南京凱盛國際工程有限公司 吳志根 傅紹廣 梁 哲

對于采礦業(yè)來說，要走科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化道路，數(shù)字化、信息化、智能化是發(fā)展的必然趨勢。實(shí)行水泥原料礦山的數(shù)字化技術(shù)，可綜合考慮生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、環(huán)境、資源、安全和效益等各種因素，使礦山規(guī)劃管理具有更高的效率、更豐富的表現(xiàn)手法、更多的信息量、更高的分析能力和準(zhǔn)確性，從而提高礦山生產(chǎn)和管理的時(shí)效性、有效性、資源優(yōu)化配置水平、綜合實(shí)力，促進(jìn)礦山的可持續(xù)發(fā)展，達(dá)到提高整體效益、市場競爭力和適應(yīng)能力的目的。

由我公司總承包的泰安中聯(lián)示范線融合了當(dāng)前水泥行業(yè)最先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，通過礦山數(shù)字化開采系統(tǒng)、智能物流（物流管理系統(tǒng)）、智能質(zhì)控（質(zhì)量管理系統(tǒng)）、智能生產(chǎn)（專家智能控制系統(tǒng)和設(shè)備管理系統(tǒng)）、智能巡檢（生產(chǎn)現(xiàn)場無人值守系統(tǒng)和智能巡檢系統(tǒng)）、智能監(jiān)視及報(bào)表（遠(yuǎn)程生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)）等智能制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水泥工廠節(jié)能降耗、設(shè)備保障、管理提升和減員增效的目標(biāo)。本文結(jié)合礦山數(shù)字化開采系統(tǒng)在泰安中聯(lián)水泥有限公司的成功應(yīng)用實(shí)例，對智能配礦系統(tǒng)在水泥原料礦山的應(yīng)用做一介紹。

1、智能配礦系統(tǒng)的基本思路

智能配礦系統(tǒng)是在建立礦山地質(zhì)三維模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用軟件系統(tǒng)科學(xué)的計(jì)算礦區(qū)范圍內(nèi)各臺階、各工作面的礦石、夾石等礦巖量以及有益有害組分的化學(xué)成分，編制礦區(qū)中長期進(jìn)度計(jì)劃，在中長期進(jìn)度計(jì)劃的基礎(chǔ)上編制月進(jìn)度計(jì)劃。

依據(jù)三維數(shù)字化軟件系統(tǒng)的月采礦計(jì)劃，指導(dǎo)爆破生產(chǎn)（開采計(jì)劃）；通過爆破后取樣化驗(yàn)的結(jié)果對三維地質(zhì)模型進(jìn)行更新修正（爆破取樣化驗(yàn)）；結(jié)合月開采計(jì)劃、不同爆區(qū)的品位分布和資源量分布情況制定詳細(xì)的日生產(chǎn)計(jì)劃及配礦日計(jì)劃（制定日計(jì)劃）；據(jù)配礦日計(jì)劃及爆區(qū)品位分布情況，規(guī)劃各裝載設(shè)備單位時(shí)間出礦量，通過卡車調(diào)度系統(tǒng)指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)配礦精細(xì)化控制（GPS調(diào)度）；對卡車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測（卡車監(jiān)督）；對破碎后的礦山通過在線分析儀檢測反饋（在線品位檢測反饋）。

2、智能配礦系統(tǒng)的具體實(shí)施方法及步驟

2.1 礦山三維建模工作

礦山建模首先應(yīng)建立在對礦山進(jìn)行地質(zhì)勘探工作的基礎(chǔ)上，地質(zhì)勘探工作越深則三維建模越準(zhǔn)確，建議地質(zhì)工作至少做到勘探程度。礦山建模分為地表模型建立、礦體模型建立和塊段模型建立。

2.1.1 地表模型建立

地表模型建立是三維地質(zhì)建模一項(xiàng)重要的內(nèi)容。三維地表不僅直接影響地表工程（礦山道路、基建工作面等）的設(shè)計(jì)、施工，而且對于破碎位置選址、排土場合理布置等有很大影響。同時(shí)，地表模型作為邊界約束條件，還直接影響到露天境界優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工程量的計(jì)算。

2.1.2 礦體模型建立

礦體模型的建立是整個(gè)模型建立過程中最重要的部分，它們都是為礦體的開采服務(wù)的。建立礦體模型除了可視化、體積計(jì)算、在任意方向上產(chǎn)生剖面、與來自于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)相交四種功能外，還有一個(gè)極其重要的功能，就是為之后的品位估值和塊段分析提供線框約束的基礎(chǔ)。建立礦體模型后，可以在任意方向切剖面，生成剖面圖（含地層情況、厚度等）。還可以將地勘部門生成的剖面圖與地質(zhì)模型生成的剖面圖進(jìn)行比較分析，以控制開采過程中的經(jīng)濟(jì)性與風(fēng)險(xiǎn)性。

2.1.3 塊段模型建立

通過塊段模型可以完成對平均品位統(tǒng)計(jì)及儲量計(jì)算等工作，還可以結(jié)合地表模型、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫生成任意剖面品位分布圖，了解各個(gè)剖面的品位分布情況。

