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    數(shù)字信息化及自動化智能采礦技術(shù)在地下礦山的應(yīng)用與發(fā)展*

    2017-10-23 01:07:35楊清平蔣先堯陳順滿
    采礦技術(shù) 2017年5期
    關(guān)鍵詞:鏟運機礦山智能化

    楊清平,蔣先堯,陳順滿

    (1.中色非洲礦業(yè)有限公司, 北京 100083; 2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083)

    數(shù)字信息化及自動化智能采礦技術(shù)在地下礦山的應(yīng)用與發(fā)展*

    楊清平1,蔣先堯1,陳順滿2

    (1.中色非洲礦業(yè)有限公司, 北京 100083; 2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083)

    數(shù)字信息化、自動化智能采礦是現(xiàn)代礦山的發(fā)展方向,不僅能提高礦山生產(chǎn)整體管理水平,而且能提高礦山綜合效益。礦業(yè)發(fā)達國家礦山的數(shù)字信息化及自動化智能采礦技術(shù)發(fā)展已日益完善。介紹了國外幾個典型礦山應(yīng)用實踐,闡述了地下礦山數(shù)字信息化、自動化智能采礦的關(guān)鍵技術(shù),并對礦山數(shù)字信息化、自動化智能采礦提出了幾點建議,可為礦山數(shù)字化,信息化同,智能化建設(shè)提供參考。

    數(shù)字信息化;自動化;智能采礦;地下礦山

    0 引 言

    數(shù)字信息化、自動化、智能化作為新興技術(shù)極大地促進了各行各業(yè)的發(fā)展,礦業(yè)技術(shù)發(fā)達國家許多礦山已經(jīng)實現(xiàn)了礦山數(shù)字化、信息化和自動化智能采礦,極大地提高了礦山的生產(chǎn)管理水平,取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。數(shù)字信息化、自動化智能采礦技術(shù)促使礦山生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)得以高效運行,是現(xiàn)代礦山的追求目標和發(fā)展方向。芬蘭的Pyhaslami 礦、瑞典的Kiruna 鐵礦以及加拿大的Kidd Creek礦等先進礦山都率先做出了表率,通過自動化、智能化和無人化采礦,在千米深井條件下實現(xiàn)了很高的勞動效率、安全指標與技術(shù)經(jīng)濟指標。一些深井礦山,炸藥、油料等均已做到通過管道直接下放到井下,同時先進的通訊系統(tǒng)也做到了對設(shè)備的遠程遙控,減少上下班交接班時間,提高設(shè)備有效工作時間,從而實現(xiàn)高效。其它的通風(fēng)、排水、提升等系統(tǒng)更是實現(xiàn)了地面遠程控制,既高效,又可節(jié)省人力成本。

    近幾年,我國在礦山數(shù)字信息化建設(shè)方面也取得一定成果,首鋼杏山鐵礦通過礦山信息化建設(shè),實現(xiàn)了有軌無人駕駛電機車運輸、井下人員、設(shè)備定位、井下語音通信及井下通風(fēng)、排水、配電等固定設(shè)備設(shè)施無人值守等生產(chǎn)調(diào)度自動控制管理系統(tǒng)。但同國外先進礦山相比還遠遠不足,尤其是自動化智能采礦技術(shù)差距更大。

    1 國外礦山信息化及自動化智能采礦技術(shù)

    1.1 Pyhǎsalmi Mine信息化及自動化采礦技術(shù)

    1.1.1 自動化出礦技術(shù)

    Pyhǎsalmi Mine是礦山自動化的倡導(dǎo)者和實踐者,與山特維克公司合作獲得了最先進的技術(shù)。自動化出礦技術(shù)既降低了礦山采礦安全風(fēng)險,又節(jié)省了人員頻繁上下設(shè)備的時間。

    Pyhǎsalmi Mine現(xiàn)裝備有6臺鏟運機, 其中LH621型4臺、TORO11型1臺和LH517型1臺,并裝備有3套AutoMine Loading-Lite單臺鏟運機自動化系統(tǒng),三套系統(tǒng)可控制4臺LH621型鏟運機及1臺TORO11型鏟運機,鏟運機從采場到溜井平均運距250 m。

    自動化鏟運機系統(tǒng)包括以下主要系統(tǒng):門禁控制系統(tǒng) (ACS); 操作站;MineLAN通訊網(wǎng)絡(luò);自動化鏟運機。

