走向礦業的未來

─智能采礦中南大學古德生2013年6月前言

現代采礦科學技術發展很快，新的學術思想、理論、技術不斷涌現。縱觀礦業發展的大趨勢，我國金屬礦業面臨三大發展主題：①堅持礦業的發展道路——綠色開發②開拓礦業的前沿領域——深部開采③走向礦業的未來目標——智能采礦本報告要講的是第三個發展主題—智能采礦。進入21世紀，信息技術快速發展，給傳統礦業帶來巨大的沖擊。我國是個礦業大國，但不是強國,

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是個相對落后的行業。要改變這種狀況，唯一的出路是發揮后發優勢,走工業化與信息化融合發展的道路,推進礦業走向未來——智能采礦。

下面講六個問題：

①金屬礦業支撐著國家經濟發展

②以信息技術帶動礦業的發展

③礦業工業化與信息化的融合

④礦山信息化的基礎—數字礦山

⑤礦業未來的目標—智能采礦

⑥創新驅動智能采礦技術研究2一、金屬礦業支撐著國家經濟發展1.我國已成為世界工業大國

◆工業發展速度與規模—

1979年,全國工業總產值約4600億元，到2011年增加到85萬億元，增長了184倍。發展速度和規模前所未有。

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◆工業化水平—

2005年，我國工業化水平綜合指數為50，多年來，綜合指數年均提高4-5；到2012年，工業化水平綜合指數已達到80左右,已由改革開放初的工業化早期階段，進入到了工業化后期階段。32.國家的金屬產量持續增長近十年來，金屬產量大幅增長(如下表1)。

從1990-2010年，人均GDP增長20.8倍，同期鋼增長8.4倍，十種有色金屬增長7.5倍。沒有金屬產量同步增長，就沒有國民經濟的可持續發展。年度1990199520002002200520082010人均GDP,美元2005818201090170332664361鋼產量，萬噸653596361285022234349365400063000十種有色金屬量,萬噸23949678312601635252018004

3.人均資源消耗強度的高峰期

據有關研究，工業化過程中，隨人均GDP的增長，人均資源消耗將呈“S”形曲線變化，（如圖1）。mn人均礦產資源消耗人均GDP

今后15-20年，我國人均資源消耗強度將達到高峰期，資源供給問題將更加嚴峻。5

我國粗鋼、鋁、銅等主要金屬消耗量，將于2015—2025年達到高峰期（如下表2）。

年份金屬2009年2015年2020年2025年2030年高峰期年粗鋼,億噸6.56-76.65.62015鋁,萬噸14392000270016002025銅,萬噸75380014009002025

當前,我國六種金屬Cu、Pb、Zn、Al、Ni、M0的人均消費量,只有美國的1/5.9--1/32.4。64.主要金屬資源的對外依存度高

由于工業化城市化的快速發展，資源消耗猛增，資源對外依存度攀升（如下表3）。

2010年中國人均GDP為7371美元,粗鋼消費強度達69.4噸/百萬美元,已超過發達國家消費峰值的上限，理應緩慢下行。但并非如此。金屬品種時間,年金屬消耗量萬噸/年年消耗量占全球比例%達峰值時間,年峰值需求量,萬噸/年資源對外依存度%鋼鐵201365000/20156-7億噸65-75%鋁201016504620252700-300050%銅20107533620251400-160070%7二、以信息技術帶動礦業的發展1.人類文明過程中礦業的發展階段(見圖2)●

據人類各發展階段的礦產品的需求，劃分為:

①傳統礦業階段。鐵.銅.鉛.鋅.錫.煤,是人類社會初期到工業化初期、所依賴的礦產品。

②現代礦業階段。鋁.鉻.錳.鎢.鎳.礬.石油.天然氣等，是工業化時期急迫需求的礦產品。

③新興礦業階段。新需求的礦產品有鍺.鉑.稀土.