圖1 礦山三維模型

2.2 露天采礦設(shè)計(jì)

2.2.1 露天境界優(yōu)化

露天境界優(yōu)化是露天礦山設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是露天礦山生產(chǎn)經(jīng)營決策的重要依據(jù)，對露天礦進(jìn)行開采設(shè)計(jì)，首先要進(jìn)行境界優(yōu)化。

在建立礦床數(shù)學(xué)模型（包括地表模型、礦體模型、塊段模型）的基礎(chǔ)上建立礦床價(jià)值模型，根據(jù)計(jì)算或選取的經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)分別對礦巖礦體進(jìn)行成本和收益計(jì)算求取塊體凈值，形成境界優(yōu)化直接運(yùn)算的對象——礦床價(jià)值模型。然后，確定露天境界優(yōu)化的邊界約束條件，包括最終邊坡角、地表限制模型、底部限制模型或標(biāo)高及其他限制邊界條件。最后，實(shí)現(xiàn)境界優(yōu)化，先選擇優(yōu)化方法，確定優(yōu)化參數(shù)后進(jìn)行境界優(yōu)化運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化境界。

2.2.2 編制中長期采剝進(jìn)度計(jì)劃

根據(jù)已建立的礦床數(shù)學(xué)模型，確定礦山各采區(qū)的儲量、品位分布情況，利用三維數(shù)字化軟件進(jìn)行礦山的模擬開采，即利用軟件對礦石進(jìn)行預(yù)搭配開采，確定開采工作面位置，提供礦山中長期的采剝進(jìn)度計(jì)劃，有目的進(jìn)行多采區(qū)多工作面搭配開采，從而提高資源利用率。中長期采剝計(jì)劃逐年滾動(dòng)，即根據(jù)上年度采剝計(jì)劃的執(zhí)行情況和相關(guān)要求，編制本年度計(jì)劃及后續(xù)年的框架計(jì)劃，形成新的滾動(dòng)采剝計(jì)劃，以后逐年滾動(dòng)推進(jìn)。年度采剝計(jì)劃一般由礦山在運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行。

采剝進(jìn)度計(jì)劃的主要作用為：

（1）安排臺階開采順序，迅速制定切實(shí)可行的開采計(jì)劃；

（2）為廢石混入率和品位值設(shè)定目標(biāo)，最大程度地控制進(jìn)入石灰石破碎的礦石質(zhì)量；

（3）計(jì)算包括運(yùn)輸、穿孔、裝藥等在內(nèi)的系統(tǒng)配置要求；

（4）基本確定了礦山的整體生產(chǎn)目標(biāo)與開采順序，并且為制定月度采剝計(jì)劃提供指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

圖2 中長期采剝進(jìn)度計(jì)劃

2.2.3 編制月進(jìn)度計(jì)劃

根據(jù)已編制的中長期采剝進(jìn)度計(jì)劃編制礦山月采剝進(jìn)度計(jì)劃，三維數(shù)字礦山軟件已實(shí)現(xiàn)了虛擬采場環(huán)境下模擬手工編制采剝計(jì)劃的過程。在軟件中可根據(jù)臺階推進(jìn)線，自動(dòng)生成采掘帶，并自動(dòng)報(bào)告礦量、品位、巖量等指標(biāo)；增大或減小采掘范圍時(shí)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)報(bào)告相應(yīng)指標(biāo)；同時(shí)可以隨時(shí)進(jìn)行采掘帶的查詢和統(tǒng)計(jì)。利用三維數(shù)字礦山軟件可直接輸出符合國內(nèi)礦山工作習(xí)慣的月采剝進(jìn)度計(jì)劃，可以大大減少礦山生產(chǎn)企業(yè)每月編制進(jìn)度計(jì)劃的工作量。

2.3 露天配礦設(shè)計(jì)

露天礦配礦設(shè)計(jì)就是依據(jù)露天礦境界優(yōu)化、采剝順序優(yōu)化、月采剝計(jì)劃等數(shù)據(jù)，通過炮孔巖粉化驗(yàn)數(shù)據(jù)對地質(zhì)品位進(jìn)行精確補(bǔ)充，在多個(gè)爆堆之間進(jìn)行優(yōu)化得出最優(yōu)的配礦方案，從礦山的開拓建設(shè)的道路、鏟車分配和汽車運(yùn)輸?shù)膰嵨环峙涞冗M(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃安排，達(dá)到采場配礦要求。配礦設(shè)計(jì)流程如下：

（1）依據(jù)已編制的中長期采剝進(jìn)度計(jì)劃、資源及品位分布情況編制月采剝進(jìn)度計(jì)劃；

（2）鉆孔取樣，在鉆機(jī)上安裝高精度GPS，對鉆機(jī)進(jìn)行精確定位，鉆孔取樣；

（3）對鉆孔取樣進(jìn)行化驗(yàn)，并將樣品的化驗(yàn)結(jié)果及樣品對應(yīng)坐標(biāo)導(dǎo)入到三維數(shù)字礦山軟件中，對礦體模型及配礦計(jì)劃進(jìn)行修正；

