江西宜春钽铌矿数字化智能矿山建设与成果

李金锋，于骞翔

(1.江西钨业控股集团宜春钽铌矿有限公司，江西 宜春 336000；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

矿山企业的建设和发展模式是与时俱进的，数字化的转型符合当前的时代要求，尤其是在目前的计算机信息技术为手段的数字化发展是矿山生产方式和管理方式转变的必经之路。本文结合江西钨业控股集团宜春钽铌矿有限公司的数字化发展的经历以及国内外矿山的数字化转型取得的成果，分析矿山数字化的发展现状和建设经验，并对未来的智能化矿山进行展望。

1 矿山数字化转型背景

近年来随着“智能制造”、“两化融合”概念的兴起，国家实施了制造强国战略第一个十年的行动纲领“中国制造2025”宏大计划[1]。习总书记在2021年领导人气候峰会上提出“力争2030年实现碳达峰，2060年力争实现碳中和”后，中华人民共和国工业和信息化部、国家发展改革委、自然资源部联合发布《有色金属行业智能工厂(矿山)建设指南》，中国有色金属协会随即下达了力争2025年有色金属行业达到碳达峰，2040年力争实现碳中和的工作目标。当前，我国采矿企业资源面临品位下降、资源枯竭、安全环保压力大、招工难等一系列难题，这些发展中不可避免的问题促使企业朝向绿色智能矿山之路转型。以5G、大数据、人工智能、物联网、云计算等为代表的新一代技术在采矿领域不断深化应用，引发了矿山生产运营模式的变革。在此背景下，采矿工艺开始向规模化、集约化、协同化方向发展，采矿过程全面迈入自动化、智能化乃至无人化阶段[2]。选冶矿过程全面实现自动化，并逐步走向智能化阶段。生产管理以“数据驱动”为新的发展理念，形成了从勘探数据到储量数据，从产量数据到运营数据的矿山大数据集成系统，数据化转型之路逐步展露出强大的生产力[3]。

2 国内外矿山数字化转型现状

国外许多矿业公司，如力拓、波里登矿业、北帕克斯矿等的矿山数字化转型走在世界前列，在综合的采矿技术，例如三维采矿规划及设计、自动化采矿、集中化生产管控等方面，国外大型矿山都达到了很高的水平。

全球矿业巨头力拓公司实施的“未来矿山”计划，是通过先进的采矿机器人和远程遥控系统等数据的采集和处理作为驱动，指导矿山生产。在珀斯远程调度中心，可以同时完成远在一千多千米外皮尔巴拉矿区的15座矿山的远程控制。同时，设备的大数据预测分析平台可以自主地判断设备运行状态，对设备故障提前预知，大幅降低了非计划设备故障导致的停工时间，使设备生产效率提升了5%～25%。

瑞典波里登矿业公司通过智能化采矿装备与调度室集中控制的生产模式，在采矿数据实时采集和分析的支持下，生产效率提升了50%以上[4]。在波里登矿业公司的加尔彭贝里矿山，视频监控系统、井下人员定位管理系统、充填自动化控制系统、选矿自动化控制系统、矿山调度软件平台、矿山工业场景三维展示软件等生产和安全信息化平台等一系列以数据驱动、计算机分析为主要运行方式的智能化建设和应用取得了极大的成果，保障了矿山的高效安全生产。

澳大利亚北帕克斯铜金矿，其生产能力达到600万t/a，而全矿山仅有360余名员工，完全得益于大规模的无人化、自动化采掘、运输设备。在矿山的智能化方面，北帕克斯铜金矿代表着采矿行业较高的自动化水平。该矿山应用的铲运机地面远程遥控系统，只需1人就可以同时控制3台铲运机，降低人员使用量的同时，高效完成了出矿作业[5]。

澳大利亚诺顿金田矿山提出并应用的完整现代化矿山管理解决方案，主要应用于地质勘查、三维设计、安全管控、智能作业、精细化管理和大型装备等方面。该方案包括通过采矿设计与排产三维矿业软件建立精细化与自动化的采矿技术体系，以计算机模拟采矿方法和采矿流程。在设备智能化方面，诺顿金田在通风、排水、运输和提升环节实现了远程计算机自主控制的无人化值守，使用智能化双臂支护一体化台车，完成操作站的远距离视频遥控操作，满足了高效连续采矿作业的需求。整个矿山形成完备的开采可持续发展、信息交互、人员安全、环境质量等矿山管理理念及管理体系。

