智能配礦系統在水泥礦山的應用

南京凱盛國際工程有限公司 吳志根 傅紹廣 梁 哲

對于采礦業來說，要走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、人力資源優勢得到充分發揮的新型工業化道路，數字化、信息化、智能化是發展的必然趨勢。實行水泥原料礦山的數字化技術，可綜合考慮生產、經營、管理、環境、資源、安全和效益等各種因素，使礦山規劃管理具有更高的效率、更豐富的表現手法、更多的信息量、更高的分析能力和準確性，從而提高礦山生產和管理的時效性、有效性、資源優化配置水平、綜合實力，促進礦山的可持續發展，達到提高整體效益、市場競爭力和適應能力的目的。

由我公司總承包的泰安中聯示范線融合了當前水泥行業最先進的設計理念和技術，通過礦山數字化開采系統、智能物流（物流管理系統）、智能質控（質量管理系統）、智能生產（專家智能控制系統和設備管理系統）、智能巡檢（生產現場無人值守系統和智能巡檢系統）、智能監視及報表（遠程生產信息管理系統、能源管理系統）等智能制造技術，實現水泥工廠節能降耗、設備保障、管理提升和減員增效的目標。本文結合礦山數字化開采系統在泰安中聯水泥有限公司的成功應用實例，對智能配礦系統在水泥原料礦山的應用做一介紹。

1、智能配礦系統的基本思路

智能配礦系統是在建立礦山地質三維模型的基礎上，運用軟件系統科學的計算礦區范圍內各臺階、各工作面的礦石、夾石等礦巖量以及有益有害組分的化學成分，編制礦區中長期進度計劃，在中長期進度計劃的基礎上編制月進度計劃。

依據三維數字化軟件系統的月采礦計劃，指導爆破生產（開采計劃）；通過爆破后取樣化驗的結果對三維地質模型進行更新修正（爆破取樣化驗）；結合月開采計劃、不同爆區的品位分布和資源量分布情況制定詳細的日生產計劃及配礦日計劃（制定日計劃）；據配礦日計劃及爆區品位分布情況，規劃各裝載設備單位時間出礦量，通過卡車調度系統指導生產，實現配礦精細化控制（GPS調度）；對卡車運行狀態進行檢測（卡車監督）；對破碎后的礦山通過在線分析儀檢測反饋（在線品位檢測反饋）。

2、智能配礦系統的具體實施方法及步驟

2.1 礦山三維建模工作

礦山建模首先應建立在對礦山進行地質勘探工作的基礎上，地質勘探工作越深則三維建模越準確，建議地質工作至少做到勘探程度。礦山建模分為地表模型建立、礦體模型建立和塊段模型建立。

2.1.1 地表模型建立

地表模型建立是三維地質建模一項重要的內容。三維地表不僅直接影響地表工程（礦山道路、基建工作面等）的設計、施工，而且對于破碎位置選址、排土場合理布置等有很大影響。同時，地表模型作為邊界約束條件，還直接影響到露天境界優化的技術經濟指標和工程量的計算。

2.1.2 礦體模型建立

礦體模型的建立是整個模型建立過程中最重要的部分，它們都是為礦體的開采服務的。建立礦體模型除了可視化、體積計算、在任意方向上產生剖面、與來自于地質數據庫的數據相交四種功能外，還有一個極其重要的功能，就是為之后的品位估值和塊段分析提供線框約束的基礎。建立礦體模型后，可以在任意方向切剖面，生成剖面圖（含地層情況、厚度等）。還可以將地勘部門生成的剖面圖與地質模型生成的剖面圖進行比較分析，以控制開采過程中的經濟性與風險性。

2.1.3 塊段模型建立

通過塊段模型可以完成對平均品位統計及儲量計算等工作，還可以結合地表模型、地質數據庫生成任意剖面品位分布圖，了解各個剖面的品位分布情況。

圖1 礦山三維模型

2.2 露天采礦設計

2.2.1 露天境界優化

露天境界優化是露天礦山設計的重要環節，是露天礦山生產經營決策的重要依據，對露天礦進行開采設計，首先要進行境界優化。

在建立礦床數學模型（包括地表模型、礦體模型、塊段模型）的基礎上建立礦床價值模型，根據計算或選取的經濟技術參數分別對礦巖礦體進行成本和收益計算求取塊體凈值，形成境界優化直接運算的對象——礦床價值模型。然后，確定露天境界優化的邊界約束條件，包括最終邊坡角、地表限制模型、底部限制模型或標高及其他限制邊界條件。最后，實現境界優化，先選擇優化方法，確定優化參數后進行境界優化運算，實現優化境界。

2.2.2 編制中長期采剝進度計劃

根據已建立的礦床數學模型，確定礦山各采區的儲量、品位分布情況，利用三維數字化軟件進行礦山的模擬開采，即利用軟件對礦石進行預搭配開采，確定開采工作面位置，提供礦山中長期的采剝進度計劃，有目的進行多采區多工作面搭配開采，從而提高資源利用率。中長期采剝計劃逐年滾動，即根據上年度采剝計劃的執行情況和相關要求，編制本年度計劃及后續年的框架計劃，形成新的滾動采剝計劃，以后逐年滾動推進。年度采剝計劃一般由礦山在運輸系統設計完成后進行。