鈦.鋰.鈾等，是后工業化進入高技術的時代。8目前,我國金屬礦業正處于現代礦業的中期階段。

92.我國國金金屬屬礦礦業業的的基基本本狀狀況況●礦山山有有19600多座座，，地地下下開開采采為為主主，，分分三三類類：：①少數數現現代代化化大大型型礦礦山山。。其裝備技術水水平和資源綜合利用程程度，接近礦礦業發達國家家水平。②相當數量的中中型礦山。其裝備為上世世紀七十年代水平，資資源綜合利用用率較低，管管理粗放。③大量的小型礦礦山。機械化化程度度低、、管理理粗放放、安全、、環境境問題題突出出，資資源浪浪費嚴嚴重。。我國金屬礦礦業總總體上落落后于于國家家工業業化的整體體水平平。103.發展礦礦業信信息技技術的的戰略略意義義①何謂信信息技技術？？——是研究究信息息的獲獲取、、傳輸輸和處處理的的技術術；主主要包包括計計算機機技術術、通通信技技術、、傳感感技術術和微微電子子技術術。●信息技技術具有三三個特特性——應用的廣泛泛性；技術術間的融合合性；發展展空間無限限性。這些特性驅驅動著傳統統產業的變變革、使企企業效益倍增、工業化進程程加快。11②發展信息技技術是重大大戰略舉措措信息技術是是新技術革命命的支柱：：其一，是因為GDP增量的貢獻獻最大,為其他產業業發展提供供了支撐；；其二，是它對整個個社會政治治、經濟、、文化生活活（從電子子政務.電子商務.網上銀行.現代服務業業到多媒體體和文化產產業等）產生重大影影響，對全球經濟濟做出巨大大貢獻。改變人類一一個時代。。金屬礦業如如何實現跨跨越式發展展，唯一出路是是用信息息技術改造造傳統礦業業。124.關于礦業發發展路徑的的思考●人類發展史史是先有農農業國的工工業化，然然后才有工工業國的信信息化。因因此，有人就認為為我國礦業業的發展應應該先工業業化，后信信息化，似乎“兩化化”只能非非此即彼。。持這觀點人人認為，礦業信息化化并非當務務之急，因因此，礦業業信息化也也就舉步維維艱，這是個誤解解。事實上，信信息化是發發展最快、、最為先進進的生產方方式，它代表了人人類社會的的前進方向向。雖然信息息化不能能代替工工業化，，但它是是各行業業發展工工業化的的巨大推推動力。。135.走工業化化與信息息化融合合的發展展路徑我國礦業業在面向向未來的的追趕中中，應該該選擇現現代化的的運河戰戰略—走工業化化與信息息化融合合的協調調發展道道路（見見下圖）），理由如下下：①是實現礦礦業經濟濟現代化化目標的的需要我國目標標是在2050年達到發發達國家家水平。。然而，當當前我國國礦業總總體上只只處于中中等發達達的階段段,如果走傳統發發展道路，則則中國礦業現現代化需要60-80年時間。所以，，要開拓創創新，另辟新新徑。14②是經濟全球化化的需要世界礦業經濟濟已經走向全全球化。我國是個相對對落后的礦業業大國，礦產資源對外外依存度很高高，如果走傳傳統發展道路路，中國礦業如何何適應經濟全全球化，參與與國際礦業的的競爭。基于上述原因因，中國礦業必須須利用先進信信息技術這一一后發優勢，，走工業化與與信息化融合合的協調發展展道路，才有可能實現現跨越式發展展，實現礦業業強國的夢，，別無選擇。。1516三、礦業工業業化與信息化化的融合1.何謂信息化？？——在信息網絡環環境下，高度度應用信息技技術，共享信信息資源，人人的智能潛力力和社會資源源潛力得到充充分發揮，個個人行為、組組織決策和社社會運行趨于于理想狀態。。這個由信息技技術驅動的經經濟增長和社社會發展模式式的轉變過程程，稱為信息息化。172.“兩化”融合的內涵●1993，開始討論““兩化”融合問題。其內涵是：①發揮信息化的的主導作用。。