大比高露天矿山数字工厂建设技术研究

程岱山，颜威山

（酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司西沟矿，甘肃 嘉峪关 735100）

数字工厂是基于计算机模拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，涵盖生产各环节的设备、过程的自动化、数字化和智能化，近年来随着科技的不断发展[1]，国内外工业逐步实现机械化向自动化、自动化向智能化的转型升级，尤其是在生产密集型的产业，但是矿山行业普遍存在“山高路远、点多面广”等特点，且因矿山建矿久远，设备落后等特点，其数字化、智能化建设进展普遍落后于其他行业，但由于传统矿山恶劣的工作环境，其智能化建设的需求十分迫切，也是我国十四五规划的重点要求。

1 大比高露天矿山特点

甘肃西沟矿业有限公司（简称西沟矿）地处祁连山北麓，矿区从采场地海拔3524m到成品输出场海拔1880m，建成两套相对独立的外部开拓运输系统，分别采用汽车-平硐溜井-铁路-胶带和汽车-平硐溜井-胶带联合开拓运输方式；胶带系统属国内乃至世界下运运距最长(12.2km)、落差最大(1.6km)的带式输送机系统[2]，属于典型的大比高露天矿山。

西沟矿生产系统的特点是山高路远、点多面广，且露天及井下工艺并存，地处高海拔严寒地区，现场值守操作、维护人员分散，安全隐患多、风险高。利用现代化信息技术与工业技术融合[3]提升传统矿山企业的生产和管理模式，使矿山实现信息化、数字化和智能化，提升生产和管理效能，这是传统产业现代化升级的基本趋势。

2 大比高露天矿数字工厂建设思路

作为传统的露天矿山，其具有设备机械化程度高、自动化不足的特点，而数字矿山对自动化的依赖较高，通过投资进行数字化建设因费用高、回报周期长等原因，成为制约数字矿山发展的瓶颈问题。西沟矿以智慧矿山、智能矿山为目的，以信息化、数字化、智能化为抓手开展技术改造，将矿山视作一个密集型的车间，进行资源管理、生产管控、质量控制、设备运行等全矿山、全过程、全周期的数字化管理。露天矿山数字化建设以质量控制为主线，根据矿石赋存情况及在生产系统中的粒径、品位要求，利用计算机和信息技术，在数字化的资源与开采环境下，利用智能的技术装备，在可视化的生产过程及网络化的信息传输条件下进行管理及科学决策。

3 西沟矿大比高露天矿数字工厂建设

西沟矿作为典型的大比高露天矿山，在智慧矿山、绿色矿山发展的大趋势下，将先进传感技术与传统机械设备相融合，构建动态监测监控系统，通过高速数字通信网络，做到从数据采集、处理、融合、设备跟踪、动态定位、过程管理等全过程的一体化。

3.1 矿山数据中心

数字化矿山建设需做到数据的互通共享，传统矿山在建设初期因缺乏统一的顶层设计，在运营过程中根据法规或矿山自身发展需求，构建开拓、运输、破碎、筛分等分子系统，其普遍存在各系统相互独立，存在信息孤岛与技术屏障的问题，成为严重影响数字矿山建设的瓶颈。构建统一的矿山数据中心、集成已建子系统生产、运行及设备等过程管控与结果导向的数据，做到一套数据完全打通，为矿山资源可视化、开采方案合理化、生产指标管控精细化、调度系统智能化、生产数据信息化创造有利条件。

3.2 全方位数字条件下的露天采矿

构建三维数字模型，通过模型不断更新地质数据及提高储量级别，进行中长期释放内存规划，实现矿山贫富兼采，确保二级矿量平衡；在采剥计划编制、分穿分爆设计、生产配矿等环节，实现人机协同，提高工作效率和质量。通过三维激光扫描技术实时更新三维模型，在三维模型上进行孔位及爆破设计，利用cors系统实现牙轮钻三维坐标的获取[4]及精准定位。

