樅陽海螺水泥礦山智能化體系建設(shè)實(shí)踐

吳求忠 程小兵 韋征宇 徐新海 李同鵬

（1.安徽樅陽海螺水泥股份有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

隨著近幾年國家政策的引導(dǎo)，礦山行業(yè)在信息技術(shù)應(yīng)用方面取得了一定的進(jìn)步［1-4］，但仍然存在一些問題。當(dāng)前安徽省乃至全國礦山企業(yè)自動化、智能化生產(chǎn)水平整體較低，礦山開采的自動化、智能化發(fā)展仍有較大空間。伴隨樅陽海螺礦山的不斷開采，礦山的開采、運(yùn)輸、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)由于信息化水平較低，導(dǎo)致現(xiàn)階段生產(chǎn)效率不高，生產(chǎn)成本逐年增加，迫切需要通過新技術(shù)的應(yīng)用，提高礦山的智能化水平。為提高樅陽海螺水泥礦山信息化水平，降低生產(chǎn)成本，樅陽海螺水泥礦山建設(shè)了智能礦山系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)分為硬件配置與軟件開發(fā)，通過總體規(guī)劃、分步實(shí)施，最終實(shí)現(xiàn)礦山開采智能化。

1 樅陽海螺水泥智能礦山系統(tǒng)建設(shè)

1.1 建設(shè)背景

安徽樅陽海螺水泥股份有限公司座落于安徽省銅陵市樅陽縣歐山鎮(zhèn)，隸屬安徽海螺水泥集團(tuán)，是一家大型國有企業(yè)，現(xiàn)有2條2 500 t/d、3條5 000 t/d、1條10 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線以及1套年產(chǎn)110萬t水泥磨系統(tǒng)，配套2座山坡露天礦山，分別為歐山石灰石礦和周家山粉砂巖礦。歐山礦臨近公司主廠區(qū)，截止2021年底，剩余保有資源儲量1.8億t，設(shè)計(jì)產(chǎn)能1 500萬t/a；周家山礦位于歐山礦西北側(cè)，剩余保有資源儲量0.4億t，設(shè)計(jì)產(chǎn)能150萬t/a，2座礦山直線距離約4.5 km，礦山采用露天臺階開采，潛孔鉆機(jī)穿孔，深孔爆破，采用多排微差逐孔起爆技術(shù)，礦石由采場使用礦車運(yùn)輸至主廠區(qū)卸料口，經(jīng)破碎后通過皮帶輸送至原料堆場進(jìn)行預(yù)均化。歐山礦擁有38臺工程機(jī)械設(shè)備，其中穿孔設(shè)備DM45鉆機(jī)2臺，CM765鉆機(jī)1臺，采準(zhǔn)設(shè)備CAT340反鏟2臺，PC400反鏟2臺（配套1臺液壓破碎錘用于二次破碎），鏟裝設(shè)備有RH40E正鏟挖掘機(jī)5臺，CAT988裝載機(jī)1臺，運(yùn)輸設(shè)備有3307B型礦車18臺，TR50型礦車7臺；周家山礦共有工程機(jī)械設(shè)備16臺，其中PD55型潛孔鉆機(jī)1臺，PC400反鏟、ZX690LCH-5A型液壓挖掘機(jī)以及WA380裝載機(jī)各1臺，載重31 t紅巖金剛13臺。

隨著國家政策對礦山領(lǐng)域要求的不斷提高，資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展問題愈顯突出［1］，綠色發(fā)展與科技創(chuàng)新將成為礦山企業(yè)發(fā)展的主線，十分必要提升樅陽海螺礦山科技與信息化水平，降低綜合成本，提高生產(chǎn)管理效率與安全受控度［5］。

1.2 建設(shè)方案與流程

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)資源中心、數(shù)采平臺、智能管控平臺、三維立體管控平臺以及卡車智能調(diào)度系統(tǒng)組成。系統(tǒng)建設(shè)過程分為調(diào)度室與機(jī)房建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、車載終端系統(tǒng)建設(shè)、元素分析儀建設(shè)及軟件開發(fā)等。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

