地下金屬礦山智能化技術進展

李國清 王 浩 侯 杰 胡乃聯

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

長久以來，礦山被視為高消耗、高投資、高危險、高污染、勞動密集的生產型企業，通過技術進步和裝備水平提升來改善礦山的勞動條件始終是礦業界關注的重點和追求的目標。現代高新技術一直在引領和推動著礦業發展，高效率采礦技術、大型無軌設備、現代信息技術、礦業系統仿真與優化等技術的進步及廣泛應用，使礦山的生產條件顯著提升。進入21世紀后，物聯網、大數據、云計算、人工智能、自動定位與導航、虛擬現實等高新技術逐步在礦山集成應用，使礦山的生產方式發生了根本性的變革，從傳統的手工作業、機械化作業，逐步發展到了自動化、數字化和智能化階段［1-3］。

智能采礦已被普遍認為是未來礦山的生產方式，智能化技術和手段在礦山中的應用可以極大提高礦山生產效率、保障礦山安全生產、減少生命和財產損失，因而智能化是礦山技術變革、技術創新的一種必然。經過不斷的研究與探索，礦業發達國家在智能采礦領域已經取得了豐碩成果，并得到了廣泛應用。近年來，我國對智能礦山技術的研究與應用也非常重視，從礦業的安全、高效、經濟、綠色與可持續發展等目標出發，倡導礦山積極開展智能化建設，并在技術、政策、資金等方面給予了全方位的引導和支持。

地下金屬礦山由于生產條件多變、作業地點分散、生產組織復雜等諸多特征，智能化建設進程相較于煤礦和露天金屬礦山有所滯后，在建設內容和側重點上也有所區別。為了科學認識地下金屬礦山在智能化建設上的基礎定位，正確理解建設內涵，需要全面梳理總結國內外智能礦山建設的先進經驗，為我國地下金屬礦山的智能化建設提供引導，保證智能礦山建設的先進性和有效性。

1 礦山智能化全球化戰略引導

總體來講，礦山的智能化進程經歷了礦山自動化、數字礦山和智能礦山3個階段，而其基礎起源于西方的礦床數字化建模與自動化采礦。在礦山智能化發展戰略上，國外礦山以設備制造商、大型礦業公司為主體進行推進。與之有所區別，我國智能礦山則是從國家戰略與發展規劃上進行宏觀布局。

1.1 國外礦山智能化戰略

西方礦業發達國家最早開始應用自動化采礦技術可追溯到20世紀60年代，并隨著應用范圍的擴大，自動化技術、裝備與開采工藝不斷融合，形成了從自動化到智能化的采礦技術發展趨勢［4-7］。20世紀90年代，芬蘭、澳大利亞、瑞典、加拿大、美國等礦業發達國家，先后制定了一系列智能礦山發展計劃，大幅提升了礦山的自動化與智能化水平，增強了企業的競爭力。

1991年芬蘭提出1992—1997年的5 a智能礦山技術研究計劃，之后又提出了智能礦山實施研發計劃，涉及采礦實時過程控制、資源實時管理、高速通信網絡、新機械應用和自動化采礦與設備遙控等28個專題［8］。加拿大1993年完成論證并開始實施采礦自動化項目5 a計劃，還制定了一項遠景規劃，擬在2050年建成所有機械破碎和自動采礦設備由衛星操控的無人礦山［9］。1994年，澳大利亞聯邦科學和工業研究組織（CSIRO）發起了采礦機器人研究項目，研制了露天礦山大型鏟斗的自動控制與遙控系統，開發了地下金屬礦鏟運機自動控制系統［10-12］。1996年，加拿大Inco、芬蘭Tamrock和挪威Dyno炸藥集團聯合發起了采礦自動化計劃（Mining Automation Program，MAP），規劃了導航、遠程遙控、相應的控制軟件并在加拿大北部建立了實驗礦山［13］。之后，瑞典也制定了面向礦山自動化的“Grountecknik 2000”計劃。

以早期自動化采礦成果為基礎，近年來國外礦業界持續推進智能礦山技術的研究與應用，無論是國家層面還是企業層面均提出了大量礦山智能化戰略布局。自2013年起，國際知名咨詢公司德勤（Deloitte）在其公布的年度礦業趨勢報告中先后強調了現代信息技術、遠程采礦、數字化、數據分析和人工智能等技術的重要性［14-17］。在2018年《智能礦山——創造真正的價值》報告中將“智能礦山”視為礦山轉型的必然手段和未來發展的必然趨勢［18］。2020年度礦業十大趨勢報告結合典型案例，強調了“走向智能采礦之路”的重要性，認為數字技術、人工智能以及分析解決方案將有望推動礦業轉型，但同時也表明從啟動智能化建設到創造預期價值仍有較長的路［19］。

近年來，瑞典持續開展了“瑞典礦業創新（Swedish Mining Innovation）”項目，旨在推動礦業進步與可持續發展。2017年，6家瑞典采礦技術公司與瑞典商業公司聯合成立了瑞典采礦自動化集團（Swedish Mining Automation Group，SMAG），在采礦行業開展合作并促進創新［20］。2020年開展了全面推進、試點示范、前瞻研究和戰略規劃四大類共計42個項目，涵蓋了地測采選冶的全流程和物聯網、無人機、大數據等前沿技術的應用，對礦山智能化起到重要的引導作用［21］。