采剝進度計劃的主要作用為：

（1）安排臺階開采順序，迅速制定切實可行的開采計劃；

（2）為廢石混入率和品位值設定目標，最大程度地控制進入石灰石破碎的礦石質量；

（3）計算包括運輸、穿孔、裝藥等在內的系統配置要求；

（4）基本確定了礦山的整體生產目標與開采順序，并且為制定月度采剝計劃提供指導實際生產。

圖2 中長期采剝進度計劃

2.2.3 編制月進度計劃

根據已編制的中長期采剝進度計劃編制礦山月采剝進度計劃，三維數字礦山軟件已實現了虛擬采場環境下模擬手工編制采剝計劃的過程。在軟件中可根據臺階推進線，自動生成采掘帶，并自動報告礦量、品位、巖量等指標；增大或減小采掘范圍時，實時動態報告相應指標；同時可以隨時進行采掘帶的查詢和統計。利用三維數字礦山軟件可直接輸出符合國內礦山工作習慣的月采剝進度計劃，可以大大減少礦山生產企業每月編制進度計劃的工作量。

2.3 露天配礦設計

露天礦配礦設計就是依據露天礦境界優化、采剝順序優化、月采剝計劃等數據，通過炮孔巖粉化驗數據對地質品位進行精確補充，在多個爆堆之間進行優化得出最優的配礦方案，從礦山的開拓建設的道路、鏟車分配和汽車運輸的噸位分配等進行生產計劃安排，達到采場配礦要求。配礦設計流程如下：

（1）依據已編制的中長期采剝進度計劃、資源及品位分布情況編制月采剝進度計劃；

（2）鉆孔取樣，在鉆機上安裝高精度GPS，對鉆機進行精確定位，鉆孔取樣；

（3）對鉆孔取樣進行化驗，并將樣品的化驗結果及樣品對應坐標導入到三維數字礦山軟件中，對礦體模型及配礦計劃進行修正；

（4）將修正后的配礦結果編制指令發送到礦車及挖掘機車載終端，指揮生產；

（5）通過石灰石在線分析儀對破碎后的石灰石品位進行實時監測，并將監測結果反饋至調度中心，及時修正配礦結果。

3、智能配礦系統配置

3.1 系統總體結構

本系統的實施范圍是礦山建立一整套包括整個礦區的生產調度車載終端、調度監控等在內的露天礦GPS車輛智能調度及管理系統。實現采運作業的實時遠程自動化生產指揮和生產管理，實現露天礦所有生產數據實時在網、在線，同時智能調度系統結合調度協同作業系統：鉆機自動布孔系統、燃油管理系統、品位在線監測與分析系統、自動稱重系統等為礦山生產管理平臺提供實時的生產管理數據。

3.2 調度系統的部署

按照結構合理，運行可靠，操作方便的原則，將整個系統設計分解為以下三部分：

（1）車載終端系統

泰安中聯水泥有限公司共安裝了17臺車載終端于礦車和挖掘機上。此終端由開采設備提供電源，可3秒反饋一次設備位置、狀態、速度、方向、物料等信息，識別運行狀態如重車、空車、卸載等。隨時通過軟件在礦區二維電子地圖上展示，并能提供交互式信息傳遞（實現語音對講、設備狀態報告、故障報告等）。調度室工作人員可以一目了然掌握現場所有開采設備的運行情況，系統可以統計、提取出所有設備產量、設備故障率、出勤率、運輸設備運行時間、運距、周轉量等信息，為進一步優化提供基礎數據。

（2）通信系統

現場通訊主要是采用GPRS協議，通過與當地通信公司簽署服務協議，在礦山建設信號基站，形成礦區通信網絡。該通信網絡具有覆蓋范圍廣、性價比高、投資少、網絡服務可靠等優點。

（3）現場監控中心系統

泰安中聯水泥有限公司石灰石礦山高危及重點位置加設了視頻監控系統，以便對重點地區進行實時監測。該系統提供圖像抓拍功能，監控中心可碎石根據需要抓拍監控圖像，實現對監控圖像、數據進行實時存儲，數據保存在監控中心。

3.3 調度協同作業系統

（1）品位在線檢測與分析系統

泰安中聯水泥有限公司在石灰石破碎出料皮帶上設置了一臺石灰石品位在線分析儀，可以在線檢測通過的石灰石的成分，并以1分鐘/次的頻率將監測數據傳輸回GPS智能配礦系統，具有實時、準確的優點，為所有的配礦、調度工作提供了可靠的信息依據，也是智能化開采得以實現的保障。

（2）自動稱重系統

自動稱重系統推薦采用無人值守地磅系統，卡車過磅后，計量結果數據傳輸到公司數據中心，三維管控系統和生產執行系統平臺中都可以查詢、顯示、統計等。

（3）燃油管理系統

燃油智能管理，是專門針對露天礦山企業油罐車、加油站成品油輸出以及各種車輛燃油消耗過程實時管控而開發的一套電子實時監控管理系統，有效地監控油罐車、加油站成品油輸出數據，以及各種生產車輛燃油消耗數據，還能為受油設備提供最優的加油方案。系統通過對成品從油輸出環節到消耗的環節的實時監控，從而規范和監督成品油輸出、消耗各個環節的操作行為，防止違規操作，杜絕浪費，為企業管理提供科學的依據。

4、結束語

智能配礦系統可在礦山源頭上實現礦石的預均化搭配開采，使礦山低品位礦石得到充分利用，延長礦山服務年限，提高勞動效率，并可有效減少水泥企業對石灰石預均化堆場的投資，有利于環境保護和綠色礦山的建設，為企業帶來較好的經濟效益和社會效益。