1.2.1 調(diào)度室與機(jī)房建設(shè)

調(diào)度室是礦山控制中心，樅陽海螺水泥智能礦山調(diào)度室位于公司智能化控制樓三樓，長18 m，寬11 m，展示大屏位于調(diào)度室中部，由3×8塊49寸拼接屏組裝而成，雙邊拼縫≤3.5 mm；機(jī)房位于大屏的后方，長18 m，寬1.5 m，主要布設(shè)服務(wù)器等硬件設(shè)備，機(jī)房內(nèi)部安裝柜式空調(diào)用于機(jī)房散熱，同時(shí)布設(shè)2個(gè)300萬像素、8 mm焦距槍式無死角監(jiān)控?cái)z像頭。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

（1）露天礦專網(wǎng)通信設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用基于4G LTE技術(shù)的寬帶集群通信系統(tǒng)建設(shè)無線專網(wǎng)，頻率規(guī)劃使用1 795～1 805 M頻段，采用10 M同頻組網(wǎng)方案建設(shè)TD-LTE無線專網(wǎng)，基站站型采用雙扇區(qū)配置方式。共建設(shè)2套無線基站，歐山石灰石礦1號基站塔高17 m，周家山砂巖礦2號基站塔高17 m，采用定向光纖拉遠(yuǎn)式基站，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由核心網(wǎng)、光纖拉遠(yuǎn)基站和無線接入終端組成。核心網(wǎng)安裝于調(diào)度室，調(diào)度室與歐山1號基站、周家山2號基站之間的傳輸鋪設(shè)有線光纜。需要注意的是，無線專網(wǎng)建設(shè)之前，需要對基站預(yù)選場址開展電磁環(huán)境測試并計(jì)算干擾評估，之后向無線電管理主管部門申請頻率占用，獲得批復(fù)后方可建設(shè)。

（2）視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為車載監(jiān)控與現(xiàn)場固定式監(jiān)控。車載監(jiān)控集成于卡調(diào)系統(tǒng)，通過RJ45網(wǎng)口與車載CPE、卡調(diào)終端連接，利用無線專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，主要用于人臉識別、駕駛?cè)藛T防疲勞監(jiān)測、防碰撞監(jiān)測、語音集群以及卡車遠(yuǎn)程調(diào)度等業(yè)務(wù)；現(xiàn)場固定式監(jiān)控通過布置不同類型的監(jiān)控高清攝像頭，利用光纖連接至調(diào)度室機(jī)房核心網(wǎng)，主要用于現(xiàn)場安全行為監(jiān)控、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測、安防監(jiān)控等。遠(yuǎn)程監(jiān)控可以抓取現(xiàn)場不安全行為并進(jìn)行推送和預(yù)警，提高現(xiàn)場人員作業(yè)安全受控度。

1.2.3 車載終端系統(tǒng)建設(shè)

車載終端是卡車調(diào)度系統(tǒng)的重要組成部分，通常安裝在采礦場卡車、挖掘、鉆孔等設(shè)備上，分為主機(jī)、觸摸顯示屏、定位天線、通訊中轉(zhuǎn)設(shè)備等幾部分。主機(jī)內(nèi)置通信及定位元器件，是終端的核心設(shè)備，用于接收指令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)存儲、運(yùn)算、處理并通過LTE無線通信系統(tǒng)將當(dāng)前位置坐標(biāo)及自身狀態(tài)等信息傳送給機(jī)房服務(wù)器調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)通過該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)定位及數(shù)據(jù)交互。

1.2.4 元素分析儀建設(shè)

元素分析儀主要用于精確檢測石灰石質(zhì)量，跟蹤入堆石灰石質(zhì)量，指導(dǎo)石灰石搭配的在線檢測系統(tǒng)，主要原理：利用中子源轟擊原子核產(chǎn)生不同能量的伽馬射線，通過檢測射線，并運(yùn)用程序算法來分析礦石中的元素含量信息。分析儀一般安裝在入堆石灰石皮帶上，配套加裝皮帶秤，使用200×200H型鋼作為分析儀的承載梁，主設(shè)備總重約6 t，在分析儀附近新建磚混信號處理室，用于信號處理柜安裝、標(biāo)樣存放及源儲存器存放，信號處理室室內(nèi)地面需硬化、無窗戶、內(nèi)加照明與空調(diào)，獨(dú)立接地線阻值需小于4 Ω。由于存在放射源，因此要提前與當(dāng)?shù)丨h(huán)保局溝通辦理輻射安全許可證、放射源轉(zhuǎn)讓審批等事宜。

