略談世界地下采礦設備的發展趨勢

葉助青,趙金元

(中鋼集團衡陽機械公司,湖南 衡陽 421002)

0 前言

地下礦山采礦設備是實現高效開采的決定性因素,進而決定著礦山生產系統、礦山規模、生產安全、采礦效率、作業成本、經營效益等。近年來,世界采礦設備取得了很快的發展,國外的發展經驗表明,大型化、無軌化的采掘裝備能提高全員勞動生產率5～7 倍。采礦設備利用數字化、信息化、互聯網+的發展優勢,走信息化與工業化融合發展的道路,實現信息化、智能化,加快了傳統礦業的轉型升級,驅使采礦設備走向“礦業+”的發展新模式。裝備技術的發展,有力推動著地下非煤礦山開采從有軌到無軌方式的轉變。目前,相當一部分露天礦山資源枯竭,逐步轉為地下深部開采;而礦山行業兼并、重組和資源整合的加劇,也促使地下礦山由小型化轉為規模化、大型化開采,這對于采礦設備的自動化、智能化,安全、節能、環保提出更高要求。

1 國外地下礦山采礦設備發展趨勢

1.1 趨向大型化和微型化

地球上易開采的礦物資源逐漸枯竭,品位逐步下降。礦業公司為了社會對礦物資源的需求,逐漸投向低品位礦體。擴大工作面尺寸、使用大型設備、加大開采規模等,是提高礦山企業經濟效益最有效的方式之一。國際著名的地下采礦設備制造公司,如Caterpillar 新推出的R3000H 地下裝載機,取代該公司最大的R2900XTRA 地下裝載機,新推出的額定載荷為63 t 地下卡車AD63 替換原來的AD60,增加了5%的裝載量;Sandvik 新推出的51 t 載重量的TH551 地下卡車和63 t 載重量的TH663i 地下卡車都分別比原來的TH550 地下卡車和TH660 地下卡車載重量增加了1 t 和3 t;Epiroc 新推出的載重量85 t 的MT85 地下卡車是當今世界上最大的地下卡車,它的載重量超過該公司以前最大載重量60 t 的MT6020 地下卡車近42%,也超過以前世界上最大的Sandvik 公司80 t 的TH680 地下卡車6%。

地下采礦設備的大型化發展,也推動了地下大型采礦輔助設備發展,包括大型輪胎拆裝、運輸車、大型燃油和潤滑油車、大型水車、灑水車等。

但另一方面,世界上地下礦山隨著長期大規模開采,大厚礦體日趨減少。眾多采礦公司將轉向薄、窄脈礦床的開采,促進采礦設備向微型化發展。面對薄礦層,在市場上出現了低矮型、超低矮型采掘設備。以前生產低矮型(機高小于1.5 m)地下裝載機的僅有加拿大EJC 公司,現在發展到幾乎每個地下采礦設備公司都生產,最低機的高僅有0.76 m。原來只有小型地下裝載機有低矮型,現在大、中型地下裝載機也有低矮型,而且還開發出超低矮型(機高1 m 左右)。這種發展趨勢主要是因厚礦床經過長期開采已逐漸減少,薄礦層必須開采,且為了減少投資。如Epiroc、Sandvik、SCHOPF、GHH 等公司生產的非煤地下礦井低矮型、超低矮型地下裝載機和地下汽車,Komatsu 等公司生產超薄煤層(厚度介于0.65～ 1.55 m 煤層)采煤機、薄煤層(厚度介于0.95～2.05 m 煤層)采煤機及其它低矮型、超低矮型輔助采煤機械。而面向窄礦脈,SCHOPF 公司開發出SLF 35 地下裝載機、RDH 公司的RDH 100D 型全系列窄礦脈地下裝載機、Youngs Machine 公司460系列、470 系列和960 系列地下汽車、Epiroc 的Boomer T1D 單臂掘進鑿巖臺車、MTI 公司參展的NV1 液壓鑿巖臺車、Brokk 公司的薄礦脈開采遙控電驅動Brokk 100 工具運載機也是為窄礦脈采礦生產的。

