趙興寬 郭 蕊

(中色非洲礦業(yè)有限公司)

卡車自動化在南非芬什礦的應(yīng)用

趙興寬 郭 蕊

(中色非洲礦業(yè)有限公司)

卡車自動化是礦山自動化的重要組成部分。以南非芬什礦為例，分析了井下卡車自動化系統(tǒng)的構(gòu)建以及應(yīng)用。通過系統(tǒng)運(yùn)行前后技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比可知，該系統(tǒng)能夠顯著提高該礦的設(shè)備效率和盈利水平，降低生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。

卡車自動化系統(tǒng) 設(shè)備效率 安全風(fēng)險(xiǎn)

隨著礦業(yè)的發(fā)展，淺部礦產(chǎn)資源即將消耗殆盡，正進(jìn)一步向深部采礦拓展。目前，礦山企業(yè)一方面面臨諸如井下作業(yè)條件惡劣、開采難度及安全風(fēng)險(xiǎn)增大、礦石品位不斷下降、開采成本特別是人工成本大幅攀升等一系列困難和挑戰(zhàn)[1]；另一方面，金屬價(jià)格持續(xù)低迷等諸多不利因素，使礦山生產(chǎn)經(jīng)營雪上加霜。

在如此困難的形勢下，傳統(tǒng)采礦模式已難以解決上述實(shí)際生產(chǎn)問題[2]，礦山自動化這一全新的采礦模式的開發(fā)，特別是井下定位及導(dǎo)航技術(shù)[3]、井下信號傳輸與通訊技術(shù)[4]、微電子技術(shù)、智能控制技術(shù)、無軌設(shè)備制造等技術(shù)的長足發(fā)展，為礦山自動化的應(yīng)用提供了條件。

礦山自動化構(gòu)建一種全新的無人采礦模式，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)決策科學(xué)化[5]。井下運(yùn)輸是采礦活動的重要環(huán)節(jié)[6]，也是礦山生產(chǎn)成本的主要構(gòu)成部分,運(yùn)輸設(shè)備的能力和效率很大程度上決定了礦山的生產(chǎn)規(guī)模和盈利水平。卡車自動化是礦山自動化的重要組成部分，由于井下運(yùn)輸路線相對固定,使卡車運(yùn)輸自動化的實(shí)現(xiàn)成為可能。

以南非芬什礦為例，分析了卡車自動化系統(tǒng)的構(gòu)建，通過對該礦卡車自動化系統(tǒng)運(yùn)行前后各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的對比分析，說明該系統(tǒng)在降低生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)、提高設(shè)備效率和礦山盈利水平等方面具有顯著優(yōu)勢。

1 礦山工程概況

芬什礦(FinschMine)是南非第二大鉆石礦，位于北開普省金伯利市以西165 km。2011年佩特拉公司(Petra)從德比爾斯公司(De Beers)手中收購了該礦山。該礦資源豐富，擁有43.7百萬克拉的資源量。礦體為厚大且近似于垂直(約80°)的侵入白云巖和帶狀褐鐵礦內(nèi)的金伯利巖體，形態(tài)呈橢球狀，上大下小，主要為典型的凝灰質(zhì)金伯利角礫巖，未風(fēng)化時(shí)礦石中等硬度，密度2.6 t/m3。

佩特拉鉆石公司計(jì)劃將該礦產(chǎn)能由現(xiàn)在的1.5百萬克拉/a增加到2.0百萬克拉/a，目前地下開采約0.9百萬克拉，尾礦庫回收0.6百萬克拉。

該礦采用豎井-斜坡道聯(lián)合開拓，斜坡道坡度12%，豎井直徑9 m，裝備兩個(gè)載重28 t的底卸式箕斗和罐籠，罐籠提升能力為100人/次或25 t/次設(shè)備[7]。

1967—1990年采用露天開采，現(xiàn)630 m水平采用自然崩落法開采第四塊體，生產(chǎn)能力為 16 000 t/d，第四塊段生產(chǎn)已接近尾聲，第五塊段正在進(jìn)行開拓采準(zhǔn)。第五塊段將采用分段崩落法開采，預(yù)計(jì)2018年將全面轉(zhuǎn)入第五塊段的生產(chǎn)，第五塊段設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為350萬t/a。