    門禁控制系統(tǒng) (ACS)用于控制人員和設(shè)備進入自動化運行區(qū)域的屏障。光柵門禁系統(tǒng)確保外界因素打破該系統(tǒng)后鏟運機能自動停止工作。該系統(tǒng)靈活性大,可以根據(jù)生產(chǎn)需要很快地挪位和安裝。

    操作站用于操作人員控制系統(tǒng)及查看用戶地圖界面,設(shè)置于移動面包車內(nèi),在采場外進行操作控制。

    MineLAN通訊網(wǎng)絡(luò)為AutoMine Loading -Lite 子系統(tǒng)與自動化鏟運機間提供無線網(wǎng)絡(luò)連接。AutoMine Loading-Lite有兩個液晶顯示面板,一個面板顯示鏟運機的工作環(huán)境情況、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、運行速度和油料情況、鏟斗和大臂的情況、鏟斗相對于巷道底板的情況、鏟運機橫向和縱向的傾角并據(jù)此來判斷鏟運機的工作穩(wěn)定性。可以設(shè)置工作穩(wěn)定性的最小值,當其低于該值時意味著鏟運機可能有發(fā)生傾覆的危險,鏟運機將自動停止運行。另一面板顯示鏟運機在整個開拓系統(tǒng)中所處的位置。

    自動化鏟運機配有InfraFREE導(dǎo)航系統(tǒng)及視頻系統(tǒng),同時還包含MineLAN礦山局域網(wǎng)通訊模塊移動終端和ACS門禁模塊。自動化鏟運機的運行路徑和速度的獲取,首先需要通過人員駕駛沿該路徑行駛一次,鏟運機會自動掃描并存儲該路徑。然后只要選擇該路徑,鏟運機就會根據(jù)此記錄的路徑和速度來運行,而對于每段的行駛速度后續(xù)是可以手動更改的。每臺自動化鏟運機每年出礦量可達30萬t,整個礦山產(chǎn)量較使用自動化鏟運機前的80萬t提高到140萬t以上,全員勞動生產(chǎn)率20 t/人天左右。

    1.1.2 自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。

    Pyhǎsalmi Mine自動化生產(chǎn)系統(tǒng)包括自動化提升系統(tǒng)和自動化輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。

    自動化提升系統(tǒng)由ABB公司制造,該系統(tǒng)同時控制礦山的箕斗、平衡錘及罐籠的運行。Pyhǎsalmi Mine主井直徑為5 m,使用直徑為4.5 m的四繩摩擦式提升機,電機為2500 kW的直流拖動同步電機,直接轉(zhuǎn)矩控制。罐籠可乘坐20人,運行速度為12 m/s,箕斗運行速度為15.5 m/s,每小時提升能力為279 t。當滿載的箕斗達到井口卸載平臺后將21.5 t礦石卸載到地表礦倉,地表礦倉可存儲5 d的出礦量。

    自動化生產(chǎn)輔助系統(tǒng)包括通風(fēng)、排水、破碎、轉(zhuǎn)運、消防等系統(tǒng),系統(tǒng)集成度高,采用統(tǒng)一界面,在地表或井下均可以進行監(jiān)控操作。兩條主網(wǎng)絡(luò)與30 個PLC 相連,其中一條主網(wǎng)絡(luò)負責排水、消防、提升等系統(tǒng);另一條主網(wǎng)絡(luò)負責通風(fēng)等其它系統(tǒng)??傁到y(tǒng)中設(shè)置了通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷報警系統(tǒng),對各子系統(tǒng)中PLC 和通信路線狀況實時監(jiān)控。同時建立了井下排水狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),對水泵輸入端、自由端、電機輸出端、自由端軸承振動大小、溫度進行實時在線監(jiān)測。

    1.1.3 生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

    Pyhǎsalmi Mine生產(chǎn)管理系統(tǒng)包含生產(chǎn)管理中各方面的重要數(shù)據(jù)資源,通過系統(tǒng)可實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度與安排。生產(chǎn)管理系統(tǒng)中最重要的是生產(chǎn)計劃管理。

    Pyhǎsalmi Mine生產(chǎn)計劃的編制分為幾個階段,首先使用Surpac 軟件建立礦體模型和礦塊模型,然后建立采場模型并將其導(dǎo)入KATTI 采場數(shù)據(jù)庫,探礦鉆孔也同樣建模,最后將所有的數(shù)據(jù)整理成電子表,并編制礦山18 個月的生產(chǎn)滾動計劃。每個月根據(jù)生產(chǎn)實際情況對滾動計劃進行調(diào)整,每個采場在投產(chǎn)前對其模型進行重新修改,及時更新相關(guān)數(shù)據(jù),最后根據(jù)最新的礦塊模型、金屬價格、生產(chǎn)成本和選冶成本等核計每個采場的經(jīng)濟價值,再決定具體采場的出礦量等。