2019年，歐盟（EU）發起了一項為期4 a的“Robominers”項目，該項目的目標為開發一種能夠用于地下開采的仿生機器人，用于狹窄地點或環境惡劣地點的采礦作業［22］。英美資源集團（Anglo American）制定了“未來智能采礦（Future Smart Mining）”計劃，以逐步提升其智能化生產和管理水平。秘魯的奎拉維科（Quellaveco）銅礦將成為其第一個試點建設的全智能礦山。

此外，國外許多礦業公司，如巴厘克、波里登、紐蒙特、自由港等，都在實施數字智能礦山建設計劃，在三維礦業軟件深度應用、裝備智能化及無人化作業、生產協同管控與實時調度等方面都達到了很高的水平。

1.2 兩化融合與智能制造指導下的我國礦山智能化戰略

普遍認為我國礦山的工業化進程尚未完成，裝備水平不均衡，在礦山智能化布局上有其自身的側重，但整體上起步較遲于國外礦山。近年來，國家加大了政策的扶持力度，與礦業發達國家的差距在逐漸縮小，并在一些領域實現了趕超，形成了一條具有中國特色的礦山智能化發展戰略。

從2007年，國家號召“兩化融合、走新型工業化道路”，到2015年提出“中國制造2025”戰略，這都對我國礦山智能化建設起到了推動作用，有利于促進我國智能礦山發展進程。2016年，國土資源部發布的《全國礦產資源規劃（2016—2020年）》明確提出未來5 a要大力推進礦業領域科技創新，加快建設數字化、智能化、自動化礦山［23］。2017年，國家出臺《安全生產“十三五”規劃》，強調“機械化換人、自動化減人”［24］。隨后，《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》《新一代人工智能發展規劃》及《智能制造工程實施指南（2016—2020）》等文件相繼出臺，推動傳統礦山企業繼續深化技術變革，這些都形成了智能礦山發展的時代背景與需求原動力，智能化已成為礦業發展的必由之路［25-27］。

在此背景下，智能礦山建設相繼引起了自國家、行業到大型礦業集團的普遍重視。自“十一五”開始，國家先后立項開展了多項與智能化采礦相關的重點或專項科技攻關項目，如“數字化采礦關鍵技術與軟件開發”、“地下無人采礦設備高精度定位技術和智能化無人操縱鏟運機的模型技術研究”、“井下（無人工作面）采礦遙控關鍵技術與裝備的開發”等，為進一步全面開展智能礦山建設奠定了良好基礎。“十二五”期間，科技部將“數字礦山建設關鍵技術研究與示范”和“地下金屬礦智能開采技術研究”列入了國家“863”計劃，提升了礦山信息獲取、信息傳輸和信息處理的能力，并研發了智能鏟運機、智能卡車等智能采礦裝備與配套技術，推進了我國智能采礦技術的發展。“十三五”期間，在“深地資源開采”專項支持下，設置了“地下金屬礦規模化無人采礦關鍵技術研發與示范”項目，繼續推動我國智能礦山領域的技術攻關。“十四五”規劃更是對礦業的智能化提出了明確要求，指出要推動傳統產業高端化、智能化、綠色化，推動互聯網、大數據、人工智能等技術同各產業深度融合，培育新技術、新產品、新業態、新模式。隨著科技創新的加快推進，大數據、互聯網、遙感探測等新技術與礦業交叉融合，數字化、智能化技術和裝備研發應用，使礦業發展新動能日益強勁，為礦業轉型升級，實現創新發展開辟了新領域，即礦山開采的數字化、智能化。

在國家相關政策的引導下，煤炭、有色、冶金以及黃金行業都根據各自的行業特征，開展了對礦山智能化建設內容、體系以及關鍵技術的大討論，許多具備條件的礦山也根據自身的理解開展了智能礦山建設工作。為了充分融合已取得的經驗、整合建設成果，國家各部委、行業協會等也根據行業特色制定了（或正在制定）指導企業智能化發展的相關指南或標準。

2017年1 月，《工業和信息化部關于推進黃金行業轉型升級的指導意見》中明確提出了強化智能制造，運用信息化手段、自動化設備、智能化生產體系和強化標準建設等原則和要求來改造黃金產業［28］。2018年5月，國家質檢總局、國家標準化管理委員會發布了《智慧礦山信息系統通用技術規范》，正式將礦山智能化列入了國家標準［29］。2020年2月，國家發展和改革委員會、國家能源局等8個部委聯合下發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確了煤礦智能化發展的目標、主要任務和保障措施，對采煤、掘進、運輸、通風、供電、選煤等環節的智能化發展具有重要的指導意義［30］。2020年4月，工業和信息化部、發展和改革委員會和自然資源部聯合發布了《有色金屬行業智能礦山建設指南（試行）》，加快推進5G、工業互聯網、人工智能等新一代信息通信技術在有色金屬行業的集成創新和融合應用［31］，明確指出了鼓勵生產勞動作業強度大、作業環境惡劣（高溫、多粉塵、噪音大等）、人員安全風險大的鑿巖、裝藥、支護、鏟裝、運輸等崗位，應用智能鑿巖臺車、智能錨桿臺車、智能鏟運機、智能卡車、智能裝藥車等具備自主行駛與自主作業功能的采礦裝備，以降低人員勞動強度，提高生產安全性、質量穩定性和生產效率。

