数字信息化及自动化智能采矿技术在地下矿山的应用与发展*

杨清平，蒋先尧，陈顺满

(1.中色非洲矿业有限公司， 北京 100083； 2.北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 100083)

数字信息化及自动化智能采矿技术在地下矿山的应用与发展*

杨清平1，蒋先尧1，陈顺满2

(1.中色非洲矿业有限公司， 北京 100083； 2.北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 100083)

数字信息化、自动化智能采矿是现代矿山的发展方向，不仅能提高矿山生产整体管理水平，而且能提高矿山综合效益。矿业发达国家矿山的数字信息化及自动化智能采矿技术发展已日益完善。介绍了国外几个典型矿山应用实践，阐述了地下矿山数字信息化、自动化智能采矿的关键技术，并对矿山数字信息化、自动化智能采矿提出了几点建议，可为矿山数字化，信息化同，智能化建设提供参考。

数字信息化；自动化；智能采矿；地下矿山

0 引 言

数字信息化、自动化、智能化作为新兴技术极大地促进了各行各业的发展，矿业技术发达国家许多矿山已经实现了矿山数字化、信息化和自动化智能采矿，极大地提高了矿山的生产管理水平，取得了显著的经济效益和社会效益。数字信息化、自动化智能采矿技术促使矿山生产各个环节得以高效运行，是现代矿山的追求目标和发展方向。芬兰的Pyhaslami 矿、瑞典的Kiruna 铁矿以及加拿大的Kidd Creek矿等先进矿山都率先做出了表率，通过自动化、智能化和无人化采矿，在千米深井条件下实现了很高的劳动效率、安全指标与技术经济指标。一些深井矿山，炸药、油料等均已做到通过管道直接下放到井下，同时先进的通讯系统也做到了对设备的远程遥控，减少上下班交接班时间，提高设备有效工作时间，从而实现高效。其它的通风、排水、提升等系统更是实现了地面远程控制，既高效，又可节省人力成本。

近几年，我国在矿山数字信息化建设方面也取得一定成果，首钢杏山铁矿通过矿山信息化建设，实现了有轨无人驾驶电机车运输、井下人员、设备定位、井下语音通信及井下通风、排水、配电等固定设备设施无人值守等生产调度自动控制管理系统。但同国外先进矿山相比还远远不足，尤其是自动化智能采矿技术差距更大。

1 国外矿山信息化及自动化智能采矿技术

1.1 Pyhǎsalmi Mine信息化及自动化采矿技术

1.1.1 自动化出矿技术

Pyhǎsalmi Mine是矿山自动化的倡导者和实践者，与山特维克公司合作获得了最先进的技术。自动化出矿技术既降低了矿山采矿安全风险，又节省了人员频繁上下设备的时间。

Pyhǎsalmi Mine现装备有6台铲运机， 其中LH621型4台、TORO11型1台和LH517型1台，并装备有3套AutoMine Loading-Lite单台铲运机自动化系统，三套系统可控制4台LH621型铲运机及1台TORO11型铲运机，铲运机从采场到溜井平均运距250 m。

自动化铲运机系统包括以下主要系统：门禁控制系统 (ACS)； 操作站；MineLAN通讯网络；自动化铲运机。

门禁控制系统 (ACS)用于控制人员和设备进入自动化运行区域的屏障。光栅门禁系统确保外界因素打破该系统后铲运机能自动停止工作。该系统灵活性大，可以根据生产需要很快地挪位和安装。

操作站用于操作人员控制系统及查看用户地图界面，设置于移动面包车内，在采场外进行操作控制。

MineLAN通讯网络为AutoMine Loading -Lite 子系统与自动化铲运机间提供无线网络连接。AutoMine Loading-Lite有两个液晶显示面板，一个面板显示铲运机的工作环境情况、发动机转速、运行速度和油料情况、铲斗和大臂的情况、铲斗相对于巷道底板的情况、铲运机横向和纵向的倾角并据此来判断铲运机的工作稳定性。可以设置工作稳定性的最小值，当其低于该值时意味着铲运机可能有发生倾覆的危险，铲运机将自动停止运行。另一面板显示铲运机在整个开拓系统中所处的位置。

