數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)在露天石灰石礦山采礦技術(shù)應用

張 爽 梁 超，2

(1.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司，湖南 長沙 410083；2.中南大學，湖南 長沙 410083)

0 引言

資源是礦山賴以生存的源泉，隨著數(shù)字化智能化技術(shù)在各行各業(yè)的不斷深入，通過數(shù)字化智能化手段實現(xiàn)水泥原料礦山安全、環(huán)保、高效和精細化開采是礦山企業(yè)的必由之路[1]。

數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)由數(shù)字采礦軟件系統(tǒng)(以DIMINE為例)、智能卡調(diào)系統(tǒng)、品位實時分析系統(tǒng)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)和三維管控系統(tǒng)組成。其能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享和高效協(xié)作，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)資源綜合利用；實現(xiàn)基于實時數(shù)據(jù)采集的自動化配礦和精準開采，保障水泥原料品質(zhì)穩(wěn)定；實現(xiàn)礦山開采生產(chǎn)管理理念變革，提高生產(chǎn)效率，減少不安全生產(chǎn)因素。數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)技術(shù)路線，見圖1。

1 數(shù)字采礦軟件系統(tǒng)

1.1 總述

數(shù)字采礦軟件系統(tǒng)主要是運用在礦區(qū)三維模型數(shù)字化建模，以及利用建模成果進行生產(chǎn)計劃編制、爆破流程化設計、快速的地表及品位更新、精準的自動配礦等領(lǐng)域。

圖1 數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)技術(shù)路線圖

1.2 三維礦山模型數(shù)字化

將礦區(qū)地質(zhì)資料進行模型數(shù)字化是運用數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)的基礎(chǔ)。三維礦山模型數(shù)字化工作包括：整理地質(zhì)基礎(chǔ)資料并建立三維礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫；通過地質(zhì)數(shù)據(jù)庫解譯三維礦巖界線；根據(jù)礦巖界線建立三維礦體、巖體模型；以礦區(qū)現(xiàn)狀地形圖建立三維地表現(xiàn)狀模型；以礦區(qū)終了境界圖建立終了境界模型；通過建立塊段模型，以地質(zhì)統(tǒng)計學方法進行品位推估，從而得到品位模型[2]。

三維礦山模型數(shù)字化工作具體流程詳見圖2。

圖2 三維礦山模型數(shù)字化流程

1.3 生產(chǎn)計劃編制

通過DIMINE計劃編制功能，結(jié)合最新地表現(xiàn)狀、終了境界、礦體、品位模型，可一鍵自動生成中長期計劃，并按照中長期計劃設定的品位、產(chǎn)量信息自動生成年計劃、季度計劃和月計劃供礦山指導生產(chǎn)，若計劃存在偏差還可進行人工調(diào)配。

自動生成生產(chǎn)計劃可準確反應礦床的規(guī)模和品位的分布情況；能夠?qū)τ媱潝?shù)據(jù)在任意時期內(nèi)的回采過程進行模擬、預演；能夠根據(jù)預演結(jié)果找出影響產(chǎn)量穩(wěn)定性的因素和出現(xiàn)產(chǎn)量不均衡的時期，在計劃編制過程中進行調(diào)整；能夠根據(jù)預演結(jié)果確定需要投入的設備、班組下限和上限；且使用簡便、效果直觀生動，能夠通過動畫演示計劃結(jié)果。生產(chǎn)計劃編制見圖3。

圖3 生產(chǎn)計劃編制

1.4 爆破流程化

通過分析現(xiàn)有石灰石礦山爆破的流程，制定了爆破的流程化管理：1)在生產(chǎn)計劃和三維地表現(xiàn)狀模型的基礎(chǔ)上，通過DIMINE快速生成爆破設計方案；2)通過DIMINE發(fā)送設計方案數(shù)據(jù)到鉆機的卡調(diào)系統(tǒng)終端，鉆機按照設計方案到指定設計爆破區(qū)域按照設計炮孔位置進行作業(yè)，并將作業(yè)炮孔信息反饋給生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，在生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)中進行爆堆作業(yè)點維護；3)取樣技術(shù)人員先用打印機打印二維碼(用于分組識別)分裝到樣品袋，然后在現(xiàn)場根據(jù)巖粉情況取樣分裝到指定樣袋中，并在智能取樣APP中進行炮孔分組；4)通過掃碼槍掃描取樣袋中的二維碼與樣品化驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)對應，自動上傳到生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，然后通過DIMINE下載炮孔信息生成爆堆，用于配礦或品位更新。爆破、配礦自動化流程見圖4。