1.2 向多功能化發展

多功能化是當今地下裝載機發展的另一個重要特點。由于地下裝載機利用率很低(一般低于60%),為了充分發揮地下裝載機的潛力,提高其經濟效益,地下裝載機制造廠商紛紛推出一機多用的地下裝載機,即把地下裝載機的工作機構通過快換機構臨時換成其他用途的工作機構,擴大地下裝載機的功能。例如,可換成液壓破碎機用于修路,就地取材、破碎廢石、修理路面;為了平整路面可換成壓滾,可用作壓路機和平地機;更換為鏟叉,可以搬運物料,變成叉車;更換為起重臂,可作為起重機;為了在爆破后清除巖石表面松動的石頭(浮石),以防其在隨后的工序中崩落傷害人身與設備,把地下裝載機工作機構換成支臂機構和液壓破碎錘就成了撬毛車。

1.3 向電動化和電池驅動發展

能源是經濟社會發展的重要物質基礎,也是碳排放的最主要來源。BEV(battery-electric-vehicle)最初是由北美和歐洲因地下礦山開采深使通風和冷卻困難而推動發展的,現在各國政府對碳達峰碳中和已形成高度一致的共識,紛紛制成行動方案。礦山企業作為能源消耗大戶,必須承擔相應的社會責任,環保、氣體排放要求促使BEV 在全球得到快速發展。GMG(Global Mining Guidelines Group) 在2016 年6 月就發布了首版BEV 應用指南,其電氣礦山工作組正在研究起草電氣礦山技術指引,涉及使用、試驗和設計。ICMM(International Council on Mining and Metal's)由27 個世界最大采礦企業和著名采礦設備企業共同設立一個ICSV(Innovation for Cleaner,safer Vehicles)計劃,創立一個“無競爭空間(non-competitive space)”,以實現安全、健康和環境朝向零危險和無排放的目標,到2025 年使柴油機排放最低化,到2040 年露天礦無溫室氣體排放。

最近幾年動力電池技術快速發展,動力電池包能量密度更高、重量更輕、充電時間更短,循環周期更長。南非Rham 公司通過靜液壓驅動系統向輪邊電機提供40% 再生電能,使LiFePO4電池包規格更小。

試驗證明,使用柴油機驅動的地下采礦車輛會使環境溫度升高8 度,而電驅動地下采礦車輛僅升溫2 度,Borden 地下采礦實現全電動化后,通風成本降低了40%。現在,深部采礦企業一方面新購BEV設備擴大使用規模,另一方面與專業動力電池企業合作改造現有的柴油驅動無軌采礦車輛。

地下采礦設備OEM 企業積極研發BEV 適應市場需求。Epiroc 加強與ABB、Northvoltd 在電傳動和動力電池的合作,其第二代BEV 設備ST14 和MT42已在井深-1 800 m、硬巖溫度高于55°的深部礦井得到驗證和使用;Sandvik 在2019 年2 月完成對美國BEV 制造商Artisan 的收購,后者的核心技術包括動力電池、電機、功率電子器件、軟件和控制系統。Sandvik 采用Artisan 創新技術推出第三代18t 電池驅動LHD,可與Artisan 研制的電池驅動載重50 t 的運礦車Z50 相匹配。該公司還研發出電池輔助電動LHD-LH514BE,適合于經常轉場作業,當轉場時用電池驅動、鏟裝時由電纜供電、坡道時電池助力。在2022 年2 月17 日的2022 年世界電動礦山會議上,該公司發布了載重65 t 的電池驅動運礦車TH665B,其樣機已完成工廠試驗,將在Sunrise Dam 金礦進行工業試驗,預計2023 年投入商業生產;Caterpillar 在2017 開發BEV,2018 年推出R1700XE(17 t 地下裝載機)和MEC-500 快充系統,其電液系統將提升力提高65%。同燃油的R1300 相比,總能源費用降低10 倍,熱量降低近8 倍,噪聲顯著降低。Paus 早在19 世紀90 年代便開始開發BEV,可機上充電、制動再生發電回充,動力電池包符合ECE-R100 標準。

根據礦山位置、海拔高度和作業環境差異,BEV相比柴油驅動價格高20%左右。但隨著技術的進步和規模的擴大,部件供應鏈和價格差距在縮小,而性能差距在擴大,已顯示出強大的發展趨勢。

