智能配矿系统在水泥矿山的应用

2017-05-14南京凯盛国际工程有限公司吴志根傅绍广

中国水泥 2017年10期

南京凯盛国际工程有限公司吴志根傅绍广梁哲

对于采矿业来说，要走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路，数字化、信息化、智能化是发展的必然趋势。实行水泥原料矿山的数字化技术，可综合考虑生产、经营、管理、环境、资源、安全和效益等各种因素，使矿山规划管理具有更高的效率、更丰富的表现手法、更多的信息量、更高的分析能力和准确性，从而提高矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水平、综合实力，促进矿山的可持续发展，达到提高整体效益、市场竞争力和适应能力的目的。

由我公司总承包的泰安中联示范线融合了当前水泥行业最先进的设计理念和技术，通过矿山数字化开采系统、智能物流（物流管理系统）、智能质控（质量管理系统）、智能生产（专家智能控制系统和设备管理系统）、智能巡检（生产现场无人值守系统和智能巡检系统）、智能监视及报表（远程生产信息管理系统、能源管理系统）等智能制造技术，实现水泥工厂节能降耗、设备保障、管理提升和减员增效的目标。本文结合矿山数字化开采系统在泰安中联水泥有限公司的成功应用实例，对智能配矿系统在水泥原料矿山的应用做一介绍。

1、智能配矿系统的基本思路

智能配矿系统是在建立矿山地质三维模型的基础上，运用软件系统科学的计算矿区范围内各台阶、各工作面的矿石、夹石等矿岩量以及有益有害组分的化学成分，编制矿区中长期进度计划，在中长期进度计划的基础上编制月进度计划。

依据三维数字化软件系统的月采矿计划，指导爆破生产（开采计划）；通过爆破后取样化验的结果对三维地质模型进行更新修正（爆破取样化验）；结合月开采计划、不同爆区的品位分布和资源量分布情况制定详细的日生产计划及配矿日计划（制定日计划）；据配矿日计划及爆区品位分布情况，规划各装载设备单位时间出矿量，通过卡车调度系统指导生产，实现配矿精细化控制（GPS调度）；对卡车运行状态进行检测（卡车监督）；对破碎后的矿山通过在线分析仪检测反馈（在线品位检测反馈）。

2、智能配矿系统的具体实施方法及步骤

2.1 矿山三维建模工作

矿山建模首先应建立在对矿山进行地质勘探工作的基础上，地质勘探工作越深则三维建模越准确，建议地质工作至少做到勘探程度。矿山建模分为地表模型建立、矿体模型建立和块段模型建立。

2.1.1 地表模型建立

地表模型建立是三维地质建模一项重要的内容。三维地表不仅直接影响地表工程（矿山道路、基建工作面等）的设计、施工，而且对于破碎位置选址、排土场合理布置等有很大影响。同时，地表模型作为边界约束条件，还直接影响到露天境界优化的技术经济指标和工程量的计算。

2.1.2 矿体模型建立

矿体模型的建立是整个模型建立过程中最重要的部分，它们都是为矿体的开采服务的。建立矿体模型除了可视化、体积计算、在任意方向上产生剖面、与来自于地质数据库的数据相交四种功能外，还有一个极其重要的功能，就是为之后的品位估值和块段分析提供线框约束的基础。建立矿体模型后，可以在任意方向切剖面，生成剖面图（含地层情况、厚度等）。还可以将地勘部门生成的剖面图与地质模型生成的剖面图进行比较分析，以控制开采过程中的经济性与风险性。

2.1.3 块段模型建立

通过块段模型可以完成对平均品位统计及储量计算等工作，还可以结合地表模型、地质数据库生成任意剖面品位分布图，了解各个剖面的品位分布情况。

图1 矿山三维模型

2.2 露天采矿设计

2.2.1 露天境界优化

露天境界优化是露天矿山设计的重要环节，是露天矿山生产经营决策的重要依据，对露天矿进行开采设计，首先要进行境界优化。

在建立矿床数学模型（包括地表模型、矿体模型、块段模型）的基础上建立矿床价值模型，根据计算或选取的经济技术参数分别对矿岩矿体进行成本和收益计算求取块体净值，形成境界优化直接运算的对象——矿床价值模型。然后，确定露天境界优化的边界约束条件，包括最终边坡角、地表限制模型、底部限制模型或标高及其他限制边界条件。最后，实现境界优化，先选择优化方法，确定优化参数后进行境界优化运算，实现优化境界。

2.2.2 编制中长期采剥进度计划

根据已建立的矿床数学模型，确定矿山各采区的储量、品位分布情况，利用三维数字化软件进行矿山的模拟开采，即利用软件对矿石进行预搭配开采，确定开采工作面位置，提供矿山中长期的采剥进度计划，有目的进行多采区多工作面搭配开采，从而提高资源利用率。中长期采剥计划逐年滚动，即根据上年度采剥计划的执行情况和相关要求，编制本年度计划及后续年的框架计划，形成新的滚动采剥计划，以后逐年滚动推进。年度采剥计划一般由矿山在运输系统设计完成后进行。

