矿石预选抛废技术与智能光电选矿设备选型要点

2020-10-30吴志虎

世界有色金属 2020年16期

吴志虎

（赣州好朋友科技有限公司，江西赣州 341000）

矿产资源是人类社会生存和发展的基础，对整个国民经济的发展有着至关重要的作用。在我国社会经济发展进入新时代的大背景下，经济增长中矿产资源短缺、矿产资源安全和矿业经济发展方面的矛盾不断显现。习近平总书记多次强调：“要大力节约集约利用资源，推动资源利用方式根本转变！”

我国矿产资源禀赋条件较差，典型特点为：贫、杂、细，贫矿多、难选矿多。近年来，随着矿山资源不断枯竭，易采矿石减少、矿石贫化加剧，矿石入选品位不断下降，破碎、球磨、药剂等选矿成本大幅增加。新建尾矿库审批受限，老尾矿库库容不足，导致尾矿处理成本大幅上升。历史堆存尾矿、废石资源浪费巨大，还带来了巨大的环保压力。

在我国社会经济发展进入新时代的大背景下，深度学习、感知技术、机器视觉、图像识别等人工智能前沿科技，使智能光电选矿技术从实验室走向了选厂生产现场，依托智能光电选矿机的矿石预选抛废技术，以其高效、节能、环保的显著，已成功应用于钨、锡、锑、铜、铅锌、钼、金、硫、磷、煤、萤石等矿种，已成为解决经济增长中矿产资源短缺、矿产资源安全和矿业经济发展，提升矿山企业科技水平和经济效益的重要手段。

1 国内外智能光电选矿设备的研究进展

1905年奥地利人开始研究利用物料表面颜色差异进行分选,发明了光电分选法，由于对分选的速度和产品的要求较高，光电分选的发展受到了限制。60年代才开始应用于选矿，由于要摆脱繁重的手工拣选，提高劳动生产率,光电分选在选矿中的应用迅速发展，矿石拣选设备的发展达到一个高峰。

新世纪以来，随着电子元器件的迅猛发展，以及计算机技术的不断完善推广，深度学习、感知技术、机器视觉、图像识别等人工智能前沿科技，为提高光电选矿机性能提供了充足的条件。从20世纪80年代末至21世纪初，国外在基于传感器分选技术的研究上取得了很多成就，开发了多种机械结构和检测技术的拣选机。21世纪以来，国外公司加大了矿石拣选设备在中国的推广力度和专利申请力度，尝试打开中国市场。

我国从60年代开始研究光电分选技术，1969年10月在黑钨矿山建成我国第一座光电选矿车间并投产，七十年代以来有了较大的进展，八十年代初期已研制出数十种类型的拣选机。但由于当时传感器对色差的分辨率能力有限，及数据处理电路智能化程度低等原因，造成光选机在矿山恶劣的工作环境不能正常运行，需要技术水平较高的专业人员参与日常操作维护，致使该设备投入实际应用受限。20世纪80年代末至21世纪初，国外光电分选技术突飞猛进之时，国内光电选矿技术的发展由于技术、管理及市场等原因出现了停滞。

2015年8月，国内最早研发智能光电选矿技术的赣州好朋友科技有限公司，率先成功研制了高清智能图像选矿机，并成功应用于江钨集团的钨矿石预选，产品填补了国内有色金属预选选矿机器人的空白；2017年初，该公司基于世界领先的AI技术，国内首家开拓性结合深度学习自主研发的X射线智能选矿机，率先在国内钨、锡、锑、铅锌、铜、钼、金、磷等矿山实现了首台套工业应用；成功入选国土资源部《矿产资源节约与综合利用先进适用技术推广目录》(第五批)；矿石预选抛废技术，被中国有色金属工业协会认定为铅锌行业首创，国际领先水平。

