铲运机自动化出矿系统在上向分层充填采场的应用研究

2022-01-10梁新民王怀勇陈小伟张维国

有色设备 2021年3期

梁新民,王怀勇,陈小伟,张维国,2

（1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038；2.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083）

0 前言

国内大部分有色金属矿山采用充填法进行开采,充填开采具有显著的作业地点分散、工序复杂且时空上彼此约束等特点,属于典型的离散式作业,相对于崩落法,充填法采场回采工序较为复杂,采矿成本高,采场作业的机械化、自动化水平低,手持凿岩、人工装药、撬毛作业的矿山较为普遍。随着浅部矿产资源的耗竭,矿山转入深部开采阶段,面临“三高一扰动”的特殊开采条件,井下工作环境更加恶劣,安全隐患日益突出。传统矿山通过应用智能化技术,提升采矿装备的自动化、智能化水平,可以大幅度减少井下作业人员,实现“采矿办公室化”,为实现矿山安全高效开采创造了条件,尤其在有岩爆危险的深井矿山、大水矿山,有自燃危险等特殊开采条件的矿山具有更突出的意义,因此,智能化采矿技术被认为是未来地下矿山发展的主要方向之一[1]。

1 国内外铲运机自动化出矿技术现状

1.1 国外铲运机自动化出矿技术现状

自20世纪60年代美国瓦格纳(Wagner)公司在Grandview矿山成功实验第一台ST-5型铲运机以来,铲运机以其高效、灵活、机动、多用和生产费用低等优点,在世界各国的地下矿山开采中,被迅速推广开来并得到了广泛的应用。随着电子技术和信息化技术的高速发展,地下铲运机的自主控制技术又得到迅猛发展。

按照自动化控制程度可以铲运机划分为四代。第一代地下铲运机是人工操控、液压控制,铲运机需要有操作人员在驾驶室操控进入采场进行作业,存在安全问题。为了解决此类问题,避免工人进入危险采空区,出现了第二代视距遥控铲运机,操作人员在可视范围内远程遥控铲运机进入采空区铲装、卸料,有在5～250 m范围内操控的无线电视距遥控和在5～500 m范围内操控的视频遥控两种方式。但这种控制方式有显而易见的缺点,由于地下灰尘和光线问题,操作人员遥控操作时视线不好,导致铲装时很难装满,同样存在安全和效率问题。基于上述缺点出现了第三代地下铲运机,操作人员可以在地下设置的控制室或地表中控室等远距离操控铲运机,使操作人员可以远离危险作业区,但这种方式需要操作人员专心驾驶一台设备,稍有疏忽会出现意外事故。为了防止类似情况的发生,第四代半自主或自主操控地下铲运机应运而生,即部分实现自动化或整个过程全部实现自动化[2]。

目前地下铲运机己经发展到具有自主控制功能的第四代铲运机。依靠自身携带的相关传感器完成姿态信息获取的同时,能够自主识别周围环境信息,指导其下一步控制策略。以铲运机的工作为例,其最主要的工作是在装载点和卸载点之间来回往复铲装、运输和卸载矿石,在这过程中,铲运机的自主铲装、自主行驶、自主卸载等关键技术构成了铲运机的自主控制系统。由于这些功能均在车载计算机的控制下自主完成,可大大节省人力和提髙开采效率,一个人可以控制多台铲运机进行远程作业,第四代铲运机自主控制技术的发展,引领着未来智能化采矿的发展方向。

国外著名的铲运机生产厂家瑞典的安百拓(Epiroc)、山特维克(Sandvik)和美国的卡特彼勒(Caterpillar)等通过长期的理论研究和现场试验,分别推出了各具特点的铲运机自主行驶和卸载控制系统,如山特维克搭载AutoMine系统的自动化铲运机、安百拓搭载Scooptram Automation系统的自动化铲运机和卡特彼勒搭载MINEGEM系统的自动化铲运机,自20世纪90年代起,开始在国外矿山进行了大量推广应用,如图1所示,取得了显著的经济效益和社会效益,并且随着自动化驾驶技术的成熟逐步扩展到了无人驾驶矿卡、自动化凿岩台车及辅助主作业车辆,距离井下实现无人化开采的梦想更近了一步。

