淺談地下金屬礦山采掘機(jī)械化及智能化

陳發(fā)興

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

改革開放以來，我國地下金屬礦山采掘機(jī)械裝備水平有了很大發(fā)展，整體上縮小了與西方發(fā)達(dá)國家礦山的差距，近年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能礦山建設(shè)也成為礦業(yè)界的熱門話題，現(xiàn)結(jié)合作者多年工作經(jīng)驗，談一談我國地下金屬礦山采掘機(jī)械化及智能化現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及需要解決的相關(guān)問題。

1 無軌采掘工藝應(yīng)用

經(jīng)過20余年的快速發(fā)展，我國地下金屬礦山無軌采掘工藝已得到廣泛應(yīng)用，無軌采掘工藝靈活、高效、產(chǎn)量大的特點(diǎn)得到了充分體現(xiàn)，最顯著的效果是礦山產(chǎn)量大幅提高，產(chǎn)量達(dá)百萬噸級的地下礦山比比皆是。但是，大量無軌柴油采掘設(shè)備在地下金屬礦山的應(yīng)用也有其不利方面，其產(chǎn)生的大量尾氣及油煙使井下作業(yè)環(huán)境變差，對作業(yè)人員的健康產(chǎn)生不利影響。柴油采掘設(shè)備的污染是今后地下金屬礦山需要解決的一個難題。

2 采掘設(shè)備的配套

早期的無軌采掘礦山重點(diǎn)是推進(jìn)主體工序如鑿巖、出礦(出渣)、礦(渣)運(yùn)輸?shù)裙ば虻臒o軌化，目前，大部分礦山也比較注重輔助工序無軌采掘設(shè)備的配套，如裝藥采用裝藥臺車，頂板管理采用撬毛臺車和錨桿臺車，砼支護(hù)配套有砼攪拌站、砼運(yùn)輸車、砼輸送泵、噴砼臺車等，人員、材料運(yùn)輸采用專用的運(yùn)人車、各類材料運(yùn)輸車或多功能服務(wù)車等，天井施工方面，反井鉆機(jī)已得到廣泛應(yīng)用。

對礦山安全的重視及人工成本上升，促使礦山向采掘設(shè)備全面配套方向提升。采用性能良好的各類無軌采掘設(shè)備作業(yè)，其好處之一是可提高工效，減少作業(yè)人員，好處之二是操作人員處于相對安全的駕駛室內(nèi)或避開了安全威脅大的區(qū)域，人員的安全風(fēng)險大大降低。

3 采掘設(shè)備電動化

目前，實際生產(chǎn)中采用柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動(以下簡稱柴油驅(qū)動)的采掘設(shè)備還有較大比重，其中，運(yùn)礦卡車、材料及人員運(yùn)輸車以柴油驅(qū)動為主，鏟運(yùn)機(jī)也有相當(dāng)大的比重采用柴油驅(qū)動，鑿巖臺車行走時也多采用柴油驅(qū)動，大部分輔助臺車多為柴油驅(qū)動。與電驅(qū)動相比，柴油驅(qū)動的設(shè)備能耗大、存在尾氣排放的污染、發(fā)熱量大、設(shè)備維修量大、設(shè)備利用率低、使用成本高。

相同能力級別的設(shè)備，配置功率柴油驅(qū)動的要比電驅(qū)動的大，以山特維克產(chǎn)的額定載重14 t鏟運(yùn)機(jī)為例，柴油驅(qū)動的發(fā)動機(jī)額定功率243 kW，電驅(qū)動的電動機(jī)額定功率160 kW。據(jù)生產(chǎn)實際統(tǒng)計，相同額定載重能力的鏟運(yùn)機(jī)，其能耗及維修成本電驅(qū)動僅為柴油驅(qū)動的1/3～1/2。

拖曳電纜的電動鏟運(yùn)機(jī)因電纜的束縛，其機(jī)動性和活動范圍受限，在留設(shè)點(diǎn)柱較多的礦塊內(nèi)出礦也不是很方便，與柴油鏟運(yùn)機(jī)相比，增加了電纜損耗的費(fèi)用。改為電池版鏟運(yùn)機(jī)是解決拖曳電纜電動鏟運(yùn)機(jī)不足的可行方案。

目前，山特維克、安百拓、挪曼爾特等廠商正在研發(fā)和推出電池版采掘設(shè)備，其中電池版鑿巖臺車將行走時的驅(qū)動改為電，其充電在鑿巖時完成，國內(nèi)的航天重工也在研發(fā)和推出電池驅(qū)動的人員、物料運(yùn)輸車。目前，電池版采掘設(shè)備的售價相對來說還比較貴，性價比不高。類比電動汽車的發(fā)展情況，隨著電池技術(shù)的發(fā)展完善及新技術(shù)新材料的應(yīng)用，電池版采掘設(shè)備價格將會呈逐步下降趨勢。從電驅(qū)動的突出優(yōu)勢和社會日益增強(qiáng)的環(huán)保需求來判斷，電動化將采掘設(shè)備發(fā)展方向，電池版采掘設(shè)備將會得到廣泛應(yīng)用。