自然資源部已經開展《智能礦山建設規范》行業標準編撰工作，并在2020年完成了征求意見稿，涵蓋金屬礦、非金屬礦、煤礦的智能化建設標準，將“智能礦山”最終定義為“在地質測量、資源管理、采礦生產、選礦加工、運輸倉儲等方面實現數字化、信息化、智能化管控的現代化礦山”，指出智能礦山建設應包括基礎設施、資源管理、采礦、選礦、生態環境保護、礦山大數據應用與智能決策，具有系統性、全面性和技術指導性［32］。

此外，中南大學、北京科技大學、礦冶科技集團有限公司、中國恩菲工程技術有限公司、長沙礦山研究院有限責任公司等單位先后建立數字礦山、智能礦山實驗室（或研究中心），開展數字化和智能化的專門研究。針對智能礦山學科領域交叉性這一鮮明的建設特征，對于相關人才的培養也備受重視，國內一些礦業類高校開設了專門的智能采礦班，為我國礦山智能化培養人才。

2 國外地下金屬礦山智能化建設與應用進展

2.1 先進案例及智能化特色

近些年，礦業發達國家持續加大布局智能礦山技術應用，在三維礦業軟件深度應用、裝備智能化及無人化作業、生產協同管控與實時調度等方面都達到了很高的水平。

（1）瑞典基律納鐵礦——全面無人智能采礦的典型代表。基律那鐵礦位于瑞典北部，進入北極圈145 km。基律納鐵礦隸屬瑞典LAKB公司，是世界上規模最大的地下鐵礦，設計規模為年產3 000萬t原礦。該礦已基本實現無人智能采礦，在井下作業面僅保留少量維檢人員，大量生產作業流程由遠程計算機集控系統完成，自動化和智能化程度非常高。該礦智能化主要得益于大型機械設備、智能遙控系統的投入使用，以及現代化的管理體系，高度自動化和智能化的礦山系統和設備是確保安全高效開采的關鍵［33］。基律納鐵礦巷道掘進采用鑿巖臺車，臺車裝有三維電子測定儀，可實現鉆孔精確定位。采場鑿巖采用瑞典阿特拉斯公司生產的simbaw469型遙控鑿巖臺車，臺車采用激光系統進行準確定位，無人駕駛，可24 h連續循環作業。采場鑿巖、裝運和提升都已實現智能化和自動化作業，大量無軌設備已實現無人駕駛。礦石裝載采用山特維克生產的Toro2500E型遙控鏟運機，單臺效率為500 t/h。井下運輸包括膠帶運輸和有軌電機車運輸，有軌電機車為連續裝載、卸載的自動化底卸車，膠帶輸送機自動將礦石從破碎站運送到計量裝置中，與豎井箕斗完成裝載和卸礦，整個過程均為遠程控制。巷道支護采用噴錨網聯合支護，由遙控混凝土噴射機完成，錨桿和鋼筋網安裝使用錨桿臺車。

（2）芬什（Finsch）鉆石礦——地下無人駕駛。芬什礦是南非第二大鉆石礦。每臺鏟運機均安裝了生產指令系統和鏟斗計量系統，可將當班的計劃出礦量、已出礦量、剩余出礦量、完成百分比、本次卸礦點及下個出礦點等信息顯示在鏟運機面板上，鏟運機司機根據控制面板上的信息進行操作，縮短了鏟運機和卡車之間互相等待的時間。2006年底卡車自動化系統投入運行，是全球首家實現卡車自動化的礦山。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：輪胎消耗降低24%，燃油消耗節約27%，維護成本降低60%，卡車數量減少33%，主要部件壽命延長65%，操作人員減少66%［34］。

（3）北帕克斯（Northparkes）銅礦——高度機械化和自動化。北帕克斯銅礦位于澳大利亞新南威爾士州，現由洛鉬集團控股。該礦山地表設置采礦遠程控制中心，使用移動車輛無線定位和視頻監控技術等。該礦井下生產從2014年起就實現了80%自動化，并在2017年左右提升到完全自動化，在礦業界尚屬首例。所有北帕克斯礦的無人駕駛裝載車自行運轉，進行裝礦、運礦和卸礦。這一突破讓北帕克斯礦山實現了全天24 h、一周7 d不停運轉，提高了日產量，并顯著降低了采礦成本。完全自動化使北帕克斯礦山成為了全球行業領先者和行業標桿。

（4）諾頓金田——三維協同設計及全生命周期管理。諾頓金田礦業公司是澳大利亞最大的金礦提供商，目前為福建紫金礦業的全資子公司。諾頓金田具有完整的現代化礦山管理解決方案，建設了三維協同設計及全生命周期管理平臺，并基于Geovia Surpac軟件和三維激光掃描系統進行三維建模并將模型整合到三維平臺，實現全流程規劃與管理。公司實現了大型化、機械化、智能化采礦設備在露天礦和地下礦的應用，公司具有精細化與自動化的采礦技術體系，完善的礦山管理理念及管理體系，健康、安全、環境和社區（HSEC）管理體系，職業健康和安全管理體系，完善的生產運行計劃與預算方法。

