首鋼礦山數(shù)字采礦建設及思考

孫建珍

(首鋼礦業(yè)公司)

自1998年美國副總統(tǒng)戈爾提出了“數(shù)字地球”的概念開始，世界各國相繼提出了各種愿景，采礦行業(yè)也提出了建設數(shù)字化礦山，以實現(xiàn)機器自動化采礦、甚至無人采礦為目標。要實現(xiàn)這一目標，就需要對數(shù)字礦山、數(shù)字采礦以及采礦工藝特點進行全面分析。

1 礦山數(shù)字采礦建設

1.1 數(shù)字礦山

數(shù)字礦山具體來說就是指在礦山范圍內(nèi)以三維坐標為主線，將所有礦山信息構建成1個礦山信息模型，并提供有效、方便和直觀的檢索手段和顯示手段［1］。因此，建設好數(shù)字礦山需要數(shù)字化、信息化、自動化技術相結(jié)合。

1.2 數(shù)字采礦

數(shù)字采礦是由數(shù)字礦山概念延伸而來，主要是以計算機及其網(wǎng)絡為手段，使礦山開采對象、開采工具的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表述和深加工，應用于采礦各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策當中，從而達到生產(chǎn)方案優(yōu)化、管理高效和決策科學化的目的。具體內(nèi)容為:①建立三維數(shù)字地質(zhì)模型;②虛擬條件下礦山模擬開采技術研究(數(shù)字開采);③采礦生產(chǎn)過程管控一體化(數(shù)字開采技術與采礦設備有機結(jié)合)，最終實現(xiàn)目標:數(shù)字采礦技術+自動化采礦設備自動化采礦。

1.3 采礦工藝特點

任何一種生產(chǎn)工序流程都沒有像采礦行業(yè)這樣更加貼近“數(shù)字地球”的概念，僅僅用代表時、空、量的數(shù)字，就可以構建一個反映真實礦山信息的虛擬礦山，同樣用數(shù)字也可以模擬設備在礦山中的運轉(zhuǎn)過程。反過來，給予一定的指令，就能實現(xiàn)機器自動化采礦，甚至無人采礦的工作目標，即實現(xiàn)數(shù)字化、自動化采礦。

但采礦生產(chǎn)工序自動化程度遠遠不及其他行業(yè)，最主要的原因是受客觀工作對象、場景所限，采礦工作的對象是礦巖性質(zhì)不均質(zhì)的地質(zhì)體，而且要滿足持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，采出礦巖的比例要均衡、采出礦石(相當于成品)的質(zhì)和量也要均衡穩(wěn)定，具有在不同時間不同地點流動性作業(yè)的特點，而且規(guī)律性不強，這就造成了采裝工序設備一般是單體化的格局。另一方面，采礦各工序獨立性強，銜接性差，因此從整個工藝角度考慮連續(xù)性也較差。因此，一直以來，與其他行業(yè)相比，采礦生產(chǎn)工序自動化程度較低。

1.4 礦山數(shù)字采礦設想

采礦的整體生產(chǎn)過程需要在統(tǒng)一調(diào)度指揮下，各工序設備協(xié)調(diào)配和作業(yè)，而其中最關鍵的作業(yè)地點的布置是通過技術工作提供的。因此，實現(xiàn)數(shù)字采礦重點需要技術、設備協(xié)同工作。數(shù)字采礦架構見圖1。

圖1 數(shù)字采礦架構

2 首鋼礦業(yè)公司采礦主體工藝流程數(shù)字化實施進程

2.1 基于各種三維礦山工程軟件完成相應采礦技術

2.1.1 測量工作

(1)完成日常測量工作，形成三維地形模型。完成了孟家溝采場、水廠采場及其排土場周邊地形、杏山開拓系統(tǒng)等的數(shù)字化工作，形成了三維現(xiàn)狀圖(圖2)和最終境界圖(圖3)的轉(zhuǎn)換，并能夠完成日常的測量驗收、監(jiān)測工作。

圖2 采場現(xiàn)狀

圖3 最終境界

(2)塌陷區(qū)監(jiān)測。杏山針對土線、塌陷區(qū)進行驗收，保證了采場地表模型的及時更新。

通過監(jiān)測點的件數(shù)數(shù)據(jù)形成監(jiān)測點位移變化線，真實地反映邊坡監(jiān)測點等速變形階段、加速變形階段、減速變形階段的運移狀況(圖4)。

