1、金屬礦山數字化技術進展與自動化采礦,北京科技大學 胡乃聯,報 告 提 綱,數字礦山技術進展 露天采礦自動化技術 地下采礦自動化技術 結束語,4,3,2,1,1 數字礦山技術進展,1 數字礦山技術進展,數字礦山在我國從概念的提出，到研究、開發、建設、應用已經經過了十幾個年頭； 伴隨著礦業市場的起伏變化，數字礦山的建設與應用取得了長足的發展； 信息技術的不斷進步，大數據、云計算技術的發展，互聯網+概念的提出，為數字礦山的建設注入了新的活力； 一些新的概念、提法也在不斷出 現； 自動化、信息化、數字化技術在 礦山的深層次應用。 信息技術不斷進步，數字礦山內 涵不斷發展。,1 數字礦山技術進展,1.1

2、 礦業軟件的發展與應用 1.2 生產過程自動化技術進展 1.3 安全管理技術進展 1.4 其它管理系統技術進展 1.5 總結,地質資源的數字化、可視化； 地質環境的數字化、可視化； 開采設計的數字化、最優化； 生產計劃的數字化、最優化。,1 數字礦山技術進展,1.1 礦業軟件的發展與應用 地質資源的數字化、可視化： 同其它系統無縫集成： 信息采集系統Pad、電子手簿，信息的采集與輸入問題； 儲量管理系統儲量、生產礦量管理問題； 測量驗收系統損失貧化、指標考核問題。 儲量信息動態更新問題 露天礦臺階、爆堆品位分布，地下礦采場分層、分段儲量、品位的及時更新。,1 數字礦山技術進展,1.1 礦業軟件

3、的發展與應用 地質環境的數字化、可視化： 同FLAC3D等數值計算軟件結合，描述礦山活動范圍內礦巖地質構造、應力應變分布規律； 礦巖人工開挖后應力應變的變化； 難度：矢量。,1 數字礦山技術進展,1.1 礦業軟件的發展與應用 開采設計的數字化、最優化： 露天礦山，開采境界優化， Whittle軟件的應用； 地下礦開拓系統設計、 采準設計、回采設計；,1 數字礦山技術進展,1.1 礦業軟件的發展與應用 生產計劃的數字化、最優化： 露天礦山應用相對成熟； 地下礦山應用還很少，計劃編制 一般還是綜合平衡。,1 數字礦山技術進展,1.2 生產過程自動化技術進展 利用GPS衛星導航系統，指揮調度穿孔爆破

4、、裝載、運輸、排土設備的運轉，露天礦山的應用已經非常成功。主要應用有： (1) 鉆機精確定位與作業控制 (2) 電鏟作業優化控制 (3) 卡車跟蹤與優化調度 (4) 推土機作業優化控制 (5) 露天礦邊坡位移檢測,1 數字礦山技術進展,1.2 生產過程自動化技術進展 研究基于北斗衛星露天礦生產調度系統。 北斗衛星導航系統第三個成熟的衛星導航系統，已經實現了對東南亞的全覆蓋； 目前北斗系統在軌衛星數達到 了17顆，已經實現區域定位， 但還不具備全球定位能力。 2014年底，北斗衛星導航系統 已獲得國際海事組織的認可。,1 數字礦山技術進展,1.2 生產過程自動化技術進展 地下礦作業地點分散、作業

5、過程不連續、作業條件惡劣，生產過程自動化、數字化難度較大。 生產信息的自動化采集、處理。 地下礦智能調度； 礦山固定設備的自動化：提升、運輸、通風、排水、充填、供電、供風等 減少井下人員，提高可靠性； 礦山移動設備自動化：鑿巖臺車、鏟運機、井下運輸車輛（電機車、卡車等） 自動化采礦 ；,1 數字礦山技術進展,1.2 生產過程自動化技術進展,1 數字礦山技術進展,1.3 安全管理技術進展 利用信息化、數字化技術，緊密結合六大系統建設，尾礦庫在線監測系統建設，礦山安全狀況有了明顯改善； 地下金屬礦山由于生產覆蓋面廣、作業中段多，現場工作條件復雜，安全問題還很多。,1 數字礦山技術進展,1.3 安全

