地下矿山智能生产控制与管理建设体系研究

周文略 连民杰

(中钢矿业开发有限公司，北京100080)

面对人力成本的不断增长，国家对安全、环境保护要求日趋严格，国内矿山企业开始从劳动密集型粗放管理向智能化科学管理转变。生产控制与管理的智能化建设是矿山实现智能化科学管理的关键，需要紧贴矿山运行特点，选用合适的、性价比高的技术和设备来实现。中钢矿业公司一直致力于现代化矿山的建设，积极应用电子信息技术、智能控制技术，实现采选工艺和各辅助生产系统操控的智能化、经营管理的信息化。经过7 a 的探索和建设，公司所属矿山在智能控制、信息化管理等方面已初具规模，运行效果良好。

1 智能化生产控制与管理建设体系

智能化生产控制与管理主要基于物联网技术，以信息化、自动化为基础，使矿山在生产、管理等方面实现数字信息化、自动化，决策与预警智能化。根据矿山企业的运行特点，生产控制与管理智能化建设可围绕4 个核心系统进行建设，即地质、测量、采矿信息的数字化与可视化、生产运行智能化控制、安全生产智能化监测与预警、经营管理信息化。地测采信息数字化与可视化主要以矿体地质数据为基础，通过计算机三维建模和数据管理，实现矿体的可视化和采矿信息的数字化。生产运行智能化控制主要以设备自动化控制为基础，通过软件控制平台，实现智能运行和人机交流。安全监测智能化主要以固定式和移动式监控、感应设备为基础，通过集中显示和控制平台，实现自动监测和智能预警功能。经营管理信息化主要以经营数据挖掘为基础，通过信息化软件平台，实现经营过程的准确、有序化管理。建设架构如图1。

图1 智能生产控制与管理建设体系Fig.1 The architecture of intelligent production control and management

2 地测采综合信息管理系统

基于各种软件平台的信息管理和三维可视化在各矿山应用的比较多，中钢矿业公司主要利用工程设计上普遍使用的AutoCAD，开发针对地质、测量、采矿等专业的CAD 功能模块，构建起矿山三维数字化地测采综合信息管理平台，全面实现地质、测量、采矿室内工作的自动化、信息处理与服务功能。系统主要从几方面进行功能建设，总体功能架构如图2。

图2 地测采综合信息管理功能架构图Fig.2 Comprehensive information management architecture of geology，measurement and mining

2.1 矿体三维模型的建立

通过建立地质与工程数据库，创建多种可视三维模型，可直观反映整个矿山所有矿体与工程的空间关系，并提供编辑、图形计算功能，实现可视化的动态管理。包括地表模型、矿体形态与品位模型、地下工程模型、开拓运输模型、供水、供电和通风系统模型等。模型效果见图3。

图3 矿山三维模型Fig.3 Three dimensional model of mine

2.2 地质信息的处理

能及时反映矿体形态和品位的动态变化，实现日常的矿体模型的维护，包括矿体区域生成、充填区域生成、平面图解译、边界品位修改、矿量及品位计算等功能。在三维矿体模型上，进行实体剖切剖面及平面图生成并进行解译，构建灵活快速的地质专业室内计算与管理的数据采集、查询、输出、报送体系，提高了作业效率和作业质量。功能架构如图4。

图4 地质处理功能架构Fig.4 Geological disposal function architecture

2.3 测量数据的处理

能完成外业控制测量、工程细部验收测量的内业计算、图解填绘平面工程图等。根据实测数据生成三维巷道模型，并保存相应的施工进度及质量信息，计算出副产矿岩量，通过对数据分析整理，派生出各种进度报表，形象地反映整体施工状况。实现对采掘工程的进度管理与质量管理。

2.4 采矿设计与生产计划编制

基于AUTOCAD 开发了一系列的功能插件，可以快捷地完成各种采矿设计及生产计划的编制和上传审批。采矿设计主要包括:开拓、采准、采切设计、巷道及碹岔设计等。将巷道、溜井等常用工程进行模块化，设计时只需调用工程模块进行编辑，并自动计算出工程量表及工程坐标表。采矿计划主要包括:掘进计划、采准计划、回采计划及充填计划。可以实现按计划时间和矿体品级列出采准计划详细计算结果表，自动计算出回采计划量(万t)及矿体品位，按计划时间和空间列出充填计划详细计算结果表等功能。通过三维技术应用，实现了设计、计划的三维可视化。同时，结合Excel 与ACAD 数据交换技术，实现生产计划报表与现行的管理手段的统一。采矿模块设计工具如图5 所示。

图5 巷道断面设计Fig.5 Tunnel section design

2.5 井下采矿生产全局可视化

基于矿体三维模型，将开拓工程、采掘系统、运输系统、矿山机械、给排水、供电、通风等设施的工作状态呈现于三维模型中，实现可视化采矿生产管理。

(1)采掘。可以在三维视图中显示各采掘系统空间的准确位置，根据实际测量数据重建采掘推进面，及时反映采矿与掘进位置。主要的采掘设备模型显示在三维立体图中，提供设备属性列表查询。

