趙冰峰，張旭東，馮興隆，劉華武，韋權(quán)偉，席海濤

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410006)

普朗銅礦井下鏟運(yùn)機(jī)定位與計(jì)量自動化的研究與應(yīng)用

趙冰峰1，張旭東1，馮興隆1，劉華武1，韋權(quán)偉2，席海濤2

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410006)

簡要介紹了普朗銅礦的地質(zhì)特點(diǎn)和使用自然崩落法放礦管理的方法，并由此提出了使用基于RFID的井下鏟運(yùn)機(jī)定位與計(jì)量方法，以滿足自然崩落法對放礦控制的嚴(yán)格要求，并將之實(shí)際運(yùn)用在首采區(qū)，取得了識別率99%以上的效果。并實(shí)際探討了現(xiàn)場實(shí)踐中所遇到的關(guān)鍵問題和處理辦法，同時對本方法進(jìn)行了分析，確定了井下該定位技術(shù)的優(yōu)勢。

普朗銅礦；RFID；自然崩落法；定位系統(tǒng)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會進(jìn)步，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營逐漸轉(zhuǎn)向機(jī)械化、自動化。減少人工成本已成為企業(yè)降本增效的主要措施。

機(jī)械化、自動化代替人工實(shí)施中，機(jī)械化、自動化水平直接影響到能否真正通過減少人工降低企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營成本的關(guān)鍵。本文介紹了普朗銅礦使用基于RFID的井下鏟運(yùn)機(jī)定位與計(jì)量方法有效的減少生產(chǎn)作業(yè)人員，從而實(shí)現(xiàn)降低企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營成本。

普朗銅礦隸屬云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，礦山采用前進(jìn)式拉底自然崩落法開采，一期采選工程設(shè)計(jì)規(guī)模為1250萬t/a，服務(wù)年限為22 a。一期采選工程首采區(qū)服務(wù)年限為8 a。

1 放礦方法的選用及其要求

自然崩落法是一種依靠巖體內(nèi)部的自然力實(shí)現(xiàn)礦石的崩落，依靠重力實(shí)現(xiàn)崩落礦石運(yùn)搬的高效率、低成本、大規(guī)模采礦方法。盡管自然崩落法開采已經(jīng)有110多年的歷史，并在許多礦山得到了成功應(yīng)用，但由于其適用條件、開采工藝、生產(chǎn)過程控制與管理的復(fù)雜性，針對具體礦床，必須在開發(fā)前期做好開采技術(shù)條件適用性、礦體可崩性、開采方案設(shè)計(jì)等研究工作，在開采過程中處理好拉底推進(jìn)、聚礦槽爆破、削幫、誘導(dǎo)和崩落的關(guān)系，制定科學(xué)合理的放礦生產(chǎn)計(jì)劃和放礦控制管理技術(shù)措施，確保整個開采過程的成功。自然崩落法所具有的技術(shù)、工藝和管理特點(diǎn)使其成為所有采礦方法中技術(shù)和管理水平要求最高、風(fēng)險(xiǎn)最大、貧化損失指標(biāo)控制最難的一種采礦方法。

根據(jù)普朗銅礦區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)，開采技術(shù)條件和礦體可崩性等參數(shù)，對自然崩落法管理的進(jìn)一步研究。以3720首采區(qū)作為研究對象，見圖1。

圖1 3720首采區(qū)域

在自然崩落法的拉底、崩落和出礦三者之間，有一個彼此互相促進(jìn)依存又彼此相互消長影響的合理匹配關(guān)系。這個關(guān)系在各個崩落發(fā)展階段呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)，協(xié)調(diào)處理三者之間的關(guān)系，構(gòu)成了自然崩落法生產(chǎn)工藝的核心，影響著礦山中長期和短期計(jì)劃編制中長期計(jì)劃編制根據(jù)礦山中長期規(guī)劃、區(qū)域地理環(huán)境、區(qū)域經(jīng)濟(jì)特性等制定，使用自然崩落法放礦優(yōu)化軟件解析上述因素，同時結(jié)和目標(biāo)礦量和目標(biāo)品位、拉底推進(jìn)方式和中長期放礦模型，最后經(jīng)過多目標(biāo)綜合處理，得到中長期放礦計(jì)劃。

