廣東某鎢礦智能礦山建設的探索

黃 毅，張 燕

（1.長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410019；2.中鋁環(huán)保節(jié)能科技（湖南）有限公司，湖南 長沙 410019）

近年來，隨著科學技術水平的不斷提升，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、虛擬現(xiàn)實、無人駕駛、人工智能等新一代信息技術發(fā)展日趨成熟，正在向更多領域滲透，不斷推動傳統(tǒng)礦山行業(yè)的智能化轉型[1-4]。同時為避免礦山開采、運輸?shù)娜藛T安全健康問題，提高礦區(qū)的生產(chǎn)率，減少人力成本，以及智能化能帶來的節(jié)能環(huán)保等，礦山智能化建設成為礦山建設的戰(zhàn)略方向[5-6]，發(fā)展智能化、無人化開采技術，建設智能礦山，是我國現(xiàn)階段及未來礦山資源開采的必然選擇[7-10]。

在國家政策支持和技術創(chuàng)新驅動下，我國的智能礦山建設已經(jīng)初具規(guī)模，數(shù)字化、信息化和智能化技術的大量應用顯著提升了礦山技術設備、生產(chǎn)控制、安全管理和經(jīng)營管理的綜合水平[11-12]。正是在國家政策驅動和礦山企業(yè)從粗放型向集約型的轉型發(fā)展的時代大背景下，研究以智能化帶動礦山傳統(tǒng)行業(yè)轉型升級，打造“安全、高效、智能、綠色”的礦山企業(yè)，最終提高企業(yè)核心競爭力[13]。

1 礦山概況

廣東某鎢礦為新建露天開采礦山，開采對象主要為云英巖型白鎢礦，設計規(guī)模6 000 t/d，年采剝總量約1 000萬t，礦山服務年限16年，前6年為山坡露天，第7年后轉為凹陷露天開采，為大型露天鎢礦。礦山采出礦石含鎢、鉬、銅、鉍等多種有價元素，礦石品位WO30.15%、Mo 0.018%、Cu 0.068%和Bi 0.022%，總體來說礦石屬于低品位礦。礦石圍巖為花崗巖，根據(jù)分化程度在垂直剖面上自上而下分別為全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖，依據(jù)花崗巖檢測報告，圍巖中的中風化和微風化花崗巖可作為建材，經(jīng)破碎、篩分、整形后可作為-5 mm、5～10 mm、10～16 mm 和 16～31.5 mm等4種不同粒徑的細砂或骨料。剝離物中的第四系（表土）和強風化花崗巖作為廢石進入排土場。經(jīng)露天境界圈定，終了境界內第四系（表土）、全風化花崗巖、強風化花崗巖和中/微風化花崗巖占剝離總量比例分別為0.40%、16.33%、24.83%和58.44%，即考慮資源綜合利用，用于建材的花崗巖占總剝離量的58.44%，設計建材規(guī)模15 000 t/d?？紤]資源的綜合利用后，項目效益較為可觀。

該露天礦設計露天開采臺階高度12 m，中深孔微差爆破，采用公路開拓—汽車運輸?shù)拈_拓運輸方式，爆破后礦石塊度≤800mm，廢石塊度≤1 000 mm，礦廢石通過5 m3液壓鏟鏟裝至額載50～60 t自卸汽車，建材和礦石分別運輸至相應的粗碎站，廢石運輸至排土場。結合外部地形和礦山開采規(guī)模，露天境界、礦石建材粗碎站和排土場的相對位置關系見圖1，礦石運輸距離約1.5～2km，廢石運輸距離為2.5～3km。

圖1 露天境界與粗碎站、排土場位置關系Fig.1 Position relationship between the open-pit boundary,coarse crushing station and dump

礦山地處廣東韶關，礦區(qū)地形起伏較大，礦區(qū)周邊生態(tài)林、農(nóng)用地等分布廣泛，根據(jù)廣東地區(qū)環(huán)保要求和企業(yè)自身綠色礦山、智能礦山的建設要求，要求該礦山通過“少人、無人”等智能化手段，建設一座現(xiàn)代、綠色、環(huán)境友好的智能型礦山。

2 智能化建設標準和原則

2.1 建設標準

結合本項目實際，綜合考慮項目總投資、智能礦山建設投資、定員、勞動生產(chǎn)率、項目效益和建設方需求等，本露天開采智能礦山建設的標準為“無人、少人”、遠程操作、高效可靠和綠色環(huán)保，以地測、采礦、剝離、運輸、鏟裝工藝為核心，數(shù)字化與自動化為基礎、信息化為紐帶，信息與通信技術（Information and Communications Technology，ICT）支撐平臺為支撐底座，打造智能礦山。

2.2 建設原則

基于上述建設標準，該露天開采鎢礦按以下原則進行智能化建設。

（1）整體規(guī)劃、分步實施。本項目一期建設礦山智能化，優(yōu)先實現(xiàn)采裝運及企業(yè)運營管理的智能化建設，選廠及建材廠按高標準自動化設計，后期建設選廠及建材廠的智能化。