近三年，以赣州好朋友科技为主导的国内同类产品蓬勃发展，截止目前已有近10家企业进入智能光电分选设备领域，形成了傲视国外竞争对手、群雄并起的喜人态势。赣州好朋友科技是国内唯一同时拥有图像选矿技术和X射线智能选矿技术，智能光电选矿机稳居国内市场占有率第一，牢牢占据有色金属矿山市场；天津美腾最早进入煤矸石智能分选领域，在煤炭市场独领风骚；三家磁选设备不甘落后，沈阳隆基、赣州金环、山东华特先后进入智能光电分选设备领域；有色金属大省湖南、河北唐山煤炭产区、北京大兴等地均有多家企业跨界进入，美国凯瑞斯等国外智能光电选矿设备生产商，也在国内建立办事机构，企图在矿石预选领域分羹。

2 智能光电选矿机技术路线与工作原理

智能光电选矿技术发展非常迅速，主要有：色选（高清图像识别）、X射线穿透（XRT）、X射线表面辐射（XRF）、激光诱导、微波等，目前世界上比较成熟的光电选矿技术，以色选（高清图像识别）、X射线穿透（XRT）较为主流，工业应用较多。国内的X射线表面辐射（XRF）产品，未得到大面积推广，生产企业大多转型发展X射线穿透（XRT）技术；激光诱导、微波技术，目前国内有赣州好朋友科技正在研发。

智能光电选矿机，无论是高清智能图像选矿机还是X射线智能选矿机，其设备的主要构成分为四大模块：振动布料系统、X射线透射检测系统（高清图像识别系统）、计算机软件算法系统、气动矿废分离系统。

（1）布料系统：由给料机、溜槽、皮带运输组成，两级缓冲式给料，矿物在给料系统的作用下形成单层平铺的状态经过检查系统，在保障分拣效果同时处理量最大化。

（2）检测系统：X射线透射检测系统由射线发生器及射线接收器组成，矿石识别精度可达0.4mm，360度整体积内无死角搜索矿石内部；高清图像识别系统由高亮光源和高清数码相机组成，可以通过矿石表面特征对矿石进行高清成像。

（3）算法系统：通过研究矿石的颜色、纹理、光泽、大小、厚度、密度、原子序列等不同特征信息，针对性地构建矿石的分选训练模型，实现海量矿石数据的高速、准确识别。

（4）分离系统：设备硬件控制部分由工控机、高速控制器、继电器等重要原件组成，通过算法优化可实时动态全自动喷射分离矿废。

图1 好朋友科技X射线智能选矿机结构示意图

智能光电选矿机的工作原理，通过矿石颜色、纹理、光泽、大小、密度、厚度、原子序列等不同特征信息，针对性选择色选（高清图像识别）或X射线穿透（XRT）技术，精确探测矿石表面特征值（颜色、纹理、光泽等），或矿石密度特征值（大小、密度、厚度）和相关组分（原子序列）对X射线反应差异性，采用AI算法处理有效矿石数据信息，数据传输至气动矿废分离系统的电磁阀，全自动智能喷射装置可精准分离矿石和废石，实现含脉矿物实时、智能、精准分选。

基于世界领先AI技术，赣州好朋友科技在国内首家开拓性地结合深度学习理论，设计出自适应矿石分选模型、矿石品位变化实时跟踪和在线优化算法，可以在复杂矿石分选环境下，进行海量矿石数据高速、准确处理，每秒图像中的矿石数量可以超过1000个，图像数据处理量超过2Gb/s，废石选出准确率99%以上，矿石选出准确率大于98%。

3 矿山资源条件与智能光电选矿机选型

3.1 矿石表面特性与光电选矿技术选择

矿石表面特征明显的矿石，矿废之间有较为显著的颜色、纹理、光泽差别，如黑钨矿、部分锑矿及碳酸钙、石英、磷等非金属矿种，推荐选用色选（高清图像识别）技术进行分选。

矿石表面特征不明显的大多数矿种，如铜、铅锌、钨、锡、锑、钼、金银、硫、萤石、长石、煤等，需要精确探知矿石内部，才能准确将矿废区分，推荐选用X射线穿透技术（XRT），利用矿石密度特征值（大小、密度、厚度）和相关组分（原子序列）对X射线反应差异性进行矿废分选。

