某铁矿智能矿山建设实践及关键技术

王立杰 刘 阳 马 宁 张素娜 李 聪

（河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司）

2021年“十四五”智能制造规划征求意见稿提出，智能制造需要长期坚持、分步实施，并提出分阶段具体目标，到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化［1］，说明智能矿山建设是矿业未来发展的必由之路。与国外相比，国内金属矿山基本处于机械化阶段，甚至很多中小型矿山还没有装备到机械化阶段，国内还未建成一个全面自动化矿山的示范工程，大多处于单系统建设阶段，底层缺少智能装备和智能控制技术，顶层缺少统一的智能管控平台，大数据和人工智能在矿山应用仍存在诸多弊端，未形成全面推进的局面。某铁矿借鉴多家矿山经验及教训，按照“数据引领、集中管控、智能产线、本质安全、远程共享”的理念，结合矿山建设实际，提出一套智能矿山基础建设及关键技术解决方案，为同类型矿山智能化生产体系建设提供借鉴。

1 工程背景

某铁矿为接触交代矽卡岩型混合铁矿床，矿体埋深较大，矿石品位较高，属于第三类第二亚类以岩溶裂隙水充水为主的大型富铁矿床，水文地质条件复杂，矿区富水且地表为农田。矿山设计年产矿石200万t，采用地下开采，主副竖井开拓运输，南北风井回风方案。为保护地下水系与地表农田，矿体四周采用帷幕注浆全封闭堵水措施，采用单一磁选工艺和阶段空场嗣后充填法采矿，以全尾砂胶结充填工艺进行井下空区充填。因水文及工程地质条件复杂，矿山建设周期较长，致使初步设计时间较早，导致矿山各系统存在如下问题：①各系统的自动化水平较低，作业安全风险大，人工劳动成本高；②各子自动化系统采用的设备、技术均不相同，随着子自动化系统的增多，运行及维护人员随之增多，运营成本增加；③子自动化系统之间存在大量重复建设的情况；④管控方式有待提升，难以全面掌握矿山运行情况，应向管理一体化方向改进；⑤各子系统数据无法融合共享互通，协同性弱，信息孤岛问题严重［2］，无法保证矿山资源优化配置，缺少标准化手段融合统一。为有效解决上述问题。亟需结合矿山建设实际，进行智能矿山建设升级改造与实践。

2 智能矿山建设总体架构

智能矿山是能为矿山安全生产各类决策提供智能化服务的智慧体，利用通信网络、大数据、云计算、计算机控制软件等将数据采集、自动控制、智能决策、数据通信等技术集成并进行一体化应用，将矿山建设成一个有机整体，实现井下生产少人化、地表全流程自动化、生产管控一体化，从而使整个矿山具有自我学习、分析和决策的能力。在深入研究的基础上，提出智能矿山建设的总体架构：一是搭建虚拟化和资源共享技术的智能云平台、多网合一的信息高速公路、一体化智能管控平台；二是构建井下智能开采系统；三是进行地表选矿及辅助系统、物流管控系统、高压供电系统智能化升级改造。图1为该铁矿智能矿山建设总体架构。

2.1 基于虚拟化和资源共享技术的智能云平台

智能云平台作为智能矿山的大脑［3］，担负着数据汇聚、整理、保存、发布等一系列关键作用，将服务器、存储、网络及管理套件等资源融合于一体，形成一个整体的解决方案。云平台通过Windows Server 2012R2自带的Hyper-V虚拟化技术将计算、存储、网络等原实体资源全部进行虚拟化，以创建可精确分配给每个应用程序的不同虚拟计算、存储、网络等资源。主要包括2台高性能服务器、2台SAN交换机、1台磁盘阵列和1台USB Server。按照CPU虚拟化比例4∶1进行配置，共部署19台虚拟服务器，满足矿山近10 a的新增应用程序的需求。与传统服务器群组的方式相比，云平台打破了计算、存储、网络的边界，简化了IT基础设施的部署、运维和管理，实现了虚拟化和资源共享，提高了资源利用率，并降低成本。

2.2 多网合一信息高速通信技术

为简化网络结构，实现网络传输一体化，结合井下智能采矿系统整体方案，制定以井下安全避险系统构建的双环网系统及电机车无人驾驶专用环网系统为核心，搭建集井下人员定位、安全监测监控、视频监控、无线通讯、自动化子系统数据传输为一体的多网合一的全矿地下信息高速公路，并与地表光纤环网实现信息对接。从而简化网络结构，降低建设投资，减少运营维护费用。系统网络自愈时间小于20 ms，平均无故障时间不少于200 000 h，能及时诊断出故障点以便维修，可提供多种形式的接口方式，具有较强的扩展性，满足目前及后续智慧矿山建设扩展需求。

