數(shù)字化智能管理系統(tǒng)在露天礦山的應(yīng)用

陳 勇，曹遠見

（中國非金屬材料南京礦山工程有限公司，江蘇 南京 210000）

1 數(shù)字化礦山的意義

1）改變礦山的生產(chǎn)經(jīng)營方式，在礦山設(shè)計、測量、開采、安全、應(yīng)急管理以及綠色化礦山建設(shè)等方面產(chǎn)生正面積極的引導(dǎo)作用，促進本就稀缺的礦山資源合理有效的開采，防止出現(xiàn)礦產(chǎn)資源浪費的現(xiàn)象。

2）數(shù)字化礦山為礦山開采技術(shù)的發(fā)展提供更強大的動力。使礦山開采具有更高效、更豐富的管理手段、更多的信息獲取，從而提高礦山生產(chǎn)管理的時效性和準(zhǔn)確性，提高資源優(yōu)化配置水平，促進礦山的可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字化礦山為礦山管理者搭建了一個帶有準(zhǔn)確坐標(biāo)、時間節(jié)點和對象屬性的三維虛擬環(huán)境體系，在這個體系中進行規(guī)劃、決策和管理，使管理者在處理礦山復(fù)雜系統(tǒng)問題時能夠建立更強的立體感和全局觀念。

2 虎提山灰?guī)r礦背景介紹

1）本工程是棗莊創(chuàng)新山水水泥有限公司一條4 000t/d新型干法水泥熟料生產(chǎn)線和一條100萬t/a水泥粉磨生產(chǎn)線的配套工程，礦山生產(chǎn)規(guī)模200萬t/a。

2）本礦采用露天開采，自上而下、水平分臺階開采，礦山共劃分為6個開采水平，臺階高度15 m。依據(jù)礦山現(xiàn)狀，為盡快達產(chǎn)，在基建期內(nèi)對+110 m水平以上削頂，礦山主要開采工作面布置在+95 m、+80 m、+65 m和+50 m水平。根據(jù)礦體產(chǎn)狀要素及其空間展布狀態(tài)，礦山工作面前期采用縱向采剝方法，隨著工作面的推進改為橫向采剝方法，工作面根據(jù)礦山實際情況進行調(diào)整（見下頁圖1）。

采剝工藝：采用潛孔鉆機穿孔，多排孔孔內(nèi)毫秒延時逐孔爆破，挖掘機裝車，礦山專用自卸汽車將礦石自工作面運至礦區(qū)西南側(cè)的破碎站，破碎后的礦石由皮帶輸送機運至礦區(qū)西側(cè)0.95 km外的水泥生產(chǎn)線。

3）本礦礦石儲量規(guī)模大，Ⅰ級品礦石主要分布在KC01礦層中下部，礦石平均品位：w（CaO）為49.23%；w（MgO）為1.99%；w（K2O+Na2O）為0.43%，為一優(yōu)質(zhì)水泥用灰?guī)r礦床，礦石類型以鮞粒灰?guī)r和豹皮灰?guī)r為主；Ⅱ級品礦石主要分布在KC01礦層上部，礦石平均品位：w（CaO）為46.64%，w（MgO）為1.64%，w（K2O+Na2O）為0.76%，礦石類型以泥質(zhì)條帶灰?guī)r為主；經(jīng)企業(yè)前期水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)的經(jīng)驗，Ⅱ級品礦石不能單獨進行水泥生產(chǎn)，必須和Ⅰ級品礦石搭配使用。

3 虎提山灰?guī)r礦開采中存在的問題

1）礦山在被掛牌出讓前已被開采多年，在開采中采用機械鑿巖，深孔爆破，汽車運輸，由于礦山以往未按照設(shè)計要求采用自上而下水平分臺階開采，致使目前礦區(qū)內(nèi)已形成了多個采坑。礦區(qū)內(nèi)的采坑主要分布在礦區(qū)北部、中部及東部，北部采坑主要分布在00勘查線以北，中部和東部采坑主要分布在00勘查線與IV勘查線之間，其中礦區(qū)北部和中部大部分已采至+50～58.7 m水平，部分采坑內(nèi)有積水；礦區(qū)東部已形成的平臺呈南北向，其標(biāo)高由西向東分別為+80 m、+95 m及+110 m水平，通往各工作面的運輸?shù)缆酚傻V區(qū)南側(cè)進入。