短期放礦計(jì)劃編制是以長期放礦計(jì)劃為基礎(chǔ)。短期放礦計(jì)劃編制不僅僅是得到日排產(chǎn)計(jì)劃，更是根據(jù)實(shí)際放礦點(diǎn)的出礦量和出礦品位對當(dāng)下的日排產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，這個是短期放礦編制的關(guān)鍵。確保每一次鏟裝的位置和礦石量被如實(shí)和精確的記錄。因?yàn)樘摷俚溺P裝數(shù)據(jù)會導(dǎo)致后續(xù)計(jì)劃編制中剩余礦量與品位信息的失真，從而導(dǎo)致計(jì)劃量與品位預(yù)計(jì)的失真。從國內(nèi)的生產(chǎn)實(shí)踐來看，由于缺乏自動化監(jiān)測技術(shù)，導(dǎo)致人工工作量大，計(jì)劃執(zhí)行情況監(jiān)督不到位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率差。

2 放礦進(jìn)度的實(shí)時管理方法

2.1 系統(tǒng)概述

鏟運(yùn)機(jī)定位及計(jì)量自動化系統(tǒng)是國內(nèi)首款針對礦用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行過程及鏟裝物料計(jì)量的智能化管理系統(tǒng)，針對礦井特定的生產(chǎn)環(huán)境，對裝卸礦進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控，并利用無線設(shè)備實(shí)時反饋為主要功能。為采用自然崩落法的礦山企業(yè)在實(shí)時監(jiān)控環(huán)節(jié)提供最為有效的硬件支撐，減少礦山現(xiàn)場監(jiān)督人員，為礦山精簡人員提供了可能性。

如圖2所示，該定位系統(tǒng)在主要功能之外還提供了司機(jī)和控制中心的實(shí)時交互功能，為緊急避險(xiǎn)和故障快速排查提供了有效手段，能夠提升溝通效率，降低溝通成本。

該系統(tǒng)的運(yùn)行流程見圖3。

圖2鏟運(yùn)機(jī)定位及計(jì)量自動化系統(tǒng)

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

利用位置識別技術(shù)記錄鏟運(yùn)機(jī)裝載、計(jì)重、運(yùn)行、卸礦一個閉合流程的軌跡信息，然后對此信息進(jìn)行軌跡分析，從其運(yùn)行軌跡是否形成運(yùn)行閉環(huán)、裝卸載時間是否滿足停留時間要求，是否觸發(fā)了記重裝置，以及獲取其最遠(yuǎn)的運(yùn)行距離進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到其運(yùn)行時間、裝載礦量、裝載出礦點(diǎn)信息，將生產(chǎn)信息以無線的方式發(fā)送至智能無線終端，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)送至指揮調(diào)度中心，以作為指揮調(diào)度的根據(jù)，如圖3所示。

鏟運(yùn)機(jī)定位及計(jì)量自動化系統(tǒng)，可以做到遠(yuǎn)程配置設(shè)備，圖形管理設(shè)備狀態(tài)，查詢設(shè)備歷史狀態(tài)，報(bào)表輸出，具體見圖4。

為了使礦山各個子系統(tǒng)能夠采用統(tǒng)一的平臺進(jìn)行管理，避免形成信息孤島，造成礦山靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)分別管理、相互獨(dú)立，不能或難以進(jìn)行融合與共享，因此，本研究將鏟運(yùn)機(jī)定位及計(jì)量自動化系統(tǒng)作為礦山平行系統(tǒng)的子系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的平臺進(jìn)行展示與管控。

