數字信息化及自動化智能采礦技術在地下礦山的應用與發展*

楊清平，蔣先堯，陳順滿

(1.中色非洲礦業有限公司， 北京 100083； 2.北京科技大學 土木與環境工程學院， 北京 100083)

數字信息化及自動化智能采礦技術在地下礦山的應用與發展*

楊清平1，蔣先堯1，陳順滿2

(1.中色非洲礦業有限公司， 北京 100083； 2.北京科技大學 土木與環境工程學院， 北京 100083)

數字信息化、自動化智能采礦是現代礦山的發展方向，不僅能提高礦山生產整體管理水平，而且能提高礦山綜合效益。礦業發達國家礦山的數字信息化及自動化智能采礦技術發展已日益完善。介紹了國外幾個典型礦山應用實踐，闡述了地下礦山數字信息化、自動化智能采礦的關鍵技術，并對礦山數字信息化、自動化智能采礦提出了幾點建議，可為礦山數字化，信息化同，智能化建設提供參考。

數字信息化；自動化；智能采礦；地下礦山

0 引 言

數字信息化、自動化、智能化作為新興技術極大地促進了各行各業的發展，礦業技術發達國家許多礦山已經實現了礦山數字化、信息化和自動化智能采礦，極大地提高了礦山的生產管理水平，取得了顯著的經濟效益和社會效益。數字信息化、自動化智能采礦技術促使礦山生產各個環節得以高效運行，是現代礦山的追求目標和發展方向。芬蘭的Pyhaslami 礦、瑞典的Kiruna 鐵礦以及加拿大的Kidd Creek礦等先進礦山都率先做出了表率，通過自動化、智能化和無人化采礦，在千米深井條件下實現了很高的勞動效率、安全指標與技術經濟指標。一些深井礦山，炸藥、油料等均已做到通過管道直接下放到井下，同時先進的通訊系統也做到了對設備的遠程遙控，減少上下班交接班時間，提高設備有效工作時間，從而實現高效。其它的通風、排水、提升等系統更是實現了地面遠程控制，既高效，又可節省人力成本。

近幾年，我國在礦山數字信息化建設方面也取得一定成果，首鋼杏山鐵礦通過礦山信息化建設，實現了有軌無人駕駛電機車運輸、井下人員、設備定位、井下語音通信及井下通風、排水、配電等固定設備設施無人值守等生產調度自動控制管理系統。但同國外先進礦山相比還遠遠不足，尤其是自動化智能采礦技術差距更大。

1 國外礦山信息化及自動化智能采礦技術

1.1 Pyhǎsalmi Mine信息化及自動化采礦技術

1.1.1 自動化出礦技術

Pyhǎsalmi Mine是礦山自動化的倡導者和實踐者，與山特維克公司合作獲得了最先進的技術。自動化出礦技術既降低了礦山采礦安全風險，又節省了人員頻繁上下設備的時間。

Pyhǎsalmi Mine現裝備有6臺鏟運機， 其中LH621型4臺、TORO11型1臺和LH517型1臺，并裝備有3套AutoMine Loading-Lite單臺鏟運機自動化系統，三套系統可控制4臺LH621型鏟運機及1臺TORO11型鏟運機，鏟運機從采場到溜井平均運距250 m。

自動化鏟運機系統包括以下主要系統：門禁控制系統 (ACS)； 操作站；MineLAN通訊網絡；自動化鏟運機。

門禁控制系統 (ACS)用于控制人員和設備進入自動化運行區域的屏障。光柵門禁系統確保外界因素打破該系統后鏟運機能自動停止工作。該系統靈活性大，可以根據生產需要很快地挪位和安裝。

操作站用于操作人員控制系統及查看用戶地圖界面，設置于移動面包車內，在采場外進行操作控制。

MineLAN通訊網絡為AutoMine Loading -Lite 子系統與自動化鏟運機間提供無線網絡連接。AutoMine Loading-Lite有兩個液晶顯示面板，一個面板顯示鏟運機的工作環境情況、發動機轉速、運行速度和油料情況、鏟斗和大臂的情況、鏟斗相對于巷道底板的情況、鏟運機橫向和縱向的傾角并據此來判斷鏟運機的工作穩定性。可以設置工作穩定性的最小值，當其低于該值時意味著鏟運機可能有發生傾覆的危險，鏟運機將自動停止運行。另一面板顯示鏟運機在整個開拓系統中所處的位置。

