略談世界地下采礦設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

葉助青,趙金元

(中鋼集團(tuán)衡陽(yáng)機(jī)械公司,湖南 衡陽(yáng) 421002)

0 前言

地下礦山采礦設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高效開采的決定性因素,進(jìn)而決定著礦山生產(chǎn)系統(tǒng)、礦山規(guī)模、生產(chǎn)安全、采礦效率、作業(yè)成本、經(jīng)營(yíng)效益等。近年來(lái),世界采礦設(shè)備取得了很快的發(fā)展,國(guó)外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明,大型化、無(wú)軌化的采掘裝備能提高全員勞動(dòng)生產(chǎn)率5～7 倍。采礦設(shè)備利用數(shù)字化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展優(yōu)勢(shì),走信息化與工業(yè)化融合發(fā)展的道路,實(shí)現(xiàn)信息化、智能化,加快了傳統(tǒng)礦業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),驅(qū)使采礦設(shè)備走向“礦業(yè)+”的發(fā)展新模式。裝備技術(shù)的發(fā)展,有力推動(dòng)著地下非煤礦山開采從有軌到無(wú)軌方式的轉(zhuǎn)變。目前,相當(dāng)一部分露天礦山資源枯竭,逐步轉(zhuǎn)為地下深部開采;而礦山行業(yè)兼并、重組和資源整合的加劇,也促使地下礦山由小型化轉(zhuǎn)為規(guī)?；?、大型化開采,這對(duì)于采礦設(shè)備的自動(dòng)化、智能化,安全、節(jié)能、環(huán)保提出更高要求。

1 國(guó)外地下礦山采礦設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

1.1 趨向大型化和微型化

地球上易開采的礦物資源逐漸枯竭,品位逐步下降。礦業(yè)公司為了社會(huì)對(duì)礦物資源的需求,逐漸投向低品位礦體。擴(kuò)大工作面尺寸、使用大型設(shè)備、加大開采規(guī)模等,是提高礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最有效的方式之一。國(guó)際著名的地下采礦設(shè)備制造公司,如Caterpillar 新推出的R3000H 地下裝載機(jī),取代該公司最大的R2900XTRA 地下裝載機(jī),新推出的額定載荷為63 t 地下卡車AD63 替換原來(lái)的AD60,增加了5%的裝載量;Sandvik 新推出的51 t 載重量的TH551 地下卡車和63 t 載重量的TH663i 地下卡車都分別比原來(lái)的TH550 地下卡車和TH660 地下卡車載重量增加了1 t 和3 t;Epiroc 新推出的載重量85 t 的MT85 地下卡車是當(dāng)今世界上最大的地下卡車,它的載重量超過(guò)該公司以前最大載重量60 t 的MT6020 地下卡車近42%,也超過(guò)以前世界上最大的Sandvik 公司80 t 的TH680 地下卡車6%。

地下采礦設(shè)備的大型化發(fā)展,也推動(dòng)了地下大型采礦輔助設(shè)備發(fā)展,包括大型輪胎拆裝、運(yùn)輸車、大型燃油和潤(rùn)滑油車、大型水車、灑水車等。

但另一方面,世界上地下礦山隨著長(zhǎng)期大規(guī)模開采,大厚礦體日趨減少。眾多采礦公司將轉(zhuǎn)向薄、窄脈礦床的開采,促進(jìn)采礦設(shè)備向微型化發(fā)展。面對(duì)薄礦層,在市場(chǎng)上出現(xiàn)了低矮型、超低矮型采掘設(shè)備。以前生產(chǎn)低矮型(機(jī)高小于1.5 m)地下裝載機(jī)的僅有加拿大EJC 公司,現(xiàn)在發(fā)展到幾乎每個(gè)地下采礦設(shè)備公司都生產(chǎn),最低機(jī)的高僅有0.76 m。原來(lái)只有小型地下裝載機(jī)有低矮型,現(xiàn)在大、中型地下裝載機(jī)也有低矮型,而且還開發(fā)出超低矮型(機(jī)高1 m 左右)。這種發(fā)展趨勢(shì)主要是因厚礦床經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開采已逐漸減少,薄礦層必須開采,且為了減少投資。如Epiroc、Sandvik、SCHOPF、GHH 等公司生產(chǎn)的非煤地下礦井低矮型、超低矮型地下裝載機(jī)和地下汽車,Komatsu 等公司生產(chǎn)超薄煤層(厚度介于0.65～ 1.55 m 煤層)采煤機(jī)、薄煤層(厚度介于0.95～2.05 m 煤層)采煤機(jī)及其它低矮型、超低矮型輔助采煤機(jī)械。而面向窄礦脈,SCHOPF 公司開發(fā)出SLF 35 地下裝載機(jī)、RDH 公司的RDH 100D 型全系列窄礦脈地下裝載機(jī)、Youngs Machine 公司460系列、470 系列和960 系列地下汽車、Epiroc 的Boomer T1D 單臂掘進(jìn)鑿巖臺(tái)車、MTI 公司參展的NV1 液壓鑿巖臺(tái)車、Brokk 公司的薄礦脈開采遙控電驅(qū)動(dòng)Brokk 100 工具運(yùn)載機(jī)也是為窄礦脈采礦生產(chǎn)的。

