某鐵礦智能礦山建設實踐及關鍵技術

王立杰 劉 陽 馬 寧 張素娜 李 聰

（河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司）

2021年“十四五”智能制造規劃征求意見稿提出，智能制造需要長期堅持、分步實施，并提出分階段具體目標，到2035年，規模以上制造業企業全面普及數字化［1］，說明智能礦山建設是礦業未來發展的必由之路。與國外相比，國內金屬礦山基本處于機械化階段，甚至很多中小型礦山還沒有裝備到機械化階段，國內還未建成一個全面自動化礦山的示范工程，大多處于單系統建設階段，底層缺少智能裝備和智能控制技術，頂層缺少統一的智能管控平臺，大數據和人工智能在礦山應用仍存在諸多弊端，未形成全面推進的局面。某鐵礦借鑒多家礦山經驗及教訓，按照“數據引領、集中管控、智能產線、本質安全、遠程共享”的理念，結合礦山建設實際，提出一套智能礦山基礎建設及關鍵技術解決方案，為同類型礦山智能化生產體系建設提供借鑒。

1 工程背景

某鐵礦為接觸交代矽卡巖型混合鐵礦床，礦體埋深較大，礦石品位較高，屬于第三類第二亞類以巖溶裂隙水充水為主的大型富鐵礦床，水文地質條件復雜，礦區富水且地表為農田。礦山設計年產礦石200萬t，采用地下開采，主副豎井開拓運輸，南北風井回風方案。為保護地下水系與地表農田，礦體四周采用帷幕注漿全封閉堵水措施，采用單一磁選工藝和階段空場嗣后充填法采礦，以全尾砂膠結充填工藝進行井下空區充填。因水文及工程地質條件復雜，礦山建設周期較長，致使初步設計時間較早，導致礦山各系統存在如下問題：①各系統的自動化水平較低，作業安全風險大，人工勞動成本高；②各子自動化系統采用的設備、技術均不相同，隨著子自動化系統的增多，運行及維護人員隨之增多，運營成本增加；③子自動化系統之間存在大量重復建設的情況；④管控方式有待提升，難以全面掌握礦山運行情況，應向管理一體化方向改進；⑤各子系統數據無法融合共享互通，協同性弱，信息孤島問題嚴重［2］，無法保證礦山資源優化配置，缺少標準化手段融合統一。為有效解決上述問題。亟需結合礦山建設實際，進行智能礦山建設升級改造與實踐。

2 智能礦山建設總體架構

智能礦山是能為礦山安全生產各類決策提供智能化服務的智慧體，利用通信網絡、大數據、云計算、計算機控制軟件等將數據采集、自動控制、智能決策、數據通信等技術集成并進行一體化應用，將礦山建設成一個有機整體，實現井下生產少人化、地表全流程自動化、生產管控一體化，從而使整個礦山具有自我學習、分析和決策的能力。在深入研究的基礎上，提出智能礦山建設的總體架構：一是搭建虛擬化和資源共享技術的智能云平臺、多網合一的信息高速公路、一體化智能管控平臺；二是構建井下智能開采系統；三是進行地表選礦及輔助系統、物流管控系統、高壓供電系統智能化升級改造。圖1為該鐵礦智能礦山建設總體架構。

2.1 基于虛擬化和資源共享技術的智能云平臺

智能云平臺作為智能礦山的大腦［3］，擔負著數據匯聚、整理、保存、發布等一系列關鍵作用，將服務器、存儲、網絡及管理套件等資源融合于一體，形成一個整體的解決方案。云平臺通過Windows Server 2012R2自帶的Hyper-V虛擬化技術將計算、存儲、網絡等原實體資源全部進行虛擬化，以創建可精確分配給每個應用程序的不同虛擬計算、存儲、網絡等資源。主要包括2臺高性能服務器、2臺SAN交換機、1臺磁盤陣列和1臺USB Server。按照CPU虛擬化比例4∶1進行配置，共部署19臺虛擬服務器，滿足礦山近10 a的新增應用程序的需求。與傳統服務器群組的方式相比，云平臺打破了計算、存儲、網絡的邊界，簡化了IT基礎設施的部署、運維和管理，實現了虛擬化和資源共享，提高了資源利用率，并降低成本。

2.2 多網合一信息高速通信技術

為簡化網絡結構，實現網絡傳輸一體化，結合井下智能采礦系統整體方案，制定以井下安全避險系統構建的雙環網系統及電機車無人駕駛專用環網系統為核心，搭建集井下人員定位、安全監測監控、視頻監控、無線通訊、自動化子系統數據傳輸為一體的多網合一的全礦地下信息高速公路，并與地表光纖環網實現信息對接。從而簡化網絡結構，降低建設投資，減少運營維護費用。系統網絡自愈時間小于20 ms，平均無故障時間不少于200 000 h，能及時診斷出故障點以便維修，可提供多種形式的接口方式，具有較強的擴展性，滿足目前及后續智慧礦山建設擴展需求。