图1 国外地下矿山应用铲运机自动化和矿卡时间表

1.2 国内铲运机自动化出矿技术现状

国内矿山经过多年的数字矿山工程建设,信息化水平不断提高,逐渐形成了覆盖矿山主要生产环节的通信网络及信息管理系统,具备了驾驭更高水平信息系统的能力。随着矿山安全生产标准的日益严格以及矿山开采条件的挑战性逐渐升高,对矿山建设自动化、智能化和无人化等提出了更高的期望和要求。

国内对井下采矿设备的自动化控制系统研究起步较晚。近年来,通过国家“十二五”863计划的科技攻关,为无轨装备的自动化、智能化和无人化开采作业提供了技术支撑。主要的一些采矿设备生产厂家通过引进、消化欧美国家的先进技术以及加强与科研院所和自动化公司的合作,以铲运机出矿远程遥控为核心的采矿自动化系统已经形成,能够达到中深孔凿岩远程遥控、铲运机出矿远程遥控与自主运行、溜井口固定破碎锤远程遥控、地下无人运矿卡车及无人驾驶电机车运输系统、启用撬毛、锚固、喷浆等辅助台车设备作业的阶段,矿山井下作业人员的劳动强度显著降低。如凡口铅锌矿、大尹格庄金矿等实现了铲运机视距内或者远程遥控操作,解决了矿山生产采场安全问题。冬瓜山铜矿、红牛铜矿进行无人驾驶电机车升级改造,减人增效明显。金川二矿区及三山岛金矿分别进行了坑内矿卡及凿岩台车的地表远程遥控作业的尝试,并取得了一定的经验。

目前国内部分地下矿山正逐步试验推广第四代井下全自动化作业铲运机,可以实现对采场环境感知和判断,实现真正的无人采矿作业。综合以上,目前我国地下金属矿山的信息化、自动化水平逐渐接近国际水平,一些矿山已经实现了固定设备无人值守和关键工序的远程控制,为未来全面实现矿山无人化开采奠定了一定的基础。

2 铲运机自动化出矿系统应用案例

国外矿山应用铲运机自动化出矿的时间较早,积累了许多现场实践经验,已经实现了铲运机铲装、运输、卸载全过程自动化,目前应用比较成功的矿山有芬兰的Pyhäsalmi铜矿、加拿大的Kidd Creek铜金矿、瑞典的Malmberget和Kiruna铁矿、澳大利亚Northparkes铜矿等。

芬兰Pyhäsalmi Mine矿是矿山自动化的倡导者和实践者,该矿采用空场嗣后充填法开采,装备有3套Sandvik公司的AutoMine-Lite铲运机自动化出矿系统,每台LH621型铲运机自动化(铲运机从采场到溜井平均运距250 m)每年出矿量可达30万吨,整个矿山产量较使用铲运机自动化前的80万t提高到140万t以上,全员劳动生产率20t/人天左右。自动化出矿技术既降低了矿山采矿安全风险,又节省了人员交接班时间,提高了设备的利用效率[3]。

图2 铲运机自动化系统远程控制界面

加拿大的Kidd Creek矿采用下向深孔和上向水平分层充填采矿法,开采深度达到3 120 m。该矿装备了4套Sandvik公司的单台铲运机自动化系统远程控制4台LH514型铲运机,操作站位于地表中央控制室。单台铲运机可以实现自动行驶、自动卸矿及远程遥控铲装。由于该矿井深达3 000 m,地表距离井下距离较大,设备和人员从地表到井下的消耗时间较长,每天可达到的有效工作时间为12 h,当采用自动化采矿技术后,每天的有效工作时间可延长至15 h,同时矿山的生产能力提高50%。

瑞典Malmberget铁矿同Kiruna铁矿一样,同属于LKAB公司经营,该矿采用无底柱分段崩落法开采,采用卡特彼勒铲运机自动化MINEGEM系统,操作员可以在十分舒适的操控室内进行工作,避免操作人员在危险环境下工作,降低了驾驶疲劳感。此外,该系统优点还包括:运行速度更快、大幅提高生产效率；设备故障率降低、大幅提升设备使用率；爆破后通风期间内可以继续工作,而不受因通风排烟对有作业时间的影响,有效作业时间延长4～6 h,矿山生产效率提升25%左右。与此同时,设备发生碰撞的几率以及发生碰撞后维修设备和修补受损区域的时间都已降为零[4-6]。