2）虎提山+95 m以上水平礦石質(zhì)量較差，含鈣量較低，且分布不均，此現(xiàn)象主要因該層巖石較為接近原始地表，風(fēng)化巖較多。

為解決此問題，保持現(xiàn)有開采面不少于3個，同時供礦的裝車點不少于4個。高品位礦石與低品位礦石相結(jié)合，搭配供礦，使進入破碎站的礦石平均質(zhì)量達到相應(yīng)要求。因為裝車設(shè)備過多，不可避免的造成了現(xiàn)有裝車設(shè)備出現(xiàn)窩工狀態(tài)，設(shè)備利用率低。采用人工調(diào)整裝車位置，分配運輸車輛，往往調(diào)整速度偏慢，因為礦石質(zhì)量波動較大，調(diào)整后仍有可能無法滿足礦石質(zhì)量要求。

4 虎提山灰?guī)r礦數(shù)字化礦山應(yīng)用進程

4.1 數(shù)字化礦山建設(shè)目標(biāo)

本系統(tǒng)的實施將建立石灰石原料統(tǒng)一管控平臺，打通礦石開采、礦石運輸、地磅數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測等環(huán)節(jié)的信息壁壘，將勘探數(shù)據(jù)、現(xiàn)場鉆孔鑿巖取樣化驗室檢驗數(shù)據(jù)、皮帶運輸機在線分析儀在線檢測數(shù)據(jù)、礦車信息、管理信息、智能算法等有機融合，打造“綠色礦山-智能調(diào)度-智能檢測控制—智能調(diào)配礦車等”一體化系統(tǒng)（見圖2）。該系統(tǒng)以現(xiàn)有礦山勘測數(shù)據(jù)、炮孔巖粉化驗數(shù)據(jù)、在線分析儀系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)和調(diào)度管理辦法等為基礎(chǔ)，在保證質(zhì)量指標(biāo)的前提下，實時對不同品位的石灰石資源進行優(yōu)化配置和精準(zhǔn)調(diào)配，并優(yōu)化調(diào)度規(guī)則實現(xiàn)礦車調(diào)度智能化，最大程度的利用低品位礦石，減少礦產(chǎn)資源的浪費，延長礦山壽命、降低生產(chǎn)成本和提高管理水平。

圖1 露天礦鳥瞰圖

圖2 數(shù)字化礦山中控室

4.2 礦車定位與狀態(tài)識別

礦山配備12臺礦用自卸卡車、3臺挖機、1臺鏟車等設(shè)備，挖運設(shè)備上安裝有車載信息接收裝置，系統(tǒng)實時對這些設(shè)備精準(zhǔn)定位、智能調(diào)度。系統(tǒng)自動采集各車載終端定位，自動識別出各礦車運行狀態(tài)(如裝車、卸車、空運等)，并將運行位置、狀態(tài)等信息在礦區(qū)電子地圖上實時顯示出來，保證調(diào)度員及時掌握礦車運行情況（見圖3）。

該系統(tǒng)對礦區(qū)不同平臺、不同礦石品位區(qū)域進行電子圍欄設(shè)置，通過電子圍欄對礦區(qū)進行區(qū)域劃分，當(dāng)?shù)V車進入非指定的電子圍欄時系統(tǒng)會進行報警及時提醒司機校正路線，避免司機走錯路線造成安全問題。同時也會將報警信息通過微信或APP及時推送到安全員手機上。當(dāng)?shù)V山有爆破時，調(diào)度員及安全員通過中控室大屏或手機可以隨時監(jiān)控爆破區(qū)是否還存在車輛及人員。

4.3 智能配礦調(diào)度

系統(tǒng)根據(jù)實際生產(chǎn)中礦車出勤計劃、在線檢測的礦石有用、有害組分，結(jié)合現(xiàn)場實際確定配礦參數(shù)進行配礦算法計算，并根據(jù)車輛調(diào)度原則，結(jié)合礦車、地理位置等情況的變化適時進行自動調(diào)度（見圖4）。

圖3 電子地圖礦車定位

圖4 車輛任務(wù)狀態(tài)界面

調(diào)度員可根據(jù)生產(chǎn)的需要對重要參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。也可以進行人為干預(yù)。該系統(tǒng)為整個智能化礦山運行的核心系統(tǒng)，因為礦石質(zhì)量波動極大，系統(tǒng)算法要結(jié)合現(xiàn)場實際進行實時調(diào)整，在各種突發(fā)狀況中摸索符合實際的邏輯運算規(guī)則，為解決礦石的綜合利用提供最完美的手段。

