張國(guó)強(qiáng)

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730207）

為了滿足生產(chǎn)和開(kāi)采礦物資源的需要，將開(kāi)采井下礦物資源。在確保安全生產(chǎn)的同時(shí)，迫切需要解決深井開(kāi)采、提高采礦效率和增加產(chǎn)量等技術(shù)問(wèn)題。關(guān)于深井采礦的技術(shù)條件，研究了一些技術(shù)，例如模擬采礦環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)、井下無(wú)人采礦設(shè)備的建模和標(biāo)準(zhǔn)，以及無(wú)人采礦過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。在礦床開(kāi)采環(huán)境中，普遍的假設(shè)現(xiàn)實(shí)可以重新塑造沉積物，包括分布、裂縫、主要構(gòu)造表面的存在、金屬特點(diǎn)、周?chē)鷰r石條件、操作平臺(tái)和模擬無(wú)人采礦作業(yè)的技術(shù)基地。近年來(lái)，對(duì)井下無(wú)人采礦技術(shù)的興趣日益增加。隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展以及安全概念的發(fā)展，重點(diǎn)將是井下采礦以及改進(jìn)和開(kāi)發(fā)無(wú)人采礦技術(shù)[1]。井下采礦技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制和操作井下生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)非運(yùn)行。目前，我們積累了大量的數(shù)據(jù)和在和控制井下采礦技術(shù)設(shè)備方面的經(jīng)驗(yàn)。然而，綜合技術(shù)能力薄弱，需要不斷探索和發(fā)展。

1 無(wú)人采礦仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀

地下完全控制采礦過(guò)程控制設(shè)備的理論，類(lèi)似的理論包括學(xué)校系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、現(xiàn)有的采礦和技術(shù)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬分析、非采礦生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)模擬分析、采礦技術(shù)研究、非采礦過(guò)程參數(shù)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)。為設(shè)計(jì)和實(shí)施無(wú)人采礦作業(yè)提供數(shù)據(jù)和決策支持，信息和通信技術(shù)的發(fā)展將從側(cè)重于傳統(tǒng)采礦流程自動(dòng)化的機(jī)械化采礦技術(shù)發(fā)展到加強(qiáng)無(wú)人采礦技術(shù)，并帶來(lái)先進(jìn)的傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能采礦設(shè)備、高速數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)和新的采礦作業(yè)[2-5]。許多國(guó)家由于其巨大的社會(huì)意義和廣闊的市場(chǎng)前景，在研究和傳播相關(guān)技術(shù)方面投入了大量的人力和物力。

1.1 國(guó)內(nèi)無(wú)人采礦仿真技術(shù)的主要技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)的井下采礦技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于先進(jìn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，仍然在鉆井、裝填和裝填在解決效率低下和不安全問(wèn)題方面面臨困難。昂貴的國(guó)外設(shè)備占據(jù)著一個(gè)巨大的市場(chǎng)，并對(duì)我們的采礦業(yè)產(chǎn)生重大影響。目前，我們?cè)诘V物設(shè)備中的份額占市場(chǎng)份額的60%。僅在2004年，中國(guó)就進(jìn)口了485部金屬裝載車(chē)，價(jià)值3176萬(wàn)美元。在1970年代和1980年代，大多數(shù)其他井下采礦設(shè)備仍在使用，這些設(shè)備有明顯的缺陷，設(shè)備規(guī)模小，主要備件壽命短，耗費(fèi)資源多，而且環(huán)境受到嚴(yán)重污染。在井下采礦中，壓縮空氣的機(jī)或壓縮空氣的油車(chē)仍然占很大比例，因?yàn)閹缀跛兄饕煌üぞ叨际?-20線的電力車(chē)[6]。與先進(jìn)技術(shù)相比，我們的采礦技術(shù)研究尚處于起步階段，采礦機(jī)械和生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)未取得重大進(jìn)展。面對(duì)新的國(guó)際技術(shù)趨勢(shì)，包括有效和安全的無(wú)人駕駛機(jī)器人操作，很難進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。目前，我們的無(wú)人采礦技術(shù)仍處于“無(wú)管制采礦”的早期階段。所以我國(guó)必須盡快建立符合我國(guó)國(guó)情的先進(jìn)井下采礦系統(tǒng)，對(duì)于提高我國(guó)采礦技術(shù)的可靠性和完整性以及使采礦生產(chǎn)自動(dòng)化以及高效率高產(chǎn)量的采礦具有重要的戰(zhàn)略意義。