通過爆破流程化極大的解決了礦山放孔、收孔、分組和化驗投入的大量人力成本，并提高了生產(chǎn)效率。通過收集炮孔巖粉數(shù)據(jù)的化驗信息來更新塊段模型，達到了使配礦和計劃編制的原始數(shù)據(jù)更精確的目的。

圖4 爆破、配礦自動化流程圖

1.5 地表更新及品位更新

——地表更新礦山爆破完以后會對地表現(xiàn)狀模型進行更新，根據(jù)鉆機反饋的炮孔點位信息并結(jié)合現(xiàn)狀臺階線通過DIMINE地表更新功能一鍵更新地表，解決了礦山大量去測量更新地表工作。地表更新見圖5。

圖5 地表更新

——品位屬性更新結(jié)合實測炮孔的樣品信息和資源量估算的品位模型，選中炮孔樣可實現(xiàn)一鍵自動更新品位模型，可實現(xiàn)礦山在做完一個平臺后用真實的數(shù)據(jù)去預估下一個平臺的品位信息，為下次生產(chǎn)計劃提供可靠的依據(jù)。品位屬性更新見圖6。

圖6 品位屬性更新

1.6 自動配礦

配礦工作是結(jié)合礦山生產(chǎn)目標和生產(chǎn)技術(shù)條件限制進行礦石質(zhì)量綜合的系統(tǒng)工程，按照一定比例將不同品位的礦石進行搭配、混勻，使其滿足礦山礦石產(chǎn)品質(zhì)量要求。通過將高低不同品位礦石進行質(zhì)量匹配、中和，以增加合格礦石的產(chǎn)出量，減少礦山廢石量的占用空間，改善礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益，提高礦產(chǎn)資源的利用率。因此配礦的自動化、精準化對于礦山尤為重要。

通過實測的炮孔數(shù)據(jù)生成對應爆堆，應用DIMINE中自動配礦功能，根據(jù)礦山實際應用中的元素指標、鏟車產(chǎn)能及破碎站能力生成各破碎站精準產(chǎn)量及品位信息并發(fā)送指令到卡調(diào)系統(tǒng)，通過卡調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)車輛智能自動調(diào)度。

在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)會實時采集跨帶分析儀品位在線分析數(shù)據(jù)并反饋到DIMINE，DIMINE通過反饋的數(shù)據(jù)并結(jié)合爆堆品位信息，對配礦指令進行自動修正后發(fā)送新的配礦指令到車輛自動調(diào)度系統(tǒng)，從而達到最終破碎站進礦品位達到設定指標，見圖4。

2 智能卡調(diào)系統(tǒng)

智能卡調(diào)系統(tǒng)由調(diào)度中心、通訊及差分系統(tǒng)、車載智能終端三部分構(gòu)成，綜合運用計算機技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、全球衛(wèi)星定位(GPS)技術(shù)[5]、系統(tǒng)工程理論和最優(yōu)化技術(shù)等先進手段，建立生產(chǎn)監(jiān)控、智能調(diào)度、生產(chǎn)指揮管理系統(tǒng)，對生產(chǎn)采裝設備、移動運輸設備、卸載點及生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控和優(yōu)化管理。智能卡調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)見圖7。

智能卡調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)了全自動的實時調(diào)度(系統(tǒng)根據(jù)實際生產(chǎn)中電鏟、礦車、卸點、物料等情況的變化適時進行自動調(diào)度)，司機實時對全局信息的知情，人性化的電子地圖監(jiān)視與歷史行車軌跡回放，大量出現(xiàn)特殊物料品種時派車問題的解決，長距離派車問題的解決，局部定鏟派車的靈活性等問題[4]。

圖7 智能卡調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)

通過智能卡調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行配礦指令，可大幅提高礦山礦石質(zhì)量的均勻性及穩(wěn)定性，并通過數(shù)字化的形式實現(xiàn)可視化配礦，解決礦山調(diào)度現(xiàn)場指揮難、規(guī)范性差、質(zhì)量難把控的難題，從而實現(xiàn)提高礦山采礦質(zhì)量，節(jié)省人力成本及車輛合理規(guī)范化管理的目標。智能卡調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)見圖7。

3 品位實時分析系統(tǒng)

品位實時分析系統(tǒng)主要為跨帶分析儀在線檢測系統(tǒng),采用中子活化瞬發(fā)伽馬分析技術(shù)，對流經(jīng)皮帶上所有物料進行透射式無接觸在線檢測，無需取樣，每分鐘即可分析出各成分含量并計算出相關(guān)的質(zhì)量控制參數(shù)，從而根據(jù)分析結(jié)果和爆堆中配礦品位結(jié)合分析，指導配礦中各爆堆產(chǎn)量分配對生產(chǎn)過程進行實時有效的控制，改良生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量[7]，見圖8。

