矿山智能化开采与智慧矿山建设技术

田小平

(金诚信矿山工程设计院有限公司， 北京 100070)

0 引言

长期以来，我国矿山的粗放式开采，不仅带来较大的生产安全隐患，而且造成大量资源浪费，同时还给环境和生态带来巨大压力。随着我国资源环保政策的逐渐收紧，矿业将被迫转型升级，从而促进了智能化、数字化、大型化、环保化矿山的蓬勃发展，矿山行业将很快进入智慧矿山建设和智能化开采的时代。

智慧矿山是基于信息物理融合系统的矿业生产革命，具有高度数字化、网络化和机器自主为主的矿业革命属性。矿山智能化开采的核心意义在于采用高新装备和技术，提高生产率和工作面利用率，显著改善安全性和事故预防能力，以较低开采成本和更高技术经济指标，解决矿山效率、安全、环保等经营问题，提升企业整体的竟争优势。

芬兰、加拿大、瑞典等发达国家在智能采矿方面取得了长足的进步，如山特维克和阿特拉斯科普，不单研制出了具有自动化或智能化性能的采掘运输设备，并且开发出诸如AotoMine、OptiMine和MineLan等多种智能采矿技术和设备的操作平台，应用于矿山生产。如瑞典基律纳铁矿地下无人采矿，智利特尼恩特铜矿的自动采矿系统，力拓皮尔巴拉矿区15座矿山的远程控制，加拿大无人驾驶采矿技术等成果。

我国在矿山智能化开采与智慧矿山建设方面经历了20多年的发展，从零开始，取得了丰硕的成果，但也存在研发不足、国产设备落后、自主软件单一、信息孤岛严重等问题，与发达国家相比，我国在智能矿山建设方面仍有较大的发展空间。在这种情况下，为了促进我国矿山企业的科技实力，展开智能化开采和智能化建设技术的钻研，逐步推行和完成矿山的智能化开采显得尤为重要。

1 什么是矿山智能化开采

“矿山智能化开采”是通过对矿山的资源、材料、设备、人员、环境的数字化，使矿山一切信息实现自动采集、实时传输、标准化运算、全景可视化仿真和自动化操作，使矿山像智能机器一般自我分析和决策，在高度协调的系统中高效益运营，其核心意义是解决矿山生产中资源的最经济回收和低成本运营。

矿山实施智能化开采主要有5个方面的重大影响，一是顺应和支持国家“两化融合”发展战略，推进矿业领域科技创新。二是从资源利用的经济模型中真正解决了回采率、贫化率、回收率和成本等矿业经营的核心问题，取得在矿山领域的竞争优势。三是根本上解决塌方、冒落、突水、窒息、电伤、误操作等在传统经营业态下无法完全避免的安全问题。四是减少矿山劳动定员，降低人工成本。五是员工远离生产一线，通过远程控制设备，完成矿山的采选冶工作，工作体验和生活质量得到大幅改善和提高。

2 矿山智能化开采现状及存在的问题

目前，芬兰、加拿大、瑞典等大国在矿山技术领域具有一定的竞争优势，较早制定了“智能化矿山”和“无人化矿山”的发展规划。1992年，芬兰提出了智能矿山技术方案，建立了集矿山实时生产控制、资源实时管理、新机械应用和自动控制等技术于一体的智能矿山技术，并于1997年进一步提出智能矿山实施方案，建立智能矿山技术标准，促进了智能采矿技术向实体矿山的倾斜，大大提高了矿山的生产效率和经济效益。瑞典也制定了向矿山自动化进军的“Grountecknik 2000”战略计划，全球最大的地下矿山基律纳铁矿主要生产中段已全面实现了无人采矿。智利特尼恩特铜矿的自动采矿系统，一人控制多台铲运机和卡车，运行状态及生产监控、交通控制、导航系统无需基础设施，适用性强。力拓皮尔巴拉矿区的15座矿山的采掘设备自动运行，而其控制中心在1 000多公里外的珀斯。加拿大多矿山联动无人化开采技术地位国际领先，并由此外延出新的技术产业。美国井下自动定位导航技术的研究成果已实现商业化。

2016年，中国颁布《全国矿产资源规划(2016—2020年)》规划，大力推进互联网+矿业的科技创新，加快建设智慧矿山，促进矿山管理模式变革。近几年来，我国各类矿山安全生产管理系统得到了迅速发展，如井下人员定位、远程监控、无人运输、排水系统、通风系统等生产自动化控制系统，人力资源、财务、物资、项目管理等办公自动化系统逐步在矿山企业得到了应用。

因为矿山资源禀赋和开采条件的多样性和复杂性，开采理念、技术和管理水平的不均衡，给无人化开采带来了严峻挑战，还需突破一系列的关键技术和装备。这种将矿山现有生产模式转型为网络化、数据化、集成化、智能化的“智能化开采”模式已被世界绝大多数企业重视并采用。