自动化铲运机配有InfraFREE导航系统及视频系统，同时还包含MineLAN矿山局域网通讯模块移动终端和ACS门禁模块。自动化铲运机的运行路径和速度的获取，首先需要通过人员驾驶沿该路径行驶一次，铲运机会自动扫描并存储该路径。然后只要选择该路径，铲运机就会根据此记录的路径和速度来运行，而对于每段的行驶速度后续是可以手动更改的。每台自动化铲运机每年出矿量可达30万t，整个矿山产量较使用自动化铲运机前的80万t提高到140万t以上，全员劳动生产率20 t/人天左右。

1.1.2 自动化生产系统。

Pyhǎsalmi Mine自动化生产系统包括自动化提升系统和自动化辅助生产系统。

自动化提升系统由ABB公司制造，该系统同时控制矿山的箕斗、平衡锤及罐笼的运行。Pyhǎsalmi Mine主井直径为5 m，使用直径为4.5 m的四绳摩擦式提升机，电机为2500 kW的直流拖动同步电机,直接转矩控制。罐笼可乘坐20人，运行速度为12 m/s，箕斗运行速度为15.5 m/s，每小时提升能力为279 t。当满载的箕斗达到井口卸载平台后将21.5 t矿石卸载到地表矿仓，地表矿仓可存储5 d的出矿量。

自动化生产辅助系统包括通风、排水、破碎、转运、消防等系统，系统集成度高，采用统一界面，在地表或井下均可以进行监控操作。两条主网络与30 个PLC 相连，其中一条主网络负责排水、消防、提升等系统；另一条主网络负责通风等其它系统。总系统中设置了通信网络故障诊断报警系统，对各子系统中PLC 和通信路线状况实时监控。同时建立了井下排水状态监测系统，对水泵输入端、自由端、电机输出端、自由端轴承振动大小、温度进行实时在线监测。

1.1.3 生产管理系统。

Pyhǎsalmi Mine生产管理系统包含生产管理中各方面的重要数据资源，通过系统可实现生产调度与安排。生产管理系统中最重要的是生产计划管理。

Pyhǎsalmi Mine生产计划的编制分为几个阶段，首先使用Surpac 软件建立矿体模型和矿块模型，然后建立采场模型并将其导入KATTI 采场数据库，探矿钻孔也同样建模，最后将所有的数据整理成电子表，并编制矿山18 个月的生产滚动计划。每个月根据生产实际情况对滚动计划进行调整，每个采场在投产前对其模型进行重新修改，及时更新相关数据，最后根据最新的矿块模型、金属价格、生产成本和选冶成本等核计每个采场的经济价值，再决定具体采场的出矿量等。

采场回采结束后，采用Optech 激光扫描仪扫描采场采空区形态，单个采场空区扫描需半小时，最多可获得53000 个三维测点坐标，井下扫描最大范围可达200 m，然后将其导入软件建立空区模型，一方面为采空区充填设计提供依据；另一方面为二步骤回采采场扇形中深孔设计提供依据。

1.2 南非Finsch mine卡车自动化出矿技术

Finsch mine年生产能力350万t。卡车自动化系统于2005年下半年开始试生产，2006年12月正式投入生产，是全球第一家实现自动化出矿的矿山。Finsch mine现有13台6 m3以上铲运机和8台50 t卡车，设备维修保养由山特维克公司承担。根据矿山建设自动化出矿的要求，Finsch mine矿所有路面均铺设有混凝土，且为了保证卡车与运输水平之间的较好衔接，提高卡车的工作效率，铲运机的卸载水平比卡车的运输水平高3 m。

通过对现场矿卡自动化出矿技术进行对比分析，其应用效果较为显著，表1为矿卡自动化技术实施效果，设备的行驶速度快，缩短了循环时间，轮胎消耗、燃油消耗、卡车数量和操作人员均大大减少，维护成本降低，主要部件寿命、设备开机率、使用率和设备经济寿命均得到显著提高；在安全方面，设置了门禁系统等，可显著降低安全风险，保证自动化生产过程中的安全。

表1 矿卡自动化技术实施效果

1.3 加拿大Kidd Creek矿自动化采矿技术

加拿大的Kidd Creek矿，年设计的生产能力为230万t。现装备4套Sandvik公司的单台铲运机自动化系统，控制4台LH514型铲运机，操作站位于地表中央控制室。单台铲运机自动化可以实现自动行驶、自动卸矿及远程遥控铲装。由于该矿井深达3000 m，地表距离井下距离较大，设备和人员从地表到井下的消耗时间较长，每天可达到的有效工作时间为12 h，当采用自动化采矿技术后，每天的有效工作时间可延长至15 h，而矿山的生产能力可提高50%。

