浅谈金属矿山智能采矿技术的发展

  瑶映        2020-11-04 14:33:15

浅谈金属矿山智能采矿技术的发展


1概述


据统计,中国目前矿山总共有19600座,矿石开采过程分为露天开采和井下开采,以地下开采为主,而海洋开采已提到议事日程。


当矿床埋藏较浅时,可考虑采用露天采矿,其工艺过程是将矿体上的覆盖物剥离移走,然后采出所需矿石。露天采矿通常分为两个阶段:基建阶段和生产阶段。基建阶段的主要任务是建立运输干线及建立供电、供水系统,修建排土场、机修厂等相应设施,以及完成生产阶段所必需的采准、剥离工程量;生产阶段的主要任务是在完成规定的采出矿石量外,为保持后续的生产,也需完成一定的采准、剥离工程量。


露天矿在开采过程中,必须将矿、岩划分成一定厚度的水平层,然后由上向下逐层进行开采,这些阶梯状的工作面叫做台阶,台阶高度一般为10~14m,每个台阶大多使用独立的穿孔和采掘设备。生产阶段的主要作业为穿孔、爆破、采装和运输。


涉及露天采矿主要设备是:牙轮钻机、电铲和卡车等。一般来说,埋藏很深的矿床必须用井下采矿,金属矿山主要是在岩层中间开采,井下开采多采用竖井、斜井、平巷和天井。


涉及井下采矿主要设备是:凿岩机、铲运机、皮带输送机、电机车等。


我国矿产资源总量较丰富。目前,我国已发现171种矿产资源,探明有储量的矿产168种,已探明矿产资源储量潜在价值约占世界矿产资源总价值的14.6%,居世界第3位。然而,我国矿产资源人均占有量远远低于世界平均水平。45种主要矿产资源,我国人均储量居世界第80位,仅为世界平均水平的58%。国民经济需要的大宗支柱矿产品种,如铁、锰、铜、铅、锌、铝土矿等金属矿产,均不能满足需求。如中国铁矿石产量(指已经折算为全球平均品位后的产量)2013年约占全球14%,2016年中国铜产量占全球的34.5%,而铜矿石产量(折算为铜的产量)仅占全球产量的6.78%。所以每年65%以上铁精矿、70%以上铜精矿和50%铝土矿须从国外进口。主要金属矿产资源如此高的国外依存度,对我国国民经济发展构成了潜在的严重威胁。


2智能采矿


以往,采矿被认为是最脏、最苦、最累的工作,特别是井下采矿,想象中矿工的样子是满脸灰尘、满身油污,在充满污浊空气的巷道中使用钢钎、铁锤打孔、装药、爆破,人力装车出矿。这的确也是国内不少矿山井下采矿的真实写照。


随着国民经济的发展,我们国家的矿山逐步实施机械化、自动化、信息化、数字化、地理信息系统等现代高新技术和矿山自动化设备,提高矿山的采矿效率、降低采矿成本、减少安全事故风险、改善经济效益,从而有效提高矿山企业的竞争能力。近年来,在“信息化”、“数字矿山”、“互联网+矿山”等提法的基础上又提出“智能采矿”。“智能采矿”是“工业化”与“信息化”的有机结合和新的发展阶段,是“互联网+矿山”的本质体现。所谓“智能采矿”是指在考虑安全、绿色、效率、经济等多方面的因素后,在矿石开采过程中,以开采环境数字化、采掘装备智能化、生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息化为特质,以实现安全、高效、经济、环保为目标的采矿工艺过程。实现智能采矿后,采矿作业的操作人员可由井下搬迁至室内,通过远程遥控完成生产作业,不仅大量减少下井工人,最大程度地解决矿山生产安全问题,同时容易实现大规模开采,大幅提高劳动生产率,降低成本,提升企业的竞争力。


对露天采矿,“智能采矿”重点研究利用GPS监控采场全部移动设备的位置,采用最佳算法分派汽车到电铲、破碎站、矿堆和排土场,从而使物料流(矿石和废石)和设备的利用实现最佳化,还应研究集成设备定位、跟踪和状况监控、易耗品(燃油、轮胎、钻头等)跟踪、边坡稳定监控、送选厂矿石品位监控、提供生产报告等功能。对井下采矿,智能采矿重点研究无线多媒体数据智能化通讯、井下人员与设备的精确定位与智能导航、井下安全与环境灾害智能监控、虚拟采矿与仿真、井下关键采矿装备的智能化控制、井下通风智能化监控、智能精细化采矿爆破技术和地下矿山智能化调度管理等一系列关键技术与装备。


