烏山銅鉬礦智能化建設(shè)

周 宏

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100161）

露天開(kāi)采是1 種安全高效的開(kāi)采方式[1-2]。我國(guó)露天開(kāi)采起步較晚近，30 年來(lái)，由于露天礦基建投資小、投產(chǎn)快等優(yōu)點(diǎn)逐漸興起，開(kāi)采技術(shù)迅速發(fā)展。當(dāng)前人工智能、5G、機(jī)器人、智能識(shí)別等技術(shù)成為科技發(fā)展的方向，給我國(guó)資源開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)型帶來(lái)了機(jī)遇同時(shí)面臨著技術(shù)革命的挑戰(zhàn)[3]。2015 年以來(lái)，基礎(chǔ)工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型成為發(fā)展的主要方向，同時(shí)以政府為導(dǎo)向，推出一系列政策措施加速我國(guó)工業(yè)智能化步伐，為企業(yè)日后可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間，使我國(guó)礦業(yè)朝著安全高效、綠色可持續(xù)的方向發(fā)展[4]。

1 國(guó)內(nèi)外露天礦山智能化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外露天礦山

國(guó)外礦產(chǎn)資源條件適合露天開(kāi)采，因此對(duì)露天開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的探索，露天開(kāi)采智能化已經(jīng)取得了較大進(jìn)展。為了保護(hù)工人的生命安全，瑞典山特維克礦山工程機(jī)械集團(tuán)研發(fā)了EDC 系統(tǒng)，對(duì)穿透率、孔底距離、鉆桿防護(hù)作業(yè)效率等進(jìn)行有效防護(hù)，一旦超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的限值，系統(tǒng)將會(huì)提醒鉆機(jī)司機(jī)。美國(guó)卡特彼勒公司利用計(jì)算機(jī)技術(shù)推出了MineStar TM 系統(tǒng)和Hole pro 系統(tǒng)，運(yùn)用制導(dǎo)技術(shù)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形位置對(duì)鉆孔作業(yè)開(kāi)展相關(guān)管理，并將系統(tǒng)信息上傳并應(yīng)用于整個(gè)采礦作業(yè)中。國(guó)外從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始探索露天礦山無(wú)人駕駛技術(shù)，美國(guó)卡卡特彼勒公司在該技術(shù)較為領(lǐng)先，MineStar TM 系統(tǒng)同樣運(yùn)用在無(wú)人駕駛卡車(chē)上，并在澳大利亞、南美洲等地礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人駕駛[5]。

1.2 國(guó)內(nèi)露天礦山

我國(guó)露天礦山經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化等階段，目前主要向智能化發(fā)展。我國(guó)露天礦山大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的開(kāi)采設(shè)備，并投入使用，但是由于管理經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏相關(guān)專業(yè)人才，對(duì)露天礦山智能化重視程度不足，導(dǎo)致我國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家在露天礦山智能化方面還有較大差距[6]，但近年來(lái)隨著人工智能、5G 通信，大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)露天礦山智能化也取得了重大突破，具有代表性為華能伊敏露天礦、神華準(zhǔn)能集團(tuán)和中煤平朔集團(tuán)等[7]：中煤平朔集團(tuán)安太堡露天礦通過(guò)建設(shè)GPS 智能卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的定位、并可在云端進(jìn)行設(shè)備的調(diào)用，對(duì)正在工作的設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)合理利用設(shè)備優(yōu)化了生產(chǎn)效率；神華準(zhǔn)能集團(tuán)建設(shè)了車(chē)輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，主要通過(guò)采集車(chē)輛的行駛信息，主要包括GPS 坐標(biāo)、行駛速度、行駛方向等，通過(guò)電子地圖進(jìn)行道路擬合，在車(chē)輛可能發(fā)生碰撞時(shí)作出預(yù)警；2020 年神華寶日希勒露天礦實(shí)現(xiàn)了世界首個(gè)極寒條件下無(wú)人卡車(chē)編組試運(yùn)行[8]。上述礦山的智能化建設(shè)工作主要網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享為平臺(tái)，逐步建設(shè)了三維地質(zhì)模型生成系統(tǒng)、開(kāi)采設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)（GPS 調(diào)度控制系統(tǒng)）、礦山MIS（信息管理系統(tǒng)）等內(nèi)容，有利于提升礦山安全高效生產(chǎn)形勢(shì)，推動(dòng)了我國(guó)露天礦智能化發(fā)展。