洛钼集团位于澳大利亚的Northparkes矿采用自然崩落开采,井下出矿采用AutoMine Fleet系统,可以同时控制多台铲运机自主出矿,该系统的可用性达到95%以上,而且每班次平均运行时间在10 h以上,该矿是目前全球唯一实现100%全自动化采矿作业的矿山。

3 自动化出矿试验采场建设

3.1 矿山概况

某金矿位于山东省烟台市,控矿断裂主要为招(远)—平(度)断裂带,矿体倾角与断裂带倾角相近,约20°～40°,上盘直接顶板为断层泥和碳酸盐化变粒岩质碎裂岩,岩层软弱、遇水易坍塌,严重影响着主裂面处的回采安全和回收率。目前矿山生产能力为3 500 t/d,采用点柱式上向水平分层充填法,如图3所示,资源损失率近20%。

图3 点柱式上向水平分层充填法

井下最低开采中段距离地表近900 m,采场工作面环境恶劣,潜在深部开采岩爆和热害的风险。随着开采深度的增加,地质资源的品位也有下降趋势。为了保持矿山的经济效益,改善工人作业条件,推进智能矿山建设,必须研究与自动化采矿系统相适应的自动化采矿新工艺和运营管理模式,提高采场出矿强度,降低贫化损失率,同时实现远程自主出矿,防止深井开采安全事故,提高单位人和自动化设备的生产效率。因此建立井下自动化出矿试验采场尤为必要。作为智能矿山建设的一部分,该矿采购了一套铲运机自动化出矿系统用于井下远程出矿试验,待系统运行成熟稳定后逐步扩大到全矿工作面,减少井下作业人数。

3.2 铲运机自动化出矿系统

铲运机自动化系统一般由地表监控操作平台、自动化采区门禁系统、井下通讯系统MineLAN以及自动化铲运机车载控制系统等构成,如图4所示。井下无轨设备自动化采矿系统具有自主导向功能,可对运行环境的感知,可建立巷道环境感知模型,实现铲运机最佳行驶路线的规划和障碍物的自主规避,可实现从装矿、运行到卸矿全流程自动化作业。

图4 井下铲运机自动化出矿系统

与传统的人在驾驶室操作铲运机出矿相比,铲运机自动化出矿系统具有以下显著特点,如表1所示。

表1 铲运机自动化出矿系统的特点及优点

3.3 铲运机自动化出矿试验采场位置选择

铲运机自动化出矿试验采场应尽量选择在矿体连续、矿量集中,且不影响正常生产的区域。根据该金矿的中段开拓情况和矿体形态,试验采场初步选择在2#矿体-556 m中段的69～70线之间。该区段矿体一分段水平厚度在20～40 m,平均厚度34 m。

3.4 铲运机自动化出矿试验采场建设

分析国外自动化采矿成功的案例,大多矿山都是矿体规模较大、采用阶段崩落法、自然崩落法或者空场嗣后充填开采的矿山,主要原因是这些方法作业工序比较简单、单循环出矿量大,出矿点相对固定的特点,容易实现自动化采矿和连续生产。在采用分层充填、进路式充填等采矿工艺的矿山应用铲运机自动化的案例则很少,充填法开采的采场一般生产能力较小,多采场交叉作业,自动化设备的利用率较低。在这类矿体中研究铲运机自动化出矿试验采场的布置,具有一定的引领示范作用。

(1)自动化采矿作业的特点

自动化采矿技术作为一种高效、节约、安全的矿山新型开采模式,是以开采工艺、智能装备、操作平台为核心的远程自动化采矿技术体系。建设现代化智能生态矿山,如何实现井下生产作业的少人化、无人化是其中的核心。需要结合矿体的赋存特征、回采工艺以及开拓系统,对传统采场的采切工程布置方式进行创新优化,使之适应自动化采矿作业的要求,满足盘区内各采场之间凿岩、出矿、充填以及辅助生产作业工序相对独立,又能够协同作业,最大程度延长铲运机自动化连续出矿的时间,从而提高单位人和自动化设备的生产效率。同传统采矿作业工序相比,在采矿设计布置、生产计划安排、生产管理等方面存在显著的差异,如表2所示。

