體為核心形成的長環狀礦體，長軸長2600m，短軸寬1350m，傾向NW，傾角75°～85°。開采深度從800m至200m標高，地表向下開采深度600m，礦體平均厚度260m。礦區內存在許多次級斷層，導致礦體的形態十分復雜。以F7斷層為界將礦床分為2個礦段，斷層以北為北礦段，以南為南礦段。目前，北礦段已開采至615m水平標高處，南礦段已開采至675m水平標高處。礦區的巖石普氏系數為8～10。礦區內保有銅礦石量為4．2×109t，鉬礦石量為1．0×1010t。全區銅金屬量3．6×106t，鉬金屬量6．9×105t，伴生銀金屬量2400t。

2．2采剝工藝

初期采用打鉆孔測品位，進行定量爆破，將不同品位的礦石及廢料用鏟車裝運，TR100運輸礦物，其余車輛進行倒運，推土機排棄的間斷開采工藝；末期采用打孔爆破，鏟車裝運，車輛運輸，半移動破碎機破碎，皮帶廊運輸的半連續開采工藝。為確保露天采場持續穩定出礦，設計采礦采用單臺階緩幫開采，巖石剝離采用組合臺階陡幫開采；為降低礦石的損失、貧化指標，根據礦體的賦存條件，設計開段溝采用縱向布置在礦體上盤，垂直礦體走向由礦體上盤向下盤推進。開采工藝工作臺階高度15m，工作臺階坡面角70°～75°。

3烏山銅鉬礦智能化建設

3．1總體框架

運用智能化測繪地理信息技術，并結合露天礦山智能化開采思路，建立了1個適用烏山銅鉬礦的智能化平臺，主要通過數據管理中心和指揮調度中心對操作終端進行發號施令，將資源儲量管理系統、人員定位系統、車輛定位及調度系統、無人機5G監控系統、基于GNSS的邊坡監測系統、基于激光雷達探測的邊坡監測系統、遠程視頻監控系統、爆堆礦量和生產動態計量系統、設備工效和油耗監測系統、安全檢查及隱患治理系統等各系統進行有機結合，各系統的信息反饋至數據管理中心，指揮調度中心對各系統進行控制。智能管控平臺是露天非金屬礦山的“智慧大腦”，以三維GIS技術為核心對礦山形態進行重現，對各生產環節進行可視化控制。該平臺是以礦山生產、終端監測數據以及地理空間數據庫為基礎，將露天礦爆破、裝載、運輸、供礦等進行三維數字化建模，實現對采區的礦石品位、設備狀態、生產狀況、安全監測等信息進行數字可視化展示、統一集中管理，有效地提升了礦山的整體管理效率，加強礦山的生產進度。

3．2控制中心

數據管理中心主要分為數據采集中心、存儲中心和應用中心3部分，是露天礦山的“大腦”。數據采集是指通過高清攝影頭、無人機探測、IoT測繪裝備、GPS導航系統、人工輸入等方式得到的礦山開采信息；將采集的信息存儲于數據儲存中心，包括地質構造、礦體埋藏情況、開采設計、生產作業、配礦等多源數據；數據應用中心是對數據進行處理分析，并對開采工序進行優化，包括供礦品位控制、礦產儲量管理、設備合理調度、礦山危險源監測等方面。不同系統之間的數據進行交換，匯總在數據中心，相互共享，實現最優的決策。指揮調度中心能夠監測現場情況并且輔助決策將指令傳達至現場。將收集、整理的各種信息進行分析處理，以簡單便于理解的方式顯示在高清大屏上，幫助決策者精準地掌握生產過程，然后對生產環節進行優化調整。

3．3應用系統

應用系統是數據采集、指令下達的重要樞紐，針對露天礦山的特點，重點介紹礦區三維可視化管理系統、開采信息管理系統和無人機監控系統。三維可視化管理系統是對無人機、高清攝像頭、人工地理信息輸入得到的數據進行處理，通過電腦終端對礦山實時地理環境信息進行數據在線，最終在計算機的顯示屏上輸出三維礦山全景；開采信息管理系統是基于前面的三維可視化模型和地質勘探信息，運用GIS分析功能，計通過模型前后的差距，從而計算礦山資源的變化情況和剩余儲量；無人機監控系統是基于無人機的全礦區監控功能，結合5G技術，實現對礦區邊坡、設備、車輛、人員等進行在線監測，防止危險事故的發生。

