劉子強(qiáng)，周先，陳功，劉奇 ，彭躍金

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司， 湖南 郴州市 423037； 2.青海鴻豐偉業(yè)礦產(chǎn)投資有限公司， 青海 海西蒙古族藏族自治州 817000； 3.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012； 4.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

近年來(lái)，礦業(yè)行業(yè)存在著兩個(gè)較大的問(wèn)題：一是淺部礦業(yè)資源的不斷匱乏，正在向深部逐漸發(fā)展；二是從事礦業(yè)行業(yè)的人員逐漸發(fā)生斷層現(xiàn)象。因此，礦業(yè)行業(yè)基于科技信息化高速發(fā)展的成果進(jìn)行了一系列改革，開啟了新的采礦模式——智能采礦模式（實(shí)現(xiàn)資源與開采環(huán)境數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過(guò)程可視化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理與決策科學(xué)化）?；谥悄懿傻V的架構(gòu)思想，國(guó)內(nèi)外礦山逐漸開始智能礦山的建設(shè)[1-4]。

加拿大正在計(jì)劃并開始實(shí)施自動(dòng)化采礦的“五年計(jì)劃”；瑞典的一些大型企業(yè)投入大量資金及技術(shù)人員，對(duì)智能采礦設(shè)備大力發(fā)展；力拓集團(tuán)耗巨資啟動(dòng)建設(shè)在皮爾巴拉的庫(kù)戴德里礦山，將成為第一個(gè)全智能礦山企業(yè)。而中國(guó)的智能礦山建設(shè)進(jìn)程較為滯后，但是梅山鐵礦與各大高校緊密結(jié)合，構(gòu)建了礦山網(wǎng)絡(luò)管理信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了信息化及工業(yè)自動(dòng)化的生產(chǎn)管控一體化平臺(tái)；開陽(yáng)磷礦基于智能采掘裝備，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)械化開采、遠(yuǎn)程操控等，礦山利用信息化技術(shù)集成了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、業(yè)務(wù)管理、企業(yè)資源、決策分析等4層架構(gòu)的礦山管控一體化平臺(tái)，并形成決策分析系統(tǒng)，為企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策提供支撐[5-6]。

因此，要建設(shè)智能化礦山，采礦學(xué)需緊密結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科技術(shù)，逐步建立智能化開采的基礎(chǔ)理論，并開發(fā)新技術(shù)、新裝備，從而促進(jìn)中國(guó)采礦業(yè)向智能化發(fā) 展[7-9]。本文結(jié)合柿竹園的基本情況，介紹了柿竹園開采自動(dòng)化程度且對(duì)下一步建設(shè)智能礦山的進(jìn)程作了規(guī)劃。

1 工程概況

礦體賦存于花崗巖與中、上泥盆統(tǒng)灰?guī)r接觸帶附近的矽卡巖、大理巖中。根據(jù)礦體產(chǎn)出的部位，礦化特點(diǎn)以及礦石類型的不同，礦體劃分為4個(gè)礦帶（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦帶），Ⅲ礦帶的Ⅲ1-1礦體為唯一工業(yè)礦體。柿竹園鎢多金屬礦采用地下開采方式，主要回采III礦帶中部315 m×313 m范圍內(nèi)的富礦體，采礦方法主要為連續(xù)崩落法，生產(chǎn)能力為6500 t/d，490 m水平以上富礦礦柱資源近乎枯竭，315 m×313 m范圍內(nèi)保有Ⅲ礦帶礦石量約為1800萬(wàn)t，按當(dāng)前的選礦處理能力，服務(wù)年限不足10 a。由于中部富礦資源開采殆盡，現(xiàn)需對(duì)490 m水平以下以及315 m×313 m范圍外的礦體進(jìn)行局部開采。

為更合理地對(duì)資源進(jìn)行回采，柿竹園逐漸加大科技創(chuàng)新與智能化建設(shè)投入，逐步打造設(shè)備先進(jìn)化、工藝流程自動(dòng)化、操作智能化、管理現(xiàn)代化、本質(zhì)安全、綠色環(huán)保的現(xiàn)代礦山企業(yè)。因此，科學(xué)合理地規(guī)劃柿竹園井下各區(qū)域采礦方法，加大智能 化系統(tǒng)的建設(shè)投入能夠有效地推進(jìn)企業(yè)科技智能化升級(jí)，推動(dòng)礦產(chǎn)資源開發(fā)向高效、安全、綠色、可持續(xù)發(fā)展，有效減少生產(chǎn)作業(yè)人員，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