自動化鏟運機配有InfraFREE導航系統及視頻系統，同時還包含MineLAN礦山局域網通訊模塊移動終端和ACS門禁模塊。自動化鏟運機的運行路徑和速度的獲取，首先需要通過人員駕駛沿該路徑行駛一次，鏟運機會自動掃描并存儲該路徑。然后只要選擇該路徑，鏟運機就會根據此記錄的路徑和速度來運行，而對于每段的行駛速度后續是可以手動更改的。每臺自動化鏟運機每年出礦量可達30萬t，整個礦山產量較使用自動化鏟運機前的80萬t提高到140萬t以上，全員勞動生產率20 t/人天左右。

1.1.2 自動化生產系統。

Pyhǎsalmi Mine自動化生產系統包括自動化提升系統和自動化輔助生產系統。

自動化提升系統由ABB公司制造，該系統同時控制礦山的箕斗、平衡錘及罐籠的運行。Pyhǎsalmi Mine主井直徑為5 m，使用直徑為4.5 m的四繩摩擦式提升機，電機為2500 kW的直流拖動同步電機,直接轉矩控制。罐籠可乘坐20人，運行速度為12 m/s，箕斗運行速度為15.5 m/s，每小時提升能力為279 t。當滿載的箕斗達到井口卸載平臺后將21.5 t礦石卸載到地表礦倉，地表礦倉可存儲5 d的出礦量。

自動化生產輔助系統包括通風、排水、破碎、轉運、消防等系統，系統集成度高，采用統一界面，在地表或井下均可以進行監控操作。兩條主網絡與30 個PLC 相連，其中一條主網絡負責排水、消防、提升等系統；另一條主網絡負責通風等其它系統?？傁到y中設置了通信網絡故障診斷報警系統，對各子系統中PLC 和通信路線狀況實時監控。同時建立了井下排水狀態監測系統，對水泵輸入端、自由端、電機輸出端、自由端軸承振動大小、溫度進行實時在線監測。

1.1.3 生產管理系統。

Pyhǎsalmi Mine生產管理系統包含生產管理中各方面的重要數據資源，通過系統可實現生產調度與安排。生產管理系統中最重要的是生產計劃管理。

Pyhǎsalmi Mine生產計劃的編制分為幾個階段，首先使用Surpac 軟件建立礦體模型和礦塊模型，然后建立采場模型并將其導入KATTI 采場數據庫，探礦鉆孔也同樣建模，最后將所有的數據整理成電子表，并編制礦山18 個月的生產滾動計劃。每個月根據生產實際情況對滾動計劃進行調整，每個采場在投產前對其模型進行重新修改，及時更新相關數據，最后根據最新的礦塊模型、金屬價格、生產成本和選冶成本等核計每個采場的經濟價值，再決定具體采場的出礦量等。

采場回采結束后，采用Optech 激光掃描儀掃描采場采空區形態，單個采場空區掃描需半小時，最多可獲得53000 個三維測點坐標，井下掃描最大范圍可達200 m，然后將其導入軟件建立空區模型，一方面為采空區充填設計提供依據；另一方面為二步驟回采采場扇形中深孔設計提供依據。

1.2 南非Finsch mine卡車自動化出礦技術

Finsch mine年生產能力350萬t。卡車自動化系統于2005年下半年開始試生產，2006年12月正式投入生產，是全球第一家實現自動化出礦的礦山。Finsch mine現有13臺6 m3以上鏟運機和8臺50 t卡車，設備維修保養由山特維克公司承擔。根據礦山建設自動化出礦的要求，Finsch mine礦所有路面均鋪設有混凝土，且為了保證卡車與運輸水平之間的較好銜接，提高卡車的工作效率，鏟運機的卸載水平比卡車的運輸水平高3 m。

通過對現場礦卡自動化出礦技術進行對比分析，其應用效果較為顯著，表1為礦卡自動化技術實施效果，設備的行駛速度快，縮短了循環時間，輪胎消耗、燃油消耗、卡車數量和操作人員均大大減少，維護成本降低，主要部件壽命、設備開機率、使用率和設備經濟壽命均得到顯著提高；在安全方面，設置了門禁系統等，可顯著降低安全風險，保證自動化生產過程中的安全。

表1 礦卡自動化技術實施效果

1.3 加拿大Kidd Creek礦自動化采礦技術

加拿大的Kidd Creek礦，年設計的生產能力為230萬t?，F裝備4套Sandvik公司的單臺鏟運機自動化系統，控制4臺LH514型鏟運機，操作站位于地表中央控制室。單臺鏟運機自動化可以實現自動行駛、自動卸礦及遠程遙控鏟裝。由于該礦井深達3000 m，地表距離井下距離較大，設備和人員從地表到井下的消耗時間較長，每天可達到的有效工作時間為12 h，當采用自動化采礦技術后，每天的有效工作時間可延長至15 h，而礦山的生產能力可提高50%。