（4）將修正后的配礦結(jié)果編制指令發(fā)送到礦車及挖掘機(jī)車載終端，指揮生產(chǎn)；

（5）通過石灰石在線分析儀對破碎后的石灰石品位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果反饋至調(diào)度中心，及時(shí)修正配礦結(jié)果。

3、智能配礦系統(tǒng)配置

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的實(shí)施范圍是礦山建立一整套包括整個(gè)礦區(qū)的生產(chǎn)調(diào)度車載終端、調(diào)度監(jiān)控等在內(nèi)的露天礦GPS車輛智能調(diào)度及管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)采運(yùn)作業(yè)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)化生產(chǎn)指揮和生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)露天礦所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在網(wǎng)、在線，同時(shí)智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合調(diào)度協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)：鉆機(jī)自動(dòng)布孔系統(tǒng)、燃油管理系統(tǒng)、品位在線監(jiān)測與分析系統(tǒng)、自動(dòng)稱重系統(tǒng)等為礦山生產(chǎn)管理平臺提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。

3.2 調(diào)度系統(tǒng)的部署

按照結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行可靠，操作方便的原則，將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分解為以下三部分：

（1）車載終端系統(tǒng)

泰安中聯(lián)水泥有限公司共安裝了17臺車載終端于礦車和挖掘機(jī)上。此終端由開采設(shè)備提供電源，可3秒反饋一次設(shè)備位置、狀態(tài)、速度、方向、物料等信息，識別運(yùn)行狀態(tài)如重車、空車、卸載等。隨時(shí)通過軟件在礦區(qū)二維電子地圖上展示，并能提供交互式信息傳遞（實(shí)現(xiàn)語音對講、設(shè)備狀態(tài)報(bào)告、故障報(bào)告等）。調(diào)度室工作人員可以一目了然掌握現(xiàn)場所有開采設(shè)備的運(yùn)行情況，系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)、提取出所有設(shè)備產(chǎn)量、設(shè)備故障率、出勤率、運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)距、周轉(zhuǎn)量等信息，為進(jìn)一步優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）通信系統(tǒng)

現(xiàn)場通訊主要是采用GPRS協(xié)議，通過與當(dāng)?shù)赝ㄐ殴竞炇鸱?wù)協(xié)議，在礦山建設(shè)信號基站，形成礦區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)。該通信網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、性價(jià)比高、投資少、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。

（3）現(xiàn)場監(jiān)控中心系統(tǒng)

泰安中聯(lián)水泥有限公司石灰石礦山高危及重點(diǎn)位置加設(shè)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以便對重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)提供圖像抓拍功能，監(jiān)控中心可碎石根據(jù)需要抓拍監(jiān)控圖像，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控圖像、數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，數(shù)據(jù)保存在監(jiān)控中心。

3.3 調(diào)度協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)

（1）品位在線檢測與分析系統(tǒng)

泰安中聯(lián)水泥有限公司在石灰石破碎出料皮帶上設(shè)置了一臺石灰石品位在線分析儀，可以在線檢測通過的石灰石的成分，并以1分鐘/次的頻率將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸回GPS智能配礦系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，為所有的配礦、調(diào)度工作提供了可靠的信息依據(jù)，也是智能化開采得以實(shí)現(xiàn)的保障。

（2）自動(dòng)稱重系統(tǒng)

自動(dòng)稱重系統(tǒng)推薦采用無人值守地磅系統(tǒng)，卡車過磅后，計(jì)量結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦緮?shù)據(jù)中心，三維管控系統(tǒng)和生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)平臺中都可以查詢、顯示、統(tǒng)計(jì)等。

（3）燃油管理系統(tǒng)

燃油智能管理，是專門針對露天礦山企業(yè)油罐車、加油站成品油輸出以及各種車輛燃油消耗過程實(shí)時(shí)管控而開發(fā)的一套電子實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)，有效地監(jiān)控油罐車、加油站成品油輸出數(shù)據(jù)，以及各種生產(chǎn)車輛燃油消耗數(shù)據(jù)，還能為受油設(shè)備提供最優(yōu)的加油方案。系統(tǒng)通過對成品從油輸出環(huán)節(jié)到消耗的環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而規(guī)范和監(jiān)督成品油輸出、消耗各個(gè)環(huán)節(jié)的操作行為，防止違規(guī)操作，杜絕浪費(fèi)，為企業(yè)管理提供科學(xué)的依據(jù)。

4、結(jié)束語

智能配礦系統(tǒng)可在礦山源頭上實(shí)現(xiàn)礦石的預(yù)均化搭配開采，使礦山低品位礦石得到充分利用，延長礦山服務(wù)年限，提高勞動(dòng)效率，并可有效減少水泥企業(yè)對石灰石預(yù)均化堆場的投資，有利于環(huán)境保護(hù)和綠色礦山的建設(shè)，為企業(yè)帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。