柿竹園多金屬礦智能化建設思路

何斌全， 張維國， 伏彩萍， 張海勝

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南 郴州 423037；2.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

隨著當前全球新一輪科技革命和產業變革，自動化、數字化、智能化技術在礦山行業得到了全面推廣和應用，礦山行業數字化轉型和智能化升級也持續加速[1-2]。近年來，國家多部委相繼發布《深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》《有色金屬行業智能礦山建設指南(試行)》《智能礦山建設規范》等，大力推進智能礦山建設[3-5]。在此背景下，國內眾多礦山企業都相繼推出智能化轉型方案并陸續在局部實現了智能化升級改造，例如：鞍鋼集團將管控智能化作為建設世界級礦山的重要抓手，加速建立智能生產、智能管理、智能服務新模式，為打造高質量發展新鞍鋼提供有力支撐；金川集團提出了“機械化、自動化、信息化、智能化、標準化”五化建設方案，在三個礦區分別打造多個“智能化樣板工程”，為公司安全生產提供有力保障；山東黃金集團三山島金礦以打造“國際一流示范礦山”為目標，相繼建立了三維管控平臺和綜合自動化集成平臺系統、“一云、一湖、一平臺”數據底座等智能化系統，由此可以看出智能礦山建設是礦業可持續高質量發展的必然選擇[6-9]。

柿竹園多金屬礦為生產多年的老礦山，已經建有面向不同業務和管理需求的自動化和信息化系統，如井下安全六大系統、地壓微震監測系統、企業辦公系統等，對礦山安全生產和經營管理起到了一定的技術支撐作用。但是由于缺少總體建設思路，導致各系統之間無法實現互聯互通，礦山整體信息化、自動化建設不夠通暢，信息系統與采礦工藝、設備未能有效融合，“信息孤島”問題突出。因此，本文立足于柿竹園多金屬礦基本現狀，梳理采礦及選礦工程存在的問題，借助新一代信息通信技術(ICT)和智能裝備的發展趨勢，提出柿竹園礦山智能化建設的總體思路及保障措施，推動礦山向本質安全、資源集約、經濟高效的智能礦山邁進。

1 柿竹園多金屬礦現狀

1.1 礦山生產現狀

柿竹園公司以資源豐富著稱，其鎢多金屬礦床資源豐富、品種繁多，被譽為“世界有色金屬博物館”。但因其礦體集中厚大、礦物品種多、成分復雜、礦物嵌布粒度細，不僅礦石加工難度大，礦床開采也面臨諸多難題。該公司共有兩個采礦場，由于經濟原因暫停了柴山采礦場的開采，目前柿竹園多金屬礦是該公司的主采礦體，采出的礦石同時供給柿竹園多金屬選礦廠和東波多金屬選礦廠。

1.2 智能化升級存在的問題

(1)采礦系統存在的問題

柿竹園多金屬礦采礦技術水平總體比較落后，井下作業屬于機械化開采初級階段，主要體現在以下幾個方面：

采礦技術與裝備相對落后，未全部實現大型機械化開采：巷道掘進仍采用傳統的7655手持式鑿巖機鑿巖，回采鑿巖采用KQG150型高風壓環形潛孔鉆機和阿特拉斯Simba1354中深孔液壓鑿巖臺車，裝藥采用BQF- 100裝藥器人工裝填炸藥，井下設備效率低，勞動強度大，作業人員多。

柿竹園公司關鍵作業工序未能實現遠程控制：主要采掘設備沒有實現大型機械化作業，鑿巖、出礦等工序難以實現遠程控制。井下礦石運輸采用卡車運輸和有軌電機車運輸均為人工現場操作，未能實現遠程控制，作業人員多。

固定安裝設備未能實現無人值守：地表破碎機、空壓機站、供水水泵以及井下振動放礦機仍采用現場人工控制方式，未能實現無人值守，井下勞動人員數量多，生產效率低，礦山整體自動化水平有待提高。

出礦進路懸拱嚴重，大塊處理難度大：礦山先前采用大爆破對上部的礦柱進行集中爆破處理，目前在490 m集中出礦懸頂事件發生較為頻繁，卡斗位置較高，人員無法靠近，主要采用裸露藥包進行處理。到達出礦口的礦石塊度很大，無法通過溜井格篩下放，主要采用人工打眼放炮方式處理，勞動強度大，作業效率低。

(2)選礦系統存在的問題

東波選廠整體自動化水平較高，全流程已經實現自動化控制，各生產流程配備了監控設施。而柿竹園選廠由于建設時間稍早，主要裝備水平智能化偏低，且其配套設施和輔助設施距離選廠自動化控制要求均有較大的差距，主要體現在以下幾個方面：

自動化穩定控制不完善：例如破碎系統基本無自動控制，設備之間無相互關聯性；磨礦系統的最終產品的濃度和細度無在線檢測控制；浮選系統原礦、精礦、尾礦品位無在線檢測不能實時反饋生產狀況等。