6、管理技術進展,作業環境的安全保障 作業人員的行為安全 對人員行為的動態描述 對生產人員安全素質的評估 作業設備的運轉安全 生產系統運轉的安全性 作業設備的狀態評估 安全制度保障,內容： 作業地點的巖石條件、頂板狀態； 通風條件；動力供應條件； 手段： 微地震監測、應力應變監測； 作業環境智能化在線監測； 作業現場的實地檢查。,手段： 井下人員跟蹤定位 下井人員考勤與安全狀態分析 安全生產調度與生產排班,內容： 安全操作水平 安全培訓狀態 關鍵工作崗位經歷 安全違章記錄 手段： 建立人員安全檔案,內容： 設備運行狀態參數 手段： 設備智能化在線監測 設備運行記錄與管理,內容： 設備維修、故障記錄

7、 設備運行狀態統計分析 手段： 建立設備安全檔案,安全制度與安全規范安全檢查、隱患整改,1 數字礦山技術進展,1.4 其它管理系統技術進展 集團管控下的礦山，財務、銷售、人力資源、設備資產，甚至物資采購供應都受集團控制； 礦山的生產經營管理主要是預算的分解與執行、生產信息的統計收集、生產成本的核算； 規劃好與集團ERP或其他形式的信息系統的信息共享與交換，建設協同化的生產管理系統，是礦山信息化的主要任務； 這些內容的開發建設，具有一定的通用性，一些計算機軟件公司往往具有一定的優勢。,1 數字礦山技術進展,1.5 總結 建設成就 （1）礦山裝備水平、自動化水平提高； （2）礦山管理模式轉變、管理

8、水平提高； （3）資源綜合利用水平提高； （4）礦山安全狀況改善； （5）礦山復合型人才的培養； （6）對相關產業的帶動作用。,1 數字礦山技術進展,1.5 總結 存在問題 （1）直接經濟效益的體現； （2）對數字礦山的片面認識； （3）重硬件購置、輕軟件開發； （4）管理模式、管理水平； （5）系統運維問題； （6）專門人才問題。,2 露天采礦自動化技術,2 露天采礦自動化技術,利用GPS衛星導航系統，指揮調度穿孔爆破、裝載、運輸、排土設備的運轉，露天礦山的應用已經非常成功。 設備的自主運行，特別是車輛的自主運行，困難還很多。 車輛的自動化運行，分為以下三個階段： (1) 視距內遙控車輛。

9、(2) 遠程遙控車輛。 (3) 無人操作自動化車輛。 為了實現車輛的自主運行，Caterpilar、Komatsu、Liebherr等設備制造公司從2008年就開始這方面的研究工作，取得了一些進展。,2 露天采礦自動化技術,利用激光或雷達傳感器陣列感知周圍環境，從而避免碰撞; 障礙檢測處理軟件根據傳感器信息，計算出車輛是否要照顧其他車輛，路 上是否有人或其他障 礙物； 雨、雪、霧和巖塵等 環境因素也要考慮。,2 露天采礦自動化技術,2008年，Rio Tinto在其所屬的澳大利亞West Angela鐵礦，對小松無人操作運輸系統（AHS）進行了試驗； 取得初步成果后，2011年，為Yandi-

10、coogina鐵礦從小松訂購了150臺無人操作自動化汽車，2012年開始交貨； 汽車由遠離礦區1500km的Perth Rio Tinto操控中心控制，這個中心管理著14個礦，3個港口和3條鐵路。 Liebherr也在進行礦用汽車自動化方面的開發研究，為將來打基礎。,2 露天采礦自動化技術,開展實質性的研究與試驗的主要是幾個大的礦業公司所屬礦山，如： 2013年，Caterpilar在BHP Billiton所屬的西澳州Jimblebar礦，現場進行了無人操作自動化礦用汽車實際生產試驗； Caterpilar還和FMG的Solomon鐵礦合作，爭取在3年內實現該礦45臺Caterpilar自動

11、化礦用汽車的目標；,2 露天采礦自動化技術,礦用汽車無人操作自動化的特點： (1) 徹底解決了司機的安全問題； (2) 提高生產率和作業率，降低作業成本； (3) 解決了技術工人 缺少問題，特別是在 邊遠地區； (4) 傳感器價格較 貴。,3 地下采礦自動化技術,3 地下采礦自動化技術,研究和應用自動化采礦的礦業發達國家主要有：芬蘭、加拿大、瑞典、澳大利亞、南非等，它們從上世紀90年代即開始相關的研究和實驗。 下面以瑞典基率納鐵礦為例來了解自動化采礦的技術進展。 瑞典LKAB公司：1890年在瑞典斯德哥爾摩成立，包括兩個地下礦和一個露天礦： 基律納（Kiruna）鐵礦; 馬姆貝里耶特（Malm