1.2 向多功能化發(fā)展

多功能化是當(dāng)今地下裝載機(jī)發(fā)展的另一個(gè)重要特點(diǎn)。由于地下裝載機(jī)利用率很低(一般低于60%),為了充分發(fā)揮地下裝載機(jī)的潛力,提高其經(jīng)濟(jì)效益,地下裝載機(jī)制造廠商紛紛推出一機(jī)多用的地下裝載機(jī),即把地下裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)通過(guò)快換機(jī)構(gòu)臨時(shí)換成其他用途的工作機(jī)構(gòu),擴(kuò)大地下裝載機(jī)的功能。例如,可換成液壓破碎機(jī)用于修路,就地取材、破碎廢石、修理路面;為了平整路面可換成壓滾,可用作壓路機(jī)和平地機(jī);更換為鏟叉,可以搬運(yùn)物料,變成叉車;更換為起重臂,可作為起重機(jī);為了在爆破后清除巖石表面松動(dòng)的石頭(浮石),以防其在隨后的工序中崩落傷害人身與設(shè)備,把地下裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)換成支臂機(jī)構(gòu)和液壓破碎錘就成了撬毛車。

1.3 向電動(dòng)化和電池驅(qū)動(dòng)發(fā)展

能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),也是碳排放的最主要來(lái)源。BEV(battery-electric-vehicle)最初是由北美和歐洲因地下礦山開采深使通風(fēng)和冷卻困難而推動(dòng)發(fā)展的,現(xiàn)在各國(guó)政府對(duì)碳達(dá)峰碳中和已形成高度一致的共識(shí),紛紛制成行動(dòng)方案。礦山企業(yè)作為能源消耗大戶,必須承擔(dān)相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任,環(huán)保、氣體排放要求促使BEV 在全球得到快速發(fā)展。GMG(Global Mining Guidelines Group) 在2016 年6 月就發(fā)布了首版BEV 應(yīng)用指南,其電氣礦山工作組正在研究起草電氣礦山技術(shù)指引,涉及使用、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)。ICMM(International Council on Mining and Metal's)由27 個(gè)世界最大采礦企業(yè)和著名采礦設(shè)備企業(yè)共同設(shè)立一個(gè)ICSV(Innovation for Cleaner,safer Vehicles)計(jì)劃,創(chuàng)立一個(gè)“無(wú)競(jìng)爭(zhēng)空間(non-competitive space)”,以實(shí)現(xiàn)安全、健康和環(huán)境朝向零危險(xiǎn)和無(wú)排放的目標(biāo),到2025 年使柴油機(jī)排放最低化,到2040 年露天礦無(wú)溫室氣體排放。

最近幾年動(dòng)力電池技術(shù)快速發(fā)展,動(dòng)力電池包能量密度更高、重量更輕、充電時(shí)間更短,循環(huán)周期更長(zhǎng)。南非Rham 公司通過(guò)靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向輪邊電機(jī)提供40% 再生電能,使LiFePO4電池包規(guī)格更小。

試驗(yàn)證明,使用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的地下采礦車輛會(huì)使環(huán)境溫度升高8 度,而電驅(qū)動(dòng)地下采礦車輛僅升溫2 度,Borden 地下采礦實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)化后,通風(fēng)成本降低了40%。現(xiàn)在,深部采礦企業(yè)一方面新購(gòu)BEV設(shè)備擴(kuò)大使用規(guī)模,另一方面與專業(yè)動(dòng)力電池企業(yè)合作改造現(xiàn)有的柴油驅(qū)動(dòng)無(wú)軌采礦車輛。