1.2.5 軟件開發(fā)

忽略閘門門頂出水后動水阻力和浮力的變化。待門頂出水后，考慮壅水阻力，初出水面時(shí)壅水高度按壅水與實(shí)際門頂齊平計(jì)算。通過現(xiàn)場觀察，臥倒門啟閉時(shí)，雍水高不超過0.8 m。雍水載荷作用在閘門面板上，頂部為三角形水體，下部為矩形水體。臨近全關(guān)狀態(tài)時(shí)，最大壅水高分別按照0.8，0.7，0.5 m 進(jìn)行試算。由公式(5)可得FQ=-(MG+FF×l4+MD+ 表2為有水關(guān)門工況下臥倒門液壓缸的啟閉力(臥倒門在不同工況、相同開度時(shí)重力臂和液壓啟閉力臂不變，同表1)。由表2可以看出，封閉腔的浮力與臥倒門自重基本抵消，對液壓缸單缸啟閉力影響最大的是臥倒門在全關(guān)位附近作用于門葉的水壓，即壅水高。

軟件開發(fā)前期需開展用戶需求調(diào)研，了解用戶訴求后進(jìn)行定制開發(fā)。

（1）數(shù)采平臺。利用礦山早期地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，借助Surpac軟件進(jìn)行三維地質(zhì)建模，將地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)以數(shù)字化手段完成儲量估算并創(chuàng)建原始塊體模型與最新地表模型，最終形成擁有礦體儲量信息、塊體質(zhì)量信息以及開采現(xiàn)狀的三維模型，在編制開采規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)直接調(diào)用模型數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置塊體大小及估值參數(shù)進(jìn)行品位的自動估值，指導(dǎo)礦山開采。三維地質(zhì)建模見圖2。

（2）智能管控平臺。智能管控平臺是智能礦山系統(tǒng)的大腦，軟件平臺采用B/S軟件架構(gòu)，其用戶界面完全通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)。樅陽海螺智能管控平臺開發(fā)了安全環(huán)保管理、資源儲量管理、智能配礦管理、質(zhì)量化驗(yàn)管理、生產(chǎn)作業(yè)統(tǒng)計(jì)、采礦爆破、裝備管理、綜合管理等，實(shí)現(xiàn)了礦山信息化管理。同時(shí)，平臺與卡調(diào)系統(tǒng)結(jié)合完美實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)的智能化管理，系統(tǒng)從數(shù)采軟件的爆破設(shè)計(jì)獲取爆破位置、礦體信息、爆破量等信息，結(jié)合質(zhì)量化驗(yàn)管理，管理采掘爆堆，根據(jù)鏟裝設(shè)備的產(chǎn)能、運(yùn)輸車輛的運(yùn)輸能力、路徑的長度、破碎站的處理能力、下山礦石品位約束等信息，建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)作業(yè)任務(wù)自動下發(fā)指令至卡調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行智能配礦，并在生產(chǎn)過程中利用元素分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)控破碎后皮帶物料品位數(shù)據(jù)，監(jiān)測礦石質(zhì)量，并根據(jù)約束調(diào)整生產(chǎn)配比。另外，平臺與手機(jī)APP系統(tǒng)相互補(bǔ)充，查看日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)、接收系統(tǒng)推送信息、發(fā)送指令等，還可以進(jìn)行設(shè)備故障自動識別推送，派發(fā)檢修工單至檢修人員，提升檢修效率。智能配礦界面見圖3。

