露天矿山智能化建设探讨

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露天开采是1种安全高效的开采方式[1-2]。我国露天开采起步较晚近，30年来，由于露天矿基建投资小、投产快等优点逐渐兴起，开采技术迅速发展。当前人工智能、5G、机器人、智能识别等技术成为科技发展的方向，给我国资源开发的转型带来了机遇同时面临着技术革命的挑战[3]。2015年以来，基础工业智能化转型成为发展的主要方向，同时以政府为导向，推出一系列政策措施加速我国工业智能化步伐，为企业日后可持续发展、应对错综复杂的国际环境争取了宝贵时间，使我国矿业朝着安全高效、绿色可持续的方向发展[4]。

1国内外露天矿山智能化发展现状

1．1国外露天矿山

国外矿产资源条件适合露天开采，因此对露天开采技术进行了长时间的探索，露天开采智能化已经取得了较大进展。为了保护工人的生命安全，瑞典山特维克矿山工程机械集团研发了EDC系统，对穿透率、孔底距离、钻杆防护作业效率等进行有效防护，一旦超出系统设计的限值，系统将会提醒钻机司机。美国卡特彼勒公司利用计算机技术推出了MineStarTM系统和Holepro系统，运用制导技术，该系统能够根据现场地形位置对钻孔作业开展相关管理，并将系统信息上传并应用于整个采矿作业中。国外从20世纪70年代开始探索露天矿山无人驾驶技术，美国卡卡特彼勒公司在该技术较为领先，MineStarTM系统同样运用在无人驾驶卡车上，并在澳大利亚、南美洲等地矿山现场实现了无人驾驶[5]。

1．2国内露天矿山

我国露天矿山经历了机械化、自动化、数字化等阶段，目前主要向智能化发展。我国露天矿山大量引进国外先进的开采设备，并投入使用，但是由于管理经验不足，缺乏相关专业人才，对露天矿山智能化重视程度不足，导致我国与世界发达国家在露天矿山智能化方面还有较大差距[6]，但近年来随着人工智能、5G通信，大数据处理等技术的高速发展，国内露天矿山智能化也取得了重大突破，具有代表性为华能伊敏露天矿、神华准能集团和中煤平朔集团等[7]：中煤平朔集团安太堡露天矿通过建设GPS智能卡车调度系统，实现了现场各个设备的定位、并可在云端进行设备的调用，对正在工作的设备实时监控，通过合理利用设备优化了生产效率；神华准能集团建设了车辆防碰撞预警系统，主要通过采集车辆的行驶信息，主要包括GPS坐标、行驶速度、行驶方向等，通过电子地图进行道路拟合，在车辆可能发生碰撞时作出预警；2020年神华宝日希勒露天矿实现了世界首个极寒条件下无人卡车编组试运行[8]。上述矿山的智能化建设工作主要网络数据共享为平台，逐步建设了三维地质模型生成系统、开采设计优化系统、生产调度与监控系统（GPS调度控制系统）、矿山MIS（信息管理系统）等内容，有利于提升矿山安全高效生产形势，推动了我国露天矿智能化发展。

2工程背景

2．1乌山铜钼矿概况

乌山铜钼矿位于满洲里市西南端24km处，矿区面积9．8449km2，是1个以次斜长花岗岩斑岩体为核心形成的长环状矿体，长轴长2600m，短轴宽1350m，倾向NW，倾角75°～85°。开采深度从800m至200m标高，地表向下开采深度600m，矿体平均厚度260m。矿区内存在许多次级断层，导致矿体的形态十分复杂。以F7断层为界将矿床分为2个矿段，断层以北为北矿段，以南为南矿段。目前，北矿段已开采至615m水平标高处，南矿段已开采至675m水平标高处。矿区的岩石普氏系数为8～10。矿区内保有铜矿石量为4．2×109t，钼矿石量为1．0×1010t。全区铜金属量3．6×106t，钼金属量6．9×105t，伴生银金属量2400t。