在我国，一系列智能化矿山建设的相关技术的研究和政策颁布，促使国内的洛钼集团、紫金、中金、江铜等矿业集团也在纷纷布局智能化矿山建设。例如，洛钼集团以新一代物联网、大数据、人工智能、5G通讯等系列前沿技术为依托，将无人机动态建模、多金属多目标配矿、装运卸智能调度以及生产数据智能分析与管理集成一体[6]，构建出一套全方位新型露天矿山智能化生产管控决策系统，实现了生产组织数字化、配矿管理动态化、矿岩计量自动化、现场管理可视化、调度指令信息化、设备运行自动化、信息传递网络化的目标。在设备智能化方面，基于5G网络的钻、铲、装超远程精准控制和纯电动矿用卡车智能编队运行，矿用新能源电动无人驾驶卡车、5G无人采矿管控等技术已达到国际先进水平。利用3DGIS技术构建爆堆品位数据库和高精度组合定位技术对爆堆数据可视化管理，并实时动态获取铲装位置出矿品位。在数字化智能分析方面，运用采矿数据采集分析的相关技术，根据当前作业区矿石品位、岩性，结合碎矿站入矿量和品位数据，利用多金属多目标智能配矿模型自动生成当班最优配矿计划，确保了入选品位均衡稳定。

江铜集团城门山铜矿以矿山智能化转型升级为契机，打造由智能采矿、智能管控、智能生态组成的智慧矿山样板，完成了智能化调度、浓密脱水控制、自动药剂添加等四十多个智能化升级改造项目，使智能化成为了矿山“强、降、促”的倍增器，顺利确保了全年任务目标的实现。

在我国，采矿环境决定了企业数字化转型之路是矿山建设的必由之路，宜春钽铌矿有限公司数字化矿山建设实践为国内有色金属露天矿山数字化转型提供了借鉴，本文在分析了宜春钽铌矿有限公司数字化建设的成功经验的基础上，提出数字化建设的关键点和建设思路。

3 宜春钽铌矿数字化矿山建设思路及内容

宜春钽铌矿山数字化转型按照总体规划、分步实施，效益优先、注重实效的原则，建设思路借鉴了多地数字化矿山的调研建设经验，以《有色金属行业智能工厂(矿山)建设指南》作为总体规划布局的大方向，积极与科研院所展开合作，引进先进的采矿技术和设备。根据企业实际情况，从“网”、“端”、“边”、“云”四个层面入手对矿山进行整体数字化建设，“网”：主要对全矿办公网、工业以太网进行升级优化，新建5G、4G无线专网基站，提高数据传输能力；“端”：从现场增设各类传感器、仪器仪表及装备智能升级改造几个方面同步实施，完善设备、生产流程关键数据采集；“边”：通过5G CPE、4G专网CPE等网络接入设备，定制开发的手持终端和车载终端，路由器、工业网关、工业级交换机等网络连接设备，搭建完整的“由下及上”的工业互联网网络，实现工业协议解析、数据的采集、传输和处理；“云”：利用5G(破碎机远程遥控、全景监控)，4G(矿车调度系统、电机车无人驾驶)，人工智能(优化及智能控制系统)，边缘计算(磨矿专家系统、摇床智能控制系统等关键计算资源本地部署)，大数据和物联网等新一代信息技术，建立数据中心，开发信息化生产管理系统，实现海量异构数据汇聚与建模分析，各类创新应用系统的开发与运行，设备和系统上“云”，实现远程监测和运维服务。从“网”、“端”、“边”、“云”四个层面入手，对生产设备进行智能化升级改造，构建了破碎机远程控制系统、电机车无人驾驶系统、摇床精矿托盘电动执行机构等的设备智能化作业系统，实现全面感知和精准控制。通过充分利用矿山控制系统数据，汇聚区域数据资源，实现边缘侧的数据分析和实时决策。