4 采掘智能化

4.1 智能采掘設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，能夠在現(xiàn)場成熟應(yīng)用的采掘裝備其智能化、自動化、信息化水平大致如下。

1)掘進(jìn)臺車在人工支機(jī)定位后，在工作面開孔條件合適的前提下，可實現(xiàn)單排面自動按設(shè)計圖鑿巖，從國內(nèi)使用的實際使用情況看，一般還需操作人員在現(xiàn)場值守，干預(yù)處理工作面不適合自動鑿巖的情況。

2)出礦鏟運(yùn)機(jī)可實現(xiàn)自動沿設(shè)定線路運(yùn)行，自動卸礦，僅鏟裝環(huán)節(jié)需要人工輔助，1個操作人員可遠(yuǎn)程操控3臺鏟運(yùn)機(jī)，鏟運(yùn)機(jī)裝車時，需均勻卸礦至車廂內(nèi)，此環(huán)節(jié)尚需人工輔助。礦用卡車可實現(xiàn)在設(shè)定線路上自動運(yùn)行和裝卸礦。為保障安全，上述自動運(yùn)行的鏟運(yùn)機(jī)、礦用卡車需在設(shè)置了安全門的、封閉的、相對獨(dú)立的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，人員和其它無關(guān)設(shè)備不允許闖入，一旦強(qiáng)行闖入則系統(tǒng)停止運(yùn)行。

3)其它采掘輔助設(shè)備一般需要操作人員一對一直接操作或遙控操作，尚未發(fā)展到無人值守自動運(yùn)行的水平。

4)主要采掘設(shè)備能記錄顯示其運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，有故障能自動提示和報警，相關(guān)數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

4.2 采掘智能化需求

參考《有色金屬行業(yè)智能礦山建設(shè)指南(試行)》，從發(fā)展角度看，采掘智能化應(yīng)達(dá)到如下水平：常規(guī)的、重復(fù)性的作業(yè)應(yīng)全部由采掘設(shè)備自動完成，無需操作人員操作，人員只進(jìn)行采掘作業(yè)條件的準(zhǔn)備、特殊情況處置及現(xiàn)場巡查，如設(shè)備的搭水、搭電等，具體到各主要工序環(huán)節(jié)的要求如下。

4.2.1 鑿巖

包括采礦的淺孔鑿巖和深孔鑿巖及掘進(jìn)的淺孔鑿巖，鑿巖臺車在鑿巖前對工作面進(jìn)行作業(yè)條件的判斷，自動移機(jī)支機(jī)，自動進(jìn)行炮孔設(shè)計，自動鑿巖。

裝藥臺車自動識別炮孔，按爆破設(shè)計圖自動裝藥。

4.2.3 出礦

鏟運(yùn)機(jī)自動進(jìn)行出礦作業(yè)，自動將已爆落的礦石鏟裝、運(yùn)輸，自動卸載到采場溜井內(nèi)，能自動對爆堆進(jìn)行智能識別，調(diào)整優(yōu)化鏟裝動作，自動對路面進(jìn)行監(jiān)控，及時處理運(yùn)輸過程中掉落的巖塊。有無人駕駛運(yùn)輸卡車配合運(yùn)輸時，鏟運(yùn)機(jī)能自動將礦石均勻地裝到運(yùn)輸車斗內(nèi)。自動識別超限大塊，自動進(jìn)行處置，或?qū)⑿畔鬟f給需配合處理大塊的碎石設(shè)備。

4.2.4 出渣

鏟運(yùn)機(jī)自動進(jìn)行出渣作業(yè)，自動將已爆落的巖石鏟裝、運(yùn)輸，并卸載到配套的無人駕駛運(yùn)輸車內(nèi)或溜井內(nèi)。其余要求同出礦環(huán)節(jié)。

4.2.5 撬毛

撬毛臺車自動對有浮石的、需撬毛的地段進(jìn)行智能判斷及浮石清理。

在數(shù)學(xué)教學(xué)過程中要全面地理解新課程標(biāo)準(zhǔn)對高數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的要求，在數(shù)學(xué)教學(xué)過程中自覺地滲透數(shù)學(xué)思想和數(shù)學(xué)文化.把培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思想，提高學(xué)生的數(shù)學(xué)思維作為數(shù)學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維和解題能力.

4.2.6 錨桿支護(hù)

錨桿臺車自動對需打錨桿的、及掛網(wǎng)的地段進(jìn)行智能判斷，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計及施工。

4.2.7 噴砼支護(hù)

噴砼臺車自動對需噴砼支護(hù)的巷道進(jìn)行支護(hù)，并配套智能砼攪拌站及無人駕駛砼運(yùn)輸車給其供料。

4.2.8 路面維護(hù)