在实施“智能采矿”过程中,自主研究开发国产技术与装备,通过现代高新技术提升传统产业,推动我国矿产资源开发向“高效、安全、绿色与可持续”方向发展,增强我国矿业行业的核心竞争能力。


3国外智能采矿的进展


近年来国外智能采矿进展很快,加拿大、瑞典、芬兰、南非、澳大利亚等国在智能采矿领域奋斗了二三十年,取得了丰硕的成果。如1991年芬兰提出1992~1997年的五年智能矿山技术研究计划,预算1200万美元。之后又提出智能矿山实施研发计划,历时3年。加拿大1993年完成论证并开始实施采矿自动化项目五年计划,预算近2000万美元。还制定一项远景规划,拟在2050年实现所有机械破碎和自动采矿设备卫星操控的无人矿山。


3.1露天开采


2005年,株式会社小松制作所自动运输系统开始在CODELCO智利铜矿区试运行;2008年1月,世界上首台商用自动运输系统成功实现运行;第二台无人驾驶自卸卡车于2008年在力拓澳大利亚铁矿上成功实现运行。目前,力拓在其西澳大利亚Pilbara的四个矿区运行无人驾驶车辆,整套自动运输系统由距离矿区约1500公里的力拓Perth控制中心远程高效地操控。2013年,Suncor公司也在其位于加拿大的部分油砂矿区运行了自动运输系统。2017年9月,小松成功完成了标准型自卸卡车加装自动运输系统套件的试运行,加装后能使卡车在自动驾驶的模式下运行。在此之后,小松收到了来自力拓的29套自动运输系统加装套件的订单,这些套件都将安装在力拓Brockman4号矿区目前运行的标准型自卸卡车上。至2017年,共有超过100台小松无人驾驶自卸卡车在澳大利亚、北美和南美地区运行。


沃尔沃公司宣布已经开发一套解决方案,测试全自动无人驾驶卡车,它可以在矿区自动导航,不需要人的监督,汽车就可以按预定路线行驶。卡车车身安装了传感器和GPS,用来监控固定和移动障碍物,卡车还可以与运输系统中心通信。


目前,国外露天矿已经发展到以运输卡车无人驾驶为龙头的自动化采矿阶段。自动控制钻机-穿孔作业、无人驾驶矿用卡车、GPS卡车调度系统、边坡位移实时监测、设备预防性维修、矿山规划模拟仿真等已经应用娴熟。


位于智利北部的必和必拓公司埃斯孔迪达铜矿(Escondida)是世界最大的露天铜矿,年产127万吨(矿石含铜),对铲车铲起的矿石所含有价金属含量采用新型传感器进行测试,以判断矿石是有价矿石还是无价废石,有了新技术的帮助,使送入处理工厂的铜矿石含铜量提高10%。


国外一些公司还推出全自动工业无人机,机上可安装红外传感器和变焦镜头,以自动执行一些程序化任务,比如检查设备、指导调查、绘图、寻找安全漏洞。


3.2井下开采


在井下开采方面,以装载机出矿远程遥控为核心的采矿自动化已经形成。能够实现中深孔凿岩远程遥控、铲运机出矿远程遥控与自动化运行、溜井口大块矿石破碎远程遥控运行、地下运矿卡车及无人驾驶电机车运输系统的作业。