在“兩化”融融合中，由信信息化主導礦業工業化的的發展方向，，以信息化帶帶動工業化，，以工業化促促進信息化。。②推動“兩化””彼此兼容和和滲透。“兩化”的融合合，是信息技技術產業的發發展與傳統礦礦業改造的緊密結合，是兩者兼容和滲滲透的動態發展過過程。③實現“兩化”融合的目標。。推動礦業的優優化和升級，，從而實現傳統礦業的改造和和跨越。183.以信息化推動動礦業的發展展①我國金屬礦業業落后于國家家工業的總體體水平表現在六個方方面：礦業增長主要依依靠要素投入入，技術水平平提升緩慢，，不可持續；；礦山裝備研發能力不強強，中小企業業的技術裝備備長期得不到到更新;行業組織結構構問題不少，，設計、研究究與生產脫節節；科技研發發能力相對薄薄弱，缺乏重重大創新性成成果；缺少有競爭實實力的跨國企企業；高端的工程技技術與管理人人員嚴重不足足等等。19②礦業要順應信信息化的大趨趨勢●歐盟曾發表《21世紀的挑戰和和道路》白皮書，把建建立信息化社社會看作是“21世紀的生死攸攸關的問題”。在國民經濟中中信息經濟正正逐漸占據主主導地位。一些有識信之士已認識識到：信息化已逐漸漸成為衡量一一個國家和一一個企業發展展水平的標志志。只有重視視信息化基礎礎建設，推進進礦業“兩化化”融合，，才能實現礦礦業的升級改改造，實現礦礦業的跨越式式發展，與其其他行業同步步走向知識經經濟。204.智能采礦是向向知識經濟過過渡的產業形形態●何謂“知識經濟”？是指建立在知知識與信息的的生產、傳播播與應用基礎礎上的經濟。。它是相對于于工業經濟濟而言的概念念。知識經濟的基本內涵——以智力資源為為依托，高科科技產業為支支柱,以知識和技術術創新為動力力，以創造教教育為本源的的一種新型經經濟。信息技術是推推動礦業走向向知識經濟的主導技術；；智能采礦是礦礦業向知識經經濟過渡的產產業形態，該該形態的表述述可參考下表表。21項目工業經濟知識經濟（信息經濟）推動力蒸汽機技術，機電技術信息技術.新能源.新材料.生命科學.空間科學支柱產業工礦制造業（資本密集型產業）高新技術服務業（知識密集型產業）資本形態金融資本（產生剩余價值的價值）智力資本（產生超值價值的價值）資產形態有形資產（廠房.設備.能源.原材料）無形智力資產（專利、商標、軟件）資源形態有形資源（礦產.土地.農作物.森林等）無形資源（智力勞動物化的智力資料，如數據.信息.知識等）勞動力結構直接在車間的生產工人占80%以上從事智力生產和傳播人員占80%以上社會主體工人階層知識階層分配方式1）按勞分配,計時工資制；2）必要勞動（工人）和剩余勞動（資本家）按業績付薪酬，人人都是經濟主體，和企業的關系相對松散22四、礦山信息息化的基礎——數字礦山●1.何謂“數字礦礦山”——在統一時空框框架的礦山整整體環境下，，對采礦過程程及其相關工工程響應進行行統一描述、、全面監控、、數字表達與與集成，并由由此再現的虛虛擬礦山，稱為數字礦山。●在數字礦山山發展過程程中,出現許多如如數字礦山山、智能采采礦、智慧慧采礦、自自動化采礦礦、遙控采采礦、無人人采礦等等等同義詞，近近義詞。其中“數字礦山”和“智能采礦”兩詞比較科科學，但它所表述述的不是同同一概念。。232.數字礦山的的初期發展展——礦山數字化化的研究，可追朔到上上世紀60年代，即電子管管計算機年年代，當時時只用于通通風網絡解解算；——上世紀80年代微電子技術術的發展，，礦山數字化化和信息化化的研究，主要作為一一種數值計計算與模擬擬的輔助工工具、用于于礦山管理理與采礦技技術領域；；——早期的礦山智能化化的研究，多局限于單單臺礦山設設備的操作作與自動控控制；24——礦山信息化化與智能化化研究，長期處于獨獨立進行之之中，上世紀末，，才開始礦山山整體信息息化智能化化的探索，，進入了智能采礦研研究的新階階段。