2 基于智能化的設(shè)備配套及調(diào)度管理

2.1 礦山配套設(shè)備智能化進(jìn)程

2.1.1 作業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀

柿竹園鎢多金屬礦采礦技術(shù)水平總體比較落后，井下作業(yè)屬于半機(jī)械化、機(jī)械化開采階段，大型設(shè)備開采占比較少，采礦鑿巖主要設(shè)備為YGZ-90中深孔鉆機(jī)，裝藥采用BQF-100裝藥器人工裝填炸藥，當(dāng)分段高度較高（＞15 m）時(shí)，由于炮孔較深，為使孔底炸藥單耗達(dá)到要求，需裝藥較長(zhǎng)時(shí)間，且裝藥密度不均，導(dǎo)致孔口炸藥單耗過(guò)高，造成孔口礦石過(guò)粉碎，且造成裝藥工人的勞動(dòng)強(qiáng)度增加。

巷道支護(hù)、進(jìn)路懸拱、大塊二次破碎仍采用人工操作，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，工人需在暴露的頂板下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，松石冒落、爆破飛石等問(wèn)題增加了工人作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性，作業(yè)效率低，安全性差。

目前井下出礦基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，主要以4 m3鏟運(yùn)機(jī)出礦為主，部分采場(chǎng)配備了2 m3的鏟運(yùn)機(jī)，但整體鏟運(yùn)機(jī)裝載能力較小，設(shè)備效率低，與國(guó)內(nèi)同類礦山裝備水平有一定的差距。

2.1.2 智能化設(shè)備配套

由上述可知，礦山現(xiàn)有的采掘設(shè)備還未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化，為建設(shè)智能化作業(yè)礦區(qū)，提高采礦作業(yè)效率，減少一線操作人員，降低作業(yè)成本，亟需更新相關(guān)作業(yè)設(shè)備，因此，礦山引進(jìn)一批較為先進(jìn)的智能化設(shè)備。

（1）平巷掘進(jìn)臺(tái)車、中深孔鑿巖臺(tái)車及深孔臺(tái)車。引進(jìn)平巷掘進(jìn)臺(tái)車后，礦山的機(jī)械化掘進(jìn)程度占比大幅增加，極大提高了掘進(jìn)速度，為以后智能化掘進(jìn)奠定了設(shè)備基礎(chǔ)。

（2）裝藥臺(tái)車。引進(jìn)裝藥臺(tái)車后，裝藥速度比人工裝藥大幅增加，既減輕了工人勞動(dòng)量，又實(shí)現(xiàn)了多方位的高速和高密度裝藥，保證爆破質(zhì)量。

（3）6 m3普通鏟運(yùn)機(jī)和4 m3遙控鏟運(yùn)機(jī)。礦山引進(jìn)6 m3普通鏟運(yùn)機(jī)和4 m3遙控鏟運(yùn)機(jī)對(duì)未來(lái)大規(guī)模智能出礦具有重要意義。

（4）移動(dòng)式二次破碎臺(tái)車和固定式破碎錘。用于放礦口的大塊破碎，固定式破碎錘用于溜井口格篩上的大塊破碎，與現(xiàn)在采用手持式鉆機(jī)打眼放炮和裸露藥包爆破相比，將極大提升生產(chǎn)安全。

通過(guò)引進(jìn)不同的智能化設(shè)備，使礦山機(jī)械自動(dòng)化程度大幅增加，不僅提升了礦山整體效率，且減輕了工人勞動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

2.2 不同區(qū)域的開采方法

根據(jù)礦山采購(gòu)的設(shè)備，對(duì)不同區(qū)域的采場(chǎng)回采方式進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，以便更好地利用智能化設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)智能化采礦。

（1）315 m×313 m范圍及西部采區(qū)。由于315 m×313 m范圍內(nèi)的富礦基本回采完畢，回采后地表形成了塌陷坑，且塌陷坑?xùn)|部已經(jīng)形成了近200 m的陡壁，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)若采用其他開采方法，會(huì)對(duì)現(xiàn)狀礦體及塌陷坑造成較大的擾動(dòng)，增加回采的風(fēng)險(xiǎn)性。而315 m×313 m西部區(qū)域的礦石，品位相對(duì)較低，因此采用大型無(wú)軌設(shè)備作業(yè)，易于實(shí)現(xiàn)高度機(jī)械化、智能化的無(wú)底柱分段崩落法回采該采區(qū)礦石。

