基于3DMine的露天采礦設(shè)計(jì)

費(fèi)聿鵬

摘要：文章主要是分析了基于3DMine的露天采礦設(shè)計(jì)的重要性露，在此基礎(chǔ)上講解了其中存在的一些問(wèn)題，最后探討了開(kāi)拓系統(tǒng)的綜合應(yīng)用情況，望可以為有關(guān)人員提供到一定的參考和幫助。

關(guān)鍵字：露天礦山;開(kāi)拓系統(tǒng);無(wú)人機(jī)航測(cè)

1、前言

露天采礦工程本質(zhì)上是一項(xiàng)大規(guī)模的地面剝離施工，工作空間開(kāi)闊，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本低，易于實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量、高精度定位技術(shù)的通信傳輸技術(shù)。露天礦具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。分析了智能外包礦山的發(fā)展趨勢(shì)，明確了未來(lái)的發(fā)展方向，總結(jié)了當(dāng)前規(guī)劃中存在的核心問(wèn)題，并提出了建設(shè)性的解決方案，對(duì)我國(guó)露天礦山科技的發(fā)展和進(jìn)步起到了重要的促進(jìn)作用。

2、我國(guó)露天煤礦智能化發(fā)展中面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

2.1中國(guó)露天煤礦規(guī)模概述

近年來(lái)，露天煤炭產(chǎn)量保持了較好的增長(zhǎng)，全國(guó)煤炭總產(chǎn)量穩(wěn)步上升。2003年全國(guó)露天煤炭產(chǎn)量?jī)H為8億噸，隨著采礦技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，2016年全國(guó)露天煤炭產(chǎn)量已達(dá)72億噸，占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的比例達(dá)到21.4%。截至2018年，全國(guó)439座露天煤礦年總產(chǎn)能約92.2億噸，60%以上的露天煤礦產(chǎn)能來(lái)自40多座高效、綠色、安全、環(huán)保的大型特大露天煤礦。目前，我國(guó)煤炭開(kāi)采的露天開(kāi)采水平不斷提高，而且生產(chǎn)規(guī)模和數(shù)量已經(jīng)非常龐大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)澳大利亞的世界先進(jìn)國(guó)家（如美國(guó)和中國(guó)2017年的開(kāi)源煤炭產(chǎn)量約為45億噸[2]，澳大利亞2016年的開(kāi)源煤炭產(chǎn)量約為42億噸[3-4]）。

2.2中國(guó)露天煤礦智能化發(fā)展現(xiàn)狀

自1999年第一屆國(guó)際數(shù)字地球大會(huì)提出“數(shù)字礦山”概念以來(lái)，大型露天煤礦以安全生產(chǎn)、降低成本和提高效率兩條主線，逐步擴(kuò)大了數(shù)字礦山電腦化建設(shè)活動(dòng)，代表性的信息建設(shè)計(jì)劃示例是hannoh itoshi openmine，它是一個(gè)大型礦山，如Jinka quasi-Noh集團(tuán)（黑田溝，Halu）和Chuko hiraku集團(tuán)（安妮塔屏障，yasuya ridge，東東洋礦）。該礦的建設(shè)工作基于基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、礦石模型和輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)控系統(tǒng)（如GPS車輛智能調(diào)度管理系統(tǒng)）的建設(shè)。逐步形成了礦山MIS（信息管理）/ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）系統(tǒng)等一系列數(shù)字礦山建設(shè)。數(shù)字化設(shè)計(jì)工具的普及程度、重要工序的數(shù)字化控制率、礦山生產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度都有所提高。

3、中國(guó)以外地區(qū)智能外包產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)狀和趨勢(shì)相結(jié)合。