3.礦山數字化化、信息化化與智能化化三者的關關系數字礦山是是實現礦山山信息化與與智能化的的基礎環境；礦山信息化化智能化的的融合與發發展，是實實現未來智智能采礦的的創新過程；而智能采礦是是礦山數字化化、信息化與與智能化發展展的最終目標。三者的關系系，表現為相相互滲透、融融合的有機整整體。254.數字礦山涵蓋蓋的基本內容容●為了對數字礦山有個個基本了解和和實感認識,數字礦山的主主要內容概略略表述如下：：①礦山空間數據據獲取與應用用；②礦山地質建模模與空間插值值技術；③基于空間信息息模型的采礦礦系統工程；；④礦床開采方式式與優化；⑤數字字化化采采礦礦設設計計；；⑥礦山山生生產產計計劃劃編編制制技技術術；；⑦采礦礦模模擬擬仿仿真真與與虛虛擬擬現現實實；；⑧礦山山數數字字化化的的生生產產與與安安全全管管控控系系統統；；⑨智能能采采礦礦裝裝備備與與自自動動化化技技術術………。26五、、礦礦業業的的未未來來目目標標—智能能采采礦礦1.何謂謂““智智能能（（化化））采采礦礦””？？———在礦礦床床開開采采中中，，以以開開采采環環境境數數字字化化.采掘掘裝裝備備智智能能化化.生產產過過程程遙遙控控化化.信息息傳傳輸輸網網絡絡化化和和經經營營管管理理信信息息化化為為特質質，以安安全全.高效效.經濟濟.環保保為為目標標的采采礦礦工工藝藝過過程程，，稱為為智智能能采采礦礦。。未來來礦礦山山的的智智能能采采礦礦，，是是富富有有知知識識經經濟濟時時代代特特點點的的采采礦礦模模式式，，是21世紀紀礦礦業業發發展展的的前前瞻瞻性性目目標標。。它它將將給給礦礦業業帶帶來來根根本本性性的的變變革革。。272.實現現““智智能能采采礦礦””的的基基本本任任務務①創建建采采礦礦生生產產管管控控一一體體化化的的綜綜合合信信息息平平臺臺。。采用用信息息技技術術實現現資資源源科學學評價價與與管管理理、、優優化化開開采采設設計計與與生生產產計計劃劃、、保保障障安安全全環環境境監監測測與與預預警警等等。。②研發發大大型型化化智智能能化化的遙控控與與自自動動定定位位采采礦礦設設備備。。特別別要要加加大大投投入入,加強強礦礦山山智智能能化化采采礦礦設設備備的的研研制制.沒有有先先進進裝裝備備,就不不可可能能有有先先進進工工藝藝。。③創新新與與智智能能設設備備效效能能相相適適應應的的高高效效采采礦礦技技術術。三類類采采礦礦法法：：階階段段自自然然崩崩落落法法、、階階段段礦礦房房連連續續回回采采嗣嗣后后充充填填采采礦礦法法和和開開采采環環境境再再造造階階段段落落礦礦采采礦礦法法。。28●3.智能能采采礦礦的的基基本本框框架架（（見見下下圖圖））采礦礦生生產產管管控控一體體化化信信息息平平臺臺信息息技技術術智能能技技術術數字字化化礦礦山山智能采采礦礦業未未來追求目目標智能采采礦創新過過程智能采采礦基礎平平臺與智能能設備備相適應的的采礦礦技術術遠控遙遙控自自動定位采采礦設設備294.“智能能采礦礦”的的基本本內涵涵①礦床模模型與與礦床床開采采設計計數字字礦山山軟件件;②金屬礦山采采掘、裝載載、運輸等等智能設備備;③適應智能設設備作業的的高效采礦礦工藝技術術;④礦井數據采采集、通訊訊與視頻的的傳輸網絡絡;⑤礦山移動設設備遙控與與生產過程程智能控制制;⑥礦山系統智智能監測與與作業運行行集中遙控控;⑦礦山生產計計劃組織與與經營管理理信息系統統….智能采礦是是個漸進的的發展過程程,在這過程中中,其科技內涵涵將不斷豐豐富、擴展展和延伸。。