配套輔助設施自動化程度低：除塵系統、通風系統基本無自動控制；鍋爐供熱系統、空壓機和鼓風機供氣系統、廢水處理系統基本無自動控制；加球系統也無自動控制。輔助設施的自動化空間大，實施難度較小，但是其對主工藝的保障作用大。

管理系統靈活性差：其生產管理模式基本按照經濟責任制的考核制度進行，在保證精礦數量與質量、選礦指標的基礎上適當增加處理能力，加大產出，無法根據市場行情變化合理調整生產以適應外部環境的變化。

為優化控制準備的大數據基本未形成：由于缺乏完善的DCS系統，導致對工藝流程基本參數的獲取不便捷，因此無法形成有效的大數據，這為將來實現優化控制增加了難度。

生產管理模式有待變革：以設備為中心定員、定崗的生產模式將極大地增加人工成本，隨著自動化程度的提升，智能化的逐步推進，應逐漸實施轉變以控制為中心，保證維護為重點的勞動定員制度。

2 柿竹園多金屬礦智能化建設思路

2.1 柿竹園智能礦山建設目標

柿竹園公司智能礦山建設總體目標是運用現代信息技術和控制技術，按照系統簡單化、生產集約化、裝備現代化、控制自動化、管理信息化的建設理念，以建設“安全、高效、綠色、智能”礦山為宗旨，設計和建設集企業生產管理、指揮調度、生產經營管控一體化的綜合信息化系統，最大限度地挖掘和發揮礦山數據的潛能和作用，為礦山的資源管理、開采設計、生產管控和運營提供現代化的管理手段和科學的決策支持，以增強礦山企業在市場中的競爭能力和適應能力，保證可持續發展。柿竹園公司智能礦山建設具體實現內容和目標如下：

(1)地質資源與開采環境數字化：引進三維地質軟件創建礦山地理信息、地質資源、開采環境三維數字化模型，實現資源開采可視化、工程設計三維化和開采管理透明化。

(2)采選生產裝備現代化：逐步淘汰礦山落后設備，優先實現井下主要采掘設備機械化，并向智能化方向發展，運用信息化手段提升裝備的健康和運維管理水平，發揮設備能力。

(3)采選生產過程遙控化：推進生產全流程的自動化和智能化建設，通風、壓氣、供水、供配電等固定安裝設備遠程操控和無人值守，實現生產作業全過程遠程遙控化，現場無人值守。

(4)礦山運營管理信息化：建立綜合管理運營平臺，推進扁平化、協同化、實時化的運營管理模式，通過統一運營和分析中心的建設，實現礦山生產運營的透明化管理及各系統信息資源共享，提高運營決策分析水平。

(5)數據管理網絡化：以信息網絡與計算機系統為基礎，將采掘、運輸、提升、選礦等生產系統及財務、設備、物資等管理系統集成一體，通過對數據的自動化采集、傳輸、存儲和利用，在中鎢高新公司和五礦集團層面實現數據的統一管理和共享。

2.2 柿竹園智能礦山建設總體框架

結合礦山信息化、自動化現狀，按照智能礦山建設的整體規劃目標，柿竹園公司智能礦山建設共分為四大層次，包括設備監控、生產執行、智能管控、運營決策層級。結合《有色金屬行業智能礦山建設指南》建議，采用基于工業互聯網平臺的云、邊、端架構，建立面向“礦石流”的全流程智能生產管控系統，將礦山大量基于傳統IT架構的信息系統作為工業互聯網平臺的數據源，繼續發揮系統剩余價值，同時逐步推進傳統信息化業務云化部署，實現礦山全流程的少人無人化生產。

柿竹園智能礦山建設依托大數據服務平臺，通過礦區高速5G+融合網絡傳輸，實現各個層級的應用系統融合和協同優化工作，柿竹園多金屬礦智能礦山建設總體框架如圖1所示。

圖1 柿竹園智能礦山建設總體框架

2.3 柿竹園智能礦山建設內容

(1)基礎通信網絡建設

建設一套融合網絡，將辦公網、視頻網和工控網有機聯系，結合5G無線局域網，將智能礦山管理系統所需的各類數據進行采集和傳輸，實現傳統控制系統之間的融合、多網合一、全面采集地下生產數據，為智能控制和大數據生產打下基礎。

(2)工業大數據中心建設

建立柿竹園工業大數據中心，實現礦山生產數據、設備運行參數及其他數據實時采集和管理，形成礦山生產運營大數據服務中心。在建設模式上，可以充分利用數據運營服務商和數據中心資源，建設礦山云服務系統，依托礦山生產運營大數據和云計算服務平臺，進行實時在線數據分析，挖掘礦山生產數據規律，為礦山生產經營提供決策，并可為礦山提供遠程監控、遠程診斷和專家服務等。

