劉子強，周先，陳功，劉奇 ，彭躍金

(1.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南 郴州市 423037； 2.青海鴻豐偉業(yè)礦產投資有限公司， 青海 海西蒙古族藏族自治州 817000； 3.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 4.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012)

0 引言

近年來，礦業(yè)行業(yè)存在著兩個較大的問題：一是淺部礦業(yè)資源的不斷匱乏，正在向深部逐漸發(fā)展；二是從事礦業(yè)行業(yè)的人員逐漸發(fā)生斷層現(xiàn)象。因此，礦業(yè)行業(yè)基于科技信息化高速發(fā)展的成果進行了一系列改革，開啟了新的采礦模式——智能采礦模式（實現(xiàn)資源與開采環(huán)境數(shù)字化、技術裝備智能化、生產過程可視化、信息傳輸網(wǎng)絡化、生產管理與決策科學化）?；谥悄懿傻V的架構思想，國內外礦山逐漸開始智能礦山的建設[1-4]。

加拿大正在計劃并開始實施自動化采礦的“五年計劃”；瑞典的一些大型企業(yè)投入大量資金及技術人員，對智能采礦設備大力發(fā)展；力拓集團耗巨資啟動建設在皮爾巴拉的庫戴德里礦山，將成為第一個全智能礦山企業(yè)。而中國的智能礦山建設進程較為滯后，但是梅山鐵礦與各大高校緊密結合，構建了礦山網(wǎng)絡管理信息平臺，實現(xiàn)了信息化及工業(yè)自動化的生產管控一體化平臺；開陽磷礦基于智能采掘裝備，實現(xiàn)了各個環(huán)節(jié)的機械化開采、遠程操控等，礦山利用信息化技術集成了生產現(xiàn)場、業(yè)務管理、企業(yè)資源、決策分析等4層架構的礦山管控一體化平臺，并形成決策分析系統(tǒng)，為企業(yè)經(jīng)營決策提供支撐[5-6]。

因此，要建設智能化礦山，采礦學需緊密結合自動化技術、通訊技術、計算機科學與技術等學科技術，逐步建立智能化開采的基礎理論，并開發(fā)新技術、新裝備，從而促進中國采礦業(yè)向智能化發(fā) 展[7-9]。本文結合柿竹園的基本情況，介紹了柿竹園開采自動化程度且對下一步建設智能礦山的進程作了規(guī)劃。

1 工程概況

礦體賦存于花崗巖與中、上泥盆統(tǒng)灰?guī)r接觸帶附近的矽卡巖、大理巖中。根據(jù)礦體產出的部位，礦化特點以及礦石類型的不同，礦體劃分為4個礦帶（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦帶），Ⅲ礦帶的Ⅲ1-1礦體為唯一工業(yè)礦體。柿竹園鎢多金屬礦采用地下開采方式，主要回采III礦帶中部315 m×313 m范圍內的富礦體，采礦方法主要為連續(xù)崩落法，生產能力為6500 t/d，490 m水平以上富礦礦柱資源近乎枯竭，315 m×313 m范圍內保有Ⅲ礦帶礦石量約為1800萬t，按當前的選礦處理能力，服務年限不足10 a。由于中部富礦資源開采殆盡，現(xiàn)需對490 m水平以下以及315 m×313 m范圍外的礦體進行局部開采。

為更合理地對資源進行回采，柿竹園逐漸加大科技創(chuàng)新與智能化建設投入，逐步打造設備先進化、工藝流程自動化、操作智能化、管理現(xiàn)代化、本質安全、綠色環(huán)保的現(xiàn)代礦山企業(yè)。因此，科學合理地規(guī)劃柿竹園井下各區(qū)域采礦方法，加大智能 化系統(tǒng)的建設投入能夠有效地推進企業(yè)科技智能化升級，推動礦產資源開發(fā)向高效、安全、綠色、可持續(xù)發(fā)展，有效減少生產作業(yè)人員，降低生產成本，實現(xiàn)本質安全。

2 基于智能化的設備配套及調度管理

2.1 礦山配套設備智能化進程

2.1.1 作業(yè)設備現(xiàn)狀

柿竹園鎢多金屬礦采礦技術水平總體比較落后，井下作業(yè)屬于半機械化、機械化開采階段，大型設備開采占比較少，采礦鑿巖主要設備為YGZ-90中深孔鉆機，裝藥采用BQF-100裝藥器人工裝填炸藥，當分段高度較高（＞15 m）時，由于炮孔較深，為使孔底炸藥單耗達到要求，需裝藥較長時間，且裝藥密度不均，導致孔口炸藥單耗過高，造成孔口礦石過粉碎，且造成裝藥工人的勞動強度增加。

巷道支護、進路懸拱、大塊二次破碎仍采用人工操作，沒有實現(xiàn)機械化作業(yè)，工人需在暴露的頂板下長時間作業(yè)，松石冒落、爆破飛石等問題增加了工人作業(yè)的風險性，作業(yè)效率低，安全性差。