2 工程背景

2.1 烏山銅鉬礦概況

烏山銅鉬礦位于滿洲里市西南端24 km 處，礦區(qū)面積9.844 9 km2，是1 個(gè)以次斜長(zhǎng)花崗巖斑巖體為核心形成的長(zhǎng)環(huán)狀礦體，長(zhǎng)軸長(zhǎng)2 600 m，短軸寬1 350 m，傾向NW，傾角75°～85°。開(kāi)采深度從800 m 至200 m 標(biāo)高，地表向下開(kāi)采深度600 m，礦體平均厚度260 m。礦區(qū)內(nèi)存在許多次級(jí)斷層，導(dǎo)致礦體的形態(tài)十分復(fù)雜。以F7斷層為界將礦床分為2 個(gè)礦段，斷層以北為北礦段，以南為南礦段。目前，北礦段已開(kāi)采至615 m 水平標(biāo)高處，南礦段已開(kāi)采至675 m 水平標(biāo)高處。礦區(qū)的巖石普氏系數(shù)為8～10。礦區(qū)內(nèi)保有銅礦石量為4.2×109t，鉬礦石量為1.0×1010t。全區(qū)銅金屬量3.6×106t，鉬金屬量6.9×105t，伴生銀金屬量2 400 t。

2.2 采剝工藝

初期采用打鉆孔測(cè)品位，進(jìn)行定量爆破，將不同品位的礦石及廢料用鏟車(chē)裝運(yùn)，TR100 運(yùn)輸?shù)V物，其余車(chē)輛進(jìn)行倒運(yùn)，推土機(jī)排棄的間斷開(kāi)采工藝；末期采用打孔爆破，鏟車(chē)裝運(yùn)，車(chē)輛運(yùn)輸，半移動(dòng)破碎機(jī)破碎，皮帶廊運(yùn)輸?shù)陌脒B續(xù)開(kāi)采工藝。為確保露天采場(chǎng)持續(xù)穩(wěn)定出礦，設(shè)計(jì)采礦采用單臺(tái)階緩幫開(kāi)采，巖石剝離采用組合臺(tái)階陡幫開(kāi)采；為降低礦石的損失、貧化指標(biāo)，根據(jù)礦體的賦存條件，設(shè)計(jì)開(kāi)段溝采用縱向布置在礦體上盤(pán)，垂直礦體走向由礦體上盤(pán)向下盤(pán)推進(jìn)。開(kāi)采工藝工作臺(tái)階高度15 m，工作臺(tái)階坡面角70°～75°。

3 烏山銅鉬礦智能化建設(shè)

3.1 總體框架

礦山智能化平臺(tái)建設(shè)框架如圖1。

圖1 礦山智能化平臺(tái)建設(shè)框架

運(yùn)用智能化測(cè)繪地理信息技術(shù)，并結(jié)合露天礦山智能化開(kāi)采思路，建立了1 個(gè)適用烏山銅鉬礦的智能化平臺(tái)，主要通過(guò)數(shù)據(jù)管理中心和指揮調(diào)度中心對(duì)操作終端進(jìn)行發(fā)號(hào)施令，將資源儲(chǔ)量管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、車(chē)輛定位及調(diào)度系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)5G 監(jiān)控系統(tǒng)、基于GNSS 的邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于激光雷達(dá)探測(cè)的邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、爆堆礦量和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)計(jì)量系統(tǒng)、設(shè)備工效和油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全檢查及隱患治理系統(tǒng)等各系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，各系統(tǒng)的信息反饋至數(shù)據(jù)管理中心，指揮調(diào)度中心對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行控制。智能管控平臺(tái)是露天非金屬礦山的“智慧大腦”，以三維GIS 技術(shù)為核心對(duì)礦山形態(tài)進(jìn)行重現(xiàn)，對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行可視化控制。該平臺(tái)是以礦山生產(chǎn)、終端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，將露天礦爆破、裝載、運(yùn)輸、供礦等進(jìn)行三維數(shù)字化建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)采區(qū)的礦石品位、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、安全監(jiān)測(cè)等信息進(jìn)行數(shù)字可視化展示、統(tǒng)一集中管理，有效地提升了礦山的整體管理效率，加強(qiáng)礦山的生產(chǎn)進(jìn)度。