(3)智能管控平臺建設

通過對目前現有子系統進行改造整合實現基礎生產裝備數據接入，如人員定位系統、有毒有害氣體監測系統、風機遠控系統、井下鏟運機自動計量系統、礦石運輸及計量系統、視頻系統、廣播系統、尾礦庫在線監測系統等，達到數據整合、提高生產管控水平、優化生產流程、強化安全管理、提升生產指揮能力目標；通過生產執行系統和經營管理系統建設，實現數據橫向集成、縱向貫通、管理控制一體化的生產、運營管理體系，固化生產管理模式，實現整體能力提升；運用數據挖掘、專家系統等人工智能技術，實現生產指揮、資源預測、突發事件處理等決策支持功能，實現礦山從數字化到智能化的轉變。

(4)智能采礦系統建設

首先需通過建立地測采三維數字化系統，實現資源開采、工程設計和開采管理三維透明化，為智能礦山建設構建三維環境基礎；然后根據柿竹園當前面臨的采礦現狀，開展智能化采礦工藝與方法選擇，并逐步對礦山采掘設備進行升級改造；最后通過采用人工智能、自動控制、融合網絡等技術實現井下有軌電機車運輸、固定安裝設施、智能供配電等系統遠程遙控操作，現場無人值守，大幅減少井下作業人員，提高采礦安全保障程度和作業效率。

(5)智能選礦系統建設

第一部分是選礦自動化系統建設。一是建立設備自動化控制系統，檢測設備運行狀態，并進行生產安全聯鎖、順序啟停邏輯控制，實現生產流程穩定運行、提高生產過程自動化程度及水平；二是完善工藝自動化控制系統，對礦量、物位、流量、濃度、壓力、pH值、粒度、品位等參數進行檢測與控制，針對具體關鍵作業進行智能化控制，降低生產成本，提升生產指標；三是優化安全監測系統，主要為尾礦庫安全監測系統，對壩表位移、浸潤性、滲流量、庫水位等參數進行全天候自動采集，視頻實時監控，巡查信息現場報警，自動應急報警，保障生產安全。第二部分是選礦工藝優化控制系統，根據科學有效的工藝控制策略，配備優化控制系統及相應檢測分析儀器儀表，建設選礦作業流程的閉環控制，實現磨礦分級溢流產品濃細度，選別產品品位、回收率等關鍵工藝指標穩定與優化。

3 柿竹園智能化礦山建設保障措施

(1)組織機構保障

應該在組織架構里增設專門的信息化建設管理機構，該機構由公司信息中心和采選廠區信息中心組成。公司總部的信息中心包括新建的信息部、計算機中心與公司原有的網絡中心、監控中心、線管中心、智能調度中心等，要形成一個完整的網絡信息平臺,該平臺能夠順暢地完成信息的采集、傳輸、存儲和處理。

(2)資金投入保障

資金投入是推進信息化建設順利開展的重要保障,應將智能礦山建設資金納入財政預算。要把智能礦山建設資金列為專項資金進行管理，公司在每年預算中規劃出一定數額的資金作專款專用，以保證公司智能礦山建設資金投入的需要。同時，在保證信息化資金投入的同時，還要加強對智能礦山建設的投資決策管理，提高資金使用效率。

(3)人力資源保障

為了適應柿竹園智能礦山建設的需求，必須加強對信息化、智能化人才隊伍的建設，強化對具有信息技術知識與業務知識的復合型人才的培養。通過采用科學的管理手段、人才激勵與培訓機制，保證信息化人才隊伍技術結構與數量上的穩定，以確保信息化工作穩步持續發展。

4 柿竹園智能化升級的預期效果

(1)改善安全管控模式，提升企業形象

通過礦山智能化改造，實現采礦作業辦公室化，有力保障礦山安全生產，極大改善井下作業環境，生產過程的安全監測防范,并消除了潛在的各種事故風險，保障作業人員的安全健康和設備設施免受損壞，有效防范和堅決遏制安全事故發生。

(2)轉變生產模式，引領行業發展

通過智能礦山建設，徹底顛覆傳統礦山的生產模式，從半機械化過渡到機械化作業，從生產過程的手動控制過渡到智能化控制，從粗放式管理過渡到精細化、智能化管理，實現礦山生產管控一體化。通過柿竹園公司智能礦山建設，將形成先進的管理思想和方法，形成一套有色金屬礦山智能礦山建設的標準體系，引領行業發展。

5 結論

本文以柿竹園礦山智能化發展面臨的問題為出發點，通過構建智能化建設總體框架進而梳理了主要建設內容，可以得出以下結論：

(1)確立了柿竹園地質資源與開采環境數字化、采選生產裝備現代化、采選生產過程遙控化、礦山運營管理信息化，數據管理網絡化的建設目標。

(2)柿竹園智能礦山建設框架依托大數據服務平臺，通過礦區高速5G+融合網絡傳輸，實現設備監控、生產執行、智能管控和運營決策四個層級的應用系統融合和協同優化工作。

(3)柿竹園智能化建設主要內容包含基礎通信網絡建設、工業大數據中心建設、智能管控平臺建設、智能采礦系統建設和智能選礦系統建設五大方面。