（5）皮哈薩拉米（Pyhasalmi）鋅銅礦——高度集成化管理。皮哈薩米銅礦位于芬蘭中部，生產能力為3 100 t/d。礦山建有采礦自動化系統、地質與排產系統、提升自動控制系統、備品備件管理系統、井下安全系統以及生產信息系統等。地質勘探信息管控、礦床資源模型建立、礦山生產規劃及設計、礦山測量及工程量驗算等采用Surpac軟件進行數字化管理。主要采礦設備采用山特維克公司的智能采掘裝備，并關聯至ISure、Automine軟件平臺。自動化生產輔助系統如通風、排水、破碎、轉運、消防等集成度高，采用統一界面，在地表或井下均可以進行監控操作。皮哈薩米銅礦充分發揮了自動化和信息化的技術優勢，使得“生產—管理—統計”的各環節中都具備了高效、安全、準確的特點。

此外，智利特尼恩特銅礦、澳大利亞奧林匹克壩銅鈾礦、加拿大基德克里克礦、印度尼西亞格拉斯伯格礦等都是開展智能化研發與應用較早且較為成功的礦山。

2.2 智能裝備與軟件研發

近十余年來，國際著名的幾家采礦設備公司均在大力發展各自的智能采礦裝備及相關技術，不僅研發了大量具有自動化或智能化功能的采礦裝備，更以此為基礎進一步持續致力于礦山智能化的研發和探索，開發了大量引領礦山行業發展的解決方案，這些公司正逐步由原來單一的設備供應商向技術解決方案供應商轉變。

山特維克（Sandvik）公司作為國際領先的采掘裝備供應商，在提供大量智能化采掘裝備的同時，開發了多種智能礦山的技術與裝備系統，如AutoMine系統、OptiMine系統等，有效提升了智能裝備的一體化運營水平［35］。卡特皮勒（Caterpillar）作為世界上最大的工程機械和礦山設備生產廠家，多年來致力于礦山自動化和智能化技術研發，自2000年起便提出了“礦山之星（Mine Star）”的礦山卡車管理解決方案，經多年的發展與應用，為礦山卡車的安全高效運行作出了重要貢獻［36］。安百拓（Eprioc）的前身為瑞典工業集團阿特拉斯·科普柯（Atlas Copco），是一家擁有一百多年采礦行業經驗的裝備與解決方案供應商，配合其先進的采礦裝備，安百拓提出了Mobilaris礦山智能系統、Simba自動化系統等多種解決方案，提高了采礦過程的智能化水平［37］。

海克斯康Hexagon公司在礦山建模與規劃軟件領域處于行業先進水平，以MinePlan軟件為核心，海克斯康提出了一套規劃、運營、調度、決策的全流程解決方案［38］。2020年與巴西某黃金礦山合作，通過采用其“UG Pro”的解決方案，實現了井下作業裝備的數據集成與高效調度，提升了卡車利用率11%。Maptek公司Vulcan軟件為采礦行業提供了先進的三維空間信息、建模、可視化和分析工具［39］。I-Site將三維激光掃描設備與全景相機相結合，提供了高效便捷的測量方案［40］。

此外，裝備供應商如卡特皮勒、日立、小松等也都結合自身優勢研發了相應的智能裝備；礦業軟件公司研發了大量用于礦山數字化和智能化管理的軟件系統，如Datamine公司的Datamine采礦軟件、達索公司的Surpac礦業軟件和Whittle Four-D優化設計軟件等［41-43］。同時，世界上一些知名的自動化公司如西門子、ABB、GE Interlution和Wonderware等也紛紛推出了針對礦山的解決方案和相關產品。

3 國內地下金屬礦山智能化進展

3.1 我國智能礦山建設實踐

我國礦山智能化的實現是以數字礦山建設為基礎，以信息化、自動化和智能化帶動礦山生產行業的改造與發展為目標導向，將開創安全、高效、綠色和可持續發展的新模式視為我國礦山企業生存與發展的必由之路［44-45］。自1999年提出“數字礦山”概念，經過20余年的研究與發展，逐漸衍生和發展出智慧礦山、智能礦山、無人礦山等理念和應用，極大地推動了我國礦山行業的發展［46-47］。

隨著國家不斷重視、政策扶持與技術引導，國內部分大中型礦山企業在采礦設備機械化無人化、開采環境數字化、生產過程控制自動化、經營管理信息化、大數據分析等方面的發展水平均得到一定程度提高，智能化水平也在不斷提升，在保障礦山生產安全，提高企業經濟、社會效益方面發揮了重要作用。

（1）錫鐵山鉛鋅礦——固定設備無人化。西部礦業股份有限公司錫鐵山鉛鋅礦實現了有軌設備無人駕駛、遠程裝礦、采礦數據集成、智能通風、智能排水等，機車駕駛員減員80%，礦工和井下值守崗位減員100%，降低了勞動強度，提升了作業效率，保障了本質安全。在崗職工人數由2015年底的898人，縮減至350人，在智能管控方面，通過MES、集中計量、無人計量、能源管理、物資管理等，實現計量、能源相關崗位減員80%，人工成本累計節約近5 000萬元［48-49］。