Kidd Creek礦雖已領略到自動化鏟運機的優越性，但是使用過程依然存在不少問題，主要原因在于自動化系統是在原有系統上添加的，往往因為人員設備進入自動化門禁區而導致系統自動停機，影響設備效率。目前設備的平均運行時間在13 h/d左右，每斗鏟裝10 t左右，臺班產量1000 t/臺班，尚未發揮設備的最大效能。

而且，Kidd Creek礦井下的通風、排水、壓氣、污水處理、油料下放等均實現了遠程自動化控制，其中油料輸送系統由供貨商Shell公司設計，井下油料庫集中供料，在調度室可實現遠程監控。

Kidd Creek礦礦山局域網系統提供在自動化鏟運機和門禁系統之間的通訊，網絡范圍涵蓋自動化作業區域和操作站內的設備。

2 信息化及自動化智能采礦的關鍵技術

礦山信息化及自動化智能采礦主要包括智能開采綜合信息平臺建設、生產管理系統和各職能部門的信息化管理三方面內容。圖1為自動化智能采礦理論框架圖。

圖1 自動化智能采礦的理論框架圖

2.1 智能開采綜合信息平臺建設

智能開采綜合信息平臺建設就是搭建信息化自動化通信網絡系統，建立更加精確、細致的地質數據庫，實現地質解譯的全面數字化。同時，構建隨生產進行而動態更新的精細化礦體三維模型，采用三維激光掃描等技術手段獲得詳細的生產過程空間數據，將礦山已建的各類異構信息化系統進行整合和信息集成，統一管理，打造智能開采調度與控制平臺，即生產調度控制中心，對井下人員、設備等生產各個環節進行遠程控制和在線監測，并在此基礎上實現計算機優化分析設計和工藝仿真。

2.2 生產管理系統

目前采用信息化、自動化和智能化的礦山較多，特別是在芬蘭、美國和智力等國家，因此，礦山生產管理系統可借鑒國內外知名的采礦生產執行系統，實現人員、設備、生產、安全、質量等的管理，對生產過程中的設備狀態和生產過程等進行監控。生產管理系統主要可通過兩個方面來實現對礦山的管理，一方面，根據搜集到的現場生產數據，對礦山的生產計劃進行系統的管理，將礦山生產計劃分為年計劃、月計劃和周計劃等，該管理系統可根據現場情況進行實時調整；另一方面，該生產管理系統可將采集的各類數據自動傳送到生產調度中心。

同時，通過對井下生產設備設施包括自動化采礦設備進行集成化管控，打造統一的設備虛擬管控系統，實現設備姿態實時仿真，完成設備運行狀態的實時監控、生產作業數據的自動采集、自動傳輸及遠程監測，實現礦山井下溜破系統、排水系統、皮帶運輸系統無人值守、變電所遠程監控系統自動化、通風機遠程在線監測與優化、豎井提升自動化、礦山充填自動化、井下有軌(無軌)車輛集中調度控制、智能化裝藥、鏟運機出礦自動化、礦用三維激光掃描機器人應用以及人員設備定位等的數字化、自動化、智能化管理。

2.3 各職能部門的信息化管理

由于管理模式變化，各職能部門比如生產計劃、技術、機電設備、備品備件、勞資以及決策支持等系統原有的管理制度、崗位職責已不適應信息化管理新的要求，需要實時對原有管理制度、崗位職責按照信息化管理特別要求進行修訂和完善，并進行系統培訓，才能實現各職能部門信息化、智能化管理發揮最大效能。

3 對信息化及自動化智能采礦的幾點看法

(1) 開展礦山智能化、信息化和自動化相關標準體系研究。為了實現地下礦山的信息化、自動化和智能化，需對對生產過程中的相關標準體系進行研究。信息化、自動化和智能化采礦是一個系統工程，需要將自動化、信息化、智能化的設備及其管理系統與礦山的開采技術條件結合起來，研究智能化采礦的關鍵技術，形成地下礦山信息化、自動化和智能化開采的通用標準體系。

(2) 促進礦山智能化、信息化和自動化系統的提升。為了建立良好的智能化、自動化和信息化系統，不僅需要大型的設備，更為重要的是需要信息融合建立，建立井下專用的工業通信系統，將各系統進行連接起來，確保礦山在生產過程中，能實時通過網絡系統對智能化、自動化和信息化系統進行調控，將數據進行實時分析和傳遞。而礦山井下環境較復雜，需根據礦山不同地點不同數據種類來確定不同的通訊網絡，將井下信息系統進行較好的融合。

