地下礦山智能生產控制與管理建設體系研究

周文略 連民杰

(中鋼礦業開發有限公司，北京100080)

面對人力成本的不斷增長，國家對安全、環境保護要求日趨嚴格，國內礦山企業開始從勞動密集型粗放管理向智能化科學管理轉變。生產控制與管理的智能化建設是礦山實現智能化科學管理的關鍵，需要緊貼礦山運行特點，選用合適的、性價比高的技術和設備來實現。中鋼礦業公司一直致力于現代化礦山的建設，積極應用電子信息技術、智能控制技術，實現采選工藝和各輔助生產系統操控的智能化、經營管理的信息化。經過7 a 的探索和建設，公司所屬礦山在智能控制、信息化管理等方面已初具規模，運行效果良好。

1 智能化生產控制與管理建設體系

智能化生產控制與管理主要基于物聯網技術，以信息化、自動化為基礎，使礦山在生產、管理等方面實現數字信息化、自動化，決策與預警智能化。根據礦山企業的運行特點，生產控制與管理智能化建設可圍繞4 個核心系統進行建設，即地質、測量、采礦信息的數字化與可視化、生產運行智能化控制、安全生產智能化監測與預警、經營管理信息化。地測采信息數字化與可視化主要以礦體地質數據為基礎，通過計算機三維建模和數據管理，實現礦體的可視化和采礦信息的數字化。生產運行智能化控制主要以設備自動化控制為基礎，通過軟件控制平臺，實現智能運行和人機交流。安全監測智能化主要以固定式和移動式監控、感應設備為基礎，通過集中顯示和控制平臺，實現自動監測和智能預警功能。經營管理信息化主要以經營數據挖掘為基礎，通過信息化軟件平臺，實現經營過程的準確、有序化管理。建設架構如圖1。

圖1 智能生產控制與管理建設體系Fig.1 The architecture of intelligent production control and management

2 地測采綜合信息管理系統

基于各種軟件平臺的信息管理和三維可視化在各礦山應用的比較多，中鋼礦業公司主要利用工程設計上普遍使用的AutoCAD，開發針對地質、測量、采礦等專業的CAD 功能模塊，構建起礦山三維數字化地測采綜合信息管理平臺，全面實現地質、測量、采礦室內工作的自動化、信息處理與服務功能。系統主要從幾方面進行功能建設，總體功能架構如圖2。

圖2 地測采綜合信息管理功能架構圖Fig.2 Comprehensive information management architecture of geology，measurement and mining

2.1 礦體三維模型的建立

通過建立地質與工程數據庫，創建多種可視三維模型，可直觀反映整個礦山所有礦體與工程的空間關系，并提供編輯、圖形計算功能，實現可視化的動態管理。包括地表模型、礦體形態與品位模型、地下工程模型、開拓運輸模型、供水、供電和通風系統模型等。模型效果見圖3。

圖3 礦山三維模型Fig.3 Three dimensional model of mine

2.2 地質信息的處理

能及時反映礦體形態和品位的動態變化，實現日常的礦體模型的維護，包括礦體區域生成、充填區域生成、平面圖解譯、邊界品位修改、礦量及品位計算等功能。在三維礦體模型上，進行實體剖切剖面及平面圖生成并進行解譯，構建靈活快速的地質專業室內計算與管理的數據采集、查詢、輸出、報送體系，提高了作業效率和作業質量。功能架構如圖4。

圖4 地質處理功能架構Fig.4 Geological disposal function architecture

2.3 測量數據的處理

能完成外業控制測量、工程細部驗收測量的內業計算、圖解填繪平面工程圖等。根據實測數據生成三維巷道模型，并保存相應的施工進度及質量信息，計算出副產礦巖量，通過對數據分析整理，派生出各種進度報表，形象地反映整體施工狀況。實現對采掘工程的進度管理與質量管理。

2.4 采礦設計與生產計劃編制

基于AUTOCAD 開發了一系列的功能插件，可以快捷地完成各種采礦設計及生產計劃的編制和上傳審批。采礦設計主要包括:開拓、采準、采切設計、巷道及碹岔設計等。將巷道、溜井等常用工程進行模塊化，設計時只需調用工程模塊進行編輯，并自動計算出工程量表及工程坐標表。采礦計劃主要包括:掘進計劃、采準計劃、回采計劃及充填計劃。可以實現按計劃時間和礦體品級列出采準計劃詳細計算結果表，自動計算出回采計劃量(萬t)及礦體品位，按計劃時間和空間列出充填計劃詳細計算結果表等功能。通過三維技術應用，實現了設計、計劃的三維可視化。同時，結合Excel 與ACAD 數據交換技術，實現生產計劃報表與現行的管理手段的統一。采礦模塊設計工具如圖5 所示。

