数字化智能矿山系统在露天石灰石矿山采矿技术应用

张 爽 梁 超，2

(1.长沙迪迈数码科技股份有限公司，湖南 长沙 410083；2.中南大学，湖南 长沙 410083)

0 引言

资源是矿山赖以生存的源泉，随着数字化智能化技术在各行各业的不断深入，通过数字化智能化手段实现水泥原料矿山安全、环保、高效和精细化开采是矿山企业的必由之路[1]。

数字化智能矿山系统由数字采矿软件系统(以DIMINE为例)、智能卡调系统、品位实时分析系统、生产执行系统和三维管控系统组成。其能够实现数据共享和高效协作，在此基础上实现资源综合利用；实现基于实时数据采集的自动化配矿和精准开采，保障水泥原料品质稳定；实现矿山开采生产管理理念变革，提高生产效率，减少不安全生产因素。数字化智能矿山系统技术路线，见图1。

1 数字采矿软件系统

1.1 总述

数字采矿软件系统主要是运用在矿区三维模型数字化建模，以及利用建模成果进行生产计划编制、爆破流程化设计、快速的地表及品位更新、精准的自动配矿等领域。

图1 数字化智能矿山系统技术路线图

1.2 三维矿山模型数字化

将矿区地质资料进行模型数字化是运用数字化智能矿山系统的基础。三维矿山模型数字化工作包括：整理地质基础资料并建立三维矿山地质数据库；通过地质数据库解译三维矿岩界线；根据矿岩界线建立三维矿体、岩体模型；以矿区现状地形图建立三维地表现状模型；以矿区终了境界图建立终了境界模型；通过建立块段模型，以地质统计学方法进行品位推估，从而得到品位模型[2]。

三维矿山模型数字化工作具体流程详见图2。

图2 三维矿山模型数字化流程

1.3 生产计划编制

通过DIMINE计划编制功能，结合最新地表现状、终了境界、矿体、品位模型，可一键自动生成中长期计划，并按照中长期计划设定的品位、产量信息自动生成年计划、季度计划和月计划供矿山指导生产，若计划存在偏差还可进行人工调配。

自动生成生产计划可准确反应矿床的规模和品位的分布情况；能够对计划数据在任意时期内的回采过程进行模拟、预演；能够根据预演结果找出影响产量稳定性的因素和出现产量不均衡的时期，在计划编制过程中进行调整；能够根据预演结果确定需要投入的设备、班组下限和上限；且使用简便、效果直观生动，能够通过动画演示计划结果。生产计划编制见图3。

图3 生产计划编制

1.4 爆破流程化

通过分析现有石灰石矿山爆破的流程，制定了爆破的流程化管理：1)在生产计划和三维地表现状模型的基础上，通过DIMINE快速生成爆破设计方案；2)通过DIMINE发送设计方案数据到钻机的卡调系统终端，钻机按照设计方案到指定设计爆破区域按照设计炮孔位置进行作业，并将作业炮孔信息反馈给生产执行系统，在生产执行系统中进行爆堆作业点维护；3)取样技术人员先用打印机打印二维码(用于分组识别)分装到样品袋，然后在现场根据岩粉情况取样分装到指定样袋中，并在智能取样APP中进行炮孔分组；4)通过扫码枪扫描取样袋中的二维码与样品化验数据系统对应，自动上传到生产执行系统，然后通过DIMINE下载炮孔信息生成爆堆，用于配矿或品位更新。爆破、配矿自动化流程见图4。

通过爆破流程化极大的解决了矿山放孔、收孔、分组和化验投入的大量人力成本，并提高了生产效率。通过收集炮孔岩粉数据的化验信息来更新块段模型，达到了使配矿和计划编制的原始数据更精确的目的。

图4 爆破、配矿自动化流程图

1.5 地表更新及品位更新

——地表更新矿山爆破完以后会对地表现状模型进行更新，根据钻机反馈的炮孔点位信息并结合现状台阶线通过DIMINE地表更新功能一键更新地表，解决了矿山大量去测量更新地表工作。地表更新见图5。

图5 地表更新

——品位属性更新结合实测炮孔的样品信息和资源量估算的品位模型，选中炮孔样可实现一键自动更新品位模型，可实现矿山在做完一个平台后用真实的数据去预估下一个平台的品位信息，为下次生产计划提供可靠的依据。品位属性更新见图6。

图6 品位属性更新

1.6 自动配矿

配矿工作是结合矿山生产目标和生产技术条件限制进行矿石质量综合的系统工程，按照一定比例将不同品位的矿石进行搭配、混匀，使其满足矿山矿石产品质量要求。通过将高低不同品位矿石进行质量匹配、中和，以增加合格矿石的产出量，减少矿山废石量的占用空间，改善矿山企业的经济效益，提高矿产资源的利用率。因此配矿的自动化、精准化对于矿山尤为重要。

通过实测的炮孔数据生成对应爆堆，应用DIMINE中自动配矿功能，根据矿山实际应用中的元素指标、铲车产能及破碎站能力生成各破碎站精准产量及品位信息并发送指令到卡调系统，通过卡调系统实现车辆智能自动调度。