如智利特尼恩特(Teniente)铜矿日出矿量13万吨,世界上最大的地下矿山。已实现半自动出矿,装载机装载为远程遥控操作,运行和卸载由机载计算机自动操作。


芬兰基律纳铁矿位于瑞典北部,深入北极圈内145km,基律纳铁矿设计原矿年生产能力为2200万吨,计划在2018年前完成系统改造和产能提升,实现3500~4000万吨的生产能力。基律纳铁矿采场凿岩、装运和提升都已实现智能化和自动化作业,凿岩台车和铲运机都已实现无人驾驶(如图1所示)。巷道支护采用喷锚网联合支护,喷射混凝土厚度一般为3~10mm,由遥控混凝土喷射机完成。基律纳铁矿基本实现了“无人智能采矿”,仅依靠远程计算机集控系统,工人和管理人员就可实现远程操作。在机车上还装有品位测定仪,能将每列车上矿石的品位信息传送到中心计算机,以自动完成配矿和机车调度。在井下作业面除了检修工人在检修外,几乎看不到其他工人。全矿有4000多员工,从事井下作业的仅500人,原来铲运机司机有100人,现已减少三分之二,井下人员平均劳动生产率达到68750t/a,这个数据大约是中国冶金矿山井下人员平均劳动生产率2017年指标3371t/a的20倍。


浅谈金属矿山智能采矿技术的发展

图1基律纳铁矿无人驾驶的凿岩台车


4中国智能采矿的进展


目前,国内矿山开采相对比较落后,主要表现在机械设备档次较低、检测传感器数量少、控制系统应用层次不高、使用人员较多。要真正实现“智能采矿”,需要机械设备的智能化、控制系统的数字化、人员配备的高素质化。但是在我国的一些大型先进矿山,“智能采矿”技术在许多方面已接近或达到国际先进水平,如铜陵有色铜山矿业公司、洛钼集团、杏山铁矿、大冶有色铜绿山矿、湖南柿竹园公司等。


2011年国家科技部的“863”国家高技术研究发展计划,在投入资金支持“数字矿山”技术研究的同时,还投入资金开展“智能采矿”技术研究。因此,我国在“数字矿山”、“智能采矿”的技术研究方面已取得部分成果:一些矿山已经建立了井下光纤主干通信网络;开发了与智能采矿相关的无线数字通信技术;采用了井下人员跟踪定位系统和井下灾害预防、监测、监控系统;研发了一批具有知识产权的矿业软件;大批矿山进行了数字矿山基础建设;一批智能采矿设备得到应用;地下矿无人驾驶电机车运输技术研制并投入运行;国内涌现以智能矿山为其主打目标的硬软件一体化的企业。


4.1露天开采


江铜集团德兴铜矿为特大型斑岩露天矿山,采矿场面积为5.52km2,1997年,已达到每天70kt的采矿生产能力,拥有大型采掘设备为孔径250mm牙轮钻机13台、电铲10台(斗容分为16.8m3和13m3两种)、运输没备158t卡车(电动轮自卸汽车)52台。1998年德兴铜矿引进美国模块公司基于GPS的Dispatch卡车调度系统并在采矿场投人使用,卡车调度系统为矿山的管理理念与产量的提升发挥了重要的作用。


浅谈金属矿山智能采矿技术的发展

图2江铜集团德兴铜矿卡车调度系统


另外卡车调度系统还带有边坡监测装置,在采矿场已形成最终边坡的关键部位设有监测点,对边坡变形进行监测。


丹东东方测控技术股份有限公司是国内以实施智能矿山为主的硬软件一体化的企业,已在中铁资源集团伊春鹿鸣矿业实施露天矿GPS车辆智能调度管理系统,系统由车载终端系统、无线宽带通信系统、无线视频监控子系统、DLP大屏监控子系统、燃油监控子系统、配矿系统、报表工具等组成,以GPS定位技术为依托、线性规划算法模型为优化手段、无线通信技术为数据传输方式、计算机技术为基础,通过对露天矿主要采运设备的位置、状态、物料等信息的采集,准确查询统计当前生产情况,实现对卡车、电铲等设备运行的实时跟踪及显示,优化调度卡车运行,从而起到优化车队运行、准确执行生产计划的作用,能有效避免偷油和意外漏油的发生;配矿系统使实时品位达到目标品位要求,避免因品位不符造成的损失;单车生产效率较人工调度提高5.18%。在缅甸万宝矿产(缅甸)铜业有限公司,丹东东方测控技术股份有限公司提供了一整套包括各个采区的生产调度、车载终端、网络通信、钻机自动布孔与导航、车辆运行防碰撞预警系统、燃油管理系统在内的露天矿GPS车辆智能调度及管理系统,实现对缅甸莱比塘铜矿采运作业的实时远程自动化生产指挥和生产管理。2017年5月,经过软件调试、运行以及现场实际生产应用,已经完成系统初验。