圖5 巷道斷面設計Fig.5 Tunnel section design

2.5 井下采礦生產全局可視化

基于礦體三維模型，將開拓工程、采掘系統、運輸系統、礦山機械、給排水、供電、通風等設施的工作狀態呈現于三維模型中，實現可視化采礦生產管理。

(1)采掘?？梢栽谌S視圖中顯示各采掘系統空間的準確位置，根據實際測量數據重建采掘推進面，及時反映采礦與掘進位置。主要的采掘設備模型顯示在三維立體圖中，提供設備屬性列表查詢。

(2)開拓工程及運輸。采用ACIS 技術建立三維運輸顯示系統，形象地反映開拓工程布置及各種運輸狀態。

(3)排水、供水、供電顯示。分別建立井下排水、供水、供電等三維模型，將主要設備數字模型布置圖中，提供設備屬性列表查詢。

(4)通風系統。建立全礦的三維通風系統模型，將主要通風設備、通風構筑物以模型方式放置圖中，顯示進風、出風路線和通風數據，操作人員可在界面上進行風機開啟及通風構筑物的調節。

3 生產運行控制智能化

目前在礦井提升、排水、通風、尾礦充填、選礦、計量等工序方面實施了智能化生產控制系統，實現了關鍵生產過程的監控、調整、預警、故障保護、故障在線診斷等。通過建立礦山調度集控中心，將各工藝流程的控制和監控都集中到控制中心，在統一的工作平臺上自動運行，也提供人工對生產流程的協調控制，提高了整體生產流程的效率，確保了生產的正常運行。

3.1 提升運輸智能控制系統

礦井提升智能化控制系統可對提升機運行進行實時遠程的控制，在線安全故障監控與診斷，確保提升系統的安全運行。具體特點包括:①制動閘系統智能檢測;②智能型提升過程數字監控器;③主控計算機、信號系統及井口操罐設備的聯鎖控制;④提升機高度系數自校正;⑤提升機液壓站和潤滑站監控;⑥一個信號工多水平跟罐操作;⑦多臺提升機智能化集中遠程控制與管理;⑧具備提升設備運行狀態自動分析，產量統計上報等。

3.2 泵房無人操控系統

針對變電站、井下中央變電所、水泵房等，采用DCAP－5000 系列綜合自動化系統及PLC 自動控制技術開發了泵房綜合智能化系統，可以完成遙測、遙控、遙調、遙信及所有遠動功能，實現了無人值守與智能化監控、遙控操作，確保了供電、排水的安全運行。

3.3 通風智能控制系統

可在集控中心對主風機進行遠程集中控制，對機站風壓及主要進回風巷道的風速(風量)以及有害成分在線檢測與監控。控制軟件可準確地控制現場的運行情況，并提供機站風機工作狀態和各種監測數據以動畫、圖形或文字方式動態顯示。

3.4 充填智能控制系統

控制系統涵蓋了尾礦充填工藝流程各工序的自動化控制，可在主控室實現充填過程的實時模擬顯示、現場設備的狀態和運行參數顯示、操作指令下達、報警顯示、報表分析等功能?？刂葡到y可實現尾礦進料，水泥(或膠固粉)倉上下料位報警，自動配料，攪拌造漿，充填料漿檢測與輸送智能控制，井下充填監控等工作過程進行自動運行控制和可視化遠程監控。

3.5 選礦智能控制系統

控制系統對選礦全流程進行自動控制和智能運行管理。選礦智能化重點在于對生產過程的信息自動分析和參數自動調整，通過建立磨選全流程控制系統，對各磨選過程進行自適應協調，使各選礦設備共同適應負荷的變化(如礦石性質、給礦量等變化)，能自動調整以保持各個運行參數的穩定。主要包括5種功能:①破碎過程智能控制;②磨礦分級過程智能控制;③磁選過濾過程智能控制;④排尾過程智能控制;⑤供水過程智能控制。

4 安全生產監測智能預警平臺

充分利用物聯網技術，開發了一個集日常安全管理、動態信息監控、危險預警和應急救援輔助決策功能于一體的安全監測預警信息平臺。平臺是以信息化和物聯網技術為基礎，應用物聯網的RFID 身份識別、傳感器信號技術和虛擬仿真技術進行開發。平臺由安全管理和危險預警系統、礦山安全地理信息系統、動態信息在線監測系統、應急救援輔助決策系統組成，平臺架構如圖6。主要功能包括:①安全信息的采集、統計、分析、處理、傳遞和預警功能;②安全信息的分級管理、控制能力;③對已發生事故的分析與統計能力;④對危險源的辨識和潛在事故的預警預控能力;⑤能夠實時掌握監測物的不安全狀態，預警其不安全狀況，提示相應對策。