路面維護(hù)臺車自動對無軌采掘設(shè)備運(yùn)行的路面進(jìn)行清理、整平、壓實等維護(hù)路面作業(yè)。

4.2.9 大塊破碎

二次破碎臺車或移動碎石錘自動進(jìn)行大塊破碎。

4.2.10 材料運(yùn)輸

無人駕駛材料車將各類貨物自動運(yùn)輸并卸載到指定地點(diǎn)。

4.2.11 天井施工

天井鉆機(jī)自動進(jìn)行天井鉆井施工，包括中導(dǎo)孔的鉆進(jìn)及反井?dāng)U刷，能自動進(jìn)行鉆桿更換，能自動根據(jù)鉆進(jìn)過程中巖石條件自動優(yōu)化調(diào)整作業(yè)參數(shù)。

要實現(xiàn)上述各工序的自動作業(yè)，需要智能掃描及分析設(shè)備對井下已形成的巷道、硐室、采空區(qū)等空間進(jìn)行數(shù)字化描述，并對其巖性、構(gòu)造、節(jié)理裂隙、浮石、礦圍巖穩(wěn)固性、跨塌風(fēng)險等進(jìn)行辨識和判斷，及時更新礦山三維立體模型數(shù)據(jù)，與撬毛、錨桿支護(hù)、噴砼支護(hù)、鑿巖、爆破、出礦及出渣、路面維護(hù)等作業(yè)設(shè)備共享數(shù)據(jù)。所有人員及設(shè)備均能實時定位，能相互通訊、信息共享、傳遞工序間配合作業(yè)的指令等，集控中心統(tǒng)一指揮調(diào)度，實現(xiàn)采掘裝備多機(jī)聯(lián)合作業(yè)。

4.3 實現(xiàn)采掘智能化需求的關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 精確定位

采掘設(shè)備精確定位是其實現(xiàn)自動作業(yè)的前提，如鑿巖設(shè)備只有“感知”到自身的精確位置，才能按炮孔設(shè)計圖進(jìn)行鑿巖，保證鑿巖精度，行走中的設(shè)備要實現(xiàn)安全避讓，其準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)也是控制的基礎(chǔ)。

精確定位能通過掃描、比對設(shè)備周邊已經(jīng)數(shù)字化的空間環(huán)境或及測量控制點(diǎn)獲得。

4.3.2 作業(yè)環(huán)境智能識別

作業(yè)環(huán)境智能識別也是采掘設(shè)備能夠自動作業(yè)的前提，只有采掘設(shè)備在“看清”其作業(yè)對象及環(huán)境后，才能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的分析判斷和操作。需智能識別的作業(yè)環(huán)境主要有：爆堆、運(yùn)行線路、卸(渣)礦點(diǎn)、鑿巖工作面、裝藥工作面、撬毛工作面、錨桿支護(hù)工作面、噴砼支護(hù)工作面、需要破碎的大塊、需要維護(hù)的路面等。

4.3.3 網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋及信息及時傳輸

采掘工作面存在爆破作業(yè)，存在爆破沖擊對設(shè)備設(shè)施的影響，因此爆破工作面網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋是難點(diǎn)，可通過自動移動的設(shè)備來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋。

采掘設(shè)備為移動設(shè)備，為保證運(yùn)行安全，要求信息傳輸有低時延、大流量的良好性能，將5G通訊技術(shù)應(yīng)用于井下，應(yīng)能滿足采掘智能化的通訊要求。

4.4 采掘智能化效果分析

采掘智能化主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

4.4.1 減少人員

機(jī)械化換人、自動化減人、智能化代人，采掘智能化可減少大量操作人員。舉1個礦山智能化設(shè)計例子，礦山為大型銅礦山，開采規(guī)模為6 000 t/d，采用分層充填法、點(diǎn)柱充填法開采，采掘智能化水平按常規(guī)的、重復(fù)性的采掘作業(yè)全部由設(shè)備自動完成，人員只進(jìn)行采掘作業(yè)條件的準(zhǔn)備、現(xiàn)場巡查及檢修維護(hù)，與常規(guī)水平相比，采掘智能化人員可減少173人，按18.3萬元/年的人工費(fèi)計，每年可節(jié)約人工成本3 165.9萬元。

4.4.2 提高效率

采掘設(shè)備自動運(yùn)行的水平，相當(dāng)于水平最好的、熟練的操作工的最高水平，且可以穩(wěn)定運(yùn)行，因此采掘智能化可以提高生產(chǎn)效率。

4.4.3 安全

實現(xiàn)采掘智能化后，大量重復(fù)性的、耗時長的、操作環(huán)境條件較差作業(yè)環(huán)節(jié)將不再需操作工現(xiàn)場操作完成，而由設(shè)備及系統(tǒng)自動完成，作業(yè)人員主要工作僅是巡查、檢修維護(hù)等，因此作業(yè)人員的安全風(fēng)險降低了，其工作環(huán)境也得到了改善。

5 結(jié) 語

從我國地下金屬礦山實際情況看，無軌采掘工藝已得到廣泛應(yīng)用，并逐步向采掘設(shè)備的全面配套方向發(fā)展。長遠(yuǎn)來看，采掘電動化和智能化將是地下金屬礦山發(fā)展的必然結(jié)果，需要廣大科技工作者結(jié)合生產(chǎn)實際，盡早攻克相關(guān)技術(shù)難題，實現(xiàn)地下金屬礦山采掘智能化愿景。