采剥进度计划的主要作用为：

（1）安排台阶开采顺序，迅速制定切实可行的开采计划；

（2）为废石混入率和品位值设定目标，最大程度地控制进入石灰石破碎的矿石质量；

（3）计算包括运输、穿孔、装药等在内的系统配置要求；

（4）基本确定了矿山的整体生产目标与开采顺序，并且为制定月度采剥计划提供指导实际生产。

图2 中长期采剥进度计划

2.2.3 编制月进度计划

根据已编制的中长期采剥进度计划编制矿山月采剥进度计划，三维数字矿山软件已实现了虚拟采场环境下模拟手工编制采剥计划的过程。在软件中可根据台阶推进线，自动生成采掘带，并自动报告矿量、品位、岩量等指标；增大或减小采掘范围时，实时动态报告相应指标；同时可以随时进行采掘带的查询和统计。利用三维数字矿山软件可直接输出符合国内矿山工作习惯的月采剥进度计划，可以大大减少矿山生产企业每月编制进度计划的工作量。

2.3 露天配矿设计

露天矿配矿设计就是依据露天矿境界优化、采剥顺序优化、月采剥计划等数据，通过炮孔岩粉化验数据对地质品位进行精确补充，在多个爆堆之间进行优化得出最优的配矿方案，从矿山的开拓建设的道路、铲车分配和汽车运输的吨位分配等进行生产计划安排，达到采场配矿要求。配矿设计流程如下：

（1）依据已编制的中长期采剥进度计划、资源及品位分布情况编制月采剥进度计划；

（2）钻孔取样，在钻机上安装高精度GPS，对钻机进行精确定位，钻孔取样；

（3）对钻孔取样进行化验，并将样品的化验结果及样品对应坐标导入到三维数字矿山软件中，对矿体模型及配矿计划进行修正；

（4）将修正后的配矿结果编制指令发送到矿车及挖掘机车载终端，指挥生产；

（5）通过石灰石在线分析仪对破碎后的石灰石品位进行实时监测，并将监测结果反馈至调度中心，及时修正配矿结果。

3、智能配矿系统配置

3.1 系统总体结构

本系统的实施范围是矿山建立一整套包括整个矿区的生产调度车载终端、调度监控等在内的露天矿GPS车辆智能调度及管理系统。实现采运作业的实时远程自动化生产指挥和生产管理，实现露天矿所有生产数据实时在网、在线，同时智能调度系统结合调度协同作业系统：钻机自动布孔系统、燃油管理系统、品位在线监测与分析系统、自动称重系统等为矿山生产管理平台提供实时的生产管理数据。

3.2 调度系统的部署

按照结构合理，运行可靠，操作方便的原则，将整个系统设计分解为以下三部分：

（1）车载终端系统

泰安中联水泥有限公司共安装了17台车载终端于矿车和挖掘机上。此终端由开采设备提供电源，可3秒反馈一次设备位置、状态、速度、方向、物料等信息，识别运行状态如重车、空车、卸载等。随时通过软件在矿区二维电子地图上展示，并能提供交互式信息传递（实现语音对讲、设备状态报告、故障报告等）。调度室工作人员可以一目了然掌握现场所有开采设备的运行情况，系统可以统计、提取出所有设备产量、设备故障率、出勤率、运输设备运行时间、运距、周转量等信息，为进一步优化提供基础数据。

（2）通信系统

现场通讯主要是采用GPRS协议，通过与当地通信公司签署服务协议，在矿山建设信号基站，形成矿区通信网络。该通信网络具有覆盖范围广、性价比高、投资少、网络服务可靠等优点。

（3）现场监控中心系统

泰安中联水泥有限公司石灰石矿山高危及重点位置加设了视频监控系统，以便对重点地区进行实时监测。该系统提供图像抓拍功能，监控中心可碎石根据需要抓拍监控图像，实现对监控图像、数据进行实时存储，数据保存在监控中心。

3.3 调度协同作业系统

（1）品位在线检测与分析系统

泰安中联水泥有限公司在石灰石破碎出料皮带上设置了一台石灰石品位在线分析仪，可以在线检测通过的石灰石的成分，并以1分钟/次的频率将监测数据传输回GPS智能配矿系统，具有实时、准确的优点，为所有的配矿、调度工作提供了可靠的信息依据，也是智能化开采得以实现的保障。

（2）自动称重系统

自动称重系统推荐采用无人值守地磅系统，卡车过磅后，计量结果数据传输到公司数据中心，三维管控系统和生产执行系统平台中都可以查询、显示、统计等。

（3）燃油管理系统

燃油智能管理，是专门针对露天矿山企业油罐车、加油站成品油输出以及各种车辆燃油消耗过程实时管控而开发的一套电子实时监控管理系统，有效地监控油罐车、加油站成品油输出数据，以及各种生产车辆燃油消耗数据，还能为受油设备提供最优的加油方案。系统通过对成品从油输出环节到消耗的环节的实时监控，从而规范和监督成品油输出、消耗各个环节的操作行为，防止违规操作，杜绝浪费，为企业管理提供科学的依据。