目前井下出礦基本實現(xiàn)了機械化作業(yè)，主要以4 m3鏟運機出礦為主，部分采場配備了2 m3的鏟運機，但整體鏟運機裝載能力較小，設備效率低，與國內同類礦山裝備水平有一定的差距。

2.1.2 智能化設備配套

由上述可知，礦山現(xiàn)有的采掘設備還未能實現(xiàn)自動化、機械化，為建設智能化作業(yè)礦區(qū)，提高采礦作業(yè)效率，減少一線操作人員，降低作業(yè)成本，亟需更新相關作業(yè)設備，因此，礦山引進一批較為先進的智能化設備。

（1）平巷掘進臺車、中深孔鑿巖臺車及深孔臺車。引進平巷掘進臺車后，礦山的機械化掘進程度占比大幅增加，極大提高了掘進速度，為以后智能化掘進奠定了設備基礎。

（2）裝藥臺車。引進裝藥臺車后，裝藥速度比人工裝藥大幅增加，既減輕了工人勞動量，又實現(xiàn)了多方位的高速和高密度裝藥，保證爆破質量。

（3）6 m3普通鏟運機和4 m3遙控鏟運機。礦山引進6 m3普通鏟運機和4 m3遙控鏟運機對未來大規(guī)模智能出礦具有重要意義。

（4）移動式二次破碎臺車和固定式破碎錘。用于放礦口的大塊破碎，固定式破碎錘用于溜井口格篩上的大塊破碎，與現(xiàn)在采用手持式鉆機打眼放炮和裸露藥包爆破相比，將極大提升生產安全。

通過引進不同的智能化設備，使礦山機械自動化程度大幅增加，不僅提升了礦山整體效率，且減輕了工人勞動量，實現(xiàn)本質安全。

2.2 不同區(qū)域的開采方法

根據(jù)礦山采購的設備，對不同區(qū)域的采場回采方式進行規(guī)劃設計，以便更好地利用智能化設備，逐步實現(xiàn)智能化采礦。

（1）315 m×313 m范圍及西部采區(qū)。由于315 m×313 m范圍內的富礦基本回采完畢，回采后地表形成了塌陷坑，且塌陷坑東部已經(jīng)形成了近200 m的陡壁，相應區(qū)域內若采用其他開采方法，會對現(xiàn)狀礦體及塌陷坑造成較大的擾動，增加回采的風險性。而315 m×313 m西部區(qū)域的礦石，品位相對較低，因此采用大型無軌設備作業(yè)，易于實現(xiàn)高度機械化、智能化的無底柱分段崩落法回采該采區(qū)礦石。

（2）北部采區(qū)。結合礦體厚度及礦巖穩(wěn)固性，北部采區(qū)宜采用階段空場（分段鑿巖或階段鑿巖）嗣后充填采礦法，其中已經(jīng)布置好分段平巷等工程的采場，采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法，未掘進工程采場，選用階段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法。該方法礦塊結構簡單，采準工程量低，爆破效果好，礦石大塊率低；礦塊生產能力大，采礦作業(yè)集中化程度高，便于大型無軌智能化、機械化設備作業(yè)；人員在半永久性支護的巷道型空間內作業(yè)，作業(yè)安全。

（3）東部490 m以上采區(qū)。東部490 m以上采區(qū)，礦體構造與北部采區(qū)相類似，故采用階段深孔側向崩礦嗣后充填采礦法與分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法相結合。此法可以充分利用現(xiàn)有的中深孔鑿巖臺車鉆鑿中深孔，鏟運機端部裝礦，機械化及智能化程度高，勞動生產率高；可同時在幾個分段進行不同的作業(yè)，有利于提高產量；分段空場嗣后充填采礦法采用擠壓爆破，有利于礦石的破碎和充填體的穩(wěn)定。

（4）東部490 m以下采區(qū)。東部490 m以下采區(qū)選用階段空場嗣后充填采礦法，此法爆下的礦石能對圍巖和暴露的充填體有臨時支撐作用，鏟運機出礦，裝備水平比連續(xù)崩礦法高，生產能力大；嗣后充填可使用低標號水泥膠凝充填，成本較低；回采與充填工作互不干擾，制約關系較分段空場嗣后充填法少，且有一個大量出礦階段，較分段空場嗣后充填法而言，更利于保證產能均衡。

因此，礦山基于不同區(qū)域選擇不同的采礦方法，充分利用已有的智能化設備進行鑿巖采礦，將礦山機械自動化程度提升一個臺階，為以后的礦山智能化奠定了很好的基礎。

3 柿竹園智能礦山建設規(guī)則

基于上述礦山的基本情況可知，柿竹園機械自動化程度正逐漸增強，為后續(xù)實現(xiàn)智能化奠定了智能設備基礎，但離智能礦山的建設還有很遠的距離。智能礦山的建設是集自動化、信息化、數(shù)字化于一體的智慧平臺，以信息為媒介，實現(xiàn)自動化操作，再以信息為媒介，將井下數(shù)據(jù)實時采集反饋，形成閉環(huán)信息處理。