2016年初,内蒙古北方重汽、中国科学院合肥所和东方测控利用各自技术优势,开展露天无人驾驶核心技术国产化攻关研究。三方技术团队围绕我国露天矿山生产特点,通力合作,克服了通信、智能调度、硬件、算法等一列技术难题,并将在近期进行测试。


4.2井下开采


国内矿山实施建立和完善了地下矿山安全避险“六大系统”:矿山监测监控、井下人员定位、矿井供水施救、矿山压风自救、矿井通信联络、井下紧急避险,通过“三网合一”环网冗余、监测数据双机热备、多层次分布供电、设备故障自诊断、安全事件分析模块、多层次接口设计等方法,提高“六大系统”建设的可靠性和兼容性,保障井下开采安全作业的顺利进行。并在此基础上,向智能采矿努力。


云南大红山铁矿资源丰富,铁矿石储量484Mt,铜矿石量83Mt,铜金属量539.4kt,属特大型冶金矿山,已建成规模4.5Mt/a原矿采选能力,最终设计规模为年处理原矿12Mt。昆明有色冶金设计研究院参与的昆钢大红山铁矿智能采矿目前实施的处于矿山监控调度系统阶段,通过过程数据的采集、显示、存储、分析并结合实时视频监视的模式,将用户最迫切了解的信息汇聚于调度指挥中心,并通过IE的方式与其它部门分享信息、协同管理。整个项目集矿山的总体管理、决策、调度于一体。实现共有资源调配、控制、联动反应。项目整合了现有基础自动化系统,通过计算机网络对覆盖整个采矿作业区的主要生产过程数据进行收集、显示、记录和统计,集设备运行监控和生产计划管理于一体,实现生产调度、管理的数字化、信息化。基础自动化子系统包括井下多级通风系统、盲竖井提升系统、矿石破碎运输系统、井下人员车辆定位调度系统、380铁路信号系统、35kV变电站及6kV变电所电网系统、井下中央泵房控制系统等子系统。


中国恩菲工程技术有限公司开发了“地下矿无人驾驶电机车运输技术”,它将机械、采矿、变频、计算机、无线通信、总线等多学科、多领域的高端技术有效地结合在一起,实现了机车的可靠、稳定与高效运行。采用无人驾驶电机车控制系统后,在地下集中调度室可以完成对整个运输任务的控制。在运输过程中,电机车大部分时间处于自动运行状态,当条件满足时以允许的最大速度运行,而在弯道、限速区域以及卸载站等均自动降速,从而大大提高了电机车的安全性和运输效率。在电机车装矿阶段,控制人员在地下集中调度室通过视频辅助远程遥控完成装矿操作,取消了现场操作人员。控制系统可避免超速掉轨事故、追尾事故的发生,确保电机车运输的安全性。地下集中控制室的功能也完全可以转移到地表集中调度室完成,从而节省上下井换班时间对生产的影响,增加有效生产时间。


2012年5月,中国恩菲20吨地下矿无人驾驶电机车运输系统首先在铜陵冬瓜山铜矿-875m中段投入生产试运行,至2013年3月累计运输矿量30万吨,单系统连续无故障运行时间720h;如全面采用此项技术,运输系统作业人员将由原来的40人减少至8人,维护工作和人员配备也会随之减少;冬瓜山铜矿已决定在-1000m中段运输系统全部采用该技术。


2017年02月,中国恩菲工程技术有限公司与中色非洲矿业有限公司签订赞比亚谦比希主、西矿体500m中段无人驾驶电机车运输项目合同。


中国恩菲工程技术有限公司多年来一直追踪世界自动化采矿技术发展的趋势,开展研究和推动工程化应用,形成了固定设施无人值守、无人驾驶电机车运输、无轨采矿自动化作业、供配电融合控制系统和矿山信息化管理系统等关键技术,通过与国家超级计算中心共同建立中国矿业信息化协同创新中心,集成矿业大数据和云计算技术,探索为企业提供智能矿山整体解决方案。云南普朗铜矿一期采用中国恩菲核心专长的自然崩落法采矿工艺,拥有自动放矿、无人驾驶、长距离胶带运输、井下旋回破碎等现代化设备,采用了当今世界上采矿先进技术和装备,项目建成后,将成为国内采矿工艺最先进、装备水平最高的特大型铜矿山。中国恩菲自主研发的业绩引起了采矿行业的高度关注,这在很大程度上推进了无人开采技术的发展和智能化矿山建设。