12、berget）鐵礦; 斯瓦帕瓦拉(Svappavaara) 露天礦。,3 地下采礦自動化技術,基律納鐵礦,基律納鐵礦塌陷區,3 地下采礦自動化技術,馬姆貝里耶特鐵礦,馬姆貝里耶特鐵礦塌陷區,3 地下采礦自動化技術,基律納是瑞典北方的最大城市，也是瑞典的主要旅 游城市。位于北極圈以北145千米，北緯67.8 （北極 圈66.34）。 （1）極光 （2）極晝（3月30日7月15日） 極夜（12月13日次年的1月5日） （3）冰雪旅館 （4）礦井旅游,3 地下采礦自動化技術,基律納旅游特色 （1）極光,3 地下采礦自動化技術,基律納旅游特色 （2）極晝（3月30日7月15日） 極夜（12月13日次年

13、的1月5日）,3 地下采礦自動化技術,基律納旅游特色 （3）冰雪旅館,3 地下采礦自動化技術,基律納旅游特色 （4）礦井旅游 每年6月1日至8月31日，每天上、 下午各一批； 門票：成人SEK345，包含大巴、 導游、咖啡和餅干。,3 地下采礦自動化技術,3.1 地質 基律納鐵礦床是火山噴發沉積形成的，礦體賦存于角斑巖（下盤）與石英角斑巖（上盤）之間，大致呈板狀，走向近南北，礦體走向長大約4000m，礦體傾向東，傾角50-70 度，礦體水平厚20-200米，平均厚80m，延深2000m。 主要鐵礦物是磁鐵礦，少量為赤鐵礦。礦石TFe 含量在30%-65%，平均含量60%以上，P 的含量在0.0

14、5%-5%，平均含量2%，控制鐵礦石儲量約22億噸。 基律納鐵礦礦石與圍巖都很穩定，井巷工程一般不需支護。,3 地下采礦自動化技術,3.2 開 拓 1910年開始露天開采，1965年開始轉為地下開采。 開拓方式為豎井/斜坡 道聯合開拓。 主斜坡道進口段（ 230 m ）為單車道、雙巷，420 m時合并成為雙車道，坡度為1 1 0，雙車道斷面尺寸為8 m 5 m； 豎井位于礦體下盤，同一工業場地建多條豎井； 當前的生產中段為1045，開拓、采礦準備中段為1365。 1045m水平礦石儲量為4. 3億t。分成8個礦塊進行開拓，每個礦塊有4條礦石溜井，分別溜放磷品位不同的礦石。 在礦體下盤開鑿4條新

15、的斜坡道到達8個礦塊。,3 地下采礦自動化技術,3.2 開拓 中段高度 320中段，45米； 420中段，100米； 540中段，120米； 775中段，235米； 1045中段，270米； 1365中段，320米； 工業旅游中段在 540米水平。,3 地下采礦自動化技術,3.3 采礦方法 從地下開采開始一直采用無底柱分段崩落采礦法，結構參數不斷變化。 分段高度：12m，28.5m， 30m， 32m； 炮孔排距：開始 1.5-1.8m，現在 3.0-3.5m，每排炮孔崩礦量變化； 進路間距：相應變化。 回采進路斷面尺寸： 7.0 （ 6.5 ）m5.0m。 1045中段分為9個分段開采，分段

16、高度30米，第一個分段實際為28.5米。 1365中段分為10個分段開采，分段高度為32米。,3 地下采礦自動化技術,3.4 落礦 回采鑿巖主要采用安裝有 高壓水力潛孔沖擊式鉆機的遙控鑿巖臺車。 Length 12.9 m Width 3.0 m Height 3.0 m Weight 37 ton Power 170 kW Hole depth 55m Hole dia. 115 mm,3 地下采礦自動化技術,3.4 落礦 臺車利用激光系統進行準確三維定位，30m內偏斜率低于1.5%； 穿孔速度0.6-0.8m/min，300m/d，最高達到600m/d。 基律納鐵礦在提高鑿巖和爆破質量方面

17、已經取得了很大的進步，但是還有許多技術問題 需要解決，尤其是在節 理裂隙發育、多孔洞的 巖體中。,3 地下采礦自動化技術,4.4 落礦-自動化鑿巖,3 地下采礦自動化技術,3.4 落礦-自動化鑿巖 自動化功能： (1)布孔計劃的傳遞 (2) 推進梁精確定位 (3) 準確平穩開孔 (4) 鑿巖和接卸桿 (5) 自動卸桿并在鉆桿架 歸位 (6) 推進梁在下一個開孔點定位。 成功的經驗： 用戶和制造商緊密合作、可靠的設備、預測維修。,3 地下采礦自動化技術,3.4 落礦-自動化鑿巖 Simba W469遙控鑿巖臺車,3 地下采礦自動化技術,3.4 落礦-裝藥 LKAB全資子公司Kimit（基米特）公