2.3 一體化智能管控平臺

傳統的管理模式無法實現對生產過程的精準管控和實現風險預警，一體化智能管控平臺可實現全生產周期管理的海量數據采集并進行可視化分析，同時將礦山各子系統，包括主副井提升、礦井排水、礦井通風、電機車無人駕駛、井下破碎、選礦系統、尾礦壓濾、水處理系統等進行集成，在統一全局的智能管控平臺運行遠程監控操作。實現生產運營管理等各環節間互聯互通和有效聯動，解決各自為政和信息孤島。

3 井下智能采礦技術

在智能礦山建設總體架構下，運用有軌運輸無人駕駛技術、碎提協同技術、智能按需通風技術、一鍵式充填自動控制技術、固定設備無人值守技術等，實現井下作業少人化，提升礦山本質安全，提升生產及管理效率。

3.1 井下電機車無人駕駛運輸系統

近幾年來，地下礦無人駕駛電機車運輸技術雖然有了較大的發展［4］，但我國使用無人駕駛電機車的礦山仍比較少，且已使用的礦山在推廣應用電機車無人駕駛技術過程中仍存在不同程度的問題。本礦山積極研發井下-245 m有軌運輸中段電機車無人駕駛智能運輸系統，并成功應用于實踐，實現地表集控中心一對多遙控裝礦、車輛自動運行、實時監控、運輸智能調度、設備預防性維護等功能。

首先進行電機車本體改造，在原電機車基礎上新增遠程智能控制設備，將遠程控制的繼電器接口引到遠程車載控制盤，包括手（自）動信號、升降弓到位信號、轉速信號、風包壓力和制動氣缸壓力信號、電機溫度信號、制動和松閘到位的行程開關位置信號。其次研發電機車自動運行系統，用于監測和遠程控制所有電機車的運行情況，并設計車輛精確定位、自動保護功能，為實現無人駕駛提供電機車自動運行方案。最后進行溜井遠程放礦系統、信集閉控制系統、派配礦系統研發，協調智能控制實現電機車無人駕駛自動運行。目前，2列電機車分別搭載11輛礦車同時有序運行在9個采區溜井和1個卸載站之間，日運輸量達到8 000 t以上。

3.2 無線遙控鏟運機技術

鏟運機無線遙控系統主要由發射機、接收機、機載PC和執行器組成，發射機所需要的控制指令通過天線將遙控指令信號發射出去，接收機接收指令信號送到執行控制器來實現控制邏輯，實現鏟運機前進、后退、轉向、工作裝置、制動等遠程無線操作。無線遙控鏟運機用于井下礦房出礦，消除作業人員安全隱患，同時可提高礦房回采率。

3.3 井下破碎無人值守

在井下破碎站新增PLC遠程I/O分站并同-409 m水平主CPU進行網絡集成，將本地操作的設備接入PLC遠控系統；通過PCS7軟件完成程序及畫面編程，在畫面上實時顯示生產工序流程和設備運行狀態、電流等信息及故障報警；結合生產工藝實現生產環節的軟保護和連鎖功能，當破碎機出現故障或停運時，重板給料機會自動停車，避免物料輸送因破碎機故障而造成堵塞；當下部溜井料位達到設定高度時，系統發出報警提醒等；在井下破碎站下料口、皮帶等工藝關鍵部位新增攝像頭；結合視頻監控實現遠程和現場雙重操作功能，完成破碎系統無人值守。

3.4 主井提升遠程智能控制技術

在提升電機、主軸、天輪等重點部位安裝振動傳感器和溫度傳感器，在配電室、電控柜、操作臺、電機等關鍵部位安裝煙霧傳感器，將原閘間隙、閘偏擺、油壓等監測采集數據上傳至提升機電控系統，實現智能監測及預警；在卸載站建立提升機遠程智能控制中心，優化現有主井提升控制系統、閉鎖保護及安全回路，實現主井提升機的遠程集中控制，將主井司機與卸載工合并；優化電控程序及高低爬時間，實現提升及裝、卸載全流程全自動模式運行，司機不需要人為干預，只需監控設備參數；最終實現主井提升速度達到10.05 m/s，卸礦及下行時間為125 s，裝礦及上行時間為115 s，全程循環時間為4 min，每小時可提卸礦15次，滿箕斗37 t運行，顯著提高運行效率。圖2為主井提升智能化監測系統框架。

3.5 副井提升電梯式信號系統

對副井提升信號系統進行優化，通過搖臺、安全門和罐籠簾的自動化改造和控制，實施電梯式無人值守信號系統，實現井下各中段無信號工值守，井口對信號的集中管理，最終實現副井罐籠“電梯式”操作運行模式，乘罐人員在罐內可選擇去向、操車控制、開車控制、狀態顯示。井下各中段開車信號，由井口總信號臺轉發給提升機司機。