芬什礦在第四塊段底部布置了11條出礦巷道，每條出礦巷道兩側(cè)均勻分布有出礦點(diǎn)，11條出礦巷道共設(shè)置有302個(gè)出礦點(diǎn)。出礦巷道兩端與脈外巷相連，脈外巷圍繞“橢球形”礦體布置5個(gè)固定的礦石卸載點(diǎn)，均勻分布在脈外巷一側(cè)。開拓系統(tǒng)與回采見圖1。

鏟運(yùn)機(jī)鏟裝礦石后運(yùn)至卸載點(diǎn)，裝到載重50 t的山特維克卡車，卡車在自動化系統(tǒng)的控制下自動運(yùn)行，將礦石運(yùn)輸并卸載到距離礦體800 m的豎井粗碎機(jī)中，礦石破碎后由豎井箕斗提升至地表。

2 卡車自動化系統(tǒng)構(gòu)建

芬什礦卡車自動化系統(tǒng)于2005年下半年開始試生產(chǎn)，2006年12月投入運(yùn)行，該系統(tǒng)共耗資 1 850萬美元，是全球首家實(shí)現(xiàn)卡車自動化的地下礦山。

圖1 芬什礦開拓系統(tǒng)及回采示意

2.1 卡車自動化原理

在卡車前后端各安裝有一個(gè)掃描儀，通過掃描儀和分布在運(yùn)輸巷道中的基站，結(jié)合卡車存儲的數(shù)字地圖進(jìn)行比對,確定位置并導(dǎo)航，安裝在卡車車軸部分的傳感器還能根據(jù)車輪的運(yùn)動軌跡輔助定位卡車位置。芬什礦的地表中控室可監(jiān)控井下所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)，甚至包括卡車的工作狀態(tài)，如燃油消耗、水溫及胎壓等信息會實(shí)時(shí)反映在中控室控制面板上，如有異常，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警。

芬什礦井下所有道路均鋪設(shè)混凝土路面，卡車運(yùn)輸水平比鏟運(yùn)機(jī)卸載水平低3 m，既有助于鏟運(yùn)機(jī)卸載，也確保了鏟運(yùn)機(jī)和卡車運(yùn)行區(qū)域之間完全隔離(見圖2)。

圖2 芬什礦鏟運(yùn)機(jī)裝卡車

當(dāng)卡車就位后，地表中控室指揮鄰近的鏟運(yùn)機(jī)到卡車處卸載點(diǎn)卸礦，避免了卡車和鏟運(yùn)機(jī)互等?？ㄜ囇b滿后，鏟運(yùn)機(jī)司機(jī)向中控室人員發(fā)出信號，由中控室人員決定本次卡車運(yùn)行的目的地，卡車隨即按照設(shè)定好的線路自動行駛。

2.2 門禁系統(tǒng)

通過安裝卡車光柵門禁系統(tǒng)和人員門禁系統(tǒng)，確保全自動卡車運(yùn)輸區(qū)域內(nèi)無其他人員和設(shè)備，從根本上杜絕了人員安全事故，提高卡車的運(yùn)行速度和生產(chǎn)效率。

安裝人員門禁系統(tǒng)后，如果有人闖入卡車運(yùn)行區(qū)域，系統(tǒng)將報(bào)警，同時(shí)所有卡車將自動暫停運(yùn)行，直至警報(bào)解除。

卡車光柵門禁系統(tǒng)由兩道光幕組成，當(dāng)卡車通過第一道光幕時(shí)開始制動減速，車頭觸碰到第二道光幕時(shí)隨即停止，兩道光幕的距離為卡車的剎車距離。安裝卡車光柵門禁系統(tǒng)的作用是防止卡車駛出運(yùn)輸區(qū)域，當(dāng)卡車需要駛離運(yùn)輸區(qū)域，前往維修車間等其他區(qū)域時(shí)，關(guān)閉卡車光柵門禁系統(tǒng)，卡車由全自動行駛模式切換到人員操作模式。

2.3 多種操作模式

全自動卡車有3種操作模式：全自動行駛模式、地表中控室遠(yuǎn)程操控模式及人員操作模式。為了區(qū)分不同的操作模式，在卡車前端分別用紅、黃、綠三種不同顏色的燈代表不同的駕駛狀態(tài)。