4當前智能化進程及難點

4．1智能化進程

1）數字化生產指揮調度中心。當前烏山銅鉬礦正積極想智能化開采方向邁進，基于GPS定位系統、高清攝像儀和信息傳導技術，建立了數字化生產指揮中心。首先將礦山地質環境信息導入至數據中心，從而生成三維地質模型，車輛設備通過GPS定位系統將位置信息實時傳輸到數據中心，并在三維地質模型上確定車輛設備的動態位置；其次能夠通過現場高清攝像頭對現場施工情況實時監控，保證開采能夠有序進行，一旦現場出現問題，能夠根據現場影像作出正確決策，提高生產效率；指揮調度中心同時能夠將各車輛的信息包括是否裝車，車輛行程，車輛故障、司機情況等通過信息傳導技術輸送至數字化指揮中心，指揮調度中心工作人員根據供礦需求、設備位置、現場反饋信息下達給終端正確的指令，通過指揮中心能夠有效加強管理力度，合理優化作業工序，大幅度提高礦產資源采出的效率，該平臺把現場的工作通過指揮調度中心進行控制，提高了生產效率，有利于保障工作人員的安全，礦山智能化取得重大突破。2）無人駕駛技術。大型露天礦由于工作地點較為偏僻、工作艱苦，在聘用礦用卡車駕駛人員常常面臨困境，當前露天開采行業車輛司機老齡化嚴重，越來越少青年人從事礦山卡車的駕駛工作，缺乏卡車司機成為1個棘手的難題；露天礦山的1個主要的人員傷害來源是車輛事故，隨時危及工人的生命安全。無人駕駛技術可以成功解決以上難題，降低現場工作人員數量、有效避免對司機的傷害，同時能夠降低工人勞動成本，并且增加運輸效率，企業創造較好的經濟效益。目前烏山銅鉬礦在排土場進行廢石倒運的部分路徑采用無人駕駛技術，有效地緩解了司機人員不足的問題，采用無人駕駛可以通過計算機智能系統來代替人工駕駛，能夠增加安全生產形勢，提升工人的生活幸福指數，同時提升了礦區的生產效率。

4．2存在的難點

1）智能化露天礦山沒有建立完善的理論體系。對“什么是智能化開采”、“如何實現”、“如何實施”等基礎問題，不能進行系統的解釋，智能化開采沒有基本的思路與原則，難以達成共識。2）露天礦區的地形復雜。對于限定的場景來說，無人駕駛是可控的，但露天礦區的地形復雜，每天都要進行爆破，無人駕駛卡車行進的路線需要實時更新，操作耗費需一定的時間，影響每日的開采量；無人駕駛卡車行駛途中有可能會掉落礦石，后車對前方的障礙物不能及時地進行判斷，可能會造成系統故障或道路堵塞。3）無人卡車的應用需要投入大量成本。每輛卡車都需要配置全套的傳感器，建立5G通訊技術和遠程操作平臺，還需要配置更多的安全措施，以及為系統故障及網絡安全所增加的額外成本。

5結語

目前，我國露天煤礦開采的產量處于逐年上升的階段，通過國內外露天礦山當前智能化發展現狀的分析可知，當前露天礦山智能化發展趨勢為露天礦山自動化裝備及自動化系統現場應用、信息化數據鏈的集成、數據處理和決策、生產智能化設計與礦山開采整體管控。

參考文獻：

［1］孫健東，張瑞新，賈宏軍，等．我國露天煤礦智能化發展現狀及重點問題分析［J］．煤炭工程，2020，52（11）：16－22．

［2］李浩蕩，佘長超，周永利，等．我國露天煤礦開采技術綜述及展望［J］．煤炭科學技術，2019，47（10）：24．

［3］付恩三，劉光偉，王新會，等．基于“互聯網＋”智慧露天煤礦建設發展新構想［J］．中國煤炭，2020，46（2）：35．

［4］王國法．加快煤礦智能化發展建設智能＋綠色煤炭工業新體系［J］．中國煤炭工業，2020（4）：8－15．

［5］王富民，賀昌斌．露天礦卡車無人駕駛技術的現狀與展望［J］．露天采礦技術，2021，36（3）：45－47．

［6］張廣波．露天非金屬礦山智能化平臺建設方案探討［J］．中國非金屬礦工業導刊，2021（3）：66－69．

［7］楊新鋒，劉曉明．以某石灰石礦山為例探討露天礦山數字化智能管控系統建設思路［J］．礦業工程，2019，17（6）：51．

［8］王猛，馬曉燕，國承斌．智慧露天礦山底層平臺構建［J］．工礦自動化，2020，46（12）：116－119．

作者:周宏 單位:中鐵十九局集團礦業投資有限公司