圖6 安全監測預警信息平臺架構Fig.6 Safety monitoring and early warning information platform

同時，建立了基于手持式移動終端的現場安全檢查系統，實現溫度、風量、風速、風質和粉塵在線監測;利用GIS 技術和傳感器構建動態人員定位系統?？筛鶕討B監測信息和事故救援信息自動生成動態模擬的逃生路線。

通過建立功能模塊，規范礦山安全管理工作，對包括企業安全概況、安全教育培訓管理、特種設備預警管理、安全生產費用管理、職業危害信息管理、“三同時”信息管理、安全衛生設施管理等工作進行集中數字化管理，提供維護提醒、編輯、輸出等功能。

5 經營管理信息化

5.1 生產成本管理

通過對各礦山成本費用項目的分析，開發了《中鋼礦業成本管理應用系統》軟件。成本管理軟件由報表分析工具和匯總表生成工具組成，整合目前各礦山企業的生產統計、財務、票據、物資材料等信息，通過分析計算，生成格式統一、口徑一致的集預算控制、數據歸集、成本分析于一體的成本管理系統，實現礦山的“料、工、費”的動態管理。成本管理系統設計的成本報表包括了81 張表、2 846個指標、91 744個數據，指標細化到了每一道工序，每一個班組，每一個材料備件。將原本需要人工進行的數據統計、匯總、計算工作，通過成本管理軟件運行自動完成，設置超預算自動報警機制。下屬各礦山安裝軟件客戶端，通過互聯網方便快捷地傳遞給總公司，實現礦業公司對各礦山企業成本管理數據的匯總和審核，提高報表質量和安全性。成本管理的信息化，有助于對標挖掘內部潛力，起到了倒逼技術經濟指標優化的作用，各礦山企業的成本逐年下降，三項費用的控制效果明顯。

5.2 遠程移動管理系統

通過引入移動無線網絡，企業管理人員能夠通過移動終端(手機)隨時隨地地接入系統，及時了解礦山的生產狀況和安全狀況，并將各種實時數據(礦井下的“水、粉塵、風速等)傳送到相應的管理人員的手機中，實現的功能包括:數據查詢、報表發送、人員定位、產量統計、視頻監控、安全信息報警。

5.3 輔助經營信息化管理

中鋼礦業公司搭建了以ERP 系統、資金管理系統、物資采購與庫存管理系統、OA 系統、視頻會議系統等為核心的統一的集成應用平臺，實現了對生產、財務、銷售、人力資源、設備資產，物資采購供應等方面的信息化管理。以ERP 系統為例，礦業公司ERP系統建設也分為項目開發和礦山管理2 個模塊進行。項目開發模塊包括項目機會管理、項目機會評價、項目計劃管理、項目流程管理、項目文檔管理和項目大事記管理等6 個專業模塊，礦山管理模塊包括礦山統計、計劃報表管理及生產調度管理、安全生產管理、設備材料管理、大宗供應商管理和安全管理等模塊，通過ERP 系統將礦山企業與礦業公司直接聯系起來，提高了管理的效率。

6 結 論

經過多年的發展，中鋼礦業公司智能化生產控制與管理初見成效，主要特點包括:

(1)以AutoCAD 和微軟辦公軟件為基礎，實現了地測采的室內工作的三維數字化、信息化建設，保證了數據能及時準確地記錄、更新和查詢。

(2)以自動化控制和智能決策系統為基礎，實現了關鍵生產環節智能化運行、控制和管理，提高了勞動生產率，減少了礦山作業人員。公司下屬年產量200 萬t 規模的鐵礦山，選廠職工人數在100 人左右;年產量120 萬t 規模的鐵礦山，選廠職工人數在55人左右。

(3)以物聯網技術為基礎，實現了安全標準化管理、危險預警及事故應急措施的智能化決策，保證了礦山安全、有序地生產。

(4)以信息軟件和網絡技術為基礎，實現礦山經營管理信息化，對成本、采購、銷售、財務等經營信息進行科學化管理，保證了礦業公司對各所屬礦山的扁平化高效管理。

由于井下采礦工藝和施工組織較復雜，具有離散性，成為礦山智能化的難點。中鋼礦業公司將采礦作業的遠程控制作為突破口，積極探索遙控設備進行采礦作業的技術要求和標準。同時，將繼續利用智能控制技術，進一步促進礦山的智能化科學管理的創新。

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