2.3 一体化智能管控平台

传统的管理模式无法实现对生产过程的精准管控和实现风险预警，一体化智能管控平台可实现全生产周期管理的海量数据采集并进行可视化分析，同时将矿山各子系统，包括主副井提升、矿井排水、矿井通风、电机车无人驾驶、井下破碎、选矿系统、尾矿压滤、水处理系统等进行集成，在统一全局的智能管控平台运行远程监控操作。实现生产运营管理等各环节间互联互通和有效联动，解决各自为政和信息孤岛。

3 井下智能采矿技术

在智能矿山建设总体架构下，运用有轨运输无人驾驶技术、碎提协同技术、智能按需通风技术、一键式充填自动控制技术、固定设备无人值守技术等，实现井下作业少人化，提升矿山本质安全，提升生产及管理效率。

3.1 井下电机车无人驾驶运输系统

近几年来，地下矿无人驾驶电机车运输技术虽然有了较大的发展［4］，但我国使用无人驾驶电机车的矿山仍比较少，且已使用的矿山在推广应用电机车无人驾驶技术过程中仍存在不同程度的问题。本矿山积极研发井下-245 m有轨运输中段电机车无人驾驶智能运输系统，并成功应用于实践，实现地表集控中心一对多遥控装矿、车辆自动运行、实时监控、运输智能调度、设备预防性维护等功能。

首先进行电机车本体改造，在原电机车基础上新增远程智能控制设备，将远程控制的继电器接口引到远程车载控制盘，包括手（自）动信号、升降弓到位信号、转速信号、风包压力和制动气缸压力信号、电机温度信号、制动和松闸到位的行程开关位置信号。其次研发电机车自动运行系统，用于监测和远程控制所有电机车的运行情况，并设计车辆精确定位、自动保护功能，为实现无人驾驶提供电机车自动运行方案。最后进行溜井远程放矿系统、信集闭控制系统、派配矿系统研发，协调智能控制实现电机车无人驾驶自动运行。目前，2列电机车分别搭载11辆矿车同时有序运行在9个采区溜井和1个卸载站之间，日运输量达到8 000 t以上。

3.2 无线遥控铲运机技术

铲运机无线遥控系统主要由发射机、接收机、机载PC和执行器组成，发射机所需要的控制指令通过天线将遥控指令信号发射出去，接收机接收指令信号送到执行控制器来实现控制逻辑，实现铲运机前进、后退、转向、工作装置、制动等远程无线操作。无线遥控铲运机用于井下矿房出矿，消除作业人员安全隐患，同时可提高矿房回采率。

3.3 井下破碎无人值守

在井下破碎站新增PLC远程I/O分站并同-409 m水平主CPU进行网络集成，将本地操作的设备接入PLC远控系统；通过PCS7软件完成程序及画面编程，在画面上实时显示生产工序流程和设备运行状态、电流等信息及故障报警；结合生产工艺实现生产环节的软保护和连锁功能，当破碎机出现故障或停运时，重板给料机会自动停车，避免物料输送因破碎机故障而造成堵塞；当下部溜井料位达到设定高度时，系统发出报警提醒等；在井下破碎站下料口、皮带等工艺关键部位新增摄像头；结合视频监控实现远程和现场双重操作功能，完成破碎系统无人值守。

3.4 主井提升远程智能控制技术

在提升电机、主轴、天轮等重点部位安装振动传感器和温度传感器，在配电室、电控柜、操作台、电机等关键部位安装烟雾传感器，将原闸间隙、闸偏摆、油压等监测采集数据上传至提升机电控系统，实现智能监测及预警；在卸载站建立提升机远程智能控制中心，优化现有主井提升控制系统、闭锁保护及安全回路，实现主井提升机的远程集中控制，将主井司机与卸载工合并；优化电控程序及高低爬时间，实现提升及装、卸载全流程全自动模式运行，司机不需要人为干预，只需监控设备参数；最终实现主井提升速度达到10.05 m/s，卸矿及下行时间为125 s，装矿及上行时间为115 s，全程循环时间为4 min，每小时可提卸矿15次，满箕斗37 t运行，显著提高运行效率。图2为主井提升智能化监测系统框架。

3.5 副井提升电梯式信号系统

对副井提升信号系统进行优化，通过摇台、安全门和罐笼帘的自动化改造和控制，实施电梯式无人值守信号系统，实现井下各中段无信号工值守，井口对信号的集中管理，最终实现副井罐笼“电梯式”操作运行模式，乘罐人员在罐内可选择去向、操车控制、开车控制、状态显示。井下各中段开车信号，由井口总信号台转发给提升机司机。