圖4 杏山監(jiān)測

(3)邊坡分析。在礦山開采中，邊坡是否穩(wěn)定直接制約、影響著開采的安全和礦山的順利經(jīng)營，它是礦山進行邊坡維護以及優(yōu)化開采設計的主要依據(jù)。運用Surpac軟件可以在任意方位切割地形剖面，根據(jù)地下采場開采情況反算出地表塌陷圈位置，可以及時對穩(wěn)定與不穩(wěn)定的地帶進行劃分，為礦山安全生產(chǎn)提供保障。

2.1.2 地質(zhì)工作

(1)基礎工作。結(jié)合前期鉆孔資料，地質(zhì)平剖面圖，完成創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、平面型實體模型(礦石、巖石、極貧礦模型)(圖5)、塊體賦值等工作，完成相應的礦石儲量計算等工作。

圖5 杏山地質(zhì)模型

(2)建立日常爆區(qū)數(shù)據(jù)庫。對鉆孔資料實體模型的邊界線進行修改，對礦體進行日常更新與維護。為采礦計劃編制、日常質(zhì)量管理提供基礎資料。

實際生產(chǎn)中每月采用牙輪鉆機穿孔數(shù)據(jù)單獨建立爆區(qū)數(shù)據(jù)庫(圖6)，對礦體等實體的真實邊界線進行修改和更新，以利于指導日常采礦生產(chǎn)。

圖6 水廠鐵礦爆區(qū)數(shù)據(jù)庫

(3)巖體推斷模型。隨著杏山采礦工程的進展－330、－378、－428、－480 m 相繼出現(xiàn)了巷道塌方問題，地質(zhì)人員經(jīng)現(xiàn)場確認為斜長角閃巖。這種巖體層間裂隙非常發(fā)育，發(fā)育方向很雜亂，沒有明顯的產(chǎn)狀。揭露的巖體較破碎伴隨著綠泥石化、絹云母化等現(xiàn)象，且?guī)r體比較軟，強度較低。利用開拓工程、系統(tǒng)等揭露的地層信息，結(jié)合斜長角閃巖體的發(fā)育規(guī)律，組織推斷并建立了斜長角閃巖實體模型，用于判斷主、副井附近斜長角閃巖體的分布，為工程施工提供一定程度的依據(jù)。

根據(jù)地質(zhì)勘探鉆孔資料分析，預測出在水廠北區(qū)下盤21#～8#勘探線的邊幫將出露泥巖這種極易風化的巖體(圖7)，對邊坡的穩(wěn)定性影響極大。目前泥巖邊坡大部分還未揭露，但隨著采場不斷往下擴幫，邊坡將陸續(xù)揭露出來，針對該類邊坡巖體極易風化的特點，一旦揭露，必須同步采取封閉或減緩坡角處理，以確保邊坡穩(wěn)定。通過超前分析，起到預警提示的作用，便于有針對性地開展各項安全防護工作。

圖7 杏山不穩(wěn)定巖體

2.1.3 露天穿孔爆破工作

(1)爆破設計。采用“露天礦臺階垂直中深孔微差爆破計算機自動設計與模擬系統(tǒng)”。計算機根據(jù)Surpac軟件提供的地形和地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、爆破分區(qū)條件及爆破工程要求，在爆破模擬系統(tǒng)中相應確定爆破設計中的各種參數(shù)，自動生成完整的爆破設計文件，并將設計結(jié)果上傳至牙輪鉆GPS定位穿孔系統(tǒng)。

(2)露天礦牙輪鉆機GPS自動控制系統(tǒng)露天礦牙輪鉆GPS定位穿孔系統(tǒng)。露天礦牙輪鉆機GPS自動控制系統(tǒng)主要利用GPS信號實現(xiàn)鉆機精確定位，隨后直接定位穿孔作業(yè)。這個系統(tǒng)鉆機對孔精度88%小于10 cm，100%小于30 cm。

露天礦牙輪鉆機GPS自動控制系統(tǒng)使用新技術手段解決了復雜生產(chǎn)過程的自動控制問題，對于提高穿孔作業(yè)精度，提高穿孔質(zhì)量和爆破質(zhì)量，降低穿孔廢孔率和爆破根塊率，進而提高鏟裝作業(yè)效率等具有積極的作用，可降低穿爆成本2% ～4%。同時取消了原來由測量人員進行的鉆孔放點、返點的測量驗收工作。