2.2 實(shí)時定位

在系統(tǒng)構(gòu)建的功能背景之下，重點(diǎn)便是如何進(jìn)行準(zhǔn)備機(jī)車定位?；诰陋?dú)特的工作環(huán)境，無法接受衛(wèi)星發(fā)送的基于空間地理位置的定位數(shù)據(jù)，需要間接的通過其他新的方式來獲取定位數(shù)據(jù)。

其他的方式主要以找參考點(diǎn)的方式進(jìn)行。例如通過電磁互感尋找電感線圈，通過攝像頭識別特征物，通過紅外尋找熱源，通過超聲波，但是發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)在井下不適用。由于礦下經(jīng)常進(jìn)行放炮，線圈的有效保護(hù)和供電，是個不可解決的問題。井下工作環(huán)境十分昏暗，不利于圖像處理中特征物的分析提取。而開采過程中經(jīng)常伴隨著有毒可燃?xì)怏w的釋放，如果使用熱源是十分危險(xiǎn)的。

圖4系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖

經(jīng)過慎重考慮使用當(dāng)今十分普遍的基于RFID的定位技術(shù)，以滿足在井下惡劣環(huán)境下，鏟運(yùn)機(jī)放礦的嚴(yán)格控制。RFID即射頻識別技術(shù)，是一項(xiàng)利用射頻信號通過交變磁場或電磁場實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息快速地進(jìn)行目標(biāo)識別的技術(shù)。識別工作無須人工干預(yù)，可以工作在各種惡劣的環(huán)境下，并支持多目標(biāo)識別。一個簡單的RFID系統(tǒng)是具有唯一的ID號，讀寫器與其進(jìn)行無接觸的信息交換。國外RFID定位技術(shù)被較早用于煤礦。在美國煤礦必須為礦工配備基于RFID的人員定位的無線追蹤系統(tǒng)。智利銅礦巨頭Anglo America公司也采用RFID來追蹤礦工和礦車。

而將RFID技術(shù)應(yīng)用于鏟運(yùn)機(jī)定位并進(jìn)行規(guī)模性實(shí)施并用于放礦控制尚屬首次。本系統(tǒng)將基于RFID技術(shù)的智能定位樁安裝于井下特定的空間位置，由于其具有唯一的識別碼，并在編號后不斷的向外發(fā)送信息，當(dāng)車載終端處于其信號范圍之內(nèi)時便可獲取車載終端的空間定位信息，通過不間斷的獲取車載終端的定位信息來判定車輛的行進(jìn)路線，從而得到其工作進(jìn)度。

本定位系統(tǒng)中使用的智能定位樁為低成本設(shè)計(jì)?？紤]到定位樁的設(shè)備用途和礦下環(huán)境的特點(diǎn)，在一個檢測系統(tǒng)中會使用數(shù)量較多的智能定位樁，故而需要做好產(chǎn)品及維護(hù)成本把控。此設(shè)備為一次性鋼構(gòu)樹脂灌封，可以有效避免因?yàn)榛ê妥鳂I(yè)帶來的設(shè)備損害。該設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中充分考慮使用年限的問題，故而從電路結(jié)構(gòu)到軟件操作中采用了低功耗設(shè)計(jì)，配備有高性能大容量電池ER26500，低功耗無線芯片，合理的設(shè)備喚醒和睡眠頻率：1秒一次，使得該設(shè)備在理論上可以持續(xù)工作至少五年之久。這些特點(diǎn)使得該設(shè)備具有極高的性價(jià)比，并可以節(jié)約客戶一大筆設(shè)備與維護(hù)的成本。

在本系統(tǒng)中使用的車載終端起到交互的作用。一方面將控制中心的放礦作業(yè)計(jì)劃下發(fā)到車載終端上，使得司機(jī)按照計(jì)劃進(jìn)行作業(yè)，同時可以下發(fā)報(bào)警，將險(xiǎn)情以最快的方式告知該區(qū)域的作業(yè)司機(jī)。同時該設(shè)備具備采集，上傳數(shù)據(jù)的功能，能夠?qū)㈢P運(yùn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，工作進(jìn)度及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳指揮中心，當(dāng)有司機(jī)發(fā)現(xiàn)有險(xiǎn)情的的時候可以上報(bào)，并與直接語音與控制中心通話。同時配有本安防爆攝像頭，能夠有效起到監(jiān)督與取證的效果，以最大的程度保證監(jiān)督，取證和溝通的有效性。