（3）三維立體管控平臺。系統(tǒng)采用三維GIS平臺，集成礦山的地表現(xiàn)狀模型、三維航拍地圖，通過調(diào)用數(shù)據(jù)資源中心存儲的軌跡、實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)展示與管理，如軌跡信息、產(chǎn)量信息、爆堆信息等。它還可以集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)、邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)、車速超速預(yù)警、采礦權(quán)越界預(yù)警等，既能夠指導(dǎo)生產(chǎn)，也可以進(jìn)行各種預(yù)警。礦山調(diào)度中心見圖4。

（4）卡調(diào)軟件系統(tǒng)?？ㄕ{(diào)軟件系統(tǒng)采用B/S和C/S結(jié)構(gòu)，通過硬件系統(tǒng)已采集的海量信息，對其進(jìn)行整理、分析，自動對車輛、采掘等設(shè)備的地理信息及運(yùn)行狀況進(jìn)行管理并顯示，通過智能調(diào)度算法優(yōu)化生產(chǎn)過程：在生產(chǎn)產(chǎn)量一定的條件下，使用最少的挖機(jī)和卡車，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)對產(chǎn)量的要求；在參與生產(chǎn)的設(shè)備數(shù)量一定的條件下，最大限度地發(fā)揮挖機(jī)和卡車的利用率，利用現(xiàn)有設(shè)備使得采礦作業(yè)效率最高；在熱值要求一定的條件下，發(fā)揮設(shè)備最大的生產(chǎn)效率；在產(chǎn)量和品位要求一定的條件下，合理安排生產(chǎn)，使得消耗最小。卡調(diào)軟件界面見圖5。

（5）炮孔坐標(biāo)信息自動獲取功能。鉆機(jī)鉆孔完成后，鉆機(jī)終端設(shè)備上提示“穿孔完成”，確認(rèn)后自動生成坐標(biāo)并存儲在數(shù)據(jù)資源中心，該區(qū)域穿孔位置可以很直觀地顯示在達(dá)索模型上并自定義爆堆編碼，鼠標(biāo)單擊后也可以復(fù)制該爆堆編碼。通過爆堆編碼的一一對應(yīng)，炮孔樣檢測化驗(yàn)后可以運(yùn)用該編碼實(shí)現(xiàn)一鍵導(dǎo)入，爆堆采掘完成后也可以自動更新達(dá)索模型，從而簡化操作流程，提高時(shí)效性與便捷性。

（6）防堵料優(yōu)化算法。利用反饋的信息在中控室將各個(gè)含黏土爆堆設(shè)置成含泥量高、中、低3個(gè)等級，對含泥量高的炮堆，智能配礦時(shí)最多派送3臺礦車；對含泥量中的炮堆，智能配礦時(shí)最多派送4臺礦車；對含泥量低的炮堆，智能配礦不限制礦車派送數(shù)量；無論含泥量高與含泥量中的炮堆同時(shí)存在或者單獨(dú)存在，均禁止2臺含泥量高（或中）的礦車連續(xù)在同一卸料口卸料。同時(shí)，利用破碎機(jī)電流曲線反饋的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動調(diào)整含泥量等級并進(jìn)行預(yù)警，防止破碎機(jī)堵料。

（7）數(shù)據(jù)資源中心。數(shù)據(jù)資源中心是智能礦山系統(tǒng)的心臟，它采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以接收來自不同軟件平臺、系統(tǒng)、硬件設(shè)備及生產(chǎn)管理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口及統(tǒng)一的存儲格式，將各方面數(shù)據(jù)按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)存儲。同時(shí)，所存儲的數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)間進(jìn)行互通和共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)利用，也保證了核心數(shù)據(jù)的安全。

2 系統(tǒng)實(shí)施

樅陽海螺智能礦山系統(tǒng)建成投用后，將礦山開采規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量搭配、管理決策等全方位融合，實(shí)現(xiàn)礦山信息化管理與智能化生產(chǎn)，是企業(yè)升級轉(zhuǎn)型的成功案例，建成使用后成果顯著。

（1）生產(chǎn)效率得以提升。通過智能調(diào)度，系統(tǒng)投用后破碎機(jī)綜合臺時(shí)年平均較系統(tǒng)投用前3 a平均臺時(shí)上升了56 t/h。破碎機(jī)綜合臺時(shí)趨勢見圖6所示。