（2）北部采區(qū)。結(jié)合礦體厚度及礦巖穩(wěn)固性，北部采區(qū)宜采用階段空?qǐng)觯ǚ侄舞弾r或階段鑿巖）嗣后充填采礦法，其中已經(jīng)布置好分段平巷等工程的采場(chǎng)，采用分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，未掘進(jìn)工程采場(chǎng)，選用階段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。該方法礦塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采準(zhǔn)工程量低，爆破效果好，礦石大塊率低；礦塊生產(chǎn)能力大，采礦作業(yè)集中化程度高，便于大型無(wú)軌智能化、機(jī)械化設(shè)備作業(yè)；人員在半永久性支護(hù)的巷道型空間內(nèi)作業(yè)，作業(yè)安全。

（3）東部490 m以上采區(qū)。東部490 m以上采區(qū)，礦體構(gòu)造與北部采區(qū)相類似，故采用階段深孔側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法與分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法相結(jié)合。此法可以充分利用現(xiàn)有的中深孔鑿巖臺(tái)車鉆鑿中深孔，鏟運(yùn)機(jī)端部裝礦，機(jī)械化及智能化程度高，勞動(dòng)生產(chǎn)率高；可同時(shí)在幾個(gè)分段進(jìn)行不同的作業(yè)，有利于提高產(chǎn)量；分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法采用擠壓爆破，有利于礦石的破碎和充填體的穩(wěn)定。

（4）東部490 m以下采區(qū)。東部490 m以下采區(qū)選用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，此法爆下的礦石能對(duì)圍巖和暴露的充填體有臨時(shí)支撐作用，鏟運(yùn)機(jī)出礦，裝備水平比連續(xù)崩礦法高，生產(chǎn)能力大；嗣后充填可使用低標(biāo)號(hào)水泥膠凝充填，成本較低；回采與充填工作互不干擾，制約關(guān)系較分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄉ?，且有一個(gè)大量出礦階段，較分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǘ?，更利于保證產(chǎn)能均衡。

因此，礦山基于不同區(qū)域選擇不同的采礦方法，充分利用已有的智能化設(shè)備進(jìn)行鑿巖采礦，將礦山機(jī)械自動(dòng)化程度提升一個(gè)臺(tái)階，為以后的礦山智能化奠定了很好的基礎(chǔ)。

3 柿竹園智能礦山建設(shè)規(guī)則

基于上述礦山的基本情況可知，柿竹園機(jī)械自動(dòng)化程度正逐漸增強(qiáng)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)智能化奠定了智能設(shè)備基礎(chǔ)，但離智能礦山的建設(shè)還有很遠(yuǎn)的距離。智能礦山的建設(shè)是集自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化于一體的智慧平臺(tái)，以信息為媒介，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，再以信息為媒介，將井下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集反饋，形成閉環(huán)信息處理。

3.1 智能礦山建設(shè)總體思路

要實(shí)現(xiàn)智能礦山的建設(shè)，僅僅實(shí)現(xiàn)采礦的機(jī)械自動(dòng)化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需建設(shè)以“生產(chǎn)管理遠(yuǎn)程化、遙控化、無(wú)人化”為核心，以“采礦作業(yè)智能化、選冶過(guò)程自動(dòng)化、運(yùn)輸調(diào)度無(wú)縫化”為主要要素的多學(xué)科、多專業(yè)的交叉系統(tǒng)工程。

而要完整實(shí)現(xiàn)此過(guò)程，關(guān)鍵在于如何從井下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取、傳輸以及智能集成分析，因此需要以下幾種關(guān)鍵技術(shù)手段。

（1）空間信息技術(shù)。以測(cè)繪、遙感、全球定位導(dǎo)航技術(shù)、地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的空間信息技術(shù)將實(shí)現(xiàn)礦山信息采集和處理的實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化、智能化。

（2）云網(wǎng)融合技術(shù)。云網(wǎng)融合技術(shù)將實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程爆破、開挖、選礦、采礦、運(yùn)輸?shù)葟?fù)雜操作。

（3）數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)?；诤Ａ繑?shù)據(jù)的提取建立決策支持和智能服務(wù)的專家系統(tǒng)，采礦過(guò)程中有任何意外，計(jì)算機(jī)分析以最好的解決方案一鍵解決。