我国在“矿山智能化开采”建设中起步较晚，从无到有，成果丰硕，但也存在许多尚待突破的难题。首先，国产矿山设备自动化及信息化程度低，难以满足智能开采要求。二是系统规划不足，科研力量分散，无法形成合力。三是科研人才和自主知识产权短缺，无法形成相对兼容的智能开采软件平台。四是矿山管理模式陈旧，缺乏部门协调，信息资源难于共享。五是脱离矿山实际，盲目追求“智能化开采”等。

3 矿山智能化开采的组织保证

“矿山智能化开采”是个全新的商业经营理念，企业领导思维模式和领导方式的转变，对该项目的实施有着非常决定的作用。矿山智能化开采”的核心意义是解决矿山生产中资源的最经济回收和矿山低成本运营，真正目的是解决了回采率、贫化率、回收率、安全、环保和成本等矿业经营问题，所以智能化开采的规划和实施最好由矿山企业和设计单位组成的团队牵头负责，基建、设备、信息、科研中心等单位辅助，吸取其它企业在这方面的经验和教训，以最经济的投入来解决生产中的实际问题，确保项目实施不走偏。

4 矿山智能化开采关键技术

笔者所在公司的科技创新和矿山智能设备制造2大板块，近年来一直专注于智能化开采和智慧矿山建设技术的研发、应用和推广，逐步形成贯穿矿山整个生命周期的数字化、信息化、智能化服务产品体系，开发出矿山数据采集分析系统、矿山安全生产智能管控系统、矿山三维协同管理系统及试验应用案例等。

4.1 数据采集、建模和分析系统

利用三维激光测量、监测雷达、微震监测、倾斜摄影等技术手段，对地质、采矿、测量等数据集成管理，建立各生产和管理系统的信息数据库，通过对数据的统计、分析、研究、共享和协同，实现大数据对产能调控、结构优化的技术支持，为矿山生产、安全决策提供技术和数据支撑。

图1 矿山数据模型

4.2 安全管控系统

因为矿山资源禀赋和生产条件的多变和复杂，企业各系统之间信息共享、协同配合对于矿山安全生产具有重要意义。将设计优化、施工管理、生产调度、生产放矿、胶带运输、电机车卸矿、箕斗装卸、竖井提升、设备检修维护、能耗监控、设备人员定位、无人驾驶、机车调度、智能通风排水、无人选厂、大型设备和尾矿库远程监控、危险源预测预警、充填自动化等系统有效融合，并不断完善，形成高度集成的一体化系统平台，实现信息实时共享，协同管理。

安全生产智能管理与控制系统是以生产和安全测试数据为基础，以矿山资源模型、井巷工程和矿山环境三维模型为基础，通过对矿山设备和安全监测装置的姿态、工况、过程和属性的仿真、计算和三维再现，实时更新资源模型、动态估算、方案优化、采矿设计、调整计划和品位控制等产品和技术，实现对矿山从设计到生产的实时监控与调度。其构架(TMC系统)包括嵌入式软件系统、上位机系统、数字采矿软件系统、生产过程管理系统和变配电自动化系统五个层次。

4.3 协作管理系统

矿山企业的生产和管理是地质、测量、采矿、机电、运输、通风、排水、安全、监控监测及调度等多专业多部门协同配合、综合处理的工作模式。各部门的生产信息不断累积且被多系统共享，因此各系统均不能孤立存在，必须基于统一的网络平台，实现矿山企业各层面、各系统的联动与协同配合，达到安全、高效生产的目的；充分利用云计算与大数据技术，优化配置行业资源，通过数据引导矿山工业产业链延伸、延展，实现协同工作。

矿山的地质、测量、采矿、机电、运输、通风、排水、安全、监控监测及调度等多专业多部门通过统一的网络平台，实现协同工作，生产信息不断累积且被多系统共享。充分利用云计算与大数据支撑，优化行业资源，指导产能调控和产业链延伸延展，实现矿山企业间各层面、各系统的联动与协同配合。

4.4 智能开采应用

智能开采技术目前在赞比亚谦比希铜矿(Chambishi)、康柯拉铜矿(Konkala)、鲁班比铜矿(Lubambe)、刚果卡莫阿铜矿(Kamoa)、云南普朗铜矿、会泽铅锌矿、贵州开磷等多个项目应用，实现了工作面全部或关键设备的远程控制，为全球有色、黑色和化工矿山设计、施工和管理智能开采技术的应用和推广积累了丰富经验。

据统计，采掘工作面在进行智能化改造过程中，控制系统、操作平台等成本仅占综合机械化采矿设备的10%，但生产效率提高5%～30%，同时减少了工人数量、降低了人工劳动强度，节约了人工成本[1]，提高了采掘运效率，降低了生产成本。

5 结语

矿山智能化开采与智慧矿山建设的技术研究与实践，给矿山企业转型和升级提供了发展思路，矿山智能化开采模式以矿山安全、高效、绿色、可持续发展为目标，打造矿业高度网络化、大数据化、协同工作、分布式服务是今后矿山工业的发展方向。