1.2 國(guó)外無(wú)人采礦仿真技術(shù)的主要技術(shù)現(xiàn)狀

加拿大、美國(guó)、澳大利亞、瑞典和芬蘭等發(fā)達(dá)采礦國(guó)家已進(jìn)行了采礦自動(dòng)化和信息技術(shù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，并成功地解決了與地下采礦有關(guān)的一些技術(shù)問(wèn)題，并在實(shí)際采礦項(xiàng)目中有效應(yīng)用了技術(shù)成果。1992年，芬蘭宣布了一項(xiàng)人工智能采礦技術(shù)方案。涵蓋28個(gè)專(zhuān)題，包括實(shí)時(shí)采礦監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)資源管理、采礦信息網(wǎng)絡(luò)、新的機(jī)械應(yīng)用和機(jī)械監(jiān)測(cè)。加拿大最近制定了2050年遠(yuǎn)景規(guī)劃，將加拿大最北部的一個(gè)礦轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)人居住的礦，并通過(guò)衛(wèi)星控制所有薩布里設(shè)備而機(jī)械拆除和中斷。瑞典制定了一項(xiàng)GroundTeck2000采礦自動(dòng)化戰(zhàn)略計(jì)劃。瑞典的LKAB公司成功地測(cè)試了基羅納的第一個(gè)機(jī)械化鐵礦生產(chǎn)系統(tǒng)。自1980年代中期以來(lái)，加拿大諾達(dá)技術(shù)中心一直在研究和開(kāi)發(fā)自動(dòng)化采礦技術(shù)。在硬巖礦鉆井下挖掘的各種機(jī)械設(shè)備，包括裝載機(jī)、起重機(jī)、光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)、遙控裝卸系統(tǒng)、自動(dòng)裝載機(jī)等。這些技術(shù)和系統(tǒng)可在不同的采礦條件下獨(dú)立使用，并可側(cè)重于多套遙控系統(tǒng)，完全適合諾蘭達(dá)多礦的需要，同時(shí)適應(yīng)不同的生產(chǎn)水平和復(fù)雜的金屬質(zhì)量條件。因此我們應(yīng)吸取外國(guó)先進(jìn)的無(wú)人采礦技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)的井下無(wú)人采礦事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

2 井下無(wú)人采礦技術(shù)存在的問(wèn)題

2.1 煤礦災(zāi)害頻發(fā)

井下采礦是一種復(fù)雜的滲透過(guò)程，環(huán)境中的空氣和化學(xué)品，等待，使他們?nèi)菀装l(fā)生事故，特別是在沒(méi)有安全措施的情況下，會(huì)有火災(zāi)、水、井下采礦崩潰、煤氣爆炸(如某些災(zāi)害)、礦場(chǎng)爆炸和工作引起許多災(zāi)害和事故的程序，因?yàn)槿祟?lèi)和自然因素都對(duì)災(zāi)害負(fù)責(zé)。災(zāi)害是井下開(kāi)采的一個(gè)重要問(wèn)題。因此，減少災(zāi)害和事故的發(fā)生需要加強(qiáng)安全生產(chǎn)以及遇到危險(xiǎn)時(shí)的安全反應(yīng)的概念，而井下無(wú)人駕駛采礦技術(shù)是解決這一問(wèn)題的最佳手段[7]。它可以盡量避免災(zāi)害的發(fā)生，減少了人力、物力、財(cái)力等資源的浪費(fèi)。

2.2 煤炭浪費(fèi)嚴(yán)重

盡管我國(guó)儲(chǔ)存的煤炭資源豐富，但我國(guó)煤礦的應(yīng)用范圍廣泛，市場(chǎng)需求和生產(chǎn)市場(chǎng)大，而且采礦技術(shù)能力薄弱。這一系列的問(wèn)題導(dǎo)致我國(guó)大量煤炭資源的減少，即由于采礦和用戶的價(jià)值而煤炭資源的使用減少，是一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，需要滿足井下采礦的需要。這就要求我們減少煤炭資源的浪費(fèi)，合理利用煤炭資源。

2.3 采礦技術(shù)能力低

盡管井下采礦面臨困難，但該國(guó)現(xiàn)有的采礦技術(shù)取得了進(jìn)展和發(fā)展，但由于地質(zhì)復(fù)雜、地形復(fù)雜和深海采礦的逐步發(fā)展，井下采礦的總體能力相對(duì)較低。但是，井下采礦技術(shù)的開(kāi)發(fā)受到一系列因素的影響，如缺乏技術(shù)研究能力、技術(shù)人才以及創(chuàng)新能力[8]。這些問(wèn)題使我們的采礦技術(shù)能力下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他國(guó)家。

3 井下無(wú)人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采礦科學(xué)規(guī)劃技術(shù)