(3) 完善礦山智能開采全過程安全監測系統建設。隨著科學技術的進步，很多礦山的安全系統也逐漸完善，目前礦山六大系統在礦山的應用越來越廣，主要包括井下人員定位系統、礦山壓風自救系統、井下緊急避險地下礦山安全避險系統、礦山監測監控系統、礦井供水施救系統和礦井通信聯絡系統。但如何保證礦山六大系統的高效運行，如何發揮礦山六大系統的最大效能，需將多模塊、多網絡和多接口等進行融合起來，進一步完善礦山智能開采全過程安全監測系統的建設，提高礦山六大系統的安全性、可靠性和兼容性。

(4) 建立礦山大型數據庫平臺，實現礦山數據的實時在線優化。各大礦山在建立智能化、自動化的過程中，采用了強有力的信息融合技術，將現場開采的數據傳遞到計算機上，可通過建立的礦山智能開采調度系統、生產計劃系統、生產控制系統、成本控制系統等，將收集到的現場數據聯合起來，并傳遞到大型的數據庫平臺，實現實時在線分析，對其整個系統進行實時優化。同時，在生產過程中，通過建立的在線監測系統等，對井下的大型設備和大型硐室等，例如變電所、水泵房、提升機和配電硐室等進行監測，確保礦山在安全的狀態下進行最優化生產。

(5) 加強礦山生產輔助系統的自動化及建設。根據國內外建立的智能化、自動化礦山經驗，要建立高效的智能化和自動化礦山，不僅需建立高效的開采運輸系統、生產調度系統、生產控制系統等，還需要建立良好的輔助系統，使其與智能化、信息化和自動化系統進行配套，涉及到的生產輔助系統主要包括：油料輸送系統、井下破碎系統、井下排水和通風系統、井下逃逸系統和井下通訊系統等。

(6) 做好智能化、信息化和自動化人員培訓。一個良好的智能化、自動化和信息化礦山生產系統的建立，不僅需要有大型的自動化設備，與之配套的信息化和自動化系統等，還離不開礦山技術人員的支撐，這些智能化、自動化和信息化設備需技術人員來進行控制與操作，因此，需加強對技術人員的培訓，使智能化、自動化、信息化系統和設備更好的服務于礦山的生產，為礦山創造更好的經濟效益和安全效益。

4 小 結

本文對國內外礦山的生產現狀進行分析，針對國內礦山生產效率低、開采成本高、工作環境條件差等情況，結合國外一些智能化、自動化和信息化礦山應用較為成功的實例，認為智能化、自動化和信息化礦山為未來采礦發展的主要研究方向。對芬蘭Pyhǎsalmi Mine自動化出礦技術、南非Finsch mine卡車自動化出礦技術和加拿大的Kidd Creek礦自動化采礦技術進行了重點分析，提出了建立智能化、自動化和信息化礦山的關鍵技術在于智能開采綜合信息平臺建設、生產管理系統和各職能部門的信息化管理。最后，針對國外的礦山應用經驗，結合國內礦山的現狀，提出了建立智能化、自動化和信息化礦山的幾點建議，需引進國外智能化、自動化和信息化技術；制定礦山智能化生產標準體系、加強自動化和智能化設備的應用；建立完善的智能化、自動化和信息化系統的建設；加強地下礦山的實時監測等技術；建立礦山大型數據庫平臺，實時對井下生產情況分析；加強礦山技術人員的培訓工作等。通過建立智能化、自動化和信息化系統，可大大提高礦山的生產效率，改善井下作業環境，減小礦山生產成本，提高企業的核心競爭力，減小礦山安全生產風險，勢必將成為未來礦山企業發展的重要方向。

[1]王 耿.淺談數字礦山和礦山信息化建設的現狀與發展對策[J].有色礦冶,2014,30(1):62-64.

[2]蔣先蕘，等.謙比希銅礦數字信息化集成管理系統建設 [J].銅業工程,2017(1):81-84.

[3]王 佳.信息化技術在礦山機械管理中的應用研究[J].機電信息,2012,333(15):89-91.

[4]趙興寬，等.卡車自動化在南非芬什礦的應用[J].現代礦業,2015,7(7)：177-178.

[5]劉長堅.信息化在礦山管理中的研究[J].中國礦業,2011,20(7):122-125.

[6]楊清平，等.鏟運機自動化出礦技術及其應用前景[J].采礦技術,2016,16(6):21-24.

2017-08-04)

國家自然科學基金面上項目(51674012).