金川二礦區礦山智能化采礦的研究與探索

鄭向黨 于小海 王秀東 蘇良軍

（金川集團股份有限公司二礦區）

金川二礦區采用機械化下向進路膠結充填采礦法，設備裝配上，使用大型機械化作業，輔助運輸、提升、充填、動力供應采用自動化或半自動化、信息化運作方式組織生產。現階段內有效地提高了生產效率與效益，節約了物耗，為金川健康發展以及國家經濟建設作出貢獻。隨著金川礦山開采深度的不斷延伸，深部高應力破壞性、滲水、高地溫上升等災害發生的風險加大，迫切需要通過智能化替代人工，推進產業轉型升級、減員增效、提高礦山安全。由于智能化涉及生產要素諸多，難度較大，可從基礎生產單元試探性進行研究與探索。

1 金川二礦區現階段建設水平及智能采礦的意義

（1）目前，金川礦山技術發展實現了綜合調度、通風輸入、礦石與人員提升、有軌電機車運輸、充填物料運輸、溜井料位監測、給水排泥、電氣設備自動化或半自動化控制。采場已投入了鏟運機、裝藥車、鑿巖臺車、服務車、濕噴車、挖掘機等裝備。一直以來，礦區投入了大量資金進行機械裝備升級及信息化建設，但總體效果不盡如人意，離建設現代化礦山目標相差甚遠［1］。

（2）金川二礦區經過幾十年的開采，已走向深部階段。開采深度不斷延伸，作業環境隨之發生變化，使礦巖脆性增大，黏聚力下降明顯，涌水量逐漸增加，地溫顯著升高，給礦山單位帶來了生產組織難度、生產成本增高等一系列問題。面對存在的問題，要想達到安全、高效的生產經營目標，智能采礦是礦山未來的發展方向，它一方面可為金川礦山企業占領技術制高點贏得先機，成為國內采礦業的排頭兵；另一方面，智能采礦也可為礦山生產效率提高50%以上，安全事故降低60%以上。

（3）通過建設智能化采礦模塊可鍛煉及培養一批人，儲存更多先進知識和技術優勢，提高智能化采礦經驗，發掘一批在采礦工程及其智能化領域從事工程設計與施工、生產與技術管理、開發研究等相關工作的復合型人才，引領金川實現從傳統采礦走向智能采礦的跨越［2］。

2 金川二礦區深部開采面臨的問題

（1）隨著地應力增大，巖石所處的應力環境以及由此導致的巖體力學性質等都有較大變化。巖層溫度上升，通風系統面臨的問題更加復雜，使得礦山員工勞動效率降低，這進一步加大了單位用工難，經營效益空間越來越少的尷尬局面。

（2）大量無軌設備投入使用，作業過程中產生的車輛尾氣、粉塵、噪音等環境危害因素，對員工身體健康危害極大，與此同時，上下坡車輛運行和交叉作業也存在著重大安全隱患。

（3）采礦深度下降，給礦石提升、廢石處理、深井排污等系統增加了不可預測的難題，所涉及的基建工程、生產充填、水電風供給領域維護帶來了諸多安全挑戰［3］。

3 智能采礦的基本架構

金川礦山智能化采礦可借鑒國內外建設智能采礦思路，建設基礎信息數字平臺、采掘設備智能平臺、生產信息管控平臺和通訊網絡傳輸系統等，如圖1所示，其基本架構為礦床模型與礦床開采設計數字礦山軟件，金屬礦山采掘、裝卸、運輸等智能設備，適應智能設備作業的高效采礦工藝技術，礦井數據采集、通訊與視頻的傳輸網絡系統，生產計劃組織與經營管理信息系統等。

生產信息管控平臺包括生產作業情況、人員設備分布情況的實時監測，也包括井下人員之間、井下人員與地面調度管理人員之間的無線通信，還包括井下各個工作單元生產作業的協調組織與管理。采礦自動化系統細分為提升自動化系統、膠帶運輸控制系統、溜井破碎系統、充填料制備自動化、通風控制系統等［4］。