（2）三山島金礦——5G+人工智能。2020年3月26日，中國聯通與山東黃金集團三山島金礦聯合打造的“5G+人工智能”應用項目——遠程遙控鑿巖臺車順利通過測試［50］。DD311鑿巖臺車遠程遙控系統改造實現了國內對國外鑿巖臺車控制方式的本質改變，是國內首個成功案例，也是鑿巖設備智能化進程的一大跨越。該項目基于無線通訊、視頻傳輸、自動化控制等最新技術，將瑞典山特維克DD311鑿巖臺車大臂液控多路閥及鑿巖、推進、旋轉液壓先導系統改裝升級為電液控系統，通過電控信號控制設備大臂及鑿巖機等執行機構進行動作。操作人員在地表調度集控室通過專業的遙控操作平臺，利用工業環網聯通地表遙控操作臺和井下設備上的車載控制單元及云臺高清變焦攝像頭，監視設備運行并進行遠程遙控作業。

（3）三山島金礦——大數據分析。三山島金礦規劃建設了“一云、一湖、一平臺”數據底座，實現集成平臺下的數據資源融合管理。在構建統一數據湖的基礎上，搭建了具備數據采集、數據處理、數據分析的可視化功能，擴展了以AI和數據挖掘能力基礎的ROMA平臺。通過數據集成總線，將全礦數據采集至大數據平臺進行存儲、清洗、OLAP分析、查詢服務，與面向大數據的集群協同計算相結合，達到跨數據源的融合計算目標［51］。

（4）凡口鉛鋅礦——采掘裝備智能化。中金嶺南凡口鉛鋅礦位于廣東韶關，是一座大型地下鉛鋅礦。凡口鉛鋅礦以國家“863”項目“地下金屬礦智能開采技術”為依托，開展了地下金屬礦泛在信息采集與井下無線通信、移動設備精確定位與智能導航、智能采礦爆破、生產過程智能控制與調度等有關智能開采中的關鍵技術難題攻關。凡口鉛鋅礦機械化無人采礦率達到83%，在國際同類地下礦山中處于先進水平［52-53］。

（5）冬瓜山銅礦——電機車無人駕駛。2015年，銅陵有色金屬集團股份有限公司與中國恩菲工程技術有限公司合作開展了“地下礦無人駕駛電機車運輸技術”的研發和應用，使冬瓜山銅礦成為國內首家正式應用電機車無人駕駛技術的地下礦山。該系統由智能無人駕駛變頻電機車、巷道移動無線通訊系統、電機車自動調度系統組成，實現遠程遙控裝礦，自動運行、自動卸礦［54］。

（6）普朗銅礦——整體智能化設計與實施。云南銅業普朗銅礦位于云南香格里拉，于2018年建成投產，采用自然崩落法采礦。該礦山自設計之初便借鑒融合了國內外先進礦山案例和先進技術，采用先進工藝、先進技術和先進裝備，制定了高標準、高起點、高水平的礦山建設方案，使其成為國內首批自頂層設計便全面規劃數字化、智能化體系的礦山［55-56］。

（7）杏山鐵礦——集成化的智能生產管控。杏山鐵礦緊密圍繞首鋼集團搭建的縱向四級、橫向四塊的數字化整體框架，從提升地質采礦工作效率、資源利用水平、安全職業衛生水平等入手，著力打造安全健康和綠色和諧型礦山，并以此為目標形成了基礎信息數字化、采礦裝備現代化、生產執行可視化、管理控制一體化和決策支持平臺化的數字化智能化生產管控體系［57］。

此外，馬鋼張莊鐵礦、紫金阿舍勒銅礦、湖北三鑫金銅股份有限公司等礦山也在生產、安全、管理智能化方面做出了特色，取得了進展。這些礦山都根據各自的地質資源特點與生產過程中面臨的實際問題，以安全、高效為主要的目標，通過系統建設、智能裝備的引入，著力解決井下惡劣工作條件下的減人換人問題。但從整體的建設方式來看，建設周期短、解決局部或區域生產安全問題的系統推進速度快、推廣應用迅速，而一些需要長期積累和改造的內容，如業務流程匹配、生產工藝變革、數據資源梳理、管理模式提升等方面，仍未引起普遍重視，智能礦山建設的整體經濟效益并不顯著。

3.2 互聯網企業入局

隨著我國科技創新的加快推進，互聯網、5G、人工智能、大數據、云計算等新技術與礦業不斷交叉融合，大量高新企業將其在行業內的成功經驗運用到礦山智能化建設，開啟了“互聯網+礦業”模式。互聯網高新企業的加入為智能礦山的發展注入了新鮮活力，將互聯網運營模式引入礦山生產行業，為智能采礦提出了新的解決思路。

華為技術有限公司聯合其生態伙伴提出了“3個1+N+5（一網、一云、一平臺、N應用、五中心）”的智能礦山整體架構，5G+AI+鯤鵬云等先進的ICT技術與礦業生產融合，助力實現少人開采、智能運輸、無人值守、無人駕駛、智能管控等目標，從而提升礦山企業本質安全生產水平，助力礦業企業加速走向智能化，最終實現少人化、無人化的愿景目標［58-59］。