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域共有進(jìn)路32條，溜井2條。共采用4臺礦用無線發(fā)射終端，44臺智能定位樁，分布方式為每個溜井配備兩個智能定位樁，每個出礦進(jìn)路采用一臺智能定位樁，并沿穿脈兩端相對放置兩臺礦用無線發(fā)射終端。鏟運(yùn)機(jī)在行進(jìn)過程中，會沿著穿脈，出入出礦進(jìn)路和溜井，從而讀取沿途帶有坐標(biāo)標(biāo)簽的智能定位樁的RFID信號，并將從RFID信號解析出的坐標(biāo)標(biāo)簽通過車載無線設(shè)備發(fā)送至川脈兩端的礦用無線發(fā)射終端，實(shí)現(xiàn)了上傳定位數(shù)據(jù)的功能。圖5為鏟運(yùn)機(jī)定位及計(jì)量自動化系統(tǒng)界面，可以對所有安裝的定位樁一目了然；圖6為礦上平行系統(tǒng)界面，對現(xiàn)場每臺鏟運(yùn)機(jī)工況做到實(shí)時把控。

在具體的實(shí)施過程中需要控制智能定位樁的可識別范圍。在具體實(shí)施過程中，確定信號中心點(diǎn)，再沿信號中軸線向巷道頂部打孔，自適應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率，在分析了該巷道出礦進(jìn)路規(guī)律后，維持可識別范圍重復(fù)區(qū)域小，并且不存在無信號區(qū)域，將輻射范圍控制在3.5 m，也就是將精度控制在7 m的范圍內(nèi)，做到了與一般GPS定位數(shù)量級一致，達(dá)到了與裝載了GPS一樣的精度效果。

在具體的實(shí)施過程中穿脈的無線WIFI的覆蓋率是十分重要的。該區(qū)域中所有的數(shù)據(jù)傳輸均由無線傳輸，故不僅需要保證信號的穿障性還需要保證信號帶寬，最終選用2.4 G與5.8 G雙頻段技術(shù)，2.4 G信號有較好繞射與穿透能力，在具有障礙物或者有弧度的巷道中比5.8 G具有更好的信號質(zhì)量；而5.8 G具有更好的頻寬，使得具有更高的信號傳輸速度，這個優(yōu)點(diǎn)有利于本安防爆攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸，使得視頻傳輸不卡頓，能夠?qū)崟r傳輸更高質(zhì)量的圖像；故而使用2.4 G和5.8 G的信號能夠有效使得無線網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸更多數(shù)據(jù)，也能覆蓋較廣的范圍。經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)收測試在600 m范圍內(nèi)的動態(tài)，靜態(tài)實(shí)時視頻測試，語音通話測試均能做到無卡頓和高清的狀態(tài)，說明該無線覆蓋和通信質(zhì)量是滿足要求。

圖5 鏟運(yùn)機(jī)定位及計(jì)量自動化系統(tǒng)界面

圖6 平行系統(tǒng)實(shí)時工況

3 該定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

該定位系統(tǒng)針對礦下工作特點(diǎn)，系統(tǒng)具有很高的可靠性，具有良好的定位穩(wěn)定性，同時具有信息的時效性，且能降低人工帶來的成本損失。

該系統(tǒng)在架構(gòu)上具有較高的魯棒性。鏟運(yùn)機(jī)自身信息的獲取采用RFID非接觸式的方式，鏟運(yùn)機(jī)信息的傳遞采用WIFI的傳輸方式，故而可以看到各個模塊相對獨(dú)立，并且信息的傳遞采用無線的方式完成，加強(qiáng)了該系統(tǒng)穩(wěn)定性；該設(shè)備從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時考慮到的防水設(shè)計(jì)，到接口選用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)防水接口，到選用防爆攝像頭，都切實(shí)考慮到設(shè)備工作的防護(hù)；設(shè)備在設(shè)計(jì)的時候多使用機(jī)械按鍵，這種報(bào)警的方式可靠性高；而本電路設(shè)計(jì)考慮到了鏟運(yùn)機(jī)供電不穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且做了專業(yè)防護(hù)。