4.4 車載終端功能

接收調(diào)度指令：系統(tǒng)對礦車的調(diào)度指令以文字消息的形式在車載終端上顯示；

卸車提示：為了達到高標(biāo)準(zhǔn)的配礦，對卸車進行干預(yù)，通過聲光報警方式通知司機按照順序卸載；

確認操作：礦車司機可通過車載終端觸摸屏進行接收指令確認、車輛狀態(tài)（請求任務(wù)、卸車、下班等）報告等操作，相關(guān)信息實時上傳調(diào)度系統(tǒng)如下頁圖5所示。

圖5 車載終端日夜運行模式對比圖

報警：當(dāng)?shù)V車在非指定的電子圍欄內(nèi)停留一定時間后，車載終端以醒目閃爍的文字形式進行報警，通知司機按照正確的位置去裝車。

日夜模式：當(dāng)卡車進入夜班狀態(tài)時，終端屏幕的亮度對司機產(chǎn)生一定的視覺干擾，此時司機可以切換到夜間模式。

4.5 道路粉塵監(jiān)測及氣象情況信息推送

將路面粉塵監(jiān)測數(shù)據(jù)（PM2.5、PM10、TSP）集成到本系統(tǒng)中進行顯示，使管理人員及時通知灑水設(shè)備對路面、裝車點進行灑水降塵，達到環(huán)保要求。

該系統(tǒng)通過對接氣象部門的公共開放接口，及時將獲取的氣象情況推送到調(diào)度員及安全員微信或手機APP上，隨時隨地的掌握氣象情況，盡可能的在崩塌、泥石流、滑坡、洪澇等災(zāi)害發(fā)生前采取必要的安全措施（見圖6）。

圖6 揚塵檢測數(shù)據(jù)窗口

4.6 在線分析儀數(shù)據(jù)及派車的APP

可以通過手機APP隨時隨地查看石灰石元素在線分析儀數(shù)據(jù)，并根據(jù)在線分析儀結(jié)果進行配礦干預(yù)、派車干預(yù)、卸車干預(yù)等（見圖7和圖8）。

圖7 在線分析數(shù)據(jù)實時曲線圖

圖8 派車APP操作界面圖

4.7 平臺儲量及平臺品位的自動更新

本系統(tǒng)可以根據(jù)每天車輛的運載量，及平臺的初始儲量，自動更新現(xiàn)存儲量。當(dāng)現(xiàn)存儲量低于閾值時，會報警。平臺的品位由最近3車的在線分析儀數(shù)據(jù)的平均值為準(zhǔn)，對平臺品位進行自動更新（見圖9）。

4.8 自動過磅系統(tǒng)

自2020年5月1日開始，礦山地磅升級為自動過磅，依靠一整套成熟的自動感應(yīng)系統(tǒng)自動識別礦車，自動進行計量（見圖10）。從而大大簡化了過磅流程，提高了效率，節(jié)約了過磅時間，提高了運轉(zhuǎn)效率。

4.9 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

2020年6月1日，虎提山灰?guī)r礦山上架設(shè)了360o全景攝像頭，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將視頻信號直接傳回公司總部。通過手機APP也能實時掌控礦山生產(chǎn)情況（見圖11）。

圖9 自動更新的平臺儲量窗口

圖10 自動過磅感應(yīng)器

圖11 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

5 當(dāng)前數(shù)字化礦山存在的問題

5.1 前期投資費用較高

整個數(shù)字化礦山的重點核心設(shè)備為在線分析儀，其購置一套的費用在270萬元以上，且兩年半需要更換一次放射性部件，運行維護費用較高。

GPS終端設(shè)備、中央處理器和監(jiān)控顯示器一整套購置費用在30萬元左右。處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件因各公司情況不一，價格相差懸殊，少則幾萬多則幾十萬元。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，科技成本將會不斷降低。

5.2 GPS終端信號接收問題

因為礦山環(huán)境比較復(fù)雜，且位于山東與江蘇交界處，導(dǎo)致移動設(shè)備上的信號接收系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)無法檢測到移動設(shè)備的問題。但這一問題在國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)不斷興起的潮流中，有望得到盡快解決。

6 結(jié)語

結(jié)合這一礦山案例，對于采礦業(yè)從業(yè)者來說，要逐步走上科技含量高、經(jīng)濟效益好、充分利用礦產(chǎn)資源、綠色化礦山、技術(shù)型人才得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化之路，數(shù)字化是其發(fā)展的必然趨勢。面對這個趨勢，采礦人要與時俱進，學(xué)以致用，充分發(fā)揮數(shù)字化礦山的優(yōu)勢，解決困擾我們實際生產(chǎn)中的各種頑疾，合理有效地用好每一份礦產(chǎn)資源。