在生产过程中，生产执行系统会实时采集跨带分析仪品位在线分析数据并反馈到DIMINE，DIMINE通过反馈的数据并结合爆堆品位信息，对配矿指令进行自动修正后发送新的配矿指令到车辆自动调度系统，从而达到最终破碎站进矿品位达到设定指标，见图4。

2 智能卡调系统

智能卡调系统由调度中心、通讯及差分系统、车载智能终端三部分构成，综合运用计算机技术、现代通讯技术、全球卫星定位(GPS)技术[5]、系统工程理论和最优化技术等先进手段，建立生产监控、智能调度、生产指挥管理系统，对生产采装设备、移动运输设备、卸载点及生产现场进行实时监控和优化管理。智能卡调系统架构见图7。

智能卡调系统实现了全自动的实时调度(系统根据实际生产中电铲、矿车、卸点、物料等情况的变化适时进行自动调度)，司机实时对全局信息的知情，人性化的电子地图监视与历史行车轨迹回放，大量出现特殊物料品种时派车问题的解决，长距离派车问题的解决，局部定铲派车的灵活性等问题[4]。

图7 智能卡调系统架构

通过智能卡调系统执行配矿指令，可大幅提高矿山矿石质量的均匀性及稳定性，并通过数字化的形式实现可视化配矿，解决矿山调度现场指挥难、规范性差、质量难把控的难题，从而实现提高矿山采矿质量，节省人力成本及车辆合理规范化管理的目标。智能卡调系统架构见图7。

3 品位实时分析系统

品位实时分析系统主要为跨带分析仪在线检测系统,采用中子活化瞬发伽马分析技术，对流经皮带上所有物料进行透射式无接触在线检测，无需取样，每分钟即可分析出各成分含量并计算出相关的质量控制参数，从而根据分析结果和爆堆中配矿品位结合分析，指导配矿中各爆堆产量分配对生产过程进行实时有效的控制，改良生产工艺，降低生产成本，提高产品质量[7]，见图8。

图8 品位在线分析系统

4 生产执行系统

生产执行系统是指以生产计划为依据，对矿山基本信息，安全环保、生产计划、生产管理信息、设备管理信息等进行收集和采集，并对收集和采集的信息进行汇总，从而自动输出统计报表，并可对计划的执行状态进行调整和修正，从而实现资源合理利用、产量与质量统计分析、达到平衡工况优化调度的目的，见图9。

图9 生产执行系统

通过生产执行系统平台可实现五个方面的转变：生产从被动指挥向实时调度转变；质量从事后抽检向在线控制转变；资源从被动供应向主动供应转变；成本从事后核算向过程控制转变；管理从粗放型向质量型转变。

5 三维管控系统

三维管控系统是为辅助矿山管理人员进行矿山生产管理服务的，见图10。该系统是一个集大成者，其所支持的数据包括：矿山实景模型、生产实测模型、生产计划模型、工程实体数据、现场监测数据、生产信息管理数据等。平台的数据来源有现场DCS采集数据、生产执行系统统计数据、模型自身属性等。

在该系统中集成生产作业各个环节的数据：1)实现面向生产作业过程的可视化展示、监控、预警、查询/统计及各类管理分析报表；2)实现生产过程的全程可视化集中统一管控；3)实现生产作业各环节的可视化管理与调度[6]。

图10 三维可视化管控系统

通过三维管控系统，实现矿山生产与实际相结合，生动直观明了的监控生产状态、车辆运行情况、设备运行状态等，极大的提高的矿山运行的关键技术及业务支持。三维管控系统见图10。

6 结语

通过数字化智能矿山系统在石灰石矿山的应用，主要解决的难点问题如下：

——当矿产资源品位分布不均匀的情况下，实现全业务流程的质量平衡控制方法，解决低品位

矿产资源的综合利用问题。

——通过数字化矿山系统对当前石灰石矿山数字化模型进行分析，精准了解资源分布情况。

——通过DIMINE功能实现爆破设计和采矿可视化及自动模拟，通过提前预演及模拟优选最优方案，解决了因开采技术落后而导致资源浪费的问题。

——通过实测炮孔及品位化验数据实时动态更新，实现用上一台阶真实品位数据预估下一台阶的品位并实时修改计划及配矿指标，解决了矿山资源保证程度低，地质勘探工作滞后的难题。

——通过智能矿山系统将极大地减少二次倒运频率，降低了检测频率，从而达到降低成本提高工作效率的目的。

——通过智能卡调系统充分发挥设备效率，实现生产资源合理配置和利用，实现高效率、低消耗，同等车辆完成更多生产任务。

——通过生产执行系统将线下流程转到线上，把控流程的审批，实现精细、全面、无纸化办公，为企业的生产组织和管理工作带来全面提升、增添新的价值。

——通过三维管控系统，实现设计阶段的生产仿真与模拟、生产阶段的监测与管控、技改阶段的生产回放与过程分析、紧急事件发生时的可视化应急指挥等矿山关键业务过程支持，为矿山生产管理与决策提供重要的过程数据。