3.1礦山設(shè)備智能化系統(tǒng)目前正在成熟應(yīng)用相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)模塊，如遠(yuǎn)程智能監(jiān)控邊坡、卡車碰撞控制和超速報(bào)警，盡管鉆孔自動(dòng)導(dǎo)航鉆孔機(jī)已成功應(yīng)用于金坎石，目前廣泛使用的軌道調(diào)度系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能調(diào)度功能。在該領(lǐng)域，電鏟位置可視化和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告系統(tǒng)有許多應(yīng)用。從武當(dāng)?shù)V建設(shè)的“數(shù)字化、自動(dòng)化、可懂化”宏觀三個(gè)階段來(lái)看，目前露天礦安裝系統(tǒng)的自動(dòng)化只在部分階段實(shí)現(xiàn)，整體仍處于一級(jí)數(shù)字化建設(shè)階段。未來(lái)關(guān)鍵研究的具體方向是：智能鉆井過(guò)程（鉆井狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)、鉆井自動(dòng)導(dǎo)航和控制、平流層識(shí)別），爆炸階段智能控制智能采樣系統(tǒng)（電鏟遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、在線動(dòng)態(tài)數(shù)字稱重、輔助/自鉆和裝載）智能運(yùn)輸階段智能垃圾控制系統(tǒng)地面生產(chǎn)系統(tǒng)智能控制（破碎站無(wú)人值守、膠帶輸送機(jī)集中控制、膠帶破碎機(jī)器人、自動(dòng)堆料機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)庫(kù)存監(jiān)控）和智能檢測(cè)（設(shè)備故障診斷、報(bào)警）。