地下采礦設(shè)備OEM 企業(yè)積極研發(fā)BEV 適應(yīng)市場(chǎng)需求。Epiroc 加強(qiáng)與ABB、Northvoltd 在電傳動(dòng)和動(dòng)力電池的合作,其第二代BEV 設(shè)備ST14 和MT42已在井深-1 800 m、硬巖溫度高于55°的深部礦井得到驗(yàn)證和使用;Sandvik 在2019 年2 月完成對(duì)美國(guó)BEV 制造商Artisan 的收購(gòu),后者的核心技術(shù)包括動(dòng)力電池、電機(jī)、功率電子器件、軟件和控制系統(tǒng)。Sandvik 采用Artisan 創(chuàng)新技術(shù)推出第三代18t 電池驅(qū)動(dòng)LHD,可與Artisan 研制的電池驅(qū)動(dòng)載重50 t 的運(yùn)礦車Z50 相匹配。該公司還研發(fā)出電池輔助電動(dòng)LHD-LH514BE,適合于經(jīng)常轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè),當(dāng)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)用電池驅(qū)動(dòng)、鏟裝時(shí)由電纜供電、坡道時(shí)電池助力。在2022 年2 月17 日的2022 年世界電動(dòng)礦山會(huì)議上,該公司發(fā)布了載重65 t 的電池驅(qū)動(dòng)運(yùn)礦車TH665B,其樣機(jī)已完成工廠試驗(yàn),將在Sunrise Dam 金礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),預(yù)計(jì)2023 年投入商業(yè)生產(chǎn);Caterpillar 在2017 開發(fā)BEV,2018 年推出R1700XE(17 t 地下裝載機(jī))和MEC-500 快充系統(tǒng),其電液系統(tǒng)將提升力提高65%。同燃油的R1300 相比,總能源費(fèi)用降低10 倍,熱量降低近8 倍,噪聲顯著降低。Paus 早在19 世紀(jì)90 年代便開始開發(fā)BEV,可機(jī)上充電、制動(dòng)再生發(fā)電回充,動(dòng)力電池包符合ECE-R100 標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)礦山位置、海拔高度和作業(yè)環(huán)境差異,BEV相比柴油驅(qū)動(dòng)價(jià)格高20%左右。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大,部件供應(yīng)鏈和價(jià)格差距在縮小,而性能差距在擴(kuò)大,已顯示出強(qiáng)大的發(fā)展趨勢(shì)。

1.4 向自動(dòng)化和智能化發(fā)展

隨著地下深部采礦條件愈來(lái)愈惡化、危險(xiǎn)性越來(lái)越大,操作人員的人身安全和職業(yè)健康受到高度重視。近幾年信息技術(shù)的飛速發(fā)展,使得地下采礦設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用半自動(dòng)化、自動(dòng)化和智能化成為可能,目前地下采礦設(shè)備的自動(dòng)化和智能化已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步,在地下礦山,無(wú)人駕駛控制和集中控制的采礦設(shè)備進(jìn)入應(yīng)用階段。在今后幾十年里,完善的自動(dòng)化和信息技術(shù)將會(huì)在采礦設(shè)備得到更廣泛應(yīng)用。信息技術(shù)是應(yīng)用信息科學(xué)的原理和方法同信息打交道的技術(shù),它包括有關(guān)信息的產(chǎn)生、檢測(cè)、交換、存儲(chǔ)、傳遞、處理、顯示、識(shí)別、提取、控制和利用等技術(shù)。其典型代表是傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感技術(shù)是關(guān)于傳感器的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和應(yīng)用的綜合技術(shù),傳感器的作用是將外部運(yùn)行信號(hào)、車輛狀況信號(hào)、駕駛員的操作信號(hào)變成電信號(hào),并把它送到控制單元處理后產(chǎn)生一定的控制信號(hào),使執(zhí)行元件輸出相應(yīng)的物理量。通信技術(shù)包括衛(wèi)星通信、電視、電話等。電子計(jì)算機(jī)可以處理和存儲(chǔ)信息。

