周 宏

（中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司，北京 100161）

露天開采是1 種安全高效的開采方式[1-2]。我國露天開采起步較晚近，30 年來，由于露天礦基建投資小、投產(chǎn)快等優(yōu)點逐漸興起，開采技術(shù)迅速發(fā)展。當(dāng)前人工智能、5G、機器人、智能識別等技術(shù)成為科技發(fā)展的方向，給我國資源開發(fā)的轉(zhuǎn)型帶來了機遇同時面臨著技術(shù)革命的挑戰(zhàn)[3]。2015 年以來，基礎(chǔ)工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型成為發(fā)展的主要方向，同時以政府為導(dǎo)向，推出一系列政策措施加速我國工業(yè)智能化步伐，為企業(yè)日后可持續(xù)發(fā)展、應(yīng)對錯綜復(fù)雜的國際環(huán)境爭取了寶貴時間，使我國礦業(yè)朝著安全高效、綠色可持續(xù)的方向發(fā)展[4]。

1 國內(nèi)外露天礦山智能化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外露天礦山

國外礦產(chǎn)資源條件適合露天開采，因此對露天開采技術(shù)進行了長時間的探索，露天開采智能化已經(jīng)取得了較大進展。為了保護工人的生命安全，瑞典山特維克礦山工程機械集團研發(fā)了EDC 系統(tǒng)，對穿透率、孔底距離、鉆桿防護作業(yè)效率等進行有效防護，一旦超出系統(tǒng)設(shè)計的限值，系統(tǒng)將會提醒鉆機司機。美國卡特彼勒公司利用計算機技術(shù)推出了MineStar TM 系統(tǒng)和Hole pro 系統(tǒng)，運用制導(dǎo)技術(shù)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場地形位置對鉆孔作業(yè)開展相關(guān)管理，并將系統(tǒng)信息上傳并應(yīng)用于整個采礦作業(yè)中。國外從20 世紀(jì)70 年代開始探索露天礦山無人駕駛技術(shù)，美國卡卡特彼勒公司在該技術(shù)較為領(lǐng)先，MineStar TM 系統(tǒng)同樣運用在無人駕駛卡車上，并在澳大利亞、南美洲等地礦山現(xiàn)場實現(xiàn)了無人駕駛[5]。

1.2 國內(nèi)露天礦山

我國露天礦山經(jīng)歷了機械化、自動化、數(shù)字化等階段，目前主要向智能化發(fā)展。我國露天礦山大量引進國外先進的開采設(shè)備，并投入使用，但是由于管理經(jīng)驗不足，缺乏相關(guān)專業(yè)人才，對露天礦山智能化重視程度不足，導(dǎo)致我國與世界發(fā)達國家在露天礦山智能化方面還有較大差距[6]，但近年來隨著人工智能、5G 通信，大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的高速發(fā)展，國內(nèi)露天礦山智能化也取得了重大突破，具有代表性為華能伊敏露天礦、神華準(zhǔn)能集團和中煤平朔集團等[7]：中煤平朔集團安太堡露天礦通過建設(shè)GPS 智能卡車調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場各個設(shè)備的定位、并可在云端進行設(shè)備的調(diào)用，對正在工作的設(shè)備實時監(jiān)控，通過合理利用設(shè)備優(yōu)化了生產(chǎn)效率；神華準(zhǔn)能集團建設(shè)了車輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，主要通過采集車輛的行駛信息，主要包括GPS 坐標(biāo)、行駛速度、行駛方向等，通過電子地圖進行道路擬合，在車輛可能發(fā)生碰撞時作出預(yù)警；2020 年神華寶日希勒露天礦實現(xiàn)了世界首個極寒條件下無人卡車編組試運行[8]。上述礦山的智能化建設(shè)工作主要網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享為平臺，逐步建設(shè)了三維地質(zhì)模型生成系統(tǒng)、開采設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)（GPS 調(diào)度控制系統(tǒng)）、礦山MIS（信息管理系統(tǒng)）等內(nèi)容，有利于提升礦山安全高效生產(chǎn)形勢，推動了我國露天礦智能化發(fā)展。

2 工程背景

2.1 烏山銅鉬礦概況

烏山銅鉬礦位于滿洲里市西南端24 km 處，礦區(qū)面積9.844 9 km2，是1 個以次斜長花崗巖斑巖體為核心形成的長環(huán)狀礦體，長軸長2 600 m，短軸寬1 350 m，傾向NW，傾角75°～85°。開采深度從800 m 至200 m 標(biāo)高，地表向下開采深度600 m，礦體平均厚度260 m。礦區(qū)內(nèi)存在許多次級斷層，導(dǎo)致礦體的形態(tài)十分復(fù)雜。以F7斷層為界將礦床分為2 個礦段，斷層以北為北礦段，以南為南礦段。目前，北礦段已開采至615 m 水平標(biāo)高處，南礦段已開采至675 m 水平標(biāo)高處。礦區(qū)的巖石普氏系數(shù)為8～10。礦區(qū)內(nèi)保有銅礦石量為4.2×109t，鉬礦石量為1.0×1010t。全區(qū)銅金屬量3.6×106t，鉬金屬量6.9×105t，伴生銀金屬量2 400 t。