表2 传统采矿作业与自动化采矿作业之间的差异

(2)自动化出矿采场生产管理流程

井下自动化出矿采场以智能采矿设备为管理对象,利用信息化手段在地表管控中心对设备运行状态和工作量完成情况实时监控,可及时调整生产计划,远程下发设计文件,实现短流程SIC控制,从而提高设备的利用率和采场生产能力。铲运机自动化出矿采场指令传递流程如图5所示。

图5 铲运机自动化出矿采场指令传递流程

(3)自动化出矿试验采场采准系统布置

铲运机自动化出矿系统的采准系统要求尽可能更多的连续作业时间,并且作业区域相对独立,避免因无关人员和设备进入门禁区域而造成铲运机停机。溜井布置和行走线路尽量简单,减少调头工序,减少无线网络覆盖盲区。每次出矿时间尽量长,从而体现出其连续作业的优势。为实现铲运机自动化的高效率作业,矿块及采场布置必须围绕这一核心来布置与展开。对原采矿工艺进行优化,在厚大矿体处采用垂直走向上向水平分层充填法,试验采场的采准系统布置如图6所示。

图6 垂直走向上向水平分层充填法（铲运机自动化出矿）

将矿体划分为盘区,以盘区为回采单元组织生产。沿矿体走向每120 mm划分为一个盘区,盘区内划分为两个矿块,单个矿块长60 m,宽为矿体厚度。中段高度60 m,分段高度12 m,分层回采高度3 m,控顶高度4.5 m。首采分层回采结束后,需制作钢筋混凝土人工假底,作为下中段采场的顶柱,不留顶柱、底柱和间柱,以提高资源的回收率。每个矿块设若干条垂直走向布置的采场,每个采场长为矿体厚度。矿块分矿房和矿柱进行两步骤回采,垂直矿体走向间隔布置。

采准工程布置在矿体下盘,采准切割主要工程有分段巷道、分段联络道、分层联络道、沿脉分层巷道、溜井、人行充填回风井、联络道等。爆破结束后,远程控制7t自动化电动铲运机进行出矿作业,矿石卸入脉外溜井内。分段联络道里设置门禁系统,保证自主出矿时,不受相邻矿块内采场作业的影响,提高铲运机自动化的出矿效率。

顶板采用长锚索+喷锚网联合支护。采场回采完毕后即进行充填准备工作,充填管由人行充填回风井下放到采场。试验采场内其他辅助作业设备均采用机械化作业,配置与主体采矿设备自动化水平相匹配,充填挡墙采用轻体充填挡墙制作工艺,缩短各工序循坏时间。

(4)效益估算

结合国内外充填法开采矿山使用铲运机自动化出矿系统的运营经验,在自动化出矿设备和系统稳定、可靠,维保团队综合素质较高的情况下,自动化铲运机的综合利用率可提高10%～30%,铲运机的行走速度可提高15%～35%。若铲运机自动化速度按提高20%计算,设备利用率按提高10%计算,自动化铲运机台班效率可达400 t/(台·班),相比同载重电动铲运机出矿效率提高提高24%。

自动化铲运机车载系统搭载多种精密传感器,具有自我诊断功能,可以实时监测设备的发动机的温度,液压油温,传动数据,轮胎压力等,预测性维护的好处在于机械维修工可以在设备发生故障前或者定期维护之前更换有问题的设备零件,从而不会因为设备停机影响井下出矿任务。参考国外矿山的应用经验,相比矿山有人驾驶的铲运机,自动化设备的维护成本可降低20%～35%。

自动化采区门禁系统将设备和人员完全隔离,保证了井下自动化生产安全。矿工逐渐得以从井下恶劣的工作环境中解放,转移到舒适安全的地表远程遥控室内,生产效率、作业环境都大为改善,矿山的安全风险将显著降低,同时改变了传统矿山的运营管理方式。