基于3D Mine GPS智能調(diào)度系統(tǒng)的采礦動態(tài)化管理

侯 彥 君, 宋 自 平， 翟 翔 超

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

緬甸萊比塘銅礦項(xiàng)目露天礦坑巨大，占地面積達(dá)3.3 km2，垂直采掘深度大，最深達(dá)660 m且為深凹型礦坑，凹坑深度約達(dá)420 m(截止2018年底，采場凹坑已深達(dá)135 m)。萊比塘銅礦生產(chǎn)期設(shè)計(jì)年采剝總量為69 000 kt(約合2 760萬m3)，其中年采礦石量30 350 kt，礦石處理能力為92 kt/d。截止到2018年底，該采剝工程已配置大型牙輪鉆機(jī)10臺，大型液壓挖掘機(jī)14臺，大型推土機(jī)14臺，大型礦用自卸卡車89臺等總計(jì)127臺(套)大型采剝設(shè)備，加上各類生產(chǎn)輔助設(shè)備，采剝工程的設(shè)備已達(dá)到兩百多臺(套)。礦山采剝生產(chǎn)開采量大，施工強(qiáng)度高，所配置的設(shè)備多，采掘排作業(yè)面多，施工組織復(fù)雜。

為滿足大規(guī)模采剝生產(chǎn)需要，項(xiàng)目部在2016年底引進(jìn)了由生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、爆區(qū)管理系統(tǒng)、報(bào)警處理系統(tǒng)、設(shè)備維修系統(tǒng)和報(bào)表管理系統(tǒng)等模塊組成的GPS智能調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行包括穿孔爆破及采運(yùn)排設(shè)備生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備維修管理、礦石廢石管理等礦山采剝生產(chǎn)的綜合調(diào)度管理工作[1，2]。項(xiàng)目部在生產(chǎn)施工過程中主要采用3D Mine軟件進(jìn)行采礦生產(chǎn)設(shè)計(jì)并輔助進(jìn)行采剝生產(chǎn)計(jì)劃編制。

筆者介紹了將GPS智能調(diào)度系統(tǒng)與3D Mine軟件進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對礦山生產(chǎn)的數(shù)字化和動態(tài)化管理，提高管理技術(shù)水平的過程。

2 GPS智能調(diào)度系統(tǒng)與3D Mine軟件的結(jié)合方式

進(jìn)行礦山采剝生產(chǎn)計(jì)劃安排時(shí)，在給定的一個(gè)時(shí)段內(nèi)有多個(gè)符合時(shí)空發(fā)展基本要求的開采段，根據(jù)資金的時(shí)間價(jià)值理論，可以利用3D Mine軟件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，選擇該時(shí)段內(nèi)最優(yōu)的開采段以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益[3]。3D Mine軟件不但可以進(jìn)行露天開采境界的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，還可以在采剝生產(chǎn)中進(jìn)行采場的采剝臺階、采剝條帶、爆區(qū)設(shè)計(jì)、堆浸場的筑堆條帶設(shè)計(jì)、排土場的排土臺階及廢石分類分區(qū)排放設(shè)計(jì)等，可以根據(jù)設(shè)計(jì)采集采場、堆浸場、排土場等的設(shè)計(jì)坐標(biāo)值和標(biāo)高值等空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并賦予其不同的物料屬性以形成完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

采用3D Mine軟件進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)、礦石筑堆設(shè)計(jì)、排土設(shè)計(jì)和采剝生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃編制[4]，形成礦區(qū)空間和時(shí)間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到空間和時(shí)間的約束條件，并將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和約束條件輸入到GPS智能調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，為采用GPS智能調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對整個(gè)礦山進(jìn)行動態(tài)化調(diào)度管理做好完備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；GPS智能調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)3D Mine軟件提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)自身運(yùn)行統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)、設(shè)備維修數(shù)據(jù)、爆區(qū)管理數(shù)據(jù)等形成礦區(qū)大數(shù)據(jù)庫，得到動態(tài)化智能調(diào)度所需的綜合數(shù)據(jù)地圖，GPS智能調(diào)度系統(tǒng)利用其具備的精確定位功能和智能調(diào)度功能，可以實(shí)現(xiàn)對采運(yùn)排設(shè)備及不同物料的坐標(biāo)、標(biāo)高進(jìn)行精確定位和智能調(diào)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對礦山采剝生產(chǎn)的動態(tài)化管理。

GPS智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合3D Mine軟件進(jìn)行礦山生產(chǎn)動態(tài)化調(diào)度管理的流程見圖1。

圖1 GPS智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合3D Mine軟件動態(tài)化管理流程圖