3.2中國(guó)智能礦山的發(fā)展主要體現(xiàn)在礦山管理和安全生產(chǎn)的信息挖掘上，強(qiáng)調(diào)信息采集、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化操作、可視化、集成化等礦業(yè)內(nèi)容。例如，漢諾伊庫(kù)塞煤炭公司的露天煤礦是一個(gè)卡車自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)、一個(gè)MIS管理系統(tǒng)、一個(gè)生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)、一個(gè)生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、一個(gè)管理信息系統(tǒng)，和稀疏干燥控制系統(tǒng)我們建立了基于光纖的高速企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。從2000年初開(kāi)始，金卡俊科開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)化的施工系統(tǒng)，并已經(jīng)有了一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)——生產(chǎn)管理系統(tǒng)（ERP、OA）等。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)仍處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，存在一個(gè)問(wèn)題，即由于數(shù)據(jù)共享僅在MIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的整體性能沒(méi)有得到充分展示。因此，面向信息的數(shù)據(jù)鏈整合和數(shù)據(jù)共享是未來(lái)發(fā)展的重要方向?？紤]到幾何倍數(shù)信息量的快速增長(zhǎng)，隨著露天礦數(shù)字化的加速，大型專家知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)將是支持智能礦山建設(shè)的關(guān)鍵。礦山生產(chǎn)智能化設(shè)計(jì)主要包括地質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)方法的細(xì)化。在地質(zhì)調(diào)查中，激光掃描儀和無(wú)人機(jī)傾斜等表面建模方法已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)的一個(gè)大型露天礦，例如Chuko hiraku已經(jīng)為一個(gè)無(wú)人機(jī)礦構(gòu)建了導(dǎo)航系統(tǒng)，這是對(duì)人工調(diào)查的一個(gè)重大補(bǔ)充。在設(shè)計(jì)軟件和方法方面，礦石地質(zhì)模型和輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)（如3DMine、Surpac、Vulcan等）基本上很流行。采礦設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)（三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、地球輔助設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)、采礦規(guī)劃系統(tǒng)等）基本上是基于礦山模型的演算量，考慮設(shè)備的實(shí)際工作特性和生產(chǎn)中存在的隨機(jī)情況相對(duì)較少。這一延遲比中國(guó)境外當(dāng)前采礦設(shè)計(jì)計(jì)劃的初步模擬方法要大。它是未來(lái)礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理的核心計(jì)劃，也是未來(lái)礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理的核心計(jì)劃。從企業(yè)宏觀生產(chǎn)計(jì)劃到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝階段，數(shù)字化采礦集中控制系統(tǒng)尚未形成。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和分析需要更多的興趣和發(fā)展。與近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)煤炭開(kāi)采在露天開(kāi)采中的地位不斷上升，但我國(guó)露天開(kāi)采起步相對(duì)緩慢，生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步緩慢，采礦成本和勞動(dòng)生產(chǎn)率的差異非常顯著。體重的增加取決于生產(chǎn)要素的生產(chǎn)。特別是在智能化發(fā)展的新形勢(shì)下，全國(guó)科技水平滯后，數(shù)字化礦山建設(shè)工作仍處于起步階段，設(shè)備自動(dòng)化、設(shè)計(jì)和管理水平等都不能滿足智能化開(kāi)采的要求。產(chǎn)業(yè)智能化改革浪潮沒(méi)有動(dòng)力，轉(zhuǎn)型升級(jí)、快速發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。為此，我們要面對(duì)電腦化與工業(yè)化深度融合過(guò)程中不斷出現(xiàn)的新技術(shù)、新理念，探索新形勢(shì)下露天開(kāi)采的方向，為制定和實(shí)施未來(lái)規(guī)劃的政策方案提供依據(jù)。礦山生產(chǎn)智能化設(shè)計(jì)主要包括地質(zhì)數(shù)據(jù)的細(xì)化和設(shè)計(jì)方法的細(xì)化。在地質(zhì)調(diào)查中，激光掃描儀和無(wú)人機(jī)傾斜等表面建模方法已經(jīng)應(yīng)用于中國(guó)的一個(gè)大型露天礦，例如Chuko hiraku已經(jīng)為一個(gè)無(wú)人機(jī)礦構(gòu)建了導(dǎo)航系統(tǒng)，這是對(duì)人工調(diào)查的一個(gè)重大補(bǔ)充。在設(shè)計(jì)軟件和方法方面，礦石地質(zhì)模型和輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)（如3DMine、Surpac、Vulcan等）基本上很流行。采礦設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)（三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)、地球輔助設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)、采礦規(guī)劃系統(tǒng)等）基本上是基于礦石模型的演算量，考慮設(shè)備的實(shí)際工作特性和生產(chǎn)中存在的隨機(jī)情況相對(duì)較少。這一延遲比中國(guó)境外當(dāng)前采礦設(shè)計(jì)計(jì)劃的初步模擬方法要大。它是未來(lái)礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理的核心計(jì)劃，也是未來(lái)礦山設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理的核心計(jì)劃。從企業(yè)宏觀生產(chǎn)計(jì)劃到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝階段，數(shù)字化采礦集中控制系統(tǒng)尚未形成。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和分析需要更多的興趣和發(fā)展。與近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)煤炭開(kāi)采在露天開(kāi)采中的地位不斷上升，但我國(guó)露天開(kāi)采起步相對(duì)緩慢，生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步緩慢，采礦成本和勞動(dòng)生產(chǎn)率的差異非常顯著。體重的增加取決于生產(chǎn)要素的生產(chǎn)。特別是在智能化發(fā)展的新形勢(shì)下，全國(guó)科技水平滯后，數(shù)字化礦山建設(shè)工作仍處于起步階段，設(shè)備自動(dòng)化、設(shè)計(jì)和管理水平等都不能滿足智能化開(kāi)采的要求。

4、世界范圍內(nèi)露天開(kāi)采技術(shù)的智能化發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、加拿大、芬蘭、澳大利亞等世界先進(jìn)國(guó)家不斷加大露天礦開(kāi)采自動(dòng)化和信息技術(shù)的研發(fā)力度，經(jīng)過(guò)30年的研發(fā)，制定了“智能礦山”和“無(wú)人礦山”的發(fā)展規(guī)劃。露天礦生產(chǎn)中已經(jīng)預(yù)期的建設(shè)目標(biāo)首次實(shí)現(xiàn)。根據(jù)美國(guó)能源信息管理部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2010年美國(guó)露天煤礦為28709座，平均單次開(kāi)采效率為9.46 T/h（6-7）。2017年，美國(guó)露天煤礦數(shù)量下降了25.08%，至201509座，平均單采效率上升至10.92 T/h，寬度增加了15.43%，[8]。在過(guò)去的兩到兩年里，海外露天煤炭行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)重要階段。2018年8月，力拓宣布在西澳大利亞的kooodaideri礦場(chǎng)建設(shè)世界上第一個(gè)“純智能礦山”項(xiàng)目。采礦改組計(jì)劃于2021完成，科達(dá)達(dá)德雷礦的生產(chǎn)系統(tǒng)由機(jī)器人、無(wú)人駕駛車、無(wú)人駕駛卡車、無(wú)人鉆機(jī)和無(wú)人貨運(yùn)列車等智能設(shè)施網(wǎng)絡(luò)組成，真正意義上是無(wú)人智能露天礦。結(jié)合智能技術(shù)的特點(diǎn)和露天礦生產(chǎn)的實(shí)際需求，中國(guó)智能露天礦的發(fā)展?fàn)顩r可以概括為以下內(nèi)容。