针对部分矿山有回收脉石中有价非金属矿物如石英等的需求，可以考虑X射线穿透（XRT）技术和色选（高清图像识别）技术的联选工艺。先用X射线穿透（XRT）技术将矿石选出，在利用色选（高清图像识别）技术将脉石里面的石英或其他有价资源选出。赣州地区石英脉型黑钨矿，大量采用此工艺，取得了良好的回收效果，章源钨业等10余家矿山实现了工业应用。

3.2 不同矿种与X射线智能选矿机选型

不同矿种的矿石品位、成矿条件、崁布特性、脉石性质，都有显著的区别。复杂多金属矿、低品位矿，一般选择X射线智能选矿技术分选。

一般而言，脉状矿物具有比较好的分选效果，如钨、锡、锑等金属矿山，浸染状矿物相对比较难分选，如大多数斑岩型铜矿、金矿、少部分铅锌矿。矿、脉原子系数差别大的矿物，较好分选。比如磷矿分选过程中，选别其中原子系数和磷差别较大的硅，取得了较好的分选效果。

钨、锡、锑等金属矿物，一般原矿品位均较低，且多为复杂、伴生矿，对X射线透视精度要求较高，宜选用射线强度较高的单能X射线穿透（XRT）技术，以确保精准识别微量矿物，避免出现因X射线强度不够导致的识别精度不够、无法识别、误判。赣州好朋友科技单能X射线穿透（XRT）技术，应用于钨、锡、锑矿种，工业生产指标与实验指标完全无偏差，取得了非常满意的应用效果，目前工业应用已超过60台套。

铅锌、铜、钼、金银等金属矿物，萤石、硅、磷、煤等非金属矿物，一般矿石与脉石原子系数相差较小，且大多数矿山实际只需回收主要目的矿物，部分矿种实际选矿作业中采用反选模式，此时宜选用双能X射线智能选矿机。双能X射线有利于提高目标矿物成像建模的准确率，从而提高矿石分选精度。有报道赣州好朋友科技利用反选技术，在金矿和磷矿取得了良好分选效果。

3.3 不同工况需求与智能光电选矿机适配

不同矿山的工况条件，特别是破碎工序的不同，对智能光电选矿机的要求有显著区别。由于智能光电选矿技术是一门新兴学科，大多数矿山在设计和建设时，并没有考虑预留智能光电选矿机的安装位置，依山而建的选矿厂，场地狭小，给智能光电选矿技术改造，变得相对困难。

目前实际工业应用的智能光电选矿机，一般处理粒级在+10～-100mm，煤矿专用的粒级可以达到300mm。对采用传统三段破碎的金属非金属选厂，一般中碎后的粒级在60mm以下，可直接将中碎产品筛分后的+10～-60mm原矿，接入智能光电选矿机进行分选，对选厂原有流程改造相对不多，容易实现。部分改造条件困难的，可以考虑在坑口或采场安装智能光电选矿机，就地分选，不但可以提高选厂效率，还可减少矿石运输成本。

部分智能选矿机选择更低下限分选粒级，如+8～40mm，实际改造中并不具备优势，而且对整个选厂作业流程带来较大冲击。一是因为矿山中碎后的检查筛分筛网孔径大多控制在13mm左右，改变筛网尺寸容易导致破碎机产能不足；二是因为分选粒级下降，智能分选机设备台时处理量将下降30%以上，在矿废解离充分的情况下，严重浪费了智能选矿机的产能；三是筛网改造，中、细碎作业循环负荷均会发生改变，有可能影响整个选厂作业流程效率。

对煤矿而言，可以选择在洗煤厂进行技术改造，也可以选择在井下脱矸。井下排矸已经逐渐成为市场主流，如山西等地已经专门发文，鼓励推广井下排矸充填采矿。对井下脱矸的改造方案，必须选择具有煤安认证的设备，以确保矿山生产安全。

矿山废石堆的资源综合回收，废石品位相对较低，选矿作业回收率要求不是特别高，对智能选矿机的台时处理量有较高要求。此时可以适当提高抛废率，从而实现大处理量，快速高效回收废石中的有价资源，取得最大化的经济效益。