百度智能云攜手中國移動，在“智慧礦山”建設中全面推進5G智能邊緣計算的本地化部署。基于5G的大帶寬、低時延和高可靠通信能力和邊緣計算的智能調度、智能運維、自動化部署等特性，能夠實現AI場景化服務到5G網絡邊緣的高效部署和毫秒級的計算任務響應，為礦山車輛的無人駕駛和采礦設備的無人操作，以及礦山生產運營、調度的自動化管理提供支撐［60］。

阿里云公司與銅陵有色合作，將云計算、大數據、人工智能、區塊鏈技術與礦山技術結合，推進銅陵有色在智能制造、數據工廠、產品溯源、供應鏈金融等方面的數字化轉型，建設銅陵有色數據平臺，實施智能礦山、智能工廠、智慧物流、供應鏈智能協同等合作項目［61］。

此外，大量礦業領域供應商也紛紛開啟了礦山智能化裝備的探索。迪邁科技致力于“數字礦山”軟硬件產品及整體解決方案的研發和市場推廣，對我國數字礦山建設起到了推動作用［62-63］。東方測控深耕于設備自動化和智能化領域，在自動化設備無人值守、在線監測、智能選廠等領域的成功案例遍布全國［64］。飛翼股份專注于礦山充填系統研發，在充填系統自動化和智能化方面給出了先進的解決方案［65］。北京速力成功將電機車無人駕駛系統與5G通訊技術融合，開啟了“5G+電機車無人駕駛系統”的新模式［66］。天河礦業云將超算技術應用于礦山領域，給出了面向云計算的智能礦山解決方案［67］。踏歌智行專注于礦用車無人駕駛技術研發和無人礦山建設，在國內多家礦山成功實施了無人礦山系統［68］。

“互聯網+礦業”成為時代所需，礦山智能建設通過智能信息技術的應用，形成了思考、反應和行動能力大大提升的層面，實現了物—物、物—人、人—人的全面信息集成和響應能力。

4 我國金屬礦山智能化建設特點與發展趨勢

從國內外礦山智能化的起源、發展進程、建設內容以及應用效果的分析可知，與礦業發達國家相比，我國礦山雖然存在著資源稟賦條件、裝備水平、管理模式等主客觀方面的不利因素，但是在技術積累、融合創新、推進速度、協同建設等方面呈現出明顯的優勢［69］。我國的智能礦山建設需要認真分析國內外礦山智能化建設的特點，總結歸納其發展趨勢，形成與自身資源條件、技術水平、人員素質相匹配的技術方案與推進方式。

4.1 國內外礦山智能化推進的對比分析

（1）國內外智能礦山建設基礎條件分析。國外智能化技術應用效果較好的礦山所具有的共性特點在于：礦體規模大、賦存條件好、技術裝備水平高；采用崩落法或空場法（嗣后充填）采礦，鑿巖作業相對集中，出礦點和卸礦點相對固定，可以采用自動化鏟運機、卡車解決礦石運搬這一地下開采的薄弱環節。與礦業發達國家相比，我國資源稟賦條件好、生產規模大的地下礦山相對較少，尤其在金屬礦山，符合以上條件的礦床并不普遍，因此全面普及自動化采礦、無人采礦的難度相對較大。為此，需要研究探索適用于我國礦床特點的智能化開采工藝與技術。此外，由于我國的工業化進程尚未完成，需要在進行信息化建設的同時不斷提高工業化水平，即持續推進“兩化融合”，而礦山企業的情況尤為突出。不同礦山之間技術裝備和管理水平差異大也是我國礦山的顯著特點之一，一些礦山的裝備和管理水平已經達到國際先進，但個別礦山卻停留在20世紀60—70年代。這些因素也限制了一些智能化技術的推廣和應用，加大了我國智能礦山建設的難度。

（2）智能采礦成為國內外智能化的建設重點。分析國外礦山智能化成功案例可知，其智能化工作大都圍繞開采過程的自動化與智能化開展，集中在落礦、出礦、運輸、提升等采礦生產的主要環節，即實現鑿巖爆破、鏟運機出礦、無軌運輸、有軌運輸、提升等作業的自動化。這些環節的自動化、智能化能夠大大減少工作面的作業人員，使礦工遠離危險區域，降低勞動強度、提高生產效率，為礦山帶來顯著的經濟和社會效益。我國礦山的開采過程智能化方面，由于受礦床賦存條件、技術和裝備水平的限制，鑿巖、出礦自動化技術尚未應用于日常生產環節，大部分媒體宣傳報道的只是實現了鑿巖、出礦的機旁或遠程遙控，且示范性項目較多。在一些固定設施的智能化方面，如提升、通風、排水、充填等系統的自動化，目前主要是實現了部分功能的自動化和無人值守，真正實現智能化管控還有很多工作要做。