采礦科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)是資源規(guī)劃和分配以及優(yōu)化資源分配，以提高采礦效率。傳統(tǒng)采礦規(guī)劃技術(shù)結(jié)合了簡(jiǎn)單的程序和可能的方法，將工作場(chǎng)所的初步狀況轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鲌?chǎng)所的目標(biāo)狀態(tài)，使之具有一定程度的智能和自動(dòng)化，以滿足無(wú)人采礦的需要。因此，需要改進(jìn)采礦計(jì)劃的自動(dòng)化和管理，以便有效地完全自動(dòng)化地控制鉆井路，并滿足最終未開(kāi)采的采礦規(guī)劃的需要。

3.2 設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)

隨著自動(dòng)化和智能技術(shù)的發(fā)展，研究人員對(duì)井下無(wú)人采礦技術(shù)設(shè)備產(chǎn)生了越發(fā)濃厚的興趣。在新的環(huán)境下，改進(jìn)對(duì)井下技術(shù)設(shè)備的自動(dòng)控制是井下采礦技術(shù)的一個(gè)主要趨勢(shì)。如果標(biāo)準(zhǔn)偏離航向，采礦技術(shù)設(shè)備將會(huì)對(duì)此作出新的調(diào)整，然后接收信號(hào)進(jìn)行井下無(wú)人采礦。這樣，金屬的自動(dòng)化就大大提高。此外，與井下采礦有關(guān)的通信技術(shù)引起了人們廣泛地注意，井下無(wú)人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航可以將操作和控制設(shè)備的數(shù)據(jù)信息傳送到地面控制室，從而可以自動(dòng)控制理發(fā)和井下加工，對(duì)構(gòu)造板塊進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和控制，并確保采礦生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定。

3.3 設(shè)備定位導(dǎo)航技術(shù)

可以說(shuō)，地下無(wú)人采礦的主要保障是自動(dòng)化設(shè)施，這需要在地下采礦設(shè)施進(jìn)行定位導(dǎo)航功能以及生產(chǎn)機(jī)械導(dǎo)航設(shè)備，從而進(jìn)行井下無(wú)人采礦。近年來(lái)，在移動(dòng)機(jī)器人工業(yè)中，激光雷達(dá)的使用有所增加。根據(jù)激光雷達(dá)，可將現(xiàn)場(chǎng)信息與其他算法結(jié)合起來(lái)，從而能夠在不校準(zhǔn)操作的情況下追蹤和探測(cè)井下屏障，從而大大提高井下采礦設(shè)備的穩(wěn)定性和精確度。在能見(jiàn)度低、空氣貧、灰塵和通風(fēng)差的礦井中，視覺(jué)系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)很難有效控制。電磁路由器控制可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題[9]。電磁場(chǎng)可以與低頻電纜相結(jié)合，將電磁傳感器結(jié)合起來(lái)，有效地引導(dǎo)移動(dòng)采礦設(shè)備，并通過(guò)光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制和定位。此外，還可設(shè)置超聲波控制和定位陣列，這些超聲波在走廊之間測(cè)量信息，然后從有效控制設(shè)備的地點(diǎn)分析這些信息，從而進(jìn)行調(diào)查并提供公路導(dǎo)航和定位，從而大大提高導(dǎo)航和定位精確度。

3.4 地形遙控感知技術(shù)

不同的生產(chǎn)條件與地形規(guī)則不同，但通常會(huì)遇到土壤特點(diǎn)的特點(diǎn)，即松散土壤、不斷積存的光照，但為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，為了采礦環(huán)境的影響、改變地形環(huán)境和制作圖像以實(shí)現(xiàn)礦的自動(dòng)化控制，采礦作業(yè)側(cè)重于技術(shù)應(yīng)用。目前，地形學(xué)技術(shù)一般包括視覺(jué)、激光測(cè)距、超聲波等。

4 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)而言之，井下無(wú)人采礦作為煤炭開(kāi)采的主要攻關(guān)技術(shù)，直接影響到采礦的效率。近年來(lái)，隨著對(duì)煤炭等資源的需求不斷增加，井下無(wú)人開(kāi)采已成為人們廣泛關(guān)注的主要手段，而深海采礦取決于無(wú)人采礦技術(shù)，在目前情況下，當(dāng)?shù)孛旱V企業(yè)繼續(xù)進(jìn)行深海采礦，增加了開(kāi)采的風(fēng)險(xiǎn)和難度，而井下采礦技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)則是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用導(dǎo)航和控制技術(shù)。雖然目前無(wú)人駕駛采礦技術(shù)的開(kāi)發(fā)水平相對(duì)較低，例如導(dǎo)航控制和技術(shù)設(shè)備的認(rèn)知尚不成熟，但在非采礦技術(shù)影響下的不斷深入研究和開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，技術(shù)也逐步增強(qiáng)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著載有采礦技術(shù)、制導(dǎo)和控制重大技術(shù)進(jìn)步的設(shè)備問(wèn)世，無(wú)人采礦將廣泛用于井下采礦項(xiàng)目。