305.國外的智能能采礦的研研究●①智能采礦實實例上世紀90年代,芬蘭.加拿大.瑞典為了取取得競爭優優勢,就開展了“智能礦山”研究。舉三例：◆瑞典基魯納納礦（Kiruna）采用無底柱柱分段崩落落法。1970年,在地面控控制室實實現了遙控井下下鑿巖臺臺車和裝裝載機作作業；以后，，又實現現了主運運輸平巷巷的機車無人人駕駛和機車自自動卸載載。從而而全面實實現了地地下礦的的智能采采礦。31◆加拿大國國際鎳公公司（lnco）1996-2000年,智能采礦礦五年計計劃的研研究內容容:①先進的地地下移動動計算機機網絡;②采礦過程程監控與與遙控軟軟件系統統;③適合遠程程遙控采采礦的特特殊采礦礦法;④先進的智智能化采采礦設備備;⑤地下鏟運運機的自自動定位位和導航航系統。。效果:采礦作業業從每天天（24小時）一一個循環環.提高到三個循循環；采礦勞動生產產率從2006年的3350噸/人年，提高到到2008年的6350噸/人年。32◆智利特尼恩特特（Teniente）是年產礦石千千萬噸的地下下礦山，采用用自然崩落法。采用遙遙控化出礦，，采礦控制室室設在地面，，距生產區15公里；單一采采區產量達到到10000t/d，另一個正在建建設的采區,產量將達到28000t/d②國外研究礦山山智能與通訊訊設備的簡況況◆目前，研制智能設備備的主要有三大公司：阿特拉斯（Atlas.copco）公司、山德德維克（sandvik）公司司，卡卡特彼彼勒（（Caterpillar）公司司。33◆已用于于生產產或已已經完完成試試驗的的采礦礦智能能設備備有——地面遙遙控的的自動動化鑿鑿巖臺臺車、鏟裝運運設備備的自自動定定位和和導航航、地面遙遙控全全自動動裝載載機、無線導導向礦礦山電電動卡卡車、地下礦礦山無無線通通訊系系統等等。◆尚未完完成研研究試試驗的的設備備有——噴射混混凝土土作業業的自自動化化、裝裝藥自自動化化、設設備位位移與與維修修智能能化等等。34356.我國““智能能采礦礦”的的起步步研究究①已開展展的國國家級級主要要研究究項目目《數字化化采礦礦關鍵鍵技術術與軟軟件開開發》《井下采采礦遙遙控關關鍵技技術與與裝備備的開開發》《千米深深井地地壓與與高溫溫災害害監控控技術術與裝裝備》《地下金金屬礦礦智能能開采采技術術》863，國家家投入入了一一個億億。此外，，也開開展了了一批批國家家自然然科學學基金金項目目。36②我國礦礦山信信息化化智能能化研研究簡簡況主要成成果：一些礦礦山已已經建建立了了井下下光纖纖主干干通訊訊網絡絡；開開發了了與智智能采采礦相相關的的無線線數字字通訊訊技術術；采采用了了井下下人員員跟蹤蹤定位位系統統和井井下地地壓災災害監監控系系統；；研發發了大大一批批具有有知識識產權權的礦礦業軟軟件；；大批批礦山山進行行了數數字礦礦山基基礎建建設；；一些些進口口智能能采礦礦設備備得到到了應應用等等等。。37六、、創創新新驅驅動動智智能能采采礦礦技技術術研研究究1.大力推進進智能采采礦技術術研究①發展礦業業軟件產產業近幾年來來，出現現了許多多從事礦礦業軟件件開發的的企業，，研發發隊伍迅迅速壯大大，國產礦業業軟件產產品,基本上取取代了進進口產品品，市場場潛力很很大。當前，軟軟件開發發要重點點解決的的是:包括礦產產資源評評價、開開采優化化設計、、安全生生產管理理、生產產過程管管控等、、各種種功功能能集集于于一一體體的的礦礦山山綜綜合合信信息息軟軟件件平平臺臺的的開開發發，以實實現現資資源源高高度度共共享享，，為為智智能能采采礦礦提提供供信信息息支支撐撐。。