3 礦山采剝生產(chǎn)的動態(tài)化管理

3.1 采剝生產(chǎn)計(jì)劃的動態(tài)化管理

3D Mine三維數(shù)字礦山軟件是一套重點(diǎn)服務(wù)于礦山地質(zhì)、測量、采礦與技術(shù)管理工作的三維軟件系統(tǒng)，充分采用世界上先進(jìn)的三維可視化技術(shù)、三維表面建模技術(shù)、三維實(shí)體建模技術(shù)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、數(shù)字采礦設(shè)計(jì)方法、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與優(yōu)化技術(shù)、工程制圖技術(shù)并以其為基礎(chǔ)，全面實(shí)現(xiàn)了從礦床地質(zhì)建模、儲量估算、測量數(shù)據(jù)的快速成圖、開采系統(tǒng)與開采單體設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)到各種工程圖表的快速生成等工作的可視化、數(shù)字化與智能化，為露天礦山三維可視化計(jì)劃的編制實(shí)現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)支撐。

露天礦山采剝進(jìn)度計(jì)劃編制技術(shù)依托3D Mine三維數(shù)字礦山軟件[5]，在完成礦山三維地質(zhì)建模和精確采剝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以露天礦山采剝生產(chǎn)工序、采剝設(shè)備的數(shù)量和工作效率、作業(yè)場地、排土場地、堆筑場地及時(shí)空發(fā)展等為約束條件，綜合運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論、邏輯學(xué)、工程管理學(xué)、優(yōu)化方法等理論和方法，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)劃編制模擬和優(yōu)化，最終選擇適合于礦山不同時(shí)段采剝生產(chǎn)的最優(yōu)的計(jì)劃編制結(jié)果。

實(shí)際的采剝生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃的執(zhí)行情況很難完全按照3D Mine軟件模擬的進(jìn)度進(jìn)行，因此，在生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃的執(zhí)行過程中，就不可避免地存在實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)整的過程。在進(jìn)度計(jì)劃的執(zhí)行周期內(nèi)，生產(chǎn)管理者可以根據(jù)GPS智能調(diào)度系統(tǒng)中記錄的已執(zhí)行部分的每一項(xiàng)工程的實(shí)際完成情況和最新的設(shè)備效率及勞動力工效參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的動態(tài)調(diào)整和管理。

3.2 采剝現(xiàn)場生產(chǎn)的動態(tài)化管理

采剝現(xiàn)場生產(chǎn)的動態(tài)化管理是以3D Mine軟件采礦設(shè)計(jì)模塊編制的進(jìn)度計(jì)劃確定的采剝順序?yàn)橐罁?jù)，采用GPS智能調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行采剝設(shè)備調(diào)度管理而實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)橐簤和诰驒C(jī)擔(dān)負(fù)著整個(gè)采剝?nèi)蝿?wù)，但其移動較困難，轉(zhuǎn)移速度慢，故現(xiàn)場采剝生產(chǎn)動態(tài)化管理的核心是以挖掘機(jī)為中心來進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度管理的。

各臺階爆區(qū)的設(shè)計(jì)應(yīng)提前進(jìn)行，爆區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)利于挖掘機(jī)避炮，避免挖掘機(jī)長距離行走，其爆破余量應(yīng)保證挖掘機(jī)一周以上的采剝量，短期余量最少不能少于三天的采剝量。爆破余量的動態(tài)化管理采用GPS智能調(diào)度系統(tǒng)的爆區(qū)管理模塊實(shí)現(xiàn)。每個(gè)臺階的各爆區(qū)編號、爆破方量、物料類別、物料方量、礦石品位、爆區(qū)多邊形邊界坐標(biāo)等數(shù)據(jù)均被輸入到爆區(qū)管理模塊，計(jì)入爆破余量值。GPS生產(chǎn)調(diào)度模塊根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度挖掘機(jī)到已爆破并完成數(shù)據(jù)上傳的爆區(qū)進(jìn)行采剝生產(chǎn)，并根據(jù)挖掘機(jī)每天的產(chǎn)量調(diào)整和修正爆破余量值。爆破余量的統(tǒng)計(jì)方法具體為：根據(jù)前一天各臺階的爆破余量、當(dāng)天的各臺階挖掘機(jī)產(chǎn)量、當(dāng)天的各臺階爆區(qū)爆破方量計(jì)算出各臺階當(dāng)天末的采剝余量，并將其作為次日各臺階的爆破余量，如此周而復(fù)始，動態(tài)控制各臺階的爆破余量。

GPS智能調(diào)度系統(tǒng)的爆區(qū)管理系統(tǒng)是根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃通過爆區(qū)創(chuàng)建的，將爆區(qū)穿孔及爆破作業(yè)控制、礦巖圈定作業(yè)及礦石圈定數(shù)據(jù)上傳到爆區(qū)管理系統(tǒng)，得到礦巖爆破總方量及各種物料的爆破方量、礦石品位等并自動計(jì)算出金屬礦量，實(shí)現(xiàn)對穿孔爆破量的動態(tài)化控制。