（3）智能安全在我國的地位尤其為突出。安全生產管控是我國礦山最為重視且建設投入較多的項目，井下人員定位、安全監測監控、安全隱患排查與處置等系統在保障礦山生產安全方面發揮了重要作用。基于虛擬現實（VR）或增強現實（AR）的安全人員實訓已經在一些礦山得到應用，取得了很好效果。如何提高安全生產管理的智能化水平，保證系統可靠、穩定運行，將是下一步的重點工作。與我國相對比，國外在安全管理方面，更突出了與生產系統的結合，即安全是生產的一部分，無安全不生產、無生產不安全。不但生產過程的無人化與少人化是出于安全的目的，同時安全也與產量、作業量一樣，成為了生產過程的重要產品。在這一思路的指導下，國外智能采礦通常與智能安全融合建設，并無明顯的區分。

（4）建設與推進主體上的差異。國外智能礦山建設需要在兩個方面取得滿意的效果，即安全和高效，其中的高效不僅是效率，還有效益。以此為指導，國外智能礦山建設與推進是通過知名的礦山設備制造商、礦業軟件提供商與礦業公司、礦山的緊密合作來完成，這也是智能化采礦成功的關鍵。具體步驟是根據礦山特點，商家和礦山聯合研發智能化設備和軟件，在礦山應用并不斷完善，形成可靠、實用的智能化產品，然后大范圍推廣，如此一來，礦山智能化水平得到了提升，商家也得到了豐厚的經濟回報。有別于國外礦山由大型礦業集團的實用性研究到行業化整體提升的發展思路，我國礦山智能化建設起步于國家和行業的全面規劃引導，集中前沿化的科技積累，在具備條件的礦山進行集成探索后得到經驗性成果，在總結后形成示范與引領。這一推進模式一方面可以保證我國礦山可以集中優勢力量專注于智能礦山整體建設體系的形成，但另一方面，在一定程度上導致礦山難以根據其個性化特征對智能礦山的建設主題加以取舍。

（5）智能管理與智能優化上的差距。世界先進礦山都將地質資源的精細化、可視建模作為智能化建設的基礎條件，并以此為基礎進行礦床的經濟建模，從而結合礦床經濟評價形成面向全生命周期的、用于指導實際生產的全局性開采規劃。虛擬設計、生產布局全局規劃貫穿于礦山全生命周期，以保證礦山始終保持在經濟最優的條件下運轉。同時，國外先進礦山的智能化建設更加注重每一個系統或裝備所帶來生產方式的變化，以及與之相適應的操作規程、勞動組織、人員配置、信息采集方式以及控制模式的改進與提升，從而帶來效率的提升和配套組織的精簡，因此智能化建設可帶來顯著的直接經濟效益。

經過20多年的數字礦山建設，我國礦山在空間數據可視化、地質資源管理、生產過程管理等方面取得了突出成績。具有自主知識產權的三維礦業軟件得到了廣泛應用，但其功能并沒有真正發揮出來，地質測量業務模塊（勘測數據處理，礦體圈定、儲量計算）應用較好，但采礦設計、計劃優化業務模塊的應用卻不盡人意，沒有實現真正意義上的業務協同。管理系統雖然積累了大量的生產數據，但由于數據的規范性、一致性差，加上管理模式、管理水平的不足，大數據分析缺少有效的模型與算法，輔助決策的效果并不理想。

總之，與礦業發達國家相比，我國礦山智能化建設在國家政策引導和企業面臨的生產安全壓力雙重作用下，智能化建設的積極性普遍很高，出現了一大批示范項目、示范礦山，在5G技術的廣泛應用、井下電機車無人駕駛、選礦自動化等領域已經達到了國際先進水平。但是，由于我國的工業化進程尚未完成，不同礦山之間的裝備水平、管理水平差距大，智能化建設難度較大，建設積極性雖然很高，但是實際效果仍有提升空間。

4.2 我國地下金屬礦山智能化的發展趨勢

智能礦山的發展應與我國礦業技術的發展進程相匹配。隨著深部采礦、綠色礦山等新型礦山生產運作模式的出現，數字化、智能化作為一種新的生產方式和管理工具，也將持續面臨新的挑戰。就目前礦業發展趨勢來看，我國地下金屬礦山的智能化建設需要關注以下問題：

（1）礦床模型后續應用。目前，礦業軟件在我國金屬礦山的礦床建模、露天礦境界優化、礦開開采規劃等方面已有了不同程度的應用，積累了豐富的經驗，但是礦床模型在礦山生產中如何發揮具體的、切實可行的指導作用，則需要在進一步加強模型可靠性和動態性的同時，進一步擴大礦床模型的應用范圍。從廣度上，需要將地質模型、經濟模型、開采模型相結合；在深度上，則需要將其向后部延伸，在作業計劃與排產、調度指揮、測量驗收、經濟分析等方面進一步發揮作用；在形式上，面向礦床模型的生產布局規劃、井下工程信息（MIM）、井下開采的數字孿生體系（DT）、資源利用的可視化優化等，都是礦床模型后續應用的重點與難點。