洛阳栾川钼业集团股份有限公司澳大利亚北帕克斯矿山是一座大型的铜金生产矿山,井下采矿2014年3月起就实现了80%自动化,现已提升到完全自动化。矿山的无人驾驶装载车自行运转,完成装矿、运矿和卸矿工作。


首钢矿业公司杏山铁矿已实现井下电机车的无人驾驶。


武钢资源集团程潮矿业公司成立了无人驾驶攻关团队,2016年5月开始井下无人电机车的测试、安装和调试工作。2017年7月份,该公司井下无人电机车攻关项目在线试车成功,采取多种保护措施,有效降低了井下电机车掉道、撞车等风险,提升了运输安全本质化水平。目前,该公司已实现-500m水平4台无人电机车上线运行,并形成了运输环线。据分析,井下无人电机车系统每年可创效益306万元。


中冶北方总承包建设的酒钢镜铁山矿桦树沟矿区2520m电机车无人驾驶改造项目通过验收并进入试运行阶段。


4.3机器人


机器人也是智能采矿关键设备之一,除了在常规工作场合应用外,在一些人无法到达的区域,机器人更能大显身手。水下机器人可用于水淹废弃矿井开采和深海采矿,水淹废弃矿井用的水下采矿机器人已经成功研发并开始进行试验,而深海采矿机器人已开始研发,并准备应用到实际作业当中。太空采矿机器人同样极具潜力,中国已积极推进与行星采矿相关的理论研究与技术研发、储备。


5结束语


金属矿产资源开采是人类获得工业原料的主要方式,近年来,随着全球矿产资源开采量的持续增长,开采难度不断加大,各国都十分重视采矿业与科技的融合。当前,我国智能矿山技术发展主要体现在信息采集与传输、综合调度中心、资源管理系统、矿山安全监测预警等方面。今后要加快智能设备制造、生产遥控操作、计算机远程控制等项工作,以促进传统产业的转型升级,提高企业核心竞争力,改善人员作业环境,降低人员劳动强度,提高矿山安全水平,促进社会和谐。


“智能采矿”的高级实现形式——无人采矿将成为世界采矿业的未来发展方向和追求目标。


参考文献:


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[2]古德生.走向矿业的未来——智能采矿[EB/OL].https://wenku.baidu.com/view/7b2bd855da38376baf1faee1.html?sxts=1532174956564.2013.06.


[3]程潮铁矿.程潮铁矿有了“采矿机器人”!研制井下无人电机车,全国率先投入生产[EB/OL].http://www.sohu.com/a/230930967_333138.2018.05.09.


[4]环球网.矿业首例洛阳钼业北帕克斯矿山井下采矿实现100%自动化[EB/OL].http://www.huanqiu.com/r/MV8wXzc5NDMxNjlfMTM5NF8xNDQ3MDc3NTg2.2015.11.09.


[5]中国恩菲.《中国有色金属报》头版报道中国设计的国内最大有色地下矿山普朗铜矿[EB/OL].http://www.enfi.com.cn/enfi/gyef/xwdt/gsxw/316445/index.html.2017.03.28.


[6]中国恩菲.中国恩菲签订赞比亚谦比希主、西矿体500米中段无人驾驶电机车运输项目合同[EB/OL].http://www.enfi.com.cn/enfi/gyef/xwdt/gsxw/316449/index.html.2017.02.20.


[7]中冶北方.堪比“老司机”,中冶北方无人驾驶电机实现井下运输自动化[EB/OL].http://www.360doc.com/content/18/0302/14/36843573_733681870.shtml.2018.03.02.


[8]丹东东方测控.我国智能采矿又取得重大突破:露天矿卡车无人驾驶系统将在今年走进现场进行测试[EB/OL].http://www.dfmc.cc/news/news_923.html.2018.01.24.


[9]胡乃联.金属矿山数字化漫谈[EB/OL].http://www.docin.com/p-672357476.html.2010.04.


[10]方原柏.有色金属生产过程自动化[M].北京:人民邮电出版社,2014.

来源:控制网

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