通過爆破設計與露天礦牙輪鉆機GPS自動控制系統(tǒng)有機結(jié)合，實現(xiàn)了全天候穿孔爆破工藝技術數(shù)字化，做到了計算機爆破設計管理、鉆機GPS定位穿孔管理、穿爆工藝信息化管理等系統(tǒng)信息的有序循環(huán)。

2.1.4 采礦工作

(1)采礦方案設計。根據(jù)優(yōu)化境界的LG法工作原理，完成了幾個項目的方案設計工作。如孟家溝開采方案研究、水廠鐵礦修改設計研究方案、承德招兵溝磷鐵礦設計方案、丹東硼鐵礦研究方案等。

(2)采掘計劃。根據(jù)實際編制采掘計劃流程，模仿技術人員的工作思維，提供編制計劃的思路、實現(xiàn)途徑，二次開發(fā)了短期計劃編制的一些實用功能，如計劃信息初始化、按面積生成采掘帶、設計采掘帶、斜坡道以及報告等等宏命令。

2.2 采礦主體設備部分

(1)目前首鋼礦業(yè)公司露采主體設備情況:采裝設備有 4 m3電鏟，WK－10B－10 m3電鏟，2300XP－16.8 m3電鏟;穿孔設備有YZ－55鉆機，45R、250 型鉆機，邊坡鉆;汽車運輸有 42、77、85、130、150、170 t礦車;膠帶運輸系統(tǒng)有3條，均在水廠。

(2)采礦設備單體發(fā)展趨勢:大型化、無軌化、液壓化、自動化程度高。設備裝備技術特征:裝備技術性能成熟、可靠性高。設備裝備發(fā)展特征:各工序間設備裝備配套，機械化程度高。

2.3 自動化系統(tǒng)

露天開采自動化部分主要是采場礦巖破碎—膠帶運輸過程，實現(xiàn)了PLC過程控制。如水廠西部排巖系統(tǒng)(圖8):采用智能數(shù)字化集中模擬屏對上述設備的電機電流進行實時檢測并報警;對減速機溫度、滾筒溫度、破碎機油壓、破碎機油溫等進行實時檢測并報警;具備皮帶跑偏限位裝置、皮帶打滑檢測裝置及皮帶撕裂檢測裝置，對皮帶進行全方位監(jiān)測。

圖8 對排土機進行遠程監(jiān)視和控制

地下開采主要是生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和安全生產(chǎn)保證系統(tǒng)。系統(tǒng)包括井下破碎系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、地面干選系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、井下窄軌運輸系統(tǒng)、井下采掘設備自動化、井下人員定位管理系統(tǒng)、斜坡道車輛管理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等。

2.4 生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)

目前主要是露天方面。水廠鐵礦的采礦生產(chǎn)自動調(diào)度管理系統(tǒng)運用GPS等技術，在6.5 km2的采場空間內(nèi)，運用計算機對裝、運、卸全過程進行控制與管理，實時自動實現(xiàn)鏟、車、礦等資源的合理配置(圖9)。該系統(tǒng)的開發(fā)應用實現(xiàn)了消耗最低，產(chǎn)量最大化的自動派車目標，礦車綜合效率比系統(tǒng)運行前提高5.96%;電鏟待車時間明顯減少，電鏟的綜合效率比運行前提高2.08%。這個項目列入國家科技部“十五”攻關項目并已經(jīng)通過了驗收。

圖9 礦車終端顯示界面

該系統(tǒng)已成功應用于首鋼水廠鐵礦，水廠鐵礦采區(qū)作業(yè)面長約3.8 km，寬約1.7 km。采區(qū)共有電鏟10臺、礦車38臺、破碎站4個、其他卸車地點9個、道路網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)約40個，合計需要進行管理和控制的點位為100個。采礦生產(chǎn)自動調(diào)度管理系統(tǒng)已經(jīng)與ERP系統(tǒng)連接，形成采礦生產(chǎn)的重要數(shù)據(jù)來源［2］。

3 下一步思考

通過目前現(xiàn)狀分析，在數(shù)字采礦建設中，建議今后重點研究采礦主體工藝流程，貼近現(xiàn)場實際進行細致的研究，下一步著重從以下幾方面開展工作:

(1)加強礦山軟件技術方面的研發(fā)。目前的國內(nèi)外礦山工程軟件大部分在測量、地質(zhì)方面比較成熟，也大大提高了工作效率，但在爆破、采礦規(guī)劃、供配礦方面，軟件功能上不盡人意，即使作為一個輔助工具，技術人員完成一項技術方案，也存在較多問題，軟件無論是從功能上、還是工作原理上都需要改進、突破。重點是軟件開發(fā)要遵循采礦技術客觀規(guī)律，更接近采礦實際工作過程。這是數(shù)字采礦也是數(shù)字礦山的根基，非常關鍵。

(2)建立調(diào)度、采礦計劃間密切聯(lián)系、互動系統(tǒng)。如研究建立數(shù)字化、信息化供配礦應用控制系統(tǒng)，利用Surpac等三維數(shù)字軟件與GPS系統(tǒng)、網(wǎng)絡平臺等鏈接，交換數(shù)據(jù)，從計劃編制到日、小時生產(chǎn)組織，形成一個完整的動態(tài)控制系統(tǒng)，這是建立數(shù)字礦山的重點內(nèi)容之一。

(3)軟件與設備直接接口。目前采礦工作專業(yè)性的軟件較多，這些軟件大多是針對一種問題進行分析、研究，很少有將這些分析結(jié)果直接與設備接口，完成相應的校正等工作。目前通風軟件比較成熟，但將其通風參數(shù)結(jié)果直接指令給通風設備還沒有實現(xiàn)。因此，在確保整個通風系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，有必要研究接口軟件，實時監(jiān)測、操作、預警設備的運行，實現(xiàn)軟件、設備一體化工作，為井下人員安全作業(yè)創(chuàng)造良好的條件。

(4)加強設備自動化研發(fā)。自動化技術雖然已經(jīng)在選礦、球團燒結(jié)得到了廣泛應用，但是大多數(shù)礦山采礦一直沒有認識到它的優(yōu)點和潛在的效益。

目前，仍把注意力放在半自動化和輔助操作控制上，如露天和地下礦鉆機的鉆頭定位、鉆進速度、壓力和孔深控制等。

與采礦工藝緊密結(jié)合，全面實現(xiàn)采礦的自動化是建設數(shù)字礦山的需要，更是采礦業(yè)追求的目標，目前尚有較大的困難。但可以與采礦工藝密切配合，結(jié)合工藝的特點研究設備自動化?？傊?，達到全面實現(xiàn)采礦的自動化，需要不斷加強設備自動化研發(fā)。

(5)豐富調(diào)度管理系統(tǒng)。針對杏山鐵礦，通過數(shù)字化的方式，開發(fā)建立鏟運機自動配礦系統(tǒng)和窄軌運輸自動控制系統(tǒng)，采用采礦專業(yè)技術與計算機控制技術相結(jié)合的方式，并依據(jù)“安全、可靠、實用”的原則，全面提升整個地下采礦數(shù)字化、自動化控制水平。最終，地面生產(chǎn)指揮人員能夠全面實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)測管理。同時，根據(jù)工作需要，不斷豐富調(diào)度管理內(nèi)容，考慮主要軟件與調(diào)度管理系統(tǒng)集成銜接，減少數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。這是建立數(shù)字采礦的重點管控環(huán)節(jié)。

(6)安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)。主要是排土場、采場邊坡、地下開采塌陷區(qū)等重控部位的監(jiān)測，以及地下礦開采時的地壓、通風、礦震等的監(jiān)測預警系統(tǒng)，這些均需要研制不同的專業(yè)軟件與相應的硬件設施，這是建立數(shù)字采礦的安全保證環(huán)節(jié)。

總之，通過以上工作，將數(shù)字化、自動化、信息化技術集于一體，利用專業(yè)知識與軟件的相互融合，解決實際工作中的問題，運用于礦山穿、爆、采、裝、運等現(xiàn)場工藝過程，最終實現(xiàn)采礦業(yè)一直追求的自動化采礦、智能化采礦的建設目標。

［1］ 孫豁然，徐 帥.論數(shù)字礦山［J］.金屬礦山，2007(2):1-2.

［2］ 首鋼礦業(yè)公司計控室.首鋼礦業(yè)公司數(shù)字化礦山建設匯報［R］.遷安:首鋼礦業(yè)公司，2010.