（2）統(tǒng)一平臺和標準、信息互聯(lián)互通。通過智能網(wǎng)絡，實現(xiàn)人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間互聯(lián)互通。

（3）效益優(yōu)先、持續(xù)優(yōu)化。以解決生產(chǎn)經(jīng)營和企業(yè)管理的實際問題為出發(fā)點，實現(xiàn)關鍵控制技術的升級、突破；并在生產(chǎn)運行中不斷完善、持續(xù)提升。

（4）堅持以生產(chǎn)工藝為核心、自動化為基礎、信息化為紐帶。對礦山資源及地形進行數(shù)字化建模，提供礦山開采各工藝環(huán)節(jié)的建設方案，配備相應的智能化設備，在現(xiàn)有技術條件下盡可能實現(xiàn)智能化和自動化。

3 智能化建設方案

3.1 ICT平臺建設

3.1.1 基礎信息網(wǎng)絡

基礎信息網(wǎng)絡作為ICT各個系統(tǒng)信息交換的高速公路，支撐智能礦山應用子系統(tǒng)的協(xié)同控制。本階段采礦區(qū)域移動網(wǎng)絡采用5G綜合方案，系統(tǒng)采用星型拓撲以太網(wǎng)結構，在采場區(qū)域共設置40處信息點。自建局域網(wǎng)絡擬覆蓋整個礦區(qū)地上約5km2的范圍，覆蓋的主要區(qū)域有生活區(qū)、采礦區(qū)、車載運輸區(qū)以及礦區(qū)內主要辦公區(qū)，為礦區(qū)集群通信、無線視頻監(jiān)控、移動辦公、監(jiān)測設備等數(shù)據(jù)提供穩(wěn)定可靠寬帶的無線傳輸通道。5G網(wǎng)絡應用場景示意圖見圖2。

圖2 5G專網(wǎng)智能礦山應用場景示意圖Fig.2 Schematic diagram of 5G private network intelligent mine application scenario

3.1.2 數(shù)字化使能平臺

數(shù)字化使能平臺作為智能礦山項目的數(shù)據(jù)底座，實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)的基礎數(shù)據(jù)整合，統(tǒng)一規(guī)劃數(shù)據(jù)語言，向下提供已接入子系統(tǒng)應用的數(shù)據(jù)集成接口，把對應的源數(shù)據(jù)轉換成為結構化數(shù)據(jù)，保存在數(shù)據(jù)使能組件的相應主題庫中；向上提供數(shù)據(jù)服務、計算能力接口給智能應用系統(tǒng)。

3.1.3 智能運營中心

智能運營中心是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、移動互聯(lián)、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）等新型數(shù)字化技術為基礎，基于使能平臺實現(xiàn)對智能礦區(qū)相關設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和報警跟蹤處理，借助GIS、二維/三維技術，對智能礦區(qū)相關信息進行可視化管理，提高礦區(qū)管理智能化水平；通過跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合和聯(lián)動，實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調度，提升礦區(qū)綜合管理服務水平。

3.2 智能化支撐系統(tǒng)建設

3.2.1 主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

主數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務、基礎管理、標準管理等功能模塊，是主數(shù)據(jù)標準文本發(fā)布、主數(shù)據(jù)全生命周期管理的重要平臺。

3.2.2 三維數(shù)字化設計與建模

三維數(shù)字化設計與建模主要是依據(jù)三維礦業(yè)軟件，實現(xiàn)對礦產(chǎn)資源與環(huán)境（包括地表、圍巖和礦體等）的數(shù)字化建模。主要包括地質塊段快速劃分、資源儲量及三級礦量自動統(tǒng)計、露天境界優(yōu)化、露天采礦設計、露天采剝計劃編制、露天臺階爆破設計、地質圖件和報表自動輸出以及與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入輸出等。該鎢礦礦體Surpac塊體模型見圖3，優(yōu)化后的露天終了境界見圖4。

圖3 白鎢礦Surpac塊體模型Fig.3 Scheelite Surpac block model

圖4 露天開采終了境界圖Fig.4 Map of the final open-pit boundary

3.3 生產(chǎn)自動化系統(tǒng)建設

3.3.1 無人機測量系統(tǒng)

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)由無人機攝影平臺、飛行控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)組成。工作流程分為像控點布設、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、測繪成果表達、遙感解譯[14]，具有效率高、精度高、實時性高、成本低等優(yōu)點。本項目采用消費級無人機大疆精靈4ProV2.0，主要針對外部地形、礦山開采現(xiàn)場等進行無人機測量，測量解譯后形成三維模型，為地質災害治理、生態(tài)修復、露天境界優(yōu)化、礦山生產(chǎn)計劃編制采裝運智能化設備運行動線設計和優(yōu)化及可視化運營管理等提供數(shù)據(jù)及模型支撐。無人機攝影測量應用工作流程見圖5。

圖5 無人機傾斜攝影測量在礦山露天開采應用的工作流程Fig.5 Work flow of application of UAV tilt photogrammetry in open-pit mining