(2)开拓工程及运输。采用ACIS 技术建立三维运输显示系统，形象地反映开拓工程布置及各种运输状态。

(3)排水、供水、供电显示。分别建立井下排水、供水、供电等三维模型，将主要设备数字模型布置图中，提供设备属性列表查询。

(4)通风系统。建立全矿的三维通风系统模型，将主要通风设备、通风构筑物以模型方式放置图中，显示进风、出风路线和通风数据，操作人员可在界面上进行风机开启及通风构筑物的调节。

3 生产运行控制智能化

目前在矿井提升、排水、通风、尾矿充填、选矿、计量等工序方面实施了智能化生产控制系统，实现了关键生产过程的监控、调整、预警、故障保护、故障在线诊断等。通过建立矿山调度集控中心，将各工艺流程的控制和监控都集中到控制中心，在统一的工作平台上自动运行，也提供人工对生产流程的协调控制，提高了整体生产流程的效率，确保了生产的正常运行。

3.1 提升运输智能控制系统

矿井提升智能化控制系统可对提升机运行进行实时远程的控制，在线安全故障监控与诊断，确保提升系统的安全运行。具体特点包括:①制动闸系统智能检测;②智能型提升过程数字监控器;③主控计算机、信号系统及井口操罐设备的联锁控制;④提升机高度系数自校正;⑤提升机液压站和润滑站监控;⑥一个信号工多水平跟罐操作;⑦多台提升机智能化集中远程控制与管理;⑧具备提升设备运行状态自动分析，产量统计上报等。

3.2 泵房无人操控系统

针对变电站、井下中央变电所、水泵房等，采用DCAP－5000 系列综合自动化系统及PLC 自动控制技术开发了泵房综合智能化系统，可以完成遥测、遥控、遥调、遥信及所有远动功能，实现了无人值守与智能化监控、遥控操作，确保了供电、排水的安全运行。

3.3 通风智能控制系统

可在集控中心对主风机进行远程集中控制，对机站风压及主要进回风巷道的风速(风量)以及有害成分在线检测与监控。控制软件可准确地控制现场的运行情况，并提供机站风机工作状态和各种监测数据以动画、图形或文字方式动态显示。

3.4 充填智能控制系统

控制系统涵盖了尾矿充填工艺流程各工序的自动化控制，可在主控室实现充填过程的实时模拟显示、现场设备的状态和运行参数显示、操作指令下达、报警显示、报表分析等功能。控制系统可实现尾矿进料，水泥(或胶固粉)仓上下料位报警，自动配料，搅拌造浆，充填料浆检测与输送智能控制，井下充填监控等工作过程进行自动运行控制和可视化远程监控。

3.5 选矿智能控制系统

控制系统对选矿全流程进行自动控制和智能运行管理。选矿智能化重点在于对生产过程的信息自动分析和参数自动调整，通过建立磨选全流程控制系统，对各磨选过程进行自适应协调，使各选矿设备共同适应负荷的变化(如矿石性质、给矿量等变化)，能自动调整以保持各个运行参数的稳定。主要包括5种功能:①破碎过程智能控制;②磨矿分级过程智能控制;③磁选过滤过程智能控制;④排尾过程智能控制;⑤供水过程智能控制。

4 安全生产监测智能预警平台

充分利用物联网技术，开发了一个集日常安全管理、动态信息监控、危险预警和应急救援辅助决策功能于一体的安全监测预警信息平台。平台是以信息化和物联网技术为基础，应用物联网的RFID 身份识别、传感器信号技术和虚拟仿真技术进行开发。平台由安全管理和危险预警系统、矿山安全地理信息系统、动态信息在线监测系统、应急救援辅助决策系统组成，平台架构如图6。主要功能包括:①安全信息的采集、统计、分析、处理、传递和预警功能;②安全信息的分级管理、控制能力;③对已发生事故的分析与统计能力;④对危险源的辨识和潜在事故的预警预控能力;⑤能够实时掌握监测物的不安全状态，预警其不安全状况，提示相应对策。

图6 安全监测预警信息平台架构Fig.6 Safety monitoring and early warning information platform

同时，建立了基于手持式移动终端的现场安全检查系统，实现温度、风量、风速、风质和粉尘在线监测;利用GIS 技术和传感器构建动态人员定位系统。可根据动态监测信息和事故救援信息自动生成动态模拟的逃生路线。

通过建立功能模块，规范矿山安全管理工作，对包括企业安全概况、安全教育培训管理、特种设备预警管理、安全生产费用管理、职业危害信息管理、“三同时”信息管理、安全卫生设施管理等工作进行集中数字化管理，提供维护提醒、编辑、输出等功能。