2．2采剥工艺

初期采用打钻孔测品位，进行定量爆破，将不同品位的矿石及废料用铲车装运，TR100运输矿物，其余车辆进行倒运，推土机排弃的间断开采工艺；末期采用打孔爆破，铲车装运，车辆运输，半移动破碎机破碎，皮带廊运输的半连续开采工艺。为确保露天采场持续稳定出矿，设计采矿采用单台阶缓帮开采，岩石剥离采用组合台阶陡帮开采；为降低矿石的损失、贫化指标，根据矿体的赋存条件，设计开段沟采用纵向布置在矿体上盘，垂直矿体走向由矿体上盘向下盘推进。开采工艺工作台阶高度15m，工作台阶坡面角70°～75°。

3乌山铜钼矿智能化建设

3．1总体框架

运用智能化测绘地理信息技术，并结合露天矿山智能化开采思路，建立了1个适用乌山铜钼矿的智能化平台，主要通过数据管理中心和指挥调度中心对操作终端进行发号施令，将资源储量管理系统、人员定位系统、车辆定位及调度系统、无人机5G监控系统、基于GNSS的边坡监测系统、基于激光雷达探测的边坡监测系统、远程视频监控系统、爆堆矿量和生产动态计量系统、设备工效和油耗监测系统、安全检查及隐患治理系统等各系统进行有机结合，各系统的信息反馈至数据管理中心，指挥调度中心对各系统进行控制。智能管控平台是露天非金属矿山的“智慧大脑”，以三维GIS技术为核心对矿山形态进行重现，对各生产环节进行可视化控制。该平台是以矿山生产、终端监测数据以及地理空间数据库为基础，将露天矿爆破、装载、运输、供矿等进行三维数字化建模，实现对采区的矿石品位、设备状态、生产状况、安全监测等信息进行数字可视化展示、统一集中管理，有效地提升了矿山的整体管理效率，加强矿山的生产进度。

3．2控制中心

数据管理中心主要分为数据采集中心、存储中心和应用中心3部分，是露天矿山的“大脑”。数据采集是指通过高清摄影头、无人机探测、IoT测绘装备、GPS导航系统、人工输入等方式得到的矿山开采信息；将采集的信息存储于数据储存中心，包括地质构造、矿体埋藏情况、开采设计、生产作业、配矿等多源数据；数据应用中心是对数据进行处理分析，并对开采工序进行优化，包括供矿品位控制、矿产储量管理、设备合理调度、矿山危险源监测等方面。不同系统之间的数据进行交换，汇总在数据中心，相互共享，实现最优的决策。指挥调度中心能够监测现场情况并且辅助决策将指令传达至现场。将收集、整理的各种信息进行分析处理，以简单便于理解的方式显示在高清大屏上，帮助决策者精准地掌握生产过程，然后对生产环节进行优化调整。

3．3应用系统

应用系统是数据采集、指令下达的重要枢纽，针对露天矿山的特点，重点介绍矿区三维可视化管理系统、开采信息管理系统和无人机监控系统。三维可视化管理系统是对无人机、高清摄像头、人工地理信息输入得到的数据进行处理，通过电脑终端对矿山实时地理环境信息进行数据在线，最终在计算机的显示屏上输出三维矿山全景；开采信息管理系统是基于前面的三维可视化模型和地质勘探信息，运用GIS分析功能，计通过模型前后的差距，从而计算矿山资源的变化情况和剩余储量；无人机监控系统是基于无人机的全矿区监控功能，结合5G技术，实现对矿区边坡、设备、车辆、人员等进行在线监测，防止危险事故的发生。