將RFID運(yùn)用于井下定位是十分合宜的。相比于其他的定位技術(shù)RFID定位技術(shù)較早的應(yīng)用于礦下 ，具有更多的案例進(jìn)行借鑒，技術(shù)也相對而言就更加成熟。其實(shí)這不是沒有原因的：井下定位技術(shù)RFID技術(shù)較紅外，激光，雷達(dá)，UBW，WIFI定位而言具有更低的開發(fā)難度，具有較低的技術(shù)成本，同時也具有更低的硬件成本。

該系統(tǒng)具體實(shí)時性的特點(diǎn)。能夠在無線網(wǎng)絡(luò)的支持下實(shí)現(xiàn)實(shí)時下發(fā)作業(yè)指令，設(shè)備在接受了下發(fā)報(bào)警信息后進(jìn)行喇叭報(bào)警；并支持工況數(shù)據(jù)的上發(fā)，這不僅有利于指揮中心對司機(jī)進(jìn)行工作狀態(tài)判定，也有利于指揮中心對于工作進(jìn)度的把控，有利于對工作計(jì)劃的反饋與調(diào)整；同時還支持語音對講，減少了溝通成本，并上傳視頻信息，讓井下工作狀態(tài)一目了然。在作業(yè)人員按下報(bào)警按鈕后，該報(bào)警信息自動上傳到指揮中心。該系統(tǒng)與平行系統(tǒng)對接，可以以3D的形式直觀的顯示現(xiàn)場工作狀態(tài)，有利于調(diào)度員對于整體工況進(jìn)度的把握，便于進(jìn)一步排產(chǎn)。

能夠有限降低人工帶來的成本損失。銅礦峪銅礦自1989年11月自然崩落法投產(chǎn)伊始，成立了放礦控制科，專門負(fù)責(zé)自然崩落法出礦的各項(xiàng)管理工作，管理人員專門從事24 h的放礦管理工作。然而采取人工管理方式的效果并不是很理想，放礦管理經(jīng)常出現(xiàn)漏記錯記等無法人工操作避免的現(xiàn)象，導(dǎo)致了放礦控制不合理，頻繁出現(xiàn)大礦礦石，導(dǎo)致了漏斗破壞嚴(yán)重，形成了大量的望天斗和塌落耙道。有鑒于此，人工計(jì)量的方式必須被電子計(jì)量的方式所取代，這里使用通過時間軌跡來判斷裝卸礦次數(shù)的實(shí)用方法，且確切數(shù)據(jù)證明其裝礦卸礦識別率達(dá)到了99%；其次此系統(tǒng)可以省去人工計(jì)數(shù)導(dǎo)致的每年度百萬左右的人力成本，做到為礦上企業(yè)減負(fù)。

4 結(jié) 語

在技術(shù)越來越發(fā)達(dá)的今天，希望層出不窮的新技術(shù)在給生活帶來便利與安全的同時，普朗銅礦關(guān)于自然崩落法的研究和RFID技術(shù)在普朗銅礦的研究應(yīng)用也能帶來新的思路，更高的經(jīng)濟(jì)效益和更安全的生產(chǎn)環(huán)境，同時也為國內(nèi)關(guān)于自然崩落法的研究作出更大的貢獻(xiàn)。

[1]古德生,李夕兵.現(xiàn)在金屬礦床開采學(xué)技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[2]馮興隆,吳維虎,袁明華,等.DIMINE軟件在普朗銅礦地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J].中國礦山工程,2014(06):19-22，48.

[3]劉華武,馮興隆,梁江波,等.普朗銅礦大規(guī)模開采關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(07):1-5.