生產(chǎn)管理及調(diào)度人員根據(jù)爆區(qū)管理系統(tǒng)錄入的爆區(qū)和爆破方量數(shù)據(jù)，通過生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度挖掘機(jī)和自卸汽車進(jìn)行采裝運(yùn)生產(chǎn)，為每臺挖掘機(jī)分派適當(dāng)?shù)牟裳b任務(wù)，通過爆區(qū)管理系統(tǒng)識別不同的物料類型和物料邊界并按要求進(jìn)行分類開采，調(diào)度自卸汽車將不同物料運(yùn)輸?shù)狡湎鄳?yīng)的卸料點(diǎn)卸載，完成物料的采剝生產(chǎn)并自動記錄自卸汽車的運(yùn)輸線路和每班車數(shù)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)量和運(yùn)距的動態(tài)化控制。

生產(chǎn)管理人員在對一定時(shí)段內(nèi)采剝的不同物料統(tǒng)計(jì)方量進(jìn)行分析時(shí)，如發(fā)現(xiàn)與計(jì)劃有偏差，可調(diào)整現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備安排、調(diào)整采剝順序、調(diào)整自卸汽車卸料點(diǎn)或采取增加工作時(shí)間等措施實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)的物料方量動態(tài)化調(diào)控，達(dá)到滿足生產(chǎn)計(jì)劃要求的目的。

3.3 采剝生產(chǎn)質(zhì)量的動態(tài)化管理

GPS智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合3D Mine軟件進(jìn)行采剝生產(chǎn)質(zhì)量動態(tài)化控制的作用主要是為了礦石分類開采并控制礦石的采礦貧化損失率。

礦石的采礦貧化損失率主要發(fā)生在礦巖交界地帶，在工程實(shí)踐中主要表現(xiàn)為半層見礦爆區(qū)和礦巖復(fù)雜交錯(cuò)爆區(qū)，做好這兩種爆區(qū)的管理就能有效地控制礦石的采礦貧化損失率。采用3D Mine軟件進(jìn)行爆區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，將賦予了物料屬性的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GPS智能調(diào)度系統(tǒng)中，利用其爆區(qū)管理模塊，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)爆區(qū)從設(shè)計(jì)，布孔，鉆孔，爆破，分類采裝全過程的動態(tài)化管理。

爆區(qū)的創(chuàng)建：根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃的采剝條帶計(jì)劃在3D Mine的中深孔爆破設(shè)計(jì)模塊中完成爆區(qū)設(shè)計(jì)，生成“鉆孔布置圖”，并將其上傳到GPS智能調(diào)度系統(tǒng)的爆區(qū)管理模塊中完成爆區(qū)的創(chuàng)建，并同時(shí)下發(fā)到鉆機(jī)的生產(chǎn)調(diào)度終端。每個(gè)爆區(qū)從創(chuàng)建到完成采剝的全過程在GPS智能調(diào)度系統(tǒng)中的編號均是唯一的，其命名規(guī)則為臺階+爆區(qū)，如L15-2071即表示15 m標(biāo)高臺階的第2071號爆區(qū)。爆區(qū)創(chuàng)建時(shí)導(dǎo)入爆區(qū)的標(biāo)高、邊界多邊形及邊界坐標(biāo)，炮孔坐標(biāo)等參數(shù)。

穿孔作業(yè)：GPS智能調(diào)度系統(tǒng)具備精確定位和定標(biāo)高功能，可利用爆區(qū)管理模塊自動布孔并自動控制鉆孔深度。鉆機(jī)進(jìn)入爆區(qū)后，可在爆區(qū)管理模塊的自動布孔功能指引下完成每個(gè)炮孔的精確定位和孔深控制，超標(biāo)時(shí)自動報(bào)警。同時(shí)，爆區(qū)管理模塊可根據(jù)鉆孔速率自動判斷巖性和巖石硬度，為確定礦巖性質(zhì)變化標(biāo)高提供參考。

取樣和礦石圈定：地質(zhì)人員在現(xiàn)場提取鉆孔巖粉樣品進(jìn)行試驗(yàn)，確定礦巖邊界和礦石品位，在挖掘機(jī)到新爆區(qū)采裝作業(yè)前在3D Mine軟件中完成礦石圈定工作并將爆區(qū)礦石多邊形導(dǎo)入到GPS智能調(diào)度系統(tǒng)爆區(qū)管理模塊的對應(yīng)編號爆區(qū)內(nèi)，信息包括爆破總方量、物料類別、礦量、品位、子區(qū)域、邊界坐標(biāo)等。GPS智能調(diào)度系統(tǒng)采用不同顏色標(biāo)記不同物料類型并自動生成物料調(diào)度地圖。