（2）資源綜合利用率提高。通過智能配礦，實(shí)現(xiàn)礦石搭配精準(zhǔn)控制，入堆CaO含量較系統(tǒng)投用前3 a平均值下降了0.34%，入堆MgO含量較系統(tǒng)投用前3 a平均值上升了0.2%，邊坡、高鎂高堿等有害成分較高的夾石搭配量明顯增加，基本實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)場、零排廢，提高了資源綜合利用率。質(zhì)量變化情況見圖7。

（3）配料穩(wěn)定性上升。系統(tǒng)綜合元素分析儀、卡調(diào)系統(tǒng)等進(jìn)行智能調(diào)度、自動調(diào)整，入堆質(zhì)量合格率較系統(tǒng)投用前3 a平均值上升了7.9%，有效避免了因人工控制導(dǎo)致的質(zhì)量波動大、礦石搭配品位不均衡等問題。入堆質(zhì)量合格率變化情況見圖8。

（4）實(shí)現(xiàn)用工優(yōu)化。智能調(diào)度取代人工調(diào)度后，取消調(diào)度崗位，合并中控操作崗位，優(yōu)化崗位人員5人，節(jié)約年度用工成本80萬元。

（5）降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。智能礦山系統(tǒng)投用后，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均呈下降趨勢，其中動力消耗較系統(tǒng)投用前3 a下降0.2 kW·h/t，工礦備件消耗下降約0.051元/t，輪胎消耗下降約0.015元/t，炸藥單耗下降約0.009 kg/t，2020、2021年度燃油消耗較2019年度均呈下降趨勢，但未達(dá)到歷史最優(yōu)值，仍然有一定優(yōu)化空間。主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)趨勢見圖9。

（6）促進(jìn)信息化辦公，提升管理效能。系統(tǒng)投用后改變了傳統(tǒng)的管理模式，充分享受了科技創(chuàng)新帶來的便利，提升了管理效能。通過安全行為監(jiān)控、防疲勞監(jiān)測等技術(shù)手段，大大提高了管理效率，安全違章行為查處次數(shù)明顯增加。系統(tǒng)投用前后違章查處對比情況見圖10。

3 結(jié)語

（1）建設(shè)了4GLTE寬帶無線通信系統(tǒng)和千兆局域網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)礦山通訊全覆蓋。

（2）安裝了在線元素分析系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦石搭配精準(zhǔn)分析，安全管理效率大大提升。

（3）創(chuàng)建了“一個(gè)中心、三個(gè)平臺及一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)”為主線的智能礦山系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的管理模式，實(shí)現(xiàn)減人增效、提升生產(chǎn)效率與配料穩(wěn)定性、降低運(yùn)營成本，同時(shí)提高了礦石與夾石搭配能力。

（4）研發(fā)了炮孔坐標(biāo)信息自動獲取功能與手機(jī)APP系統(tǒng)，開發(fā)了防堵料優(yōu)化算法，融合了安全環(huán)保遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)實(shí)用性。

（5）目前，整個(gè)行業(yè)智能礦山系統(tǒng)還處在發(fā)展中階段，仍然存在諸多問題：生產(chǎn)管理過程自動化程度仍然不高，數(shù)據(jù)、參數(shù)等應(yīng)用分析智能化水平提升不明顯，地下礦山資源綜合利用率相對較低，礦山行業(yè)整體格局未實(shí)質(zhì)性發(fā)生變革，礦山安全風(fēng)險(xiǎn)防控能力有待加強(qiáng)。

（6）安全、綠色、環(huán)保、智能是未來礦山綠色發(fā)展的方向，隨著信息化時(shí)代的進(jìn)步，智慧礦山系統(tǒng)將由目前的初始階段快速成長，礦山開采少人化、無人化將是一種趨勢，礦山生產(chǎn)、管理體系根本性變革將成為可能，實(shí)現(xiàn)人、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

致謝：本論文得到了安徽海博智能科技有限責(zé)任公司朱旭輝工程師和丹東東方測控技術(shù)股份有限公司劉歡工程師大力支持和幫忙，在此表示衷心感謝！