3.2 控制中心

指揮調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖如圖2。

圖2 指揮調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖

數(shù)據(jù)管理中心主要分為數(shù)據(jù)采集中心、存儲(chǔ)中心和應(yīng)用中心3 部分，是露天礦山的“大腦”。數(shù)據(jù)采集是指通過(guò)高清攝影頭、無(wú)人機(jī)探測(cè)、IoT 測(cè)繪裝備、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、人工輸入等方式得到的礦山開(kāi)采信息；將采集的信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存中心，包括地質(zhì)構(gòu)造、礦體埋藏情況、開(kāi)采設(shè)計(jì)、生產(chǎn)作業(yè)、配礦等多源數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)應(yīng)用中心是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并對(duì)開(kāi)采工序進(jìn)行優(yōu)化，包括供礦品位控制、礦產(chǎn)儲(chǔ)量管理、設(shè)備合理調(diào)度、礦山危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)等方面。不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，匯總在數(shù)據(jù)中心，相互共享，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的決策。指揮調(diào)度中心能夠監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況并且輔助決策將指令傳達(dá)至現(xiàn)場(chǎng)。將收集、整理的各種信息進(jìn)行分析處理，以簡(jiǎn)單便于理解的方式顯示在高清大屏上，幫助決策者精準(zhǔn)地掌握生產(chǎn)過(guò)程，然后對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、指令下達(dá)的重要樞紐，針對(duì)露天礦山的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹礦區(qū)三維可視化管理系統(tǒng)、開(kāi)采信息管理系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。三維可視化管理系統(tǒng)是對(duì)無(wú)人機(jī)、高清攝像頭、人工地理信息輸入得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)電腦終端對(duì)礦山實(shí)時(shí)地理環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)在線，最終在計(jì)算機(jī)的顯示屏上輸出三維礦山全景；開(kāi)采信息管理系統(tǒng)是基于前面的三維可視化模型和地質(zhì)勘探信息，運(yùn)用GIS分析功能，計(jì)通過(guò)模型前后的差距，從而計(jì)算礦山資源的變化情況和剩余儲(chǔ)量；無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是基于無(wú)人機(jī)的全礦區(qū)監(jiān)控功能，結(jié)合5G 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)邊坡、設(shè)備、車(chē)輛、人員等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

4 當(dāng)前智能化進(jìn)程及難點(diǎn)

4.1 智能化進(jìn)程

1）數(shù)字化生產(chǎn)指揮調(diào)度中心。當(dāng)前烏山銅鉬礦正積極想智能化開(kāi)采方向邁進(jìn)，基于GPS 定位系統(tǒng)、高清攝像儀和信息傳導(dǎo)技術(shù)，建立了數(shù)字化生產(chǎn)指揮中心。首先將礦山地質(zhì)環(huán)境信息導(dǎo)入至數(shù)據(jù)中心，從而生成三維地質(zhì)模型，車(chē)輛設(shè)備通過(guò)GPS 定位系統(tǒng)將位置信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，并在三維地質(zhì)模型上確定車(chē)輛設(shè)備的動(dòng)態(tài)位置；其次能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高清攝像頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證開(kāi)采能夠有序進(jìn)行，一旦現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)影像作出正確決策，提高生產(chǎn)效率；指揮調(diào)度中心同時(shí)能夠?qū)⒏鬈?chē)輛的信息包括是否裝車(chē)，車(chē)輛行程，車(chē)輛故障、司機(jī)情況等通過(guò)信息傳導(dǎo)技術(shù)輸送至數(shù)字化指揮中心，指揮調(diào)度中心工作人員根據(jù)供礦需求、設(shè)備位置、現(xiàn)場(chǎng)反饋信息下達(dá)給終端正確的指令，通過(guò)指揮中心能夠有效加強(qiáng)管理力度，合理優(yōu)化作業(yè)工序，大幅度提高礦產(chǎn)資源采出的效率，該平臺(tái)把現(xiàn)場(chǎng)的工作通過(guò)指揮調(diào)度中心進(jìn)行控制，提高了生產(chǎn)效率，有利于保障工作人員的安全，礦山智能化取得重大突破。