3.1 智能礦山建設總體思路

要實現(xiàn)智能礦山的建設，僅僅實現(xiàn)采礦的機械自動化是遠遠不夠的，需建設以“生產管理遠程化、遙控化、無人化”為核心，以“采礦作業(yè)智能化、選冶過程自動化、運輸調度無縫化”為主要要素的多學科、多專業(yè)的交叉系統(tǒng)工程。

而要完整實現(xiàn)此過程，關鍵在于如何從井下對數(shù)據(jù)進行實時獲取、傳輸以及智能集成分析，因此需要以下幾種關鍵技術手段。

（1）空間信息技術。以測繪、遙感、全球定位導航技術、地理信息系統(tǒng)為基礎的空間信息技術將實現(xiàn)礦山信息采集和處理的實時化、自動化、智能化。

（2）云網(wǎng)融合技術。云網(wǎng)融合技術將實現(xiàn)遠程爆破、開挖、選礦、采礦、運輸?shù)葟碗s操作。

（3）數(shù)據(jù)挖掘技術?；诤Ａ繑?shù)據(jù)的提取建立決策支持和智能服務的專家系統(tǒng)，采礦過程中有任何意外，計算機分析以最好的解決方案一鍵解決。

（4）三維模擬和虛擬現(xiàn)實。借助虛擬現(xiàn)實、三維模擬和人工智能技術建立起來的礦床模型、采礦模擬、地下礦井仿真、井下圍巖力場仿真等，幫助在采礦前就能預知采礦現(xiàn)場會出現(xiàn)的所有情況。

（5）智能采礦和服務技術。包括無人采礦技術、井下勘探與物探技術、井下快速定位與自動導航技術、地下礦井人員定位技術、自動化指揮調度系統(tǒng)等。

（6）安全保障體系。嚴格規(guī)范的管理、先進的技術真正實現(xiàn)無人員失誤、無機器故障、無系統(tǒng)缺陷、無管理漏洞的人、機、礦山和管理高度融合的礦山安全目標。

以“空間信息技術”、“云網(wǎng)融合技術”、“數(shù)據(jù)挖掘技術”、“三維模擬和虛擬現(xiàn)實”、“智能采礦和服務技術”以及“安全保障體系”六大技術為支撐，逐步實現(xiàn)智能礦山建設的主要核心及其三大基本要素?；谑林駡@的基本現(xiàn)狀，目前可以從井下生產調度與監(jiān)管角度來實現(xiàn)井下少人甚至無人化的智能生產調度系統(tǒng)。

3.2 井下生產調度與管理

由于柿竹園距離完全建設成為智能型礦山有較遠的距離，需根據(jù)礦山整體現(xiàn)狀以“總體規(guī)劃，分布實施”為原則逐步推進智能礦山的建設。目前礦山具有較多的高水平智能化設備，因此針對井下智能設備提出了調度方案架構，如圖1所示（以運輸設備為例）。

圖1 調度方案架構

此調度方案架構由“計劃”部分、“反饋與執(zhí)行”部分及“統(tǒng)計與監(jiān)管”部分組成。

“計劃”部分：對每臺鏟運機下發(fā)裝卸礦計劃，優(yōu)化資源配置，簡化復雜的現(xiàn)場環(huán)境所帶來的生產指揮難度。

“反饋與執(zhí)行”部分：自動生成車輛運載產量、車輛日運行運距、月運行運距、周轉量等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計報表以及支持公司決策的數(shù)據(jù)依據(jù)。

“統(tǒng)計與監(jiān)管”部分：通過定位管理，對運輸設備進行實時監(jiān)控，及時掌控設備工作狀態(tài)和工作量，便于調度和管理，有效提高效率，降低成本。

上述3個部分內容以地表監(jiān)控中心、井下礦用交換機、綜合通訊基站、實時定位技術、行車安全監(jiān)控、視頻和語音通話等技術為一體實現(xiàn)生產調度與監(jiān)管。此系統(tǒng)可以對井下不同設備實時下發(fā)指令，實時監(jiān)控設備狀態(tài)，實時反饋信息，逐步做到井下少人及無人的智能化工作面。

4 結論

（1）智能礦山建設是礦業(yè)發(fā)展的必然過程，柿竹園結合現(xiàn)場實際及礦山發(fā)展的大環(huán)境，引進一批智能化設備，并根據(jù)設備及人員配置情況，對不同區(qū)域選擇不同的開采方式，充分發(fā)揮設備的優(yōu)勢為礦山創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益；

（2）針對柿竹園智能礦山的建設進程，提出以“生產管理遠程化、遙控化、無人化”為核心，以“采礦作業(yè)智能化、選冶過程自動化、運輸調度無縫化”為主要模塊的總體建設思路，并以“六大關鍵技術”為支撐逐步實現(xiàn)智能礦山建設的主要核心及其三大基本要素，為柿竹園智能化礦山提供了借鑒作用。