18、司專門為基律納鐵礦的采礦方法變革研制炸藥和裝藥車。 為了把液體炸藥保持在大直徑（115mm）， 上向深孔（40-50m）的應有位置，炸藥 的粘度必須很高。Kimit公司專門研制了 抗水性好、粘度高的乳化炸藥，可以預 裝藥，不受孔內積水影響，返藥量少。,3 地下采礦自動化技術,3.5 采場出礦 采場出礦采用Toro 501E型鏟運機，載重15 t，單臺效率為320t/h； 為了滿足自動化出礦的需要，1045m水平用新開發的Toro 2500E鏟運機，斗容25t，單臺效率為500t/h，每周平均出礦3. 0 3. 5萬t； 2500E長14m，寬3.7m，高3.2m。 采用獨特的電纜收放技術（專利

19、技術），運行距離達180m； 無廢氣排放、低噪音、粉塵少、輪胎壽命長，便于集中維修。,3 地下采礦自動化技術,3.5 采場出礦-自動化出礦 1990年開始的鏟運機（LHD）自動化試驗，人工裝載，運行和卸載自動化完成，借助埋在巷道底板內的金屬纜控制鏟運機運行。 人工裝載的目的是： 避免大塊卸入溜井； 人工控制產礦位置， 有利于改善損貧指 標。,3 地下采礦自動化技術,3.5 采場出礦-自動化出礦 導航系統費用高，缺乏靈活性，每次爆破后要延長金屬纜，重新布置裝載工作面；運行速度慢（10-12km/h）。 由于運行速度慢，需要更多的鏟運機。 1999年開始使用Toro 2500E進行新的試驗。,3

20、地下采礦自動化技術,3.5 采場出礦-自動化出礦 對導航系統進行了大的改進，利用安裝在巷道側壁的反射條帶來計算LHD的位置(延壁法)。LHD上裝有一臺低功率激光掃描器，計算機自動記錄每一反射器的精確位置。 LHD能夠在每秒鐘內調 整其位置達40次。 新的自動化系統的主要優 點是LHD運行速度可以達 到18km/h。徹底解決了LHD 的運行速度問題。,3 地下采礦自動化技術,3.6 其它作業 提升； 運輸； 噴漿； 錨桿。 馬姆貝里耶特礦的運輸。,3 地下采礦自動化技術,基律納鐵礦的技術特點非常鮮明：高階段、大結構參數、高效率、自動化。 機械化、自動化必然帶來高效率。全礦共有4000 多名員工，

21、從事井下作業的有500人左右。例如：鏟運機司機原來大約有100人，現在只有原來的三分之一； 井下人員平均勞動生產率達到40000t/ a。 隨著機械化水平的提高，直接從事井下作業的人員還會減少。,3 地下采礦自動化技術,分析國外自動化采礦比較成功的礦山，例如： 瑞典基律納（Kiruna）鐵礦 智利特尼恩特（El Teniente）銅礦 加拿大（Inco）國際鎳公司 南非芬斯（Finsch）金剛石礦 澳大利亞奧林匹克壩（Olympic Dam）銅鈾礦 芬蘭奧托昆普（Otokumpu）公司 印尼Grasberg深部礦帶 這些礦山有一些共同的特點。,3 地下采礦自動化技術,除奧林匹克壩銅鈾礦外，大都

22、是采用崩落法采礦的礦山，特別是采用自然崩落法的礦山； 正是由于這種采礦方法工序比較簡單，出礦點相對固定，所以成為自動化采礦發展較快，也能連續生產的礦山。 因此，礦山生產技術條件是實現自動化采礦的重要影響因素。 適應自動化采礦的開采工藝：礦體規模相對較大，中深孔、大孔落礦、相對固定出礦點。,4 結束語,4 結束語,在我國，最近十幾年一直致力于數字礦山的開發建設工作，取得了一些成效； 開采條件的惡化，人類文明的進步，要求進行自動化采礦； 在礦業發達國家，信息技術的應用已相當普及。二十世紀后20年，這些國家礦山信息化的重點已轉到地下礦山生產過程自動化，實現遠程遙控和自動化操作方面。 目標：徹底改善工人的勞動條件，實現無人或少人采礦，實現采礦辦公室化。,4 結束語,總體而言，我國礦業還處在工業化發展中后期，工業化水平差異非常之大。,4 結束語,自動化采礦受到一些具體條件的限制：