38②建立立智智能能采采礦礦示示范范采采區區實踐踐智能能采采礦礦，，要要從建建設設示示范范采采區區起起步步，，首先先在在生生產產礦礦山山引引進進全全套套智智能能設設備備，，建建立立示示范范工工程程。。試試驗驗不不要要過過分分追追求求眼眼前前效效益益，，主要要目目標標應應著著眼眼于于引引進進技技術術、、產產業業升升級級、、轉轉型型發發展展、、跨跨越越發發展展，，走走新新型型工工業業化化道道路路。。示范范工工程程要要盡盡快快啟啟動動。一一些些比比較較落落后后的的發發展展中中國國家家，，都都在在準準備備推推進進智智能能采采礦礦試試驗驗，，如如蒙蒙古古OyuTolgoi銅礦礦、、巴巴布布亞亞新新幾幾內內亞亞Wafi金銅銅礦礦、、菲菲律律賓賓Didipio金銅銅礦礦等等。。39③引進進國外先進設備備與技術我國礦山設備備制造落后,要加大投入,以基礎較好的的廠家為主體體,開發遙控采礦礦設備。在可可能條件下,應該走技術引進-消化-吸收-再創新的道路路,這比重復他人人老路搞開發發要快、要好好。④從實際出發逐逐步推進我國金屬礦山山數以萬計，，大中型礦山是是推動智能采采礦的主力，，應該走在前頭頭，做出示范范；小型礦山應依依據自身條件件，有選擇地地移植、集成成、開發應用相關成果果，分步推進，不不斷提升科技技水平。402.實現“智能采采礦”需要多多學科交叉采礦工程是一一個科技覆蓋蓋面很寬、綜綜合性很強的的工程學科，，實現智能采礦礦涉及的學科科領域廣泛，，需要眾多學科科交叉。學科包包括：：礦產產資源源工程程、數數字地地質學學、測測繪繪科學學與技技術、、采礦礦學、、巖體體力學學、安安全科科學與與工程程、現現代工工程管管理、、環境境工程程學、、數字字礦山山技術術、現現代礦礦山裝裝備與與技術術、計計算機機科學學與技技術、、信息息與通通信工工程、、電子子科學學與技技術、、控制制科學學與工工程、、電氣氣工程程、統統計學學、系系統工工程等等等。。413.礦業人在在實踐““智能采采礦”中中的主導導作用在推進礦礦業信息息化、實實踐智能能采礦的的過程中中，采礦工作者者不是旁觀觀者，應該該起主導作作用。現在仍然有人認為為：人類的發發展史是先先有農業國國的工業化化，然后才才有工業國國的信息化化，我國礦礦業工業化化尚未完成成，所以，，礦業的信信息化不是是當務之急急，這顯然是誤誤解。前面已經對對“兩化””融合的必必要性和理理由作過闡闡述了。42其次，又有有人認為，，礦業信息息化是搞礦礦業軟件開開發人（信息產業業人）的事事，與采礦礦技術人員員關系不大大，這又是一個個誤解。信息產業是是生產信息息通信工具具（軟件））的產業，，而信息化化是指科技技工作者利利用信息產產品（所包包含的技術術）驅動礦礦業經濟增增長和發展展模式轉變變的過程，，作為從事和和主導開采采設計、礦礦山生產、、經營管理理的采礦工工作者，推推進礦山信信息化理所所當然是份份內的事，，是應盡的的職責。43特別應該指指出：由于我國礦業正正面臨開采條條件惡化、、開采深度度增加、礦礦石品位下下降、安全全環保標準準提高、市市場價格波波動等等不不利環境。。在這種情情況下，推推進智能采采礦雖然離離不開眾多學科專專家參與，，但真正要實現現安全、經濟濟、高效、、環保的目目標，在開采方法法、工藝技技術、生產產系統與經經營決策等等關鍵技術術面前，采礦工作者者始終處于于主導地位位，責無旁旁貸。所以,在推動和實實踐“智能采礦礦”的過程程中,采礦工作者者應該積極極、主動，，充分發揮揮主導作用。。444.完善現代采采礦工程人人才的知識識結構①人才是事業業發展的決決定因素知識經濟時時代，知識識是第一生生產要素，，掌握知識的的人才是第一一可寶貴的的。任何單位都都有一個核核心群體