（4）三維模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)、三維模擬和人工智能技術(shù)建立起來(lái)的礦床模型、采礦模擬、地下礦井仿真、井下圍巖力場(chǎng)仿真等，幫助在采礦前就能預(yù)知采礦現(xiàn)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)的所有情況。

（5）智能采礦和服務(wù)技術(shù)。包括無(wú)人采礦技術(shù)、井下勘探與物探技術(shù)、井下快速定位與自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、地下礦井人員定位技術(shù)、自動(dòng)化指揮調(diào)度系統(tǒng)等。

（6）安全保障體系。嚴(yán)格規(guī)范的管理、先進(jìn)的技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人員失誤、無(wú)機(jī)器故障、無(wú)系統(tǒng)缺陷、無(wú)管理漏洞的人、機(jī)、礦山和管理高度融合的礦山安全目標(biāo)。

以“空間信息技術(shù)”、“云網(wǎng)融合技術(shù)”、“數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)”、“三維模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)”、“智能采礦和服務(wù)技術(shù)”以及“安全保障體系”六大技術(shù)為支撐，逐步實(shí)現(xiàn)智能礦山建設(shè)的主要核心及其三大基本要素?；谑林駡@的基本現(xiàn)狀，目前可以從井下生產(chǎn)調(diào)度與監(jiān)管角度來(lái)實(shí)現(xiàn)井下少人甚至無(wú)人化的智能生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。

3.2 井下生產(chǎn)調(diào)度與管理

由于柿竹園距離完全建設(shè)成為智能型礦山有較遠(yuǎn)的距離，需根據(jù)礦山整體現(xiàn)狀以“總體規(guī)劃，分布實(shí)施”為原則逐步推進(jìn)智能礦山的建設(shè)。目前礦山具有較多的高水平智能化設(shè)備，因此針對(duì)井下智能設(shè)備提出了調(diào)度方案架構(gòu)，如圖1所示（以運(yùn)輸設(shè)備為例）。

圖1 調(diào)度方案架構(gòu)

此調(diào)度方案架構(gòu)由“計(jì)劃”部分、“反饋與執(zhí)行”部分及“統(tǒng)計(jì)與監(jiān)管”部分組成。

“計(jì)劃”部分：對(duì)每臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)下發(fā)裝卸礦計(jì)劃，優(yōu)化資源配置，簡(jiǎn)化復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境所帶來(lái)的生產(chǎn)指揮難度。

“反饋與執(zhí)行”部分：自動(dòng)生成車輛運(yùn)載產(chǎn)量、車輛日運(yùn)行運(yùn)距、月運(yùn)行運(yùn)距、周轉(zhuǎn)量等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表以及支持公司決策的數(shù)據(jù)依據(jù)。

“統(tǒng)計(jì)與監(jiān)管”部分：通過(guò)定位管理，對(duì)運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)掌控設(shè)備工作狀態(tài)和工作量，便于調(diào)度和管理，有效提高效率，降低成本。

上述3個(gè)部分內(nèi)容以地表監(jiān)控中心、井下礦用交換機(jī)、綜合通訊基站、實(shí)時(shí)定位技術(shù)、行車安全監(jiān)控、視頻和語(yǔ)音通話等技術(shù)為一體實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度與監(jiān)管。此系統(tǒng)可以對(duì)井下不同設(shè)備實(shí)時(shí)下發(fā)指令，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)反饋信息，逐步做到井下少人及無(wú)人的智能化工作面。

4 結(jié)論

（1）智能礦山建設(shè)是礦業(yè)發(fā)展的必然過(guò)程，柿竹園結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及礦山發(fā)展的大環(huán)境，引進(jìn)一批智能化設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備及人員配置情況，對(duì)不同區(qū)域選擇不同的開采方式，充分發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)勢(shì)為礦山創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益；

（2）針對(duì)柿竹園智能礦山的建設(shè)進(jìn)程，提出以“生產(chǎn)管理遠(yuǎn)程化、遙控化、無(wú)人化”為核心，以“采礦作業(yè)智能化、選冶過(guò)程自動(dòng)化、運(yùn)輸調(diào)度無(wú)縫化”為主要模塊的總體建設(shè)思路，并以“六大關(guān)鍵技術(shù)”為支撐逐步實(shí)現(xiàn)智能礦山建設(shè)的主要核心及其三大基本要素，為柿竹園智能化礦山提供了借鑒作用。