2.4 維修保養(yǎng)服務(wù)合同化

目前芬什礦井下共有13臺鏟運(yùn)機(jī)和8臺自動化卡車負(fù)責(zé)出礦及運(yùn)輸，均為山特維克系列產(chǎn)品。芬什礦與山特維克簽訂了維修保養(yǎng)服務(wù)合同，有130多名山特維克專業(yè)技術(shù)人員在現(xiàn)場工作，主要負(fù)責(zé)卡車和鏟運(yùn)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)及整個(gè)自動化系統(tǒng)的技術(shù)支持服務(wù)。

山特維克專業(yè)化的團(tuán)隊(duì)進(jìn)駐現(xiàn)場以后，芬什礦的鏟運(yùn)機(jī)和卡車在開動率、生產(chǎn)率、臺班效率、重要部件及發(fā)動機(jī)壽命、設(shè)備服務(wù)年限等指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他礦山。

3 指標(biāo)數(shù)據(jù)對比

芬什礦卡車自動化自2005年投入運(yùn)行以來，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上取得了令人滿意的效果。

(1)行駛速度快，縮短了循環(huán)時(shí)間。數(shù)據(jù)顯示自動化卡車可以實(shí)現(xiàn)更快的速度，滿載時(shí)達(dá)到21 km/h，空載時(shí)達(dá)到26 km/h。在相同條件下，相比人工操控的設(shè)備，循環(huán)時(shí)間可縮短26%。

(2)設(shè)備開機(jī)率及使用效率。自動化卡車按照設(shè)計(jì)好的線路運(yùn)行，極少出現(xiàn)人為損壞現(xiàn)象。設(shè)備的開機(jī)率和使用效率從77%提高到91%，較人工操控高出14個(gè)百分點(diǎn)，從而減少了33%的卡車數(shù)量。

(3)降低成本。生產(chǎn)成本的降低主要在很多方面：卡車主要部件的壽命延長了65%，設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命提高了35%；燃油消耗節(jié)約27%；延長輪胎壽命，節(jié)約24%的輪胎消耗；操作人員數(shù)量減少66%；維護(hù)人員數(shù)量減少31%，維護(hù)成本降低60%。

(4)安全風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。門禁系統(tǒng)將卡車和人員完全隔離，保證了生產(chǎn)安全。2007年，芬什礦創(chuàng)造了600萬個(gè)班次無死亡事故的輝煌記錄。

4 結(jié) 語

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析，卡車自動化顯著降低了芬什礦的生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了設(shè)備效率和礦山盈利水平。礦山自動化是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是未來礦山的發(fā)展趨勢，與礦山開拓系統(tǒng)的布置、采礦方法的選擇、采準(zhǔn)工程的布置及無軌設(shè)備的選擇息息相關(guān)。因此，應(yīng)用自動化的礦山應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃和設(shè)計(jì)，特別是對于新建礦山，盡早開展研究和規(guī)劃，往往能取得事半功倍的效果。

[1] 古德生．地下金屬礦采礦科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]．黃金，2004，25(1)：18-22．

[2] 王李管，曾慶田，賈明濤．?dāng)?shù)字礦山整體實(shí)施方案及其關(guān)鍵技術(shù)[J]．金屬礦山，2006(3)：493-498．

[3] 羅昌俊，陳 希，周明天．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J]．測控技術(shù)，2006,25(7)：6-9．

[4] 吳和平,吳 玲,張 毅，等.井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制關(guān)鍵技術(shù)[J].有色金屬：礦山部分,2007,59(6):12-16.

[5] 文 興．基律納鐵礦智能采礦技術(shù)考察報(bào)告[J]．采礦技術(shù)，2014,14(1)：4-6．

[6] 苗 剛，王 林，李自若．關(guān)于井下礦裝運(yùn)工藝的改革構(gòu)思[C]∥2010年全國采礦科學(xué)技術(shù)高峰論壇論文集.哈爾濱：中國金屬學(xué)會，2010：266-268.

[7] J.查德威克,周以瑛.南非芬什金剛石礦的大規(guī)模地下采礦法[J].國外金屬礦采礦，1986(8)：53-57.

[8] 顧紅樞，姜 勇，李恒通．井下無軌設(shè)備的技術(shù)新進(jìn)展[J]．礦業(yè)裝備，2014(7)：38-43．

2015-05-18)

趙興寬(1989—)，男，助理工程師，100029 北京市朝陽區(qū)安定路10號。