5 经营管理信息化

5.1 生产成本管理

通过对各矿山成本费用项目的分析，开发了《中钢矿业成本管理应用系统》软件。成本管理软件由报表分析工具和汇总表生成工具组成，整合目前各矿山企业的生产统计、财务、票据、物资材料等信息，通过分析计算，生成格式统一、口径一致的集预算控制、数据归集、成本分析于一体的成本管理系统，实现矿山的“料、工、费”的动态管理。成本管理系统设计的成本报表包括了81 张表、2 846个指标、91 744个数据，指标细化到了每一道工序，每一个班组，每一个材料备件。将原本需要人工进行的数据统计、汇总、计算工作，通过成本管理软件运行自动完成，设置超预算自动报警机制。下属各矿山安装软件客户端，通过互联网方便快捷地传递给总公司，实现矿业公司对各矿山企业成本管理数据的汇总和审核，提高报表质量和安全性。成本管理的信息化，有助于对标挖掘内部潜力，起到了倒逼技术经济指标优化的作用，各矿山企业的成本逐年下降，三项费用的控制效果明显。

5.2 远程移动管理系统

通过引入移动无线网络，企业管理人员能够通过移动终端(手机)随时随地地接入系统，及时了解矿山的生产状况和安全状况，并将各种实时数据(矿井下的“水、粉尘、风速等)传送到相应的管理人员的手机中，实现的功能包括:数据查询、报表发送、人员定位、产量统计、视频监控、安全信息报警。

5.3 辅助经营信息化管理

中钢矿业公司搭建了以ERP 系统、资金管理系统、物资采购与库存管理系统、OA 系统、视频会议系统等为核心的统一的集成应用平台，实现了对生产、财务、销售、人力资源、设备资产，物资采购供应等方面的信息化管理。以ERP 系统为例，矿业公司ERP系统建设也分为项目开发和矿山管理2 个模块进行。项目开发模块包括项目机会管理、项目机会评价、项目计划管理、项目流程管理、项目文档管理和项目大事记管理等6 个专业模块，矿山管理模块包括矿山统计、计划报表管理及生产调度管理、安全生产管理、设备材料管理、大宗供应商管理和安全管理等模块，通过ERP 系统将矿山企业与矿业公司直接联系起来，提高了管理的效率。

6 结 论

经过多年的发展，中钢矿业公司智能化生产控制与管理初见成效，主要特点包括:

(1)以AutoCAD 和微软办公软件为基础，实现了地测采的室内工作的三维数字化、信息化建设，保证了数据能及时准确地记录、更新和查询。

(2)以自动化控制和智能决策系统为基础，实现了关键生产环节智能化运行、控制和管理，提高了劳动生产率，减少了矿山作业人员。公司下属年产量200 万t 规模的铁矿山，选厂职工人数在100 人左右;年产量120 万t 规模的铁矿山，选厂职工人数在55人左右。

(3)以物联网技术为基础，实现了安全标准化管理、危险预警及事故应急措施的智能化决策，保证了矿山安全、有序地生产。

(4)以信息软件和网络技术为基础，实现矿山经营管理信息化，对成本、采购、销售、财务等经营信息进行科学化管理，保证了矿业公司对各所属矿山的扁平化高效管理。

由于井下采矿工艺和施工组织较复杂，具有离散性，成为矿山智能化的难点。中钢矿业公司将采矿作业的远程控制作为突破口，积极探索遥控设备进行采矿作业的技术要求和标准。同时，将继续利用智能控制技术，进一步促进矿山的智能化科学管理的创新。

［1］ 方 鹏，黄德镛. 数字矿山技术的应用现状及展望［J］. 矿冶，2013，22(1):76-80.

Fang Peng，Huang Deyong.Application status and prospect of digital mine technology［J］.Mining ＆ Metallurgy，2013，22(1):76-80.

［2］ 王丰收，付光梅，李宝健，等. 矿山数字化系统的研究［J］. 工业安全与环保，2008，34(10):16-17.

Wang Fengshou，Fu Guangmei，Li Baojian，et al. Research on mine digital system［J］. Industrial Safety and Environmental Protection，2008，34(10):16-17.

［3］ 骆 力.数字矿山特征及建设探析［J］.金属矿山，2009(5):36-39.

Luo Li.Discussion on the characteristics and construction of digital mine［J］.Metal Mine，2009(5):36-39.

［4］ 荆永滨，王李管，魏建伟，等. 地下矿山开采的智能化及其实施技术［J］.矿业研究与开发，2007，27(3):49-52.

Jing Yongbin，Wang Liguan，Wei Jianwei，et al. Intelligent underground mining system and its implementation［J］. Mining Research and Development，2007，27(3):49-52.

［5］ 张科利，任长忠. 基于物联网的智慧矿山的智能生产系统展望［J］.中国矿业，2012，21(S):76-79.

Zhang Keli，Ren Changzhong. Mine intelligent production systems outlook based on internet of things［J］. China Mining Magazine，2012，21(S):76-79.

［6］ 吴立新，古德生. 数字矿山技术［M］. 长沙:中南大学出版社，2009:49-50，83-84.

Wu Lixin，Gu Desheng. Technologies for Digital Mine［M］. Changsha:Central South University Press，2009:49-50，83-84.