整體方案采用3級網絡控制架構和IPC+PLC控制模式，包含中央監控級、PLC控制級、現場設備級3級。中央監控級包括智能集控中心和井口集控中心組成，采用工業計算機運行專業的控制及組態軟件，監控層采用WINCC+OPC的方式，實現數據采集監控；PLC控制級采用光纖環網，新增信號PLC采用西門子S7-1500系列，可納入MES或ERP系統，支持OPC協議，和主控PLC之間采用DP通訊，2個系統之間采用DP/DP Couple隔離模塊。系統采用無線網絡和總線通訊網絡，無線通訊網絡實現井口和罐籠內設備的數據交換、控制和監控；總線通訊網絡采用以太網通訊方式光纜環網通訊，實現井口和各中段信號箱的數據通訊。圖3為副井提升電梯式信號系統設備聯系圖。

3.6 一鍵式充填智能控制技術

根據系統的充填能力、灰砂比、料漿濃度及密度計算出系統所需要的砂漿量、給水量、給灰量和出漿量，作為系統調節初始值，以料漿流量、濃度實測值來控制給水量和給灰量，攪拌的濃度和液位控制通過調節供水量和出漿量來保持在系統要求的范圍內，減少系統滯后性的影響，保障系統的穩定性和可靠性。最終實現基于工藝需求的遠程智能控制，通過自適應的工藝智能分析和移動終端，在滿足充填工藝流程集中控制的同時，實現一鍵式充填，同時具有人工控制與自動控制無擾動切換的功能，保證充填生產過程的高效、穩定運行。

3.7 礦井排水系統無人值守及智能機器人巡檢技術

礦山井下排水泵功率大，單臺水泵功率為2 800 kW，運行工況復雜；且對于水泵啟動前抽真空、水倉水位監測、稀油站和泵房內設備的運行與管理，采用人工操作方式，操作過程繁瑣、勞動強度大、人為因素多，人工很難做到實時精準及安全監控。而遠程智能控制技術能很好地解決這個問題。

利用PLC控制、遠程遙控擬人化等技術實現對井下主排水系統3臺離心泵、3臺潛水泵的電流、電壓、溫度、振動及離心泵配套油站溫度、壓力、流量和主排水管道閥門、壓力、流量等一系列數據的實時監測及遠程控制。同時在泵房內安裝軌道及智能巡檢機器人，將嵌入式系統與云計算技術相結合，代替人工完成巡檢工作［5-6］。接受巡檢任務設定后，機器人沿軌道行走至監測點，監測采集設備運行數據并實時分析，判斷設備是否正常，發現異常及時報警，同時將巡檢實況傳輸至地面智能集控中心，工作效率十分高效，顯著降低井下人員安全風險。圖4為礦井排水系統智能機器人巡檢。

3.8 智能按需通風技術

通過對風機電壓、電流、風量、風壓等28個數據的實時監測和視頻監控，實現主風機的遠程操作；同時將井下各中段風門的開/閉狀態信號、指令信號及開度信號，傳感器檢測信號、各局扇啟停信號等均與主扇PLC連接，利用井下光纖網絡將采集信息傳至數據中心虛擬服務器；并通過VOD按需通風軟件自動計算各巷道需風量，將需求值與實際監測值進行比較，自動調解風機運轉頻率及相應風門的開度大小，在地表集控中心遠程實現井下通風系統自動調節，實現礦井通風系統自動穩定節能運行。

4 選礦與供輔系統智能控制優化

運用選礦智能控制技術、尾礦壓濾智能控制技術、固定設備無人值守和無線視頻監測等技術對選礦工藝及供水系統進行優化改造，實現選礦上料系統一鍵啟停、布料小車按照目標倉位自動智能上料、磨選工藝一鍵式啟停、尾礦壓濾系統一鍵式啟停，生產供水系統在集控中心遠程集中控制，現場無人化操作，崗位工變為巡檢工，顯著降低職工勞動強度，提高工作效率。

通過建設精粉自動采制樣系統實現鐵精粉的自動采樣，經縮分器、智能分礦包裝一體機等設備完成鐵精粉的采樣制樣，數據自動傳輸及遠程監控，全程無人化操作；利用現有汽車，通過增設道閘、紅綠燈、LED顯示屏、讀卡器及計算機等設備，實現車輛稱重的自動化管理；設計車輛“一卡通”式管理系統，自動獲取車輛、司機及稱重結果、采制樣結果等信息，完成數據自動統計及匯總，實現外運精粉的智能物流管控，實現自動化和無人化。

通過有線儀表通訊及遠程遙測等技術完成全礦井上井下12個高壓配電室、300余臺供電設備信息采集及集中顯示、報警、遠程控制，實現高壓供配電系統無人值守。

5 結 語

智能礦山基礎建設及關鍵技術解決方案實施后，控制模式由傳統的人員現場值守變為遠程智能運行，全礦人員由862人減至478人，人員勞效達到2 500 t鐵精粉/（人·a），是行業平均水平2.5倍，逐步實現井下少人無人化、地表全流程自動化、安全生產管控一體化，顯著提高人均勞效，提高礦山安全生產管控水平，提升礦山本質安全水平，提高地采礦山的知名度和美譽度。研究成果可為其他智能礦山建設提供借鑒和參考。