整体方案采用3级网络控制架构和IPC+PLC控制模式，包含中央监控级、PLC控制级、现场设备级3级。中央监控级包括智能集控中心和井口集控中心组成，采用工业计算机运行专业的控制及组态软件，监控层采用WINCC+OPC的方式，实现数据采集监控；PLC控制级采用光纤环网，新增信号PLC采用西门子S7-1500系列，可纳入MES或ERP系统，支持OPC协议，和主控PLC之间采用DP通讯，2个系统之间采用DP/DP Couple隔离模块。系统采用无线网络和总线通讯网络，无线通讯网络实现井口和罐笼内设备的数据交换、控制和监控；总线通讯网络采用以太网通讯方式光缆环网通讯，实现井口和各中段信号箱的数据通讯。图3为副井提升电梯式信号系统设备联系图。

3.6 一键式充填智能控制技术

根据系统的充填能力、灰砂比、料浆浓度及密度计算出系统所需要的砂浆量、给水量、给灰量和出浆量，作为系统调节初始值，以料浆流量、浓度实测值来控制给水量和给灰量，搅拌的浓度和液位控制通过调节供水量和出浆量来保持在系统要求的范围内，减少系统滞后性的影响，保障系统的稳定性和可靠性。最终实现基于工艺需求的远程智能控制，通过自适应的工艺智能分析和移动终端，在满足充填工艺流程集中控制的同时，实现一键式充填，同时具有人工控制与自动控制无扰动切换的功能，保证充填生产过程的高效、稳定运行。

3.7 矿井排水系统无人值守及智能机器人巡检技术

矿山井下排水泵功率大，单台水泵功率为2 800 kW，运行工况复杂；且对于水泵启动前抽真空、水仓水位监测、稀油站和泵房内设备的运行与管理，采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、人为因素多，人工很难做到实时精准及安全监控。而远程智能控制技术能很好地解决这个问题。

利用PLC控制、远程遥控拟人化等技术实现对井下主排水系统3台离心泵、3台潜水泵的电流、电压、温度、振动及离心泵配套油站温度、压力、流量和主排水管道阀门、压力、流量等一系列数据的实时监测及远程控制。同时在泵房内安装轨道及智能巡检机器人，将嵌入式系统与云计算技术相结合，代替人工完成巡检工作［5-6］。接受巡检任务设定后，机器人沿轨道行走至监测点，监测采集设备运行数据并实时分析，判断设备是否正常，发现异常及时报警，同时将巡检实况传输至地面智能集控中心，工作效率十分高效，显著降低井下人员安全风险。图4为矿井排水系统智能机器人巡检。

3.8 智能按需通风技术

通过对风机电压、电流、风量、风压等28个数据的实时监测和视频监控，实现主风机的远程操作；同时将井下各中段风门的开/闭状态信号、指令信号及开度信号，传感器检测信号、各局扇启停信号等均与主扇PLC连接，利用井下光纤网络将采集信息传至数据中心虚拟服务器；并通过VOD按需通风软件自动计算各巷道需风量，将需求值与实际监测值进行比较，自动调解风机运转频率及相应风门的开度大小，在地表集控中心远程实现井下通风系统自动调节，实现矿井通风系统自动稳定节能运行。

4 选矿与供辅系统智能控制优化

运用选矿智能控制技术、尾矿压滤智能控制技术、固定设备无人值守和无线视频监测等技术对选矿工艺及供水系统进行优化改造，实现选矿上料系统一键启停、布料小车按照目标仓位自动智能上料、磨选工艺一键式启停、尾矿压滤系统一键式启停，生产供水系统在集控中心远程集中控制，现场无人化操作，岗位工变为巡检工，显著降低职工劳动强度，提高工作效率。

通过建设精粉自动采制样系统实现铁精粉的自动采样，经缩分器、智能分矿包装一体机等设备完成铁精粉的采样制样，数据自动传输及远程监控，全程无人化操作；利用现有汽车，通过增设道闸、红绿灯、LED显示屏、读卡器及计算机等设备，实现车辆称重的自动化管理；设计车辆“一卡通”式管理系统，自动获取车辆、司机及称重结果、采制样结果等信息，完成数据自动统计及汇总，实现外运精粉的智能物流管控，实现自动化和无人化。

通过有线仪表通讯及远程遥测等技术完成全矿井上井下12个高压配电室、300余台供电设备信息采集及集中显示、报警、远程控制，实现高压供配电系统无人值守。

5 结 语

智能矿山基础建设及关键技术解决方案实施后，控制模式由传统的人员现场值守变为远程智能运行，全矿人员由862人减至478人，人员劳效达到2 500 t铁精粉/（人·a），是行业平均水平2.5倍，逐步实现井下少人无人化、地表全流程自动化、安全生产管控一体化，显著提高人均劳效，提高矿山安全生产管控水平，提升矿山本质安全水平，提高地采矿山的知名度和美誉度。研究成果可为其他智能矿山建设提供借鉴和参考。