数字化矿山建设则是基于5G/4G专网无线通讯网络，围绕数据中心建设、数字化采矿单元、智能选矿单元、信息化管理系统、安全环保在线监测系统五大方面展开实施。具体建设内容如下：

1)数据中心建设。采用超融合一体机和虚拟化技术，搭建本地私有云，按照“一组数据、一个标准、一套系统”的原则，集中存储企业生产经营数据。通过5G无线通信技术，消除采矿设备的信息孤岛，实现PC端、服务器端、移动端以及各种数据采集设备的互联互通，对企业内部各个信息化系统和智能装备进行数据采集、有机整合，生产与经营管理数据信息的共享，并进一步进行数据分析、挖掘，实现了企业生产管理信息化、信息资源化、传输网络化、管理科学化的数字矿山建设目标。引进生产大数据展示平台，实现全矿数据的跨平台采集、统一存储、聚类分析和统计汇总，使全矿生产、经营、安全数据能够实时动态更新和展示，为管理人员的调度管理提供实时指导。

2)数字化采矿单元。基于5G/4G矿山通信网络，应用破碎机远程遥控技术、电机车无人驾驶技术，在4个装矿点、2个卸矿点的作业模式下，实现了采矿、配矿作业的自动优化匹配。基于5G的采矿作业面全景监控系统，大大强化了调度人员对整个采矿作业的实时监控能力，将驾驶员从恶劣工况环境下解放出来，实现现场操作无人化，降低安全风险，保障安全生产。

3)智能化选矿建设。针对以钽铌矿、锂云母为主的选矿流程处理量小、设备规模小而多和工艺复杂的特点，结合5G/4G专网、人工智能技术，建设选矿自动化系统，实现选矿智能化。建立基于5G/4G专网移动终端和定制化APP的移动巡检管理系统，通过数字化方式实现对设备巡检、设备检修工作的管理，摆脱传统人工巡检方式和纸质填写记录方式，实现文字、影像的自动记录及保存上传。研究选矿的工艺流程特点，开发了棒磨机+球磨机磨矿流程的优化控制系统、钽铌矿重选过程摇床智能控制系统、锂云母浮选流程优化控制系统，通过智能化技术代替人工操作经验，实现工艺关键参数的精细化自动调整，稳定了生产流程，提高了产品质量，多项技术在国内行业尚属首次应用。

4)信息化管理系统。建立全面的信息化管理系统(MES及ERP系统)，并因地制宜地定制信息管理系统，融合跨部门、跨平台的业务，大大缩短了申报决策流程，强化了经营管理。特别是设备管理和物流运输上，建立设备的数据管理系统，与江钨集团采购管理系统、设备二维码标签结合，从设备采购、检修维护、备品备件管理到设备报废的设备全生命周期进行管理。建立物流管理系统，实现地磅无人值守系统、质量管理系统、销售信用风险控制系统、ERP系统、手持PDA终端等的互联互通，打通矿山生产—运输—销售整个链条上的各个节点，订单的自动生成、传递、验证及返回的闭环管理模式，规避传统模式下效率低、漏洞大的问题。

5)安全环保在线监测系统。尾矿库安全在线监测系统、外排水水质在线监测系统远程回传有关参数集成至工业大数据平台，实时掌握变化情况，提前预防和避免安全环保事件发生，增强企业安全生产保障能力。

4 宜春钽铌矿数字化矿山建设成效

通过数字化建设，宜春钽铌矿有限公司主要达到的经济技术指标如下：

1)在钽铌及锂云母资源急剧下降的不利因素影响下，全矿原矿配矿品位波动率仍然下降8%～12%，实现均匀配矿，稳定产品质量，有效地降低了客户对产品质量的投诉率。

2)采、运、选设备完好率达98.65%；采、运、选设备运转率达到93%、95%、91.51%。产品增量实现月增收达300万元，采运选生产成本下降3%，含钽铌精矿(实物量)产量提高10.8%，锂云母精矿(5%)产量提高8%，粗细长石粉产量提高10.4%。

3)改变原有部分流程从“操作+维修”向“巡检+维护”模式转变，优化人员岗位约20人，全员劳动成产率由3.9万/(人·月)提高到4.54万/(人·月)，提高16%。