Kidd Creek矿虽已领略到自动化铲运机的优越性，但是使用过程依然存在不少问题，主要原因在于自动化系统是在原有系统上添加的，往往因为人员设备进入自动化门禁区而导致系统自动停机，影响设备效率。目前设备的平均运行时间在13 h/d左右，每斗铲装10 t左右，台班产量1000 t/台班，尚未发挥设备的最大效能。

而且，Kidd Creek矿井下的通风、排水、压气、污水处理、油料下放等均实现了远程自动化控制，其中油料输送系统由供货商Shell公司设计，井下油料库集中供料，在调度室可实现远程监控。

Kidd Creek矿矿山局域网系统提供在自动化铲运机和门禁系统之间的通讯，网络范围涵盖自动化作业区域和操作站内的设备。

2 信息化及自动化智能采矿的关键技术

矿山信息化及自动化智能采矿主要包括智能开采综合信息平台建设、生产管理系统和各职能部门的信息化管理三方面内容。图1为自动化智能采矿理论框架图。

图1 自动化智能采矿的理论框架图

2.1 智能开采综合信息平台建设

智能开采综合信息平台建设就是搭建信息化自动化通信网络系统，建立更加精确、细致的地质数据库，实现地质解译的全面数字化。同时，构建随生产进行而动态更新的精细化矿体三维模型，采用三维激光扫描等技术手段获得详细的生产过程空间数据，将矿山已建的各类异构信息化系统进行整合和信息集成，统一管理，打造智能开采调度与控制平台，即生产调度控制中心，对井下人员、设备等生产各个环节进行远程控制和在线监测，并在此基础上实现计算机优化分析设计和工艺仿真。

2.2 生产管理系统

目前采用信息化、自动化和智能化的矿山较多，特别是在芬兰、美国和智力等国家，因此，矿山生产管理系统可借鉴国内外知名的采矿生产执行系统，实现人员、设备、生产、安全、质量等的管理，对生产过程中的设备状态和生产过程等进行监控。生产管理系统主要可通过两个方面来实现对矿山的管理，一方面，根据搜集到的现场生产数据，对矿山的生产计划进行系统的管理，将矿山生产计划分为年计划、月计划和周计划等，该管理系统可根据现场情况进行实时调整；另一方面，该生产管理系统可将采集的各类数据自动传送到生产调度中心。

同时，通过对井下生产设备设施包括自动化采矿设备进行集成化管控，打造统一的设备虚拟管控系统，实现设备姿态实时仿真，完成设备运行状态的实时监控、生产作业数据的自动采集、自动传输及远程监测，实现矿山井下溜破系统、排水系统、皮带运输系统无人值守、变电所远程监控系统自动化、通风机远程在线监测与优化、竖井提升自动化、矿山充填自动化、井下有轨(无轨)车辆集中调度控制、智能化装药、铲运机出矿自动化、矿用三维激光扫描机器人应用以及人员设备定位等的数字化、自动化、智能化管理。

2.3 各职能部门的信息化管理

由于管理模式变化，各职能部门比如生产计划、技术、机电设备、备品备件、劳资以及决策支持等系统原有的管理制度、岗位职责已不适应信息化管理新的要求，需要实时对原有管理制度、岗位职责按照信息化管理特别要求进行修订和完善，并进行系统培训，才能实现各职能部门信息化、智能化管理发挥最大效能。

3 对信息化及自动化智能采矿的几点看法

(1) 开展矿山智能化、信息化和自动化相关标准体系研究。为了实现地下矿山的信息化、自动化和智能化，需对对生产过程中的相关标准体系进行研究。信息化、自动化和智能化采矿是一个系统工程，需要将自动化、信息化、智能化的设备及其管理系统与矿山的开采技术条件结合起来，研究智能化采矿的关键技术，形成地下矿山信息化、自动化和智能化开采的通用标准体系。

(2) 促进矿山智能化、信息化和自动化系统的提升。为了建立良好的智能化、自动化和信息化系统，不仅需要大型的设备，更为重要的是需要信息融合建立，建立井下专用的工业通信系统，将各系统进行连接起来，确保矿山在生产过程中，能实时通过网络系统对智能化、自动化和信息化系统进行调控，将数据进行实时分析和传递。而矿山井下环境较复杂，需根据矿山不同地点不同数据种类来确定不同的通讯网络，将井下信息系统进行较好的融合。