4 發展智能采礦的思路

金川智能礦山的發展可以按照3個階段進行：第1個階段采用單個系統單項技術智能化，實現“點上工序無人”操作；第2個階段采用多個系統智能化，實現部分系統的集成，即“面上工序無人”操作；第3個階段采用整體系統集成，實現“一個礦井的工序無人”操作，即井下生產、安全檢查、后勤系統的全面無人。在此條件下，隨著技術的進步，各個環節的無人技術還將不斷進步和優化，達到更高的效率。介于建設智能采礦復雜性和二礦區技術、設備投入水平以及人才存儲力量，可從簡易模塊開始建設，即從盤區智能采礦階段開始，對應用現行運輸卡車、鑿巖臺車、出礦鏟車、服務車、噴漿車、挖掘機車輛進行升級改造，助推金川二礦區建設向智能高階段發展［5］。

（1）鑿巖由臺車自動駕駛、云端機群調度上傳采礦各種運行數據，應用三維激光掃描系統指導自動鉆孔，現場實行井下高精度定位與導航、遠程無人操控完成。臺車具有遠程無人操作及虛擬場景功能的特點。

（2）裝藥車的智能配置是集原料運輸、炸藥混制、炮孔裝填于一體的自動化裝藥。車輛具有無線遙控行駛及無人駕駛等功能，可視頻故障診斷及智能尋孔并處理鉆孔存在問題，使鉆孔達到裝藥條件。

（3）對出礦鏟車進行遙控改造，人員完全脫離危險區域而進行無線控制作業，使車輛設備在自動控制下實現自動裝礦和卸礦。鏟運機的無人化和智能化主要包括無人行駛功能、自動稱重功能、定點卸載、故障自診斷和遠程遙控等功能。

（4）運輸卡車采用無人駕駛，采用雙動力的電傳動地下礦用車，車輛配有巷道空間檢測、智能輔助駕駛、遙控運行功能。電機車運礦使用無人駕駛，具有視頻監控、遠程遙控全編隊運行及自動裝卸礦的功能。

5 智能采礦帶來的效益

（1）網絡通信應用，并進行遠程無線遙控，可將駕駛人員從高溫、車輛尾氣、粉塵、噪音的作業環境轉移至地表駕駛中心，人員作業安全及職業健康保障大幅度提高，減少了司機患職業病的概率。

（2）相關數據直觀可視，可實現鑿巖、鏟車、支護設備、運輸設備“看得清、摸得著”的管理，依托智能調度、實時監控、高精度地圖管理、運行仿真測試、大數據存儲分析等技術組成運營技術平臺，實現井下礦車智慧駕駛和高效運輸，有效減少了作業人員設備暴露在高危作業環境帶來的風險，間接降低維護成本，達到降低運營成本的目標。

（3）產業的升級，可深化產業員工隊伍，為礦山發展培養及發掘一批智能采礦人才，從事工程設計與施工、生產與技術管理、開發研究等相關工作。作業環境的改善，可較好解決礦山單位用工難問題。

（4）智能化采礦的實施，也為金川二礦區全面推廣5G新技術在礦山場景的應用探索出一條思路，也符合國家安監總局“機械化換人、自動化減人”科技強安行動、“2025智能制造”和“5G新基建”的號召。

6 結語

建設智能采礦是立足于金川礦區開采現狀和今后發展需求而提出的，是提高勞動生產率和采礦效率、保證開采安全的最有效、最可靠的方法，還可解決金川資源逐漸枯竭難以長期發展的問題，也可獲得向礦業領域輸送技術人才以及提供培訓服務等方面的延伸效益。實現智能采礦后可以預見，不僅可以減輕用工難壓力，降低員工勞動強度，改善作業環境，而且最大程度地解決礦山生產安全問題。