4 智能光电选矿机在典型矿山的应用

据相关文献报道，大部分有色金属、黑色金属、非金属和煤矿，都有智能光电设备应用。但相对比较成熟的应用领域，还是有色金属和煤炭。

黑钨矿应用：江钨集团下垄矿山，应用了好朋友科技X射线智能选矿机处理入选粒级+15～-55mm，原矿品位0.25%的黑钨矿石，取得了抛尾废石品位0.03%，精矿品位2.25%，精矿回收率90%，富集比9倍，作业抛废率90.5%的良好效果。截至目前为止，该集团累计采购好朋友科技高清智能图像选矿机和X射线智能选矿机10台。

白钨矿应用：中钨高新远景钨业，应用了4台好朋友科技X射线智能选矿机处理入选粒级+15～-60mm，原矿品位WO3：0.28%的白钨矿石，取得了抛尾废石品位WO3：0.04%，精矿品位WO3：0.89%，精矿回收率89.7%，富集比3.18，作业抛废率：72.6%的良好效果。该集团旗下修水香炉山钨业，应用2台好朋友科技X射线智能选矿机，也取得了满意的分选效果。

锡矿应用：云锡集团老厂锡铜矿，应用了4台好朋友科技X射线智能选矿机处理入选粒级+10～-70mm，原矿品位Sn：0.24%、Cu：0.51%多金属矿，取得了抛尾废石品位Sn：0.05%、Cu：0.08%，精矿品位Sn：0.33%、Cu：0.74%，精矿回收率Sn：92.24%、Cu：94.26%，富集比：Sn：1.38、Cu：1.45，作业抛废率：35.6%的良好效果。该集团旗下大屯矿、卡房矿，分别应用2台和1台好朋友科技X射线智能选矿机，也取得了十分满意的分选效果。

锑矿应用：湖南黄金渣滓溪锑矿，应用好朋友科技X射线智能选矿机处理入选粒级+10～-70mm，原矿品位Sb：2.00%的锑矿石，取得了抛尾废石品位Sb：0.08%，精矿品位Sb：4.88%，精矿回收率97.60%，富集比2.44，作业抛废率：60.20%的良好效果。

铅锌矿应用：中金岭南凡口铅锌矿，应用好朋友科技X射线智能选矿机处理入选粒级+10～-50mm，原矿品位Pb：1.11%、Zn：1.25%的铅锌废石，取得了抛尾废石品位Pb：0.04%、Zn：0.10%，精矿品位Pb：10.74%、Zn：11.6%，精矿回收率Pb：96.76%、Zn：92.8%，富集比Pb：9.68、Zn：9.28，作业抛废率：90.00%的良好效果。截至目前，该矿累计采购好朋友科技X射线智能选矿机8台。

钼矿应用：广西贺州裕龙钼矿，应用好朋友科技X射线智能选矿机处理入选粒级+10～-60mm，原矿品位Mo：0.17%的钼矿石，取得了抛尾废石品位Mo：0.02%，精矿品位Mo：0.73%，精矿回收率93.47%，富集比4.30，作业抛废率：77.56%的良好效果。

金矿应用：西部地区某金矿，应用4台好朋友科技高清智能图像选矿机处理入选粒级+10～-60mm，原矿品位Au：0.60%的金矿石，取得了抛尾废石品位Au：0.14%，精矿品位Au：1.38%，精矿回收率91.2%，富集比2.30，作业抛废率：54.8%的良好效果。

铅锌锑多金属矿应用：华锡集团五吉铅锌锑矿，应用好朋友科技X射线智能选矿机处理入选粒级+10～-60mm，原矿品位Pb+Zn+Sb：6%～9%的铅锌锑多金属矿，取得了抛尾废石品位Pb：0.07%、Zn：0.33%、Sb：0.26%，精矿品位：Pb+Zn+Sb：9%～12%，精矿回收率Pb：95%、Zn：92%、Sb：93%，富集比：1.5，作业抛废率：45.8%的良好效果。