    采場回采結(jié)束后,采用Optech 激光掃描儀掃描采場采空區(qū)形態(tài),單個采場空區(qū)掃描需半小時,最多可獲得53000 個三維測點坐標,井下掃描最大范圍可達200 m,然后將其導(dǎo)入軟件建立空區(qū)模型,一方面為采空區(qū)充填設(shè)計提供依據(jù);另一方面為二步驟回采采場扇形中深孔設(shè)計提供依據(jù)。

    1.2 南非Finsch mine卡車自動化出礦技術(shù)

    Finsch mine年生產(chǎn)能力350萬t。卡車自動化系統(tǒng)于2005年下半年開始試生產(chǎn),2006年12月正式投入生產(chǎn),是全球第一家實現(xiàn)自動化出礦的礦山。Finsch mine現(xiàn)有13臺6 m3以上鏟運機和8臺50 t卡車,設(shè)備維修保養(yǎng)由山特維克公司承擔。根據(jù)礦山建設(shè)自動化出礦的要求,F(xiàn)insch mine礦所有路面均鋪設(shè)有混凝土,且為了保證卡車與運輸水平之間的較好銜接,提高卡車的工作效率,鏟運機的卸載水平比卡車的運輸水平高3 m。

    通過對現(xiàn)場礦卡自動化出礦技術(shù)進行對比分析,其應(yīng)用效果較為顯著,表1為礦卡自動化技術(shù)實施效果,設(shè)備的行駛速度快,縮短了循環(huán)時間,輪胎消耗、燃油消耗、卡車數(shù)量和操作人員均大大減少,維護成本降低,主要部件壽命、設(shè)備開機率、使用率和設(shè)備經(jīng)濟壽命均得到顯著提高;在安全方面,設(shè)置了門禁系統(tǒng)等,可顯著降低安全風(fēng)險,保證自動化生產(chǎn)過程中的安全。

    表1 礦卡自動化技術(shù)實施效果

    1.3 加拿大Kidd Creek礦自動化采礦技術(shù)

    加拿大的Kidd Creek礦,年設(shè)計的生產(chǎn)能力為230萬t?,F(xiàn)裝備4套Sandvik公司的單臺鏟運機自動化系統(tǒng),控制4臺LH514型鏟運機,操作站位于地表中央控制室。單臺鏟運機自動化可以實現(xiàn)自動行駛、自動卸礦及遠程遙控鏟裝。由于該礦井深達3000 m,地表距離井下距離較大,設(shè)備和人員從地表到井下的消耗時間較長,每天可達到的有效工作時間為12 h,當采用自動化采礦技術(shù)后,每天的有效工作時間可延長至15 h,而礦山的生產(chǎn)能力可提高50%。

    Kidd Creek礦雖已領(lǐng)略到自動化鏟運機的優(yōu)越性,但是使用過程依然存在不少問題,主要原因在于自動化系統(tǒng)是在原有系統(tǒng)上添加的,往往因為人員設(shè)備進入自動化門禁區(qū)而導(dǎo)致系統(tǒng)自動停機,影響設(shè)備效率。目前設(shè)備的平均運行時間在13 h/d左右,每斗鏟裝10 t左右,臺班產(chǎn)量1000 t/臺班,尚未發(fā)揮設(shè)備的最大效能。

    而且,Kidd Creek礦井下的通風(fēng)、排水、壓氣、污水處理、油料下放等均實現(xiàn)了遠程自動化控制,其中油料輸送系統(tǒng)由供貨商Shell公司設(shè)計,井下油料庫集中供料,在調(diào)度室可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

    Kidd Creek礦礦山局域網(wǎng)系統(tǒng)提供在自動化鏟運機和門禁系統(tǒng)之間的通訊,網(wǎng)絡(luò)范圍涵蓋自動化作業(yè)區(qū)域和操作站內(nèi)的設(shè)備。

    2 信息化及自動化智能采礦的關(guān)鍵技術(shù)

    礦山信息化及自動化智能采礦主要包括智能開采綜合信息平臺建設(shè)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和各職能部門的信息化管理三方面內(nèi)容。圖1為自動化智能采礦理論框架圖。

    圖1 自動化智能采礦的理論框架圖

    2.1 智能開采綜合信息平臺建設(shè)