4当前智能化进程及难点

4．1智能化进程

1）数字化生产指挥调度中心。当前乌山铜钼矿正积极想智能化开采方向迈进，基于GPS定位系统、高清摄像仪和信息传导技术，建立了数字化生产指挥中心。首先将矿山地质环境信息导入至数据中心，从而生成三维地质模型，车辆设备通过GPS定位系统将位置信息实时传输到数据中心，并在三维地质模型上确定车辆设备的动态位置；其次能够通过现场高清摄像头对现场施工情况实时监控，保证开采能够有序进行，一旦现场出现问题，能够根据现场影像作出正确决策，提高生产效率；指挥调度中心同时能够将各车辆的信息包括是否装车，车辆行程，车辆故障、司机情况等通过信息传导技术输送至数字化指挥中心，指挥调度中心工作人员根据供矿需求、设备位置、现场反馈信息下达给终端正确的指令，通过指挥中心能够有效加强管理力度，合理优化作业工序，大幅度提高矿产资源采出的效率，该平台把现场的工作通过指挥调度中心进行控制，提高了生产效率，有利于保障工作人员的安全，矿山智能化取得重大突破。2）无人驾驶技术。大型露天矿由于工作地点较为偏僻、工作艰苦，在聘用矿用卡车驾驶人员常常面临困境，当前露天开采行业车辆司机老龄化严重，越来越少青年人从事矿山卡车的驾驶工作，缺乏卡车司机成为1个棘手的难题；露天矿山的1个主要的人员伤害来源是车辆事故，随时危及工人的生命安全。无人驾驶技术可以成功解决以上难题，降低现场工作人员数量、有效避免对司机的伤害，同时能够降低工人劳动成本，并且增加运输效率，企业创造较好的经济效益。目前乌山铜钼矿在排土场进行废石倒运的部分路径采用无人驾驶技术，有效地缓解了司机人员不足的问题，采用无人驾驶可以通过计算机智能系统来代替人工驾驶，能够增加安全生产形势，提升工人的生活幸福指数，同时提升了矿区的生产效率。

4．2存在的难点

1）智能化露天矿山没有建立完善的理论体系。对“什么是智能化开采”、“如何实现”、“如何实施”等基础问题，不能进行系统的解释，智能化开采没有基本的思路与原则，难以达成共识。2）露天矿区的地形复杂。对于限定的场景来说，无人驾驶是可控的，但露天矿区的地形复杂，每天都要进行爆破，无人驾驶卡车行进的路线需要实时更新，操作耗费需一定的时间，影响每日的开采量；无人驾驶卡车行驶途中有可能会掉落矿石，后车对前方的障碍物不能及时地进行判断，可能会造成系统故障或道路堵塞。3）无人卡车的应用需要投入大量成本。每辆卡车都需要配置全套的传感器，建立5G通讯技术和远程操作平台，还需要配置更多的安全措施，以及为系统故障及网络安全所增加的额外成本。

5结语

目前，我国露天煤矿开采的产量处于逐年上升的阶段，通过国内外露天矿山当前智能化发展现状的分析可知，当前露天矿山智能化发展趋势为露天矿山自动化装备及自动化系统现场应用、信息化数据链的集成、数据处理和决策、生产智能化设计与矿山开采整体管控。

参考文献：

［1］孙健东，张瑞新，贾宏军，等．我国露天煤矿智能化发展现状及重点问题分析［J］．煤炭工程，2020，52（11）：16－22．

［2］李浩荡，佘长超，周永利，等．我国露天煤矿开采技术综述及展望［J］．煤炭科学技术，2019，47（10）：24．

［3］付恩三，刘光伟，王新会，等．基于“互联网＋”智慧露天煤矿建设发展新构想［J］．中国煤炭，2020，46（2）：35．

［4］王国法．加快煤矿智能化发展建设智能＋绿色煤炭工业新体系［J］．中国煤炭工业，2020（4）：8－15．

［5］王富民，贺昌斌．露天矿卡车无人驾驶技术的现状与展望［J］．露天采矿技术，2021，36（3）：45－47．

［6］张广波．露天非金属矿山智能化平台建设方案探讨［J］．中国非金属矿工业导刊，2021（3）：66－69．

［7］杨新锋，刘晓明．以某石灰石矿山为例探讨露天矿山数字化智能管控系统建设思路［J］．矿业工程，2019，17（6）：51．

［8］王猛，马晓燕，国承斌．智慧露天矿山底层平台构建［J］．工矿自动化，2020，46（12）：116－119．

作者:周宏 单位:中铁十九局集团矿业投资有限公司