通过5G网络通信技术和牙轮钻改造，实现设备远程操作精准定位及穿孔。爆破技术人员在三维模型下爆破设计，全程通过对数据中心数据体的科学应用，进行数字条件下的大区域爆破，提高爆破效果及质量。

3.3 全系统的三维可视化动态仿真

将传统矿山视为一个密集型的工厂，以数字信息串联各生产工艺，在矿山三维模型的条件下实现采矿的三维可视化，其属于一个相对静态的数字流，在开拓运输、破碎筛分等环节，其工艺现状、设备运行及矿石分布等均以各类数据信息反馈，通过三维建模及三维仿真技术使其冗余的数据以更直观的方式呈现，是数字车间、数字工厂及数字矿山的重要手段及目的。

西沟矿以质量控制为主线，在三维模型的基础上进行配矿工作，根据采区爆堆品位分布情况，结合溜井品位要求，自动生产配矿方案。

根据设备的运行参数，进行设备数据采集，实现溜井下方电机车远程装矿及远程控制配矿工作。实时监测设备的动态参数，在远程条件下实现胶带系统的启停工作，实现生产过程的远程控制和矿量实时监测，数字化条件下控制生产。远程控制条件下进行矿石的分储工作，根据胶带系统矿石品级分布情况，进行不同品级、粒径矿石的分储、分输。

西沟矿建立了设备运行状态实时监测系统，对设备温度、振动、电流、转矩等运行参数进行监测，通过频谱分析判断设备劣化情况或产生故障的原因，帮助维护人员采取措施及时消除故障，将设备检维修由事后处理转变为预防维修，提高检维修人员的工作质量及设备运行效率。

3.4 全流程的生产执行动态监测

数字矿山建设的依据是数据，所有的数据均存储于数据中心，同时在数字采矿平台及三维可视化管理平台中得以应用、体现，因此数据及时、准确的更新是确保数字矿山正常运转的基础保证。传统的管理模式是采用大量的表格进行数据汇总，人员手动地进行整理、归类、分析，其数据体之间的关联性较差，导致管理技术人员工作量增大，同时效率低下。为解决此问题，西沟矿构建生产运行系统平台，将所需数据体进行表格式设计，同时应用当前信息技术，手机APP，通过权限划分的模式由岗位人员进行数据的上传工作，各环节数据在数据中心自动归类，实现数据体的自动归类、科学划分，各级管理技术人员实现一键式的信息查询。生产执行系统具备指令下达功能，通过人机协同进行高效的办公作业。

3.5 建设效果

西沟矿根据工艺环节，以矿石生产为主线将矿山划分为三个虚拟的车间进行数字化建设，其中：采矿车间负责穿孔—爆破—铲装—矿石至溜井运输工艺环节的生产，碎矿运输车间负责电机车运输（重板给料机）—粗破碎—中破碎—胶带系统运输工艺环节的生产，成品输出车间负责混合矿筛分—成品矿输送储存—成品矿输出，围绕各车间工序启动实施了生产系统数字化管控平台、数字化条件下的大区域爆破、溜井口大块处理远程控制系统、铲钻车无人驾驶及远程操作、电机车无人驾驶、破碎胶带系统无人值守、破碎运输系统铁器自动检测清除、汽车自助过磅、化验室自动取样送样系统、空气能热源泵替代燃煤锅炉供热改造等信息化智能化建设，使西沟矿关键工艺数控化率达到100%，为西沟矿建设智能化矿山打下坚实基础。

4 结束语

西沟矿以绿色、智慧矿山建设为目标，开展全方位、全流程、全业务的数字化、信息化、智能化建设。

为确保建设的科学性及合理性，通过顶层设计，将“点多面广”的大比高露天矿山视为一个数字化工厂，采矿、破碎、运输的三个密集型车间视为三个数字化车间进行建设，打破传统矿山的划分模式，以质量控制为主线构建矿山数据中心、数字采矿平台、三维可视化管理平台及生产执行系统平台，通过“一中心、三平台”把矿山全业务、全流程的数据融合起来，实现精细化管控、科学化决策，夯实智慧矿山建设基础。