2.2 采剝工藝

初期采用打鉆孔測品位，進行定量爆破，將不同品位的礦石及廢料用鏟車裝運，TR100 運輸?shù)V物，其余車輛進行倒運，推土機排棄的間斷開采工藝；末期采用打孔爆破，鏟車裝運，車輛運輸，半移動破碎機破碎，皮帶廊運輸?shù)陌脒B續(xù)開采工藝。為確保露天采場持續(xù)穩(wěn)定出礦，設(shè)計采礦采用單臺階緩幫開采，巖石剝離采用組合臺階陡幫開采；為降低礦石的損失、貧化指標(biāo)，根據(jù)礦體的賦存條件，設(shè)計開段溝采用縱向布置在礦體上盤，垂直礦體走向由礦體上盤向下盤推進。開采工藝工作臺階高度15 m，工作臺階坡面角70°～75°。

3 烏山銅鉬礦智能化建設(shè)

3.1 總體框架

礦山智能化平臺建設(shè)框架如圖1。

圖1 礦山智能化平臺建設(shè)框架

運用智能化測繪地理信息技術(shù)，并結(jié)合露天礦山智能化開采思路，建立了1 個適用烏山銅鉬礦的智能化平臺，主要通過數(shù)據(jù)管理中心和指揮調(diào)度中心對操作終端進行發(fā)號施令，將資源儲量管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、車輛定位及調(diào)度系統(tǒng)、無人機5G 監(jiān)控系統(tǒng)、基于GNSS 的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、基于激光雷達探測的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、爆堆礦量和生產(chǎn)動態(tài)計量系統(tǒng)、設(shè)備工效和油耗監(jiān)測系統(tǒng)、安全檢查及隱患治理系統(tǒng)等各系統(tǒng)進行有機結(jié)合，各系統(tǒng)的信息反饋至數(shù)據(jù)管理中心，指揮調(diào)度中心對各系統(tǒng)進行控制。智能管控平臺是露天非金屬礦山的“智慧大腦”，以三維GIS 技術(shù)為核心對礦山形態(tài)進行重現(xiàn)，對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行可視化控制。該平臺是以礦山生產(chǎn)、終端監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，將露天礦爆破、裝載、運輸、供礦等進行三維數(shù)字化建模，實現(xiàn)對采區(qū)的礦石品位、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、安全監(jiān)測等信息進行數(shù)字可視化展示、統(tǒng)一集中管理，有效地提升了礦山的整體管理效率，加強礦山的生產(chǎn)進度。

3.2 控制中心

指揮調(diào)度中心實現(xiàn)過程示意圖如圖2。

圖2 指揮調(diào)度中心實現(xiàn)過程示意圖

數(shù)據(jù)管理中心主要分為數(shù)據(jù)采集中心、存儲中心和應(yīng)用中心3 部分，是露天礦山的“大腦”。數(shù)據(jù)采集是指通過高清攝影頭、無人機探測、IoT 測繪裝備、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、人工輸入等方式得到的礦山開采信息；將采集的信息存儲于數(shù)據(jù)儲存中心，包括地質(zhì)構(gòu)造、礦體埋藏情況、開采設(shè)計、生產(chǎn)作業(yè)、配礦等多源數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)應(yīng)用中心是對數(shù)據(jù)進行處理分析，并對開采工序進行優(yōu)化，包括供礦品位控制、礦產(chǎn)儲量管理、設(shè)備合理調(diào)度、礦山危險源監(jiān)測等方面。不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進行交換，匯總在數(shù)據(jù)中心，相互共享，實現(xiàn)最優(yōu)的決策。指揮調(diào)度中心能夠監(jiān)測現(xiàn)場情況并且輔助決策將指令傳達至現(xiàn)場。將收集、整理的各種信息進行分析處理，以簡單便于理解的方式顯示在高清大屏上，幫助決策者精準(zhǔn)地掌握生產(chǎn)過程，然后對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行優(yōu)化調(diào)整。

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、指令下達的重要樞紐，針對露天礦山的特點，重點介紹礦區(qū)三維可視化管理系統(tǒng)、開采信息管理系統(tǒng)和無人機監(jiān)控系統(tǒng)。三維可視化管理系統(tǒng)是對無人機、高清攝像頭、人工地理信息輸入得到的數(shù)據(jù)進行處理，通過電腦終端對礦山實時地理環(huán)境信息進行數(shù)據(jù)在線，最終在計算機的顯示屏上輸出三維礦山全景；開采信息管理系統(tǒng)是基于前面的三維可視化模型和地質(zhì)勘探信息，運用GIS分析功能，計通過模型前后的差距，從而計算礦山資源的變化情況和剩余儲量；無人機監(jiān)控系統(tǒng)是基于無人機的全礦區(qū)監(jiān)控功能，結(jié)合5G 技術(shù)，實現(xiàn)對礦區(qū)邊坡、設(shè)備、車輛、人員等進行在線監(jiān)測，防止危險事故的發(fā)生。