3.3.2 無人駕駛與遠程遙控系統(tǒng)

系統(tǒng)基于5G網(wǎng)絡的超高速率、超低時延特性，融合GPS及北斗定位、視覺感知、信息傳感等技術、實現(xiàn)鉆、鏟、裝遠程精準控制和純電動礦用卡車智能編隊運行及無人化遠程操控。

采場內智能化設備配備智能控制終端，利用5G通信技術，將鉆、鏟、車等自身的狀態(tài)上行給到平臺進行實質重構和分析，各設備之間進行信息共享，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)平臺實現(xiàn)交互，實現(xiàn)對全電動高風壓潛孔鉆機、液壓挖掘機等工程設備的遠程控制以及新能源電動礦卡的無人駕駛，保證各工序、各設備間的協(xié)同作業(yè)。利用無人駕駛與遠程遙控系統(tǒng)基本架構圖見圖6。

圖6 無人駕駛與遠程遙控系統(tǒng)基本架構圖Fig.6 Basic architecture diagram of unmanned and remote control system

3.3.3 露天邊坡監(jiān)測系統(tǒng)

露天邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)主要對邊坡的地質、地形、地下水、降雨情況以及邊坡是否滑動等特性進行檢測，進而為邊坡災害的預警及治理提供根據(jù)。其可以實時分析邊坡體移動的規(guī)律，提供邊坡穩(wěn)定性分析資料，了解和掌握滑坡的形態(tài)、規(guī)模和發(fā)展趨勢，預報滑坡，以便采取相應的處理措施，保障礦區(qū)安全和保護生態(tài)環(huán)境，提高礦山生產(chǎn)的安全水平，是礦山智能化建設不可或缺的一部分。該系統(tǒng)分為：監(jiān)測中心和監(jiān)測終端，二者由通信模塊連接，軟件、設備、網(wǎng)絡集成于一體。該研究主要以東部高邊坡（邊坡高度超過200 m）和南部臨河邊坡作為主要監(jiān)測面，監(jiān)測的主要內容及采用的設備見表1。

表1 邊坡監(jiān)測內容及設備Tab.1 Slope monitoring content and equipment

3.4 生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)建設

生產(chǎn)管理信息化為生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成、集中管理、透明可視、優(yōu)化分析等提供統(tǒng)一平臺，旨在實現(xiàn)管控一體化、實現(xiàn)精準化管理，全方位提高效率、降低成本、降低勞動強度、保障安全和質量，建設內容及建設架構如圖7所示。

圖7 管理信息化系統(tǒng)建設架構圖Fig.7 Construction architecture of management information system

4 智能礦山配置及效益分析

4.1 智能礦山軟硬件配置

結合實際及建設方需求，智能礦山一期建設采用無人駕駛運輸汽車，遠程遙控鉆機、液壓鏟等設備進行鉆孔、鏟裝及運輸作業(yè)，生產(chǎn)輔助設備按常規(guī)考慮，專網(wǎng)采用華為公司面向企業(yè)的通訊標準（enterprise LTE，eLTE）軟件及硬件配置如表2所示。

表2 智能礦山建設軟件及硬件配置Tab.2 Software and hardware configuration of intelligent mine construction

4.2 效益對比分析

在滿足礦山建設規(guī)模及環(huán)保要求下，礦山按廢石資源綜合利用，常規(guī)露天礦山和智能礦山建設的可比投資及效益對比分析見表3。

表3 常規(guī)礦山與智能礦山可比投資效益對比分析Tab.3 Comparative analysis of comparable investment and benefit between conventional mine and intelligent mine

5 結論

（1）露天開采鎢礦項目具有多種金屬、品位低，選礦難度大的特點，露天境界圈定考慮剝離廢石中的中/微風化花崗巖綜合利用，剝離物中占比約58.44%的中/微風化花崗巖加工成建材，一方面減少了排土場容量，降低了排土場的征地費用，減輕了排土場的管理壓力；另一方面建材產(chǎn)品為企業(yè)貢獻了27.36%的營業(yè)收入，項目整體效益可觀。

（2）該鎢礦按智能礦山標準進行建設，與常規(guī)礦山相比，智能礦山建設費用新增約3 500萬元，企業(yè)定員減少約19.69%，單位礦石制造成本下降約12.39%，全成本下降約14.18%，財務內部收益率（FIRR稅后）增加0.72個百分點。新增可比投資部分回收期約1.37年，經(jīng)濟效益明顯。

（3）開展“少人化、無人化”的智能礦山建設，將實現(xiàn)汽車的無人駕駛，鉆、鏟的遠程遙控和礦山生產(chǎn)運營的可視化管理，大大提高生產(chǎn)的安全性、企業(yè)的勞動生產(chǎn)率和企業(yè)的管理水平，提升企業(yè)競爭力。

（4）基于智能礦山建設要求和標準，為實現(xiàn)無人駕駛和遠程遙控，設備選型設計采用全電動設備，包括自卸汽車和鉆機等，大大降低了廢氣排放，節(jié)能環(huán)保，環(huán)境效益顯著。