(3) 完善矿山智能开采全过程安全监测系统建设。随着科学技术的进步，很多矿山的安全系统也逐渐完善，目前矿山六大系统在矿山的应用越来越广，主要包括井下人员定位系统、矿山压风自救系统、井下紧急避险地下矿山安全避险系统、矿山监测监控系统、矿井供水施救系统和矿井通信联络系统。但如何保证矿山六大系统的高效运行，如何发挥矿山六大系统的最大效能，需将多模块、多网络和多接口等进行融合起来，进一步完善矿山智能开采全过程安全监测系统的建设，提高矿山六大系统的安全性、可靠性和兼容性。

(4) 建立矿山大型数据库平台，实现矿山数据的实时在线优化。各大矿山在建立智能化、自动化的过程中，采用了强有力的信息融合技术，将现场开采的数据传递到计算机上，可通过建立的矿山智能开采调度系统、生产计划系统、生产控制系统、成本控制系统等，将收集到的现场数据联合起来，并传递到大型的数据库平台，实现实时在线分析，对其整个系统进行实时优化。同时，在生产过程中，通过建立的在线监测系统等，对井下的大型设备和大型硐室等，例如变电所、水泵房、提升机和配电硐室等进行监测，确保矿山在安全的状态下进行最优化生产。

(5) 加强矿山生产辅助系统的自动化及建设。根据国内外建立的智能化、自动化矿山经验，要建立高效的智能化和自动化矿山，不仅需建立高效的开采运输系统、生产调度系统、生产控制系统等，还需要建立良好的辅助系统，使其与智能化、信息化和自动化系统进行配套，涉及到的生产辅助系统主要包括：油料输送系统、井下破碎系统、井下排水和通风系统、井下逃逸系统和井下通讯系统等。

(6) 做好智能化、信息化和自动化人员培训。一个良好的智能化、自动化和信息化矿山生产系统的建立，不仅需要有大型的自动化设备，与之配套的信息化和自动化系统等，还离不开矿山技术人员的支撑，这些智能化、自动化和信息化设备需技术人员来进行控制与操作，因此，需加强对技术人员的培训，使智能化、自动化、信息化系统和设备更好的服务于矿山的生产，为矿山创造更好的经济效益和安全效益。

4 小 结

本文对国内外矿山的生产现状进行分析，针对国内矿山生产效率低、开采成本高、工作环境条件差等情况，结合国外一些智能化、自动化和信息化矿山应用较为成功的实例，认为智能化、自动化和信息化矿山为未来采矿发展的主要研究方向。对芬兰Pyhǎsalmi Mine自动化出矿技术、南非Finsch mine卡车自动化出矿技术和加拿大的Kidd Creek矿自动化采矿技术进行了重点分析，提出了建立智能化、自动化和信息化矿山的关键技术在于智能开采综合信息平台建设、生产管理系统和各职能部门的信息化管理。最后，针对国外的矿山应用经验，结合国内矿山的现状，提出了建立智能化、自动化和信息化矿山的几点建议，需引进国外智能化、自动化和信息化技术；制定矿山智能化生产标准体系、加强自动化和智能化设备的应用；建立完善的智能化、自动化和信息化系统的建设；加强地下矿山的实时监测等技术；建立矿山大型数据库平台，实时对井下生产情况分析；加强矿山技术人员的培训工作等。通过建立智能化、自动化和信息化系统，可大大提高矿山的生产效率，改善井下作业环境，减小矿山生产成本，提高企业的核心竞争力，减小矿山安全生产风险，势必将成为未来矿山企业发展的重要方向。

[1]王 耿.浅谈数字矿山和矿山信息化建设的现状与发展对策[J].有色矿冶,2014,30(1):62-64.

[2]蒋先荛，等.谦比希铜矿数字信息化集成管理系统建设 [J].铜业工程,2017(1):81-84.

[3]王 佳.信息化技术在矿山机械管理中的应用研究[J].机电信息,2012,333(15):89-91.

[4]赵兴宽，等.卡车自动化在南非芬什矿的应用[J].现代矿业,2015,7(7)：177-178.

[5]刘长坚.信息化在矿山管理中的研究[J].中国矿业,2011,20(7):122-125.

[6]杨清平，等.铲运机自动化出矿技术及其应用前景[J].采矿技术,2016,16(6):21-24.

2017-08-04)

国家自然科学基金面上项目(51674012).