隨著4G、5G 無(wú)線通訊技術(shù)的推廣應(yīng)用,大型礦業(yè)公司紛紛同移動(dòng)公司合作建立專用LET,為采礦設(shè)備自動(dòng)化和智能化奠定了基礎(chǔ)。ISO、ISA-5、OPAF 和GMG 等國(guó)際組織正在制定自動(dòng)化采礦相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或應(yīng)用指引。許多OEM 已開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品并在地下礦山完成了試驗(yàn)和驗(yàn)證。Epiroc 開發(fā)的Scooptram Automation Total 系統(tǒng)允許多臺(tái)機(jī)器自動(dòng)裝載,其核心技術(shù)是Traffic Management system,已用ST18 地下裝載機(jī)在多個(gè)礦山進(jìn)行試驗(yàn)。Sandvik 開發(fā)的AutoMine 8 1平308臺(tái) 533通過(guò)LET 通訊網(wǎng)絡(luò)使LHD 和運(yùn)礦車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。Caterpillar 在Cashman 設(shè)備公司支持下與Newmont 采礦公司聯(lián)合開發(fā)地下硬巖LHD 和運(yùn)礦車自動(dòng)化系統(tǒng)Command,它是Caterpillar 自動(dòng)化采礦系統(tǒng)Cat MineStar TM 的子模塊。

2 我國(guó)地下無(wú)軌采礦裝備現(xiàn)狀及發(fā)展方向

我國(guó)非煤地下礦山無(wú)軌采礦設(shè)備三十多年來(lái)經(jīng)過(guò)引進(jìn)、消化吸收和自主開發(fā),已經(jīng)形成系列化產(chǎn)品,可滿足國(guó)內(nèi)礦山無(wú)軌開采需要,但與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比,還有較大差距,特別是基礎(chǔ)零部件的可靠性、自動(dòng)化和智能化水平差距更大。

從世界采礦的發(fā)展方向可以看出,連續(xù)和半連續(xù)采礦設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化必將成為礦山裝備國(guó)產(chǎn)化的一個(gè)主攻方向。另外,在地下無(wú)軌采礦設(shè)備的開發(fā)研制方面,今后的主要發(fā)展方向是提高這類產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化率,同時(shí)提高關(guān)鍵零部件可靠性和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率。

此外,礦山企業(yè)在采礦裝備創(chuàng)新方面也有強(qiáng)烈的愿望和要求,迫切希望利用新設(shè)備降低成本,增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力,希望使用先進(jìn)采礦裝備在開發(fā)國(guó)外資源上與發(fā)達(dá)國(guó)家直接競(jìng)爭(zhēng)。

國(guó)內(nèi)一些企業(yè)在地下無(wú)軌采礦設(shè)備動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用方面也正在大力開發(fā)和試驗(yàn)。如金誠(chéng)信作為大型地下礦山建設(shè)和開采企業(yè),研制出的2 m3鋰電池LHD 于2019 年7 月在安徽陸江鐵礦-296 m 作業(yè)面工作;3 m3鋰電池LHD 于2019 年11 月在北京密云鐵礦試驗(yàn),可連續(xù)裝載65 車,充電30 min。

目前,我國(guó)至少有十家以上的企業(yè)在開發(fā)地下裝運(yùn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化技術(shù)。如總部位于成都的Alpha 工定智能控股公司為蔡家營(yíng)鋅金礦的二臺(tái)SINOME ACY-3L 裝載機(jī)匹配可視遙控系統(tǒng),還自主開發(fā)了TLHD-WJ-2D 裝載機(jī),可以現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程兩種模式運(yùn)行,LHD 工作數(shù)據(jù)可以上傳到Alpha 智能維護(hù)云,進(jìn)行故障分析和維修預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

在我國(guó)絕大部分地下礦山中,采礦裝備水平還很低下,采礦生產(chǎn)效率不高,裝備國(guó)產(chǎn)化率很低,尤其是大型裝備與世界發(fā)達(dá)國(guó)家之間的水平還相差很大,必須加大研發(fā)和投入的力度,采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來(lái)不斷的提高地下礦山的裝備水平,向裝備的自動(dòng)化、智能化、信息化發(fā)展,走信息化和工業(yè)化融合發(fā)展的道路,加快傳統(tǒng)礦業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),驅(qū)使礦業(yè)采礦設(shè)備向“礦業(yè)+”的發(fā)展新模式方向發(fā)展。