4 當(dāng)前智能化進程及難點

4.1 智能化進程

1）數(shù)字化生產(chǎn)指揮調(diào)度中心。當(dāng)前烏山銅鉬礦正積極想智能化開采方向邁進，基于GPS 定位系統(tǒng)、高清攝像儀和信息傳導(dǎo)技術(shù)，建立了數(shù)字化生產(chǎn)指揮中心。首先將礦山地質(zhì)環(huán)境信息導(dǎo)入至數(shù)據(jù)中心，從而生成三維地質(zhì)模型，車輛設(shè)備通過GPS 定位系統(tǒng)將位置信息實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，并在三維地質(zhì)模型上確定車輛設(shè)備的動態(tài)位置；其次能夠通過現(xiàn)場高清攝像頭對現(xiàn)場施工情況實時監(jiān)控，保證開采能夠有序進行，一旦現(xiàn)場出現(xiàn)問題，能夠根據(jù)現(xiàn)場影像作出正確決策，提高生產(chǎn)效率；指揮調(diào)度中心同時能夠?qū)⒏鬈囕v的信息包括是否裝車，車輛行程，車輛故障、司機情況等通過信息傳導(dǎo)技術(shù)輸送至數(shù)字化指揮中心，指揮調(diào)度中心工作人員根據(jù)供礦需求、設(shè)備位置、現(xiàn)場反饋信息下達給終端正確的指令，通過指揮中心能夠有效加強管理力度，合理優(yōu)化作業(yè)工序，大幅度提高礦產(chǎn)資源采出的效率，該平臺把現(xiàn)場的工作通過指揮調(diào)度中心進行控制，提高了生產(chǎn)效率，有利于保障工作人員的安全，礦山智能化取得重大突破。

2）無人駕駛技術(shù)。大型露天礦由于工作地點較為偏僻、工作艱苦，在聘用礦用卡車駕駛?cè)藛T常常面臨困境，當(dāng)前露天開采行業(yè)車輛司機老齡化嚴(yán)重，越來越少青年人從事礦山卡車的駕駛工作，缺乏卡車司機成為1 個棘手的難題；露天礦山的1 個主要的人員傷害來源是車輛事故，隨時危及工人的生命安全。無人駕駛技術(shù)可以成功解決以上難題，降低現(xiàn)場工作人員數(shù)量、有效避免對司機的傷害，同時能夠降低工人勞動成本，并且增加運輸效率，企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益。目前烏山銅鉬礦在排土場進行廢石倒運的部分路徑采用無人駕駛技術(shù)，有效地緩解了司機人員不足的問題，采用無人駕駛可以通過計算機智能系統(tǒng)來代替人工駕駛，能夠增加安全生產(chǎn)形勢，提升工人的生活幸福指數(shù)，同時提升了礦區(qū)的生產(chǎn)效率。

4.2 存在的難點

1）智能化露天礦山?jīng)]有建立完善的理論體系。對“什么是智能化開采”、“如何實現(xiàn)”、“如何實施”等基礎(chǔ)問題，不能進行系統(tǒng)的解釋，智能化開采沒有基本的思路與原則，難以達成共識。

2）露天礦區(qū)的地形復(fù)雜。對于限定的場景來說，無人駕駛是可控的，但露天礦區(qū)的地形復(fù)雜，每天都要進行爆破，無人駕駛卡車行進的路線需要實時更新，操作耗費需一定的時間，影響每日的開采量；無人駕駛卡車行駛途中有可能會掉落礦石，后車對前方的障礙物不能及時地進行判斷，可能會造成系統(tǒng)故障或道路堵塞。

3）無人卡車的應(yīng)用需要投入大量成本。每輛卡車都需要配置全套的傳感器，建立5G 通訊技術(shù)和遠(yuǎn)程操作平臺，還需要配置更多的安全措施，以及為系統(tǒng)故障及網(wǎng)絡(luò)安全所增加的額外成本。

5 結(jié)語

目前，我國露天煤礦開采的產(chǎn)量處于逐年上升的階段，通過國內(nèi)外露天礦山當(dāng)前智能化發(fā)展現(xiàn)狀的分析可知，當(dāng)前露天礦山智能化發(fā)展趨勢為露天礦山自動化裝備及自動化系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用、信息化數(shù)據(jù)鏈的集成、數(shù)據(jù)處理和決策、生產(chǎn)智能化設(shè)計與礦山開采整體管控。