圖8 品位在線分析系統(tǒng)

4 生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)

生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)是指以生產(chǎn)計劃為依據(jù)，對礦山基本信息，安全環(huán)保、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)管理信息、設備管理信息等進行收集和采集，并對收集和采集的信息進行匯總，從而自動輸出統(tǒng)計報表，并可對計劃的執(zhí)行狀態(tài)進行調(diào)整和修正，從而實現(xiàn)資源合理利用、產(chǎn)量與質(zhì)量統(tǒng)計分析、達到平衡工況優(yōu)化調(diào)度的目的，見圖9。

圖9 生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)

通過生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)平臺可實現(xiàn)五個方面的轉(zhuǎn)變：生產(chǎn)從被動指揮向?qū)崟r調(diào)度轉(zhuǎn)變；質(zhì)量從事后抽檢向在線控制轉(zhuǎn)變；資源從被動供應向主動供應轉(zhuǎn)變；成本從事后核算向過程控制轉(zhuǎn)變；管理從粗放型向質(zhì)量型轉(zhuǎn)變。

5 三維管控系統(tǒng)

三維管控系統(tǒng)是為輔助礦山管理人員進行礦山生產(chǎn)管理服務的，見圖10。該系統(tǒng)是一個集大成者，其所支持的數(shù)據(jù)包括：礦山實景模型、生產(chǎn)實測模型、生產(chǎn)計劃模型、工程實體數(shù)據(jù)、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息管理數(shù)據(jù)等。平臺的數(shù)據(jù)來源有現(xiàn)場DCS采集數(shù)據(jù)、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、模型自身屬性等。

在該系統(tǒng)中集成生產(chǎn)作業(yè)各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)：1)實現(xiàn)面向生產(chǎn)作業(yè)過程的可視化展示、監(jiān)控、預警、查詢/統(tǒng)計及各類管理分析報表；2)實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全程可視化集中統(tǒng)一管控；3)實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)各環(huán)節(jié)的可視化管理與調(diào)度[6]。

圖10 三維可視化管控系統(tǒng)

通過三維管控系統(tǒng)，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)與實際相結(jié)合，生動直觀明了的監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)、車輛運行情況、設備運行狀態(tài)等，極大的提高的礦山運行的關(guān)鍵技術(shù)及業(yè)務支持。三維管控系統(tǒng)見圖10。

6 結(jié)語

通過數(shù)字化智能礦山系統(tǒng)在石灰石礦山的應用，主要解決的難點問題如下：

——當?shù)V產(chǎn)資源品位分布不均勻的情況下，實現(xiàn)全業(yè)務流程的質(zhì)量平衡控制方法，解決低品位

礦產(chǎn)資源的綜合利用問題。

——通過數(shù)字化礦山系統(tǒng)對當前石灰石礦山數(shù)字化模型進行分析，精準了解資源分布情況。

——通過DIMINE功能實現(xiàn)爆破設計和采礦可視化及自動模擬，通過提前預演及模擬優(yōu)選最優(yōu)方案，解決了因開采技術(shù)落后而導致資源浪費的問題。

——通過實測炮孔及品位化驗數(shù)據(jù)實時動態(tài)更新，實現(xiàn)用上一臺階真實品位數(shù)據(jù)預估下一臺階的品位并實時修改計劃及配礦指標，解決了礦山資源保證程度低，地質(zhì)勘探工作滯后的難題。

——通過智能礦山系統(tǒng)將極大地減少二次倒運頻率，降低了檢測頻率，從而達到降低成本提高工作效率的目的。

——通過智能卡調(diào)系統(tǒng)充分發(fā)揮設備效率，實現(xiàn)生產(chǎn)資源合理配置和利用，實現(xiàn)高效率、低消耗，同等車輛完成更多生產(chǎn)任務。

——通過生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)將線下流程轉(zhuǎn)到線上，把控流程的審批，實現(xiàn)精細、全面、無紙化辦公，為企業(yè)的生產(chǎn)組織和管理工作帶來全面提升、增添新的價值。

——通過三維管控系統(tǒng)，實現(xiàn)設計階段的生產(chǎn)仿真與模擬、生產(chǎn)階段的監(jiān)測與管控、技改階段的生產(chǎn)回放與過程分析、緊急事件發(fā)生時的可視化應急指揮等礦山關(guān)鍵業(yè)務過程支持，為礦山生產(chǎn)管理與決策提供重要的過程數(shù)據(jù)。