4.1外包礦山自動(dòng)化、智能設(shè)備和廣泛應(yīng)用

人和設(shè)備是露天采礦工作的核心要素，露天采礦科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程總體上呈現(xiàn)出“機(jī)械化互換、自動(dòng)化減人、智能化無(wú)人”的趨勢(shì)。在生產(chǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)“機(jī)械化、自動(dòng)化、可理解性”的升級(jí)，逐漸減少了人對(duì)系統(tǒng)重復(fù)、操作機(jī)器能力的限制，以及作為核心要素的簡(jiǎn)單邏輯判斷，可以促進(jìn)勞動(dòng)生產(chǎn)率的持續(xù)提高。

發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)展示了自己研發(fā)設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，自1990年以來(lái)，大量研發(fā)活動(dòng)被投入到自動(dòng)化采礦、智能設(shè)備和系統(tǒng)中。它主要體現(xiàn)在露天礦工作環(huán)境的動(dòng)態(tài)傳感、“打孔”的自動(dòng)化操作，以及整個(gè)工藝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析。

4.2構(gòu)建開(kāi)放式知識(shí)圖譜

露天礦的智能化應(yīng)用雖然意義不大，但智能化應(yīng)用場(chǎng)景之間的相互關(guān)系非常復(fù)雜，由于后續(xù)的規(guī)劃決策工作具有定性和定量的科學(xué)依據(jù)，每個(gè)計(jì)劃的內(nèi)容和技術(shù)要素都是明確的，目的是明確描述實(shí)施路線和業(yè)務(wù)部門之間的關(guān)系。必須構(gòu)建露天礦智能規(guī)劃的知識(shí)譜。主要內(nèi)容包括：

4.2.1 工作流的知識(shí)流。解釋了露天礦大系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯結(jié)構(gòu)，解釋了露天礦生產(chǎn)過(guò)程中工作過(guò)程的重要組成部分，以及各操作步驟之間的操作規(guī)則。

4.2.2 信息流知識(shí)譜。本文闡明了信息流規(guī)則，例如跨系統(tǒng)、跨系統(tǒng)，以及通過(guò)系統(tǒng)傳遞到每個(gè)業(yè)務(wù)單元的層次結(jié)構(gòu)。

4.2.3 技術(shù)路線流程知識(shí)地圖。按照“分析和分析決策執(zhí)行”的四個(gè)步驟，解釋了具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景的核心元素，并明確說(shuō)明了智能手段的實(shí)現(xiàn)方式和實(shí)現(xiàn)方法。

5、結(jié)束語(yǔ)

在過(guò)去的20年里，中國(guó)露天煤礦的開(kāi)采量一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)，但僅限于相對(duì)薄弱的基礎(chǔ)，目前正處于相對(duì)首次的計(jì)算機(jī)化建設(shè)階段，采礦成本和勞動(dòng)生產(chǎn)率存在顯著差異，而產(chǎn)量的增長(zhǎng)主要依賴于生產(chǎn)要素的投入，模式轉(zhuǎn)換、升級(jí)和快速發(fā)展的任務(wù)艱巨而艱巨。

參考文獻(xiàn)

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