物料的裝卸：各個(gè)爆區(qū)各種物料的正確裝卸是控制礦石采礦貧化損失率指標(biāo)最重要的方法。每個(gè)爆區(qū)的爆破物料類型及圈定工程量錄入智能調(diào)度系統(tǒng)后，挖掘機(jī)操作手可通過智能調(diào)度系統(tǒng)機(jī)載終端顯示屏讀取挖掘機(jī)位置和鏟裝物料類型，鏟裝完成后根據(jù)該圖信息向卡車司機(jī)發(fā)送物料類型指令，智能調(diào)度系統(tǒng)通過信息處理正確調(diào)度該礦用卡車的卸料地點(diǎn)，并向該卡車發(fā)出運(yùn)輸路線及卸料點(diǎn)指令，該車按照既定路線將物料運(yùn)輸至指定地點(diǎn)進(jìn)行卸料，完成一車物料的裝卸循環(huán)。智能調(diào)度系統(tǒng)自動記錄每個(gè)爆區(qū)物料采剝完成量并自動與該爆區(qū)圈定的工程量進(jìn)行對比，以報(bào)表的方式提供相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在該爆區(qū)采剝完成后，通過兩者工程量的對比進(jìn)行分析，最后與測量收方數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理。

3.4 礦山HSE的動態(tài)化管理

GPS智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合3D Mine軟件進(jìn)行礦山HSE(健康、安全、環(huán)境管理體系)的動態(tài)化管理主要為了廢石分類排放的管理。

為了保證銅金屬礦山具有的重金屬污染和酸性污染的廢石不外泄，避免造成周邊環(huán)境污染，項(xiàng)目部采用3D Mine軟件進(jìn)行排土場的分區(qū)域排放設(shè)計(jì)并將其分層標(biāo)高及分區(qū)輪廓線坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GPS智能調(diào)度系統(tǒng)中。

地質(zhì)人員在進(jìn)行爆區(qū)礦石圈定作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場提取鉆孔巖粉樣品進(jìn)行試驗(yàn)，確定了不同廢石分區(qū)多邊形邊界，在挖掘機(jī)到新爆區(qū)采裝作業(yè)前，在3D Mine軟件中完成爆區(qū)內(nèi)的不同廢石分區(qū)多邊形圈定并將其導(dǎo)入GPS智能調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)，信息包括爆區(qū)爆破的總方量、廢石不同物料類別、各類物料方量、各物料子區(qū)域、邊界坐標(biāo)等。

將每個(gè)爆區(qū)的爆破物料類型及圈定的工程量錄入到智能調(diào)度系統(tǒng)后，挖掘機(jī)操作手可以通過智能調(diào)度系統(tǒng)機(jī)載終端顯示屏讀取挖掘機(jī)位置和鏟裝物料類型，鏟裝完成后，可以根據(jù)物料分布圖指示信息向卡車司機(jī)發(fā)送物料類型指令，同時(shí)，智能調(diào)度系統(tǒng)通過信息處理，可以正確調(diào)度礦用卡車的卸料地點(diǎn)并向卡車發(fā)出運(yùn)輸路線及卸料點(diǎn)指令，該卡車按照既定路線將物料運(yùn)輸至指定區(qū)域進(jìn)行卸料，完成一車物料的裝卸循環(huán)?？ㄜ囘\(yùn)輸廢石偏離運(yùn)輸線路或卸料區(qū)域時(shí)，GPS智能調(diào)度系統(tǒng)將自動進(jìn)行報(bào)警，提示GPS智能調(diào)度系統(tǒng)的內(nèi)業(yè)調(diào)度及時(shí)提醒和調(diào)度卡車司機(jī)回到正確的物料卸載區(qū)域卸載。

4 結(jié) 語

采用3D Mine軟件進(jìn)行礦區(qū)采礦、礦石入堆、排土等的設(shè)計(jì)并進(jìn)行采剝生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃的編制，形成礦區(qū)空間和時(shí)間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到空間和時(shí)間的約束條件并將其導(dǎo)入到GPS智能調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合系統(tǒng)自身運(yùn)行統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)、設(shè)備維修數(shù)據(jù)、爆區(qū)管理數(shù)據(jù)等形成礦區(qū)大數(shù)據(jù)，得到礦區(qū)動態(tài)化智能調(diào)度所需的綜合數(shù)據(jù)地圖，GPS智能調(diào)度系統(tǒng)利用其具有的精確定位功能和智能調(diào)度功能，可以實(shí)現(xiàn)對不同物料的坐標(biāo)、標(biāo)高進(jìn)行精確定位及對采運(yùn)排設(shè)備的智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對礦山采剝生產(chǎn)的全方位數(shù)字化和動態(tài)化管理。