    智能開采綜合信息平臺建設(shè)就是搭建信息化自動化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),建立更加精確、細致的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)地質(zhì)解譯的全面數(shù)字化。同時,構(gòu)建隨生產(chǎn)進行而動態(tài)更新的精細化礦體三維模型,采用三維激光掃描等技術(shù)手段獲得詳細的生產(chǎn)過程空間數(shù)據(jù),將礦山已建的各類異構(gòu)信息化系統(tǒng)進行整合和信息集成,統(tǒng)一管理,打造智能開采調(diào)度與控制平臺,即生產(chǎn)調(diào)度控制中心,對井下人員、設(shè)備等生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)進行遠程控制和在線監(jiān)測,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)計算機優(yōu)化分析設(shè)計和工藝仿真。

    2.2 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

    目前采用信息化、自動化和智能化的礦山較多,特別是在芬蘭、美國和智力等國家,因此,礦山生產(chǎn)管理系統(tǒng)可借鑒國內(nèi)外知名的采礦生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng),實現(xiàn)人員、設(shè)備、生產(chǎn)、安全、質(zhì)量等的管理,對生產(chǎn)過程中的設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)過程等進行監(jiān)控。生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要可通過兩個方面來實現(xiàn)對礦山的管理,一方面,根據(jù)搜集到的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù),對礦山的生產(chǎn)計劃進行系統(tǒng)的管理,將礦山生產(chǎn)計劃分為年計劃、月計劃和周計劃等,該管理系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場情況進行實時調(diào)整;另一方面,該生產(chǎn)管理系統(tǒng)可將采集的各類數(shù)據(jù)自動傳送到生產(chǎn)調(diào)度中心。

    同時,通過對井下生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施包括自動化采礦設(shè)備進行集成化管控,打造統(tǒng)一的設(shè)備虛擬管控系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備姿態(tài)實時仿真,完成設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的自動采集、自動傳輸及遠程監(jiān)測,實現(xiàn)礦山井下溜破系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、皮帶運輸系統(tǒng)無人值守、變電所遠程監(jiān)控系統(tǒng)自動化、通風(fēng)機遠程在線監(jiān)測與優(yōu)化、豎井提升自動化、礦山充填自動化、井下有軌(無軌)車輛集中調(diào)度控制、智能化裝藥、鏟運機出礦自動化、礦用三維激光掃描機器人應(yīng)用以及人員設(shè)備定位等的數(shù)字化、自動化、智能化管理。

    2.3 各職能部門的信息化管理

    由于管理模式變化,各職能部門比如生產(chǎn)計劃、技術(shù)、機電設(shè)備、備品備件、勞資以及決策支持等系統(tǒng)原有的管理制度、崗位職責已不適應(yīng)信息化管理新的要求,需要實時對原有管理制度、崗位職責按照信息化管理特別要求進行修訂和完善,并進行系統(tǒng)培訓(xùn),才能實現(xiàn)各職能部門信息化、智能化管理發(fā)揮最大效能。

    3 對信息化及自動化智能采礦的幾點看法

    (1) 開展礦山智能化、信息化和自動化相關(guān)標準體系研究。為了實現(xiàn)地下礦山的信息化、自動化和智能化,需對對生產(chǎn)過程中的相關(guān)標準體系進行研究。信息化、自動化和智能化采礦是一個系統(tǒng)工程,需要將自動化、信息化、智能化的設(shè)備及其管理系統(tǒng)與礦山的開采技術(shù)條件結(jié)合起來,研究智能化采礦的關(guān)鍵技術(shù),形成地下礦山信息化、自動化和智能化開采的通用標準體系。

    (2) 促進礦山智能化、信息化和自動化系統(tǒng)的提升。為了建立良好的智能化、自動化和信息化系統(tǒng),不僅需要大型的設(shè)備,更為重要的是需要信息融合建立,建立井下專用的工業(yè)通信系統(tǒng),將各系統(tǒng)進行連接起來,確保礦山在生產(chǎn)過程中,能實時通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對智能化、自動化和信息化系統(tǒng)進行調(diào)控,將數(shù)據(jù)進行實時分析和傳遞。而礦山井下環(huán)境較復(fù)雜,需根據(jù)礦山不同地點不同數(shù)據(jù)種類來確定不同的通訊網(wǎng)絡(luò),將井下信息系統(tǒng)進行較好的融合。