（2）適用于智能開采的采礦工藝變革。傳統的穿爆法采礦工藝具有分散、不連續的顯著特點，其中落礦和礦石運搬是最為重要、同時也是最為薄弱的兩個生產環節，因而避免工人長時間工作在環境惡劣、危險源多的鑿巖和出礦工作面是智能礦山建設的首要任務。有條件的礦山需要基于智能化采礦方式進行開采工藝技術的變革，采用生產效率高、鑿巖作業相對集中、出礦點相對固定的采礦方法，以便于智能化鑿巖與出礦裝備的高效應用。此外，隨著破巖技術的進步，巷道全斷面連續掘進機、非爆破連續采礦機已在地下礦山開始應用，為智能化采礦開辟了新途徑。

（3）面向“5G+工業互聯網”的智能礦山應用場景。自2017年我國深入實施工業互聯網創新發展戰略，至2019年5G網絡進入工業應用以來，智能礦山已開始探索“5G+工業互聯網”的具體應用場景，最為明顯的是通過人工智能、大數據、云計算等技術的引入，實現多平臺聚合和多領域融合，將傳統以地域為中心的建設模式逐漸向“端—邊—云”模式過度，并在大規模數據采集傳輸、人工智能分析檢測、精準作業控制等關鍵環節構建應用場景。“5G+工業互網”在智能礦山建設中深入應用后，將與具體的應用系統建設相結合，使得礦山的生產運營體系將在時空上呈現集成、協同和優化，具體的業務內容管控則在精準、實時和自主調節等方面加以改進提升，從而全面改變礦山傳統的運作模式。

（4）數據標準與信息資源規劃受到重視。智能礦山的規劃必須要基于礦山的個性化特點，這個特點集中反映在對礦石流及相關數據的分析、理解和管控。與其它制造業相比，礦山企業的數據資源要復雜得多，這是由礦山開發中地質資源屬性的核心地位所決定的。地質資源信息的全局性、不確定性、動態變化性，導致了信息資源的多元化和多源性。在礦山管理層面，多平臺、多技術以及多建設主體間的數據融合應用也是智能礦山建設需要重點解決的問題。更進一步，隨著我國礦山兩化融合的進一步深度推進，規模化、集約化以及區域化的生產布局將成為重要趨勢，將會帶來不同礦區、不同生產主體間的信息集成問題。因此，智能礦山建設不但要有精準的目標定位、系統化的建設內容，還應有面向廣域信息集成的數據標準和信息資源規劃，從主數據分析、數據共享、數據流轉和數據集成等若干層面建立面向智能礦山全局的數據標準，以規范和指導各應用系統的數據存儲與應用，從而避免出現諸多孤立系統現象。

（5）全局優化思路下的智能決策。智能礦山不僅僅是單個裝備的智能化改進，也并不局限于單個生產系統的無人化操作，而是諸多系統在一致性的礦山運營目標前提下，相互協同運作的過程。因此，在數據標準的前提下完成礦山的數據治理，進一步引入大數據、人工智能與優化算法，針對全局目標對礦山生產資源進行跨域協同優化，是智能礦山中智能決策的發展趨勢。

（6）虛擬現實技術真正進入生產應用。目前，虛擬現實、增強現實等技術在礦山的應用主要集中在整體布局展示、生產人員培訓、設備保障與輔助維修等方面，但在實際生產過程中，其應用主題仍然不夠明確。虛擬現實技術以其對現實生產系統的高度仿真，可以與大數據分析相結合，模擬、分析并動態控制礦山資源、成本、產量與供需的關系，為礦山生產管理與決策提供敏捷、直觀的優化平臺和工具，將在礦山經營策略形成、生產規劃優化以及生產異常防控等環節發揮重要的作用。

（7）生態礦業、綠色礦山將作為智能礦山建設的核心目標之一。隨著我國對于礦山綠色開發的日益重視，以節約資源、保護環境、安全均衡、生態和諧的方式組織生產，成為未來礦山生產運營的重要前提。為此需要對礦山開發過程中的生態足跡進行分析建模，根據數據融合和大數據建模的思路將礦山的生態效益加以量化、具體化和實體化，并進一步指導智能礦山的規劃和建設。

5 結論

（1）近年來，我國礦山智能化建設進展顯著，但在地質資源優化開發、生產過程自動化與無人化、生產經營決策智能化等方面與礦業發達國家相比仍存在一定程度的差距。同時需要指出，由于信息技術的迅猛發展，使得礦山企業，尤其是現代礦山企業直接面對了信息技術發展的前沿技術和最新的管理理念，因此我國地下金屬礦山的智能化建設具有較好的發展前景。

（2）較為理想的地質條件、高效率的采礦方法和采礦裝備、先進的管理理念是智能礦山建設成功的關鍵。智能礦山建設并非是簡單的設備購置和自動化改造，我國地下金屬礦山開展智能化建設時，需要充分考慮礦山企業在生產工藝上的差異和企業的個性化需求，在制定智能化建設方案時，有必要統籌考慮裝備研發與管理體系、硬件平臺和軟件應用、單個系統的智能化與整體運營的協同優化等方面的綜合問題。

（3）盡管智能礦山建設是多學科領域技術成果的集成應用，但其建設的成功與否取決于礦山生產工藝與智能化技術的匹配與融合程度。智能礦山建設不僅需要不斷吸納信息技術、自動化技術與人工智能技術的最新成果，還要注重于在開采技術不斷發展、資源綠色開發持續推進、安全生產需求不斷提升等行業背景下礦山諸多技術需求的有效滿足。