1.4 向自動化和智能化發展

隨著地下深部采礦條件愈來愈惡化、危險性越來越大,操作人員的人身安全和職業健康受到高度重視。近幾年信息技術的飛速發展,使得地下采礦設備開發和應用半自動化、自動化和智能化成為可能,目前地下采礦設備的自動化和智能化已取得了實質性進步,在地下礦山,無人駕駛控制和集中控制的采礦設備進入應用階段。在今后幾十年里,完善的自動化和信息技術將會在采礦設備得到更廣泛應用。信息技術是應用信息科學的原理和方法同信息打交道的技術,它包括有關信息的產生、檢測、交換、存儲、傳遞、處理、顯示、識別、提取、控制和利用等技術。其典型代表是傳感技術、通信技術和計算機技術。傳感技術是關于傳感器的設計、制造、測試和應用的綜合技術,傳感器的作用是將外部運行信號、車輛狀況信號、駕駛員的操作信號變成電信號,并把它送到控制單元處理后產生一定的控制信號,使執行元件輸出相應的物理量。通信技術包括衛星通信、電視、電話等。電子計算機可以處理和存儲信息。

隨著4G、5G 無線通訊技術的推廣應用,大型礦業公司紛紛同移動公司合作建立專用LET,為采礦設備自動化和智能化奠定了基礎。ISO、ISA-5、OPAF 和GMG 等國際組織正在制定自動化采礦相關標準或應用指引。許多OEM 已開發出相關產品并在地下礦山完成了試驗和驗證。Epiroc 開發的Scooptram Automation Total 系統允許多臺機器自動裝載,其核心技術是Traffic Management system,已用ST18 地下裝載機在多個礦山進行試驗。Sandvik 開發的AutoMine 8 1平308臺 533通過LET 通訊網絡使LHD 和運礦車實現自動化。Caterpillar 在Cashman 設備公司支持下與Newmont 采礦公司聯合開發地下硬巖LHD 和運礦車自動化系統Command,它是Caterpillar 自動化采礦系統Cat MineStar TM 的子模塊。

2 我國地下無軌采礦裝備現狀及發展方向

我國非煤地下礦山無軌采礦設備三十多年來經過引進、消化吸收和自主開發,已經形成系列化產品,可滿足國內礦山無軌開采需要,但與國外先進產品相比,還有較大差距,特別是基礎零部件的可靠性、自動化和智能化水平差距更大。

從世界采礦的發展方向可以看出,連續和半連續采礦設備的國產化必將成為礦山裝備國產化的一個主攻方向。另外,在地下無軌采礦設備的開發研制方面,今后的主要發展方向是提高這類產品的國產化率,同時提高關鍵零部件可靠性和國內市場占有率。

此外,礦山企業在采礦裝備創新方面也有強烈的愿望和要求,迫切希望利用新設備降低成本,增強競爭能力,希望使用先進采礦裝備在開發國外資源上與發達國家直接競爭。

國內一些企業在地下無軌采礦設備動力電池驅動、自動控制技術應用方面也正在大力開發和試驗。如金誠信作為大型地下礦山建設和開采企業,研制出的2 m3鋰電池LHD 于2019 年7 月在安徽陸江鐵礦-296 m 作業面工作;3 m3鋰電池LHD 于2019 年11 月在北京密云鐵礦試驗,可連續裝載65 車,充電30 min。

目前,我國至少有十家以上的企業在開發地下裝運設備的遠程控制和自動化技術。如總部位于成都的Alpha 工定智能控股公司為蔡家營鋅金礦的二臺SINOME ACY-3L 裝載機匹配可視遙控系統,還自主開發了TLHD-WJ-2D 裝載機,可以現場和遠程兩種模式運行,LHD 工作數據可以上傳到Alpha 智能維護云,進行故障分析和維修預測。

3 結論

在我國絕大部分地下礦山中,采礦裝備水平還很低下,采礦生產效率不高,裝備國產化率很低,尤其是大型裝備與世界發達國家之間的水平還相差很大,必須加大研發和投入的力度,采用先進的科學技術來不斷的提高地下礦山的裝備水平,向裝備的自動化、智能化、信息化發展,走信息化和工業化融合發展的道路,加快傳統礦業的轉型升級,驅使礦業采礦設備向“礦業+”的發展新模式方向發展。