4)物联网连接数达1 000+，主要含采装设备、钻孔设备、运输设备、圆锥破碎设备、计量设备、尾矿库在线监测设备等。

企业通过数字化转型有效地提高生产设备可靠性，稳定优化了工艺流程，实现了关键设备及固定设施少人化无人化，职工作业环境得到了有效改善，职工作业强度得到大幅度降低，资源综合利用率得到有效提高，企业核心竞争力有效提升。此外，通过转型取得了一系列的知识产权，目前已取得软件著作权12项，发明专利成功受理4项，实用新型专利2项，成功入选江西省工信厅首批“5G+工业互联网”示范企业、江西省“03专项”示范。

5 数字化矿山建设过程中存在的问题及建议

1)数字化建设场景选择的通信方式影响到通信成本，应综合考虑成本、稳定性、带宽冗余等因素，选择适用的通信网络方式。露天矿作业面的移动基站和固定基站选择，如建固定基站应充分考虑露天爆破的警戒范围，避免爆破损坏基站设备。在5G运营商电信、移动、联通的选择上，应考虑各运营商使用不同的频段引起网络覆盖范围有所差异。

2)数字化建设过程中需要安装大量的传感设备、电子仪器仪表等硬件设备，而矿山企业大多为多发雷区，为避免相关硬件因雷击损坏，应做好稳定可靠的防雷避雷设施。

3)数字化转型后企业各类生产报表、技术档案、流程控制、财务报表等重要环节资料都暴露在网上“透明化”，这就要求在转型规划时把网络信息安全防护一起设计，避免后期遭受病毒、木马、黑客攻击等造成损失。

4)数字化转型伴随着企业管理模式的改变、工艺流程的改变、生产与改造的时间冲突、大量人力物力的投入等。企业业务必当成“一把手工程”来抓，坚定数字化转型信念，避免基本方向出现偏差。充分调动人力、财力、物力等资源，促进转型工作高效开展，在转型的关键节点及关键方案等方面做出重要决策，提升决策效率，缩短建设周期。

5)数字化转型需要彻底打通企业从需求到设计、到制造、再到物流的全产业链，打破原来职能管理的组织边界，强化跨组织、跨部门、跨业务、跨层级的各级协作模式。同时，数字化转型需要优秀智能制造供应商提供先进的技术支持，若缺乏合适的外部合作伙伴，企业将陷入闭门造车的窘境。因此，企业应成立相关组织机构，组织一批懂管理、懂工艺、懂技术、懂业务的复合型数字化人才全程跟踪与合作伙伴密切配合来实施数字化改造。

6)企业在实施数字化转型过程中，一定要转变认识，确定“以我为主”的责任意识。数字化转型是为企业战略服务的，企业要想达到预期效果，需要结合自身生产装备特点、工艺流程、管理模式及自身自动化基础，制定量身定制解决方案。此外，数字化转型不同于传统的“交钥匙”工程，涉及到企业业务流程优化及管理模式改进，这就要求企业不能过度依赖外部解决方案供应商，要以我为主，深度参与。

6 总结与展望

矿山的数字化转型不仅仅是生产模式和采矿技术上的转变，更不能离开经营理念的转变和传统生产思想的革新。采矿设备从人员的人力操作到计算机的数据决策，不仅仅是设备的智能化改造升级，对人员操作能力和技术水平也提出了更高的要求。矿山数字化建设既非一朝一夕又非遥不可及，需要从上层的管理开始进行变革，管理层对矿山数字化建设现状有着清晰明了的认识后，做出正确的发展决策。技术人员以提高自身技术知识为基础，对设备进行数字化改造，并能够自主完成采矿流程设备的维护，为矿山生产提供坚实的保障。

智能化矿山建设是我国采矿行业发展的必由之路，产业中成功案例告诉我们，矿山数字化转型既要只争朝夕，又必须脚踏实地，既不能建设出“样板”矿山，又不能只按照传统的安全稳定的生产作业方式。只有稳中求变，以国家大政方针作为发展方向，才能建设出一批世界一流的数字化智能矿山。