    (3) 完善礦山智能開采全過程安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,很多礦山的安全系統(tǒng)也逐漸完善,目前礦山六大系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用越來越廣,主要包括井下人員定位系統(tǒng)、礦山壓風(fēng)自救系統(tǒng)、井下緊急避險地下礦山安全避險系統(tǒng)、礦山監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、礦井供水施救系統(tǒng)和礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。但如何保證礦山六大系統(tǒng)的高效運行,如何發(fā)揮礦山六大系統(tǒng)的最大效能,需將多模塊、多網(wǎng)絡(luò)和多接口等進行融合起來,進一步完善礦山智能開采全過程安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè),提高礦山六大系統(tǒng)的安全性、可靠性和兼容性。

    (4) 建立礦山大型數(shù)據(jù)庫平臺,實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)的實時在線優(yōu)化。各大礦山在建立智能化、自動化的過程中,采用了強有力的信息融合技術(shù),將現(xiàn)場開采的數(shù)據(jù)傳遞到計算機上,可通過建立的礦山智能開采調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)計劃系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)、成本控制系統(tǒng)等,將收集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)聯(lián)合起來,并傳遞到大型的數(shù)據(jù)庫平臺,實現(xiàn)實時在線分析,對其整個系統(tǒng)進行實時優(yōu)化。同時,在生產(chǎn)過程中,通過建立的在線監(jiān)測系統(tǒng)等,對井下的大型設(shè)備和大型硐室等,例如變電所、水泵房、提升機和配電硐室等進行監(jiān)測,確保礦山在安全的狀態(tài)下進行最優(yōu)化生產(chǎn)。

    (5) 加強礦山生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的自動化及建設(shè)。根據(jù)國內(nèi)外建立的智能化、自動化礦山經(jīng)驗,要建立高效的智能化和自動化礦山,不僅需建立高效的開采運輸系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)等,還需要建立良好的輔助系統(tǒng),使其與智能化、信息化和自動化系統(tǒng)進行配套,涉及到的生產(chǎn)輔助系統(tǒng)主要包括:油料輸送系統(tǒng)、井下破碎系統(tǒng)、井下排水和通風(fēng)系統(tǒng)、井下逃逸系統(tǒng)和井下通訊系統(tǒng)等。

    (6) 做好智能化、信息化和自動化人員培訓(xùn)。一個良好的智能化、自動化和信息化礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的建立,不僅需要有大型的自動化設(shè)備,與之配套的信息化和自動化系統(tǒng)等,還離不開礦山技術(shù)人員的支撐,這些智能化、自動化和信息化設(shè)備需技術(shù)人員來進行控制與操作,因此,需加強對技術(shù)人員的培訓(xùn),使智能化、自動化、信息化系統(tǒng)和設(shè)備更好的服務(wù)于礦山的生產(chǎn),為礦山創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益和安全效益。

    4 小 結(jié)

    本文對國內(nèi)外礦山的生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析,針對國內(nèi)礦山生產(chǎn)效率低、開采成本高、工作環(huán)境條件差等情況,結(jié)合國外一些智能化、自動化和信息化礦山應(yīng)用較為成功的實例,認為智能化、自動化和信息化礦山為未來采礦發(fā)展的主要研究方向。對芬蘭Pyhǎsalmi Mine自動化出礦技術(shù)、南非Finsch mine卡車自動化出礦技術(shù)和加拿大的Kidd Creek礦自動化采礦技術(shù)進行了重點分析,提出了建立智能化、自動化和信息化礦山的關(guān)鍵技術(shù)在于智能開采綜合信息平臺建設(shè)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和各職能部門的信息化管理。最后,針對國外的礦山應(yīng)用經(jīng)驗,結(jié)合國內(nèi)礦山的現(xiàn)狀,提出了建立智能化、自動化和信息化礦山的幾點建議,需引進國外智能化、自動化和信息化技術(shù);制定礦山智能化生產(chǎn)標準體系、加強自動化和智能化設(shè)備的應(yīng)用;建立完善的智能化、自動化和信息化系統(tǒng)的建設(shè);加強地下礦山的實時監(jiān)測等技術(shù);建立礦山大型數(shù)據(jù)庫平臺,實時對井下生產(chǎn)情況分析;加強礦山技術(shù)人員的培訓(xùn)工作等。通過建立智能化、自動化和信息化系統(tǒng),可大大提高礦山的生產(chǎn)效率,改善井下作業(yè)環(huán)境,減小礦山生產(chǎn)成本,提高企業(yè)的核心競爭力,減小礦山安全生產(chǎn)風(fēng)險,勢必將成為未來礦山企業(yè)發(fā)展的重要方向。

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    2017-08-04)

    國家自然科學(xué)基金面上項目(51674012).

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