2）無(wú)人駕駛技術(shù)。大型露天礦由于工作地點(diǎn)較為偏僻、工作艱苦，在聘用礦用卡車(chē)駕駛?cè)藛T常常面臨困境，當(dāng)前露天開(kāi)采行業(yè)車(chē)輛司機(jī)老齡化嚴(yán)重，越來(lái)越少青年人從事礦山卡車(chē)的駕駛工作，缺乏卡車(chē)司機(jī)成為1 個(gè)棘手的難題；露天礦山的1 個(gè)主要的人員傷害來(lái)源是車(chē)輛事故，隨時(shí)危及工人的生命安全。無(wú)人駕駛技術(shù)可以成功解決以上難題，降低現(xiàn)場(chǎng)工作人員數(shù)量、有效避免對(duì)司機(jī)的傷害，同時(shí)能夠降低工人勞動(dòng)成本，并且增加運(yùn)輸效率，企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益。目前烏山銅鉬礦在排土場(chǎng)進(jìn)行廢石倒運(yùn)的部分路徑采用無(wú)人駕駛技術(shù)，有效地緩解了司機(jī)人員不足的問(wèn)題，采用無(wú)人駕駛可以通過(guò)計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)來(lái)代替人工駕駛，能夠增加安全生產(chǎn)形勢(shì)，提升工人的生活幸福指數(shù)，同時(shí)提升了礦區(qū)的生產(chǎn)效率。

4.2 存在的難點(diǎn)

1）智能化露天礦山?jīng)]有建立完善的理論體系。對(duì)“什么是智能化開(kāi)采”、“如何實(shí)現(xiàn)”、“如何實(shí)施”等基礎(chǔ)問(wèn)題，不能進(jìn)行系統(tǒng)的解釋，智能化開(kāi)采沒(méi)有基本的思路與原則，難以達(dá)成共識(shí)。

2）露天礦區(qū)的地形復(fù)雜。對(duì)于限定的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，無(wú)人駕駛是可控的，但露天礦區(qū)的地形復(fù)雜，每天都要進(jìn)行爆破，無(wú)人駕駛卡車(chē)行進(jìn)的路線需要實(shí)時(shí)更新，操作耗費(fèi)需一定的時(shí)間，影響每日的開(kāi)采量；無(wú)人駕駛卡車(chē)行駛途中有可能會(huì)掉落礦石，后車(chē)對(duì)前方的障礙物不能及時(shí)地進(jìn)行判斷，可能會(huì)造成系統(tǒng)故障或道路堵塞。

3）無(wú)人卡車(chē)的應(yīng)用需要投入大量成本。每輛卡車(chē)都需要配置全套的傳感器，建立5G 通訊技術(shù)和遠(yuǎn)程操作平臺(tái)，還需要配置更多的安全措施，以及為系統(tǒng)故障及網(wǎng)絡(luò)安全所增加的額外成本。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)露天煤礦開(kāi)采的產(chǎn)量處于逐年上升的階段，通過(guò)國(guó)內(nèi)外露天礦山當(dāng)前智能化發(fā)展現(xiàn)狀的分析可知，當(dāng)前露天礦山智能化發(fā)展趨勢(shì)為露天礦山自動(dòng)化裝備及自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、信息化數(shù)據(jù)鏈的集成、數(shù)據(jù)處理和決策、生產(chǎn)智能化設(shè)計(jì)與礦山開(kāi)采整體管控。