浅谈地下金属矿山采掘机械化及智能化

陈发兴

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

改革开放以来，我国地下金属矿山采掘机械装备水平有了很大发展，整体上缩小了与西方发达国家矿山的差距，近年来，随着人工智能技术的发展，智能矿山建设也成为矿业界的热门话题，现结合作者多年工作经验，谈一谈我国地下金属矿山采掘机械化及智能化现状、发展趋势及需要解决的相关问题。

1 无轨采掘工艺应用

经过20余年的快速发展，我国地下金属矿山无轨采掘工艺已得到广泛应用，无轨采掘工艺灵活、高效、产量大的特点得到了充分体现，最显著的效果是矿山产量大幅提高，产量达百万吨级的地下矿山比比皆是。但是，大量无轨柴油采掘设备在地下金属矿山的应用也有其不利方面，其产生的大量尾气及油烟使井下作业环境变差，对作业人员的健康产生不利影响。柴油采掘设备的污染是今后地下金属矿山需要解决的一个难题。

2 采掘设备的配套

早期的无轨采掘矿山重点是推进主体工序如凿岩、出矿(出渣)、矿(渣)运输等工序的无轨化，目前，大部分矿山也比较注重辅助工序无轨采掘设备的配套，如装药采用装药台车，顶板管理采用撬毛台车和锚杆台车，砼支护配套有砼搅拌站、砼运输车、砼输送泵、喷砼台车等，人员、材料运输采用专用的运人车、各类材料运输车或多功能服务车等，天井施工方面，反井钻机已得到广泛应用。

对矿山安全的重视及人工成本上升，促使矿山向采掘设备全面配套方向提升。采用性能良好的各类无轨采掘设备作业，其好处之一是可提高工效，减少作业人员，好处之二是操作人员处于相对安全的驾驶室内或避开了安全威胁大的区域，人员的安全风险大大降低。

3 采掘设备电动化

目前，实际生产中采用柴油发动机驱动(以下简称柴油驱动)的采掘设备还有较大比重，其中，运矿卡车、材料及人员运输车以柴油驱动为主，铲运机也有相当大的比重采用柴油驱动，凿岩台车行走时也多采用柴油驱动，大部分辅助台车多为柴油驱动。与电驱动相比，柴油驱动的设备能耗大、存在尾气排放的污染、发热量大、设备维修量大、设备利用率低、使用成本高。

相同能力级别的设备，配置功率柴油驱动的要比电驱动的大，以山特维克产的额定载重14 t铲运机为例，柴油驱动的发动机额定功率243 kW，电驱动的电动机额定功率160 kW。据生产实际统计，相同额定载重能力的铲运机，其能耗及维修成本电驱动仅为柴油驱动的1/3～1/2。

拖曳电缆的电动铲运机因电缆的束缚，其机动性和活动范围受限，在留设点柱较多的矿块内出矿也不是很方便，与柴油铲运机相比，增加了电缆损耗的费用。改为电池版铲运机是解决拖曳电缆电动铲运机不足的可行方案。

目前，山特维克、安百拓、挪曼尔特等厂商正在研发和推出电池版采掘设备，其中电池版凿岩台车将行走时的驱动改为电，其充电在凿岩时完成，国内的航天重工也在研发和推出电池驱动的人员、物料运输车。目前，电池版采掘设备的售价相对来说还比较贵，性价比不高。类比电动汽车的发展情况，随着电池技术的发展完善及新技术新材料的应用，电池版采掘设备价格将会呈逐步下降趋势。从电驱动的突出优势和社会日益增强的环保需求来判断，电动化将采掘设备发展方向，电池版采掘设备将会得到广泛应用。

4 采掘智能化

4.1 智能采掘设备发展现状

当前，能够在现场成熟应用的采掘装备其智能化、自动化、信息化水平大致如下。

1)掘进台车在人工支机定位后，在工作面开孔条件合适的前提下，可实现单排面自动按设计图凿岩，从国内使用的实际使用情况看，一般还需操作人员在现场值守，干预处理工作面不适合自动凿岩的情况。

2)出矿铲运机可实现自动沿设定线路运行，自动卸矿，仅铲装环节需要人工辅助，1个操作人员可远程操控3台铲运机，铲运机装车时，需均匀卸矿至车厢内，此环节尚需人工辅助。矿用卡车可实现在设定线路上自动运行和装卸矿。为保障安全，上述自动运行的铲运机、矿用卡车需在设置了安全门的、封闭的、相对独立的区域内运行，人员和其它无关设备不允许闯入，一旦强行闯入则系统停止运行。

3)其它采掘辅助设备一般需要操作人员一对一直接操作或遥控操作，尚未发展到无人值守自动运行的水平。

4)主要采掘设备能记录显示其运行状态的相关数据，有故障能自动提示和报警，相关数据可远程传输到控制中心。

4.2 采掘智能化需求

参考《有色金属行业智能矿山建设指南(试行)》，从发展角度看，采掘智能化应达到如下水平：常规的、重复性的作业应全部由采掘设备自动完成，无需操作人员操作，人员只进行采掘作业条件的准备、特殊情况处置及现场巡查，如设备的搭水、搭电等，具体到各主要工序环节的要求如下。

4.2.1 凿岩

包括采矿的浅孔凿岩和深孔凿岩及掘进的浅孔凿岩，凿岩台车在凿岩前对工作面进行作业条件的判断，自动移机支机，自动进行炮孔设计，自动凿岩。

装药台车自动识别炮孔，按爆破设计图自动装药。

4.2.3 出矿

铲运机自动进行出矿作业，自动将已爆落的矿石铲装、运输，自动卸载到采场溜井内，能自动对爆堆进行智能识别，调整优化铲装动作，自动对路面进行监控，及时处理运输过程中掉落的岩块。有无人驾驶运输卡车配合运输时，铲运机能自动将矿石均匀地装到运输车斗内。自动识别超限大块，自动进行处置，或将信息传递给需配合处理大块的碎石设备。

4.2.4 出渣

铲运机自动进行出渣作业，自动将已爆落的岩石铲装、运输，并卸载到配套的无人驾驶运输车内或溜井内。其余要求同出矿环节。

4.2.5 撬毛

撬毛台车自动对有浮石的、需撬毛的地段进行智能判断及浮石清理。

在数学教学过程中要全面地理解新课程标准对高数学学习的要求，在数学教学过程中自觉地渗透数学思想和数学文化.把培养学生的数学思想，提高学生的数学思维作为数学教学的重要目标，培养学生的数学思维和解题能力.

4.2.6 锚杆支护

锚杆台车自动对需打锚杆的、及挂网的地段进行智能判断，进行支护设计及施工。

4.2.7 喷砼支护

喷砼台车自动对需喷砼支护的巷道进行支护，并配套智能砼搅拌站及无人驾驶砼运输车给其供料。

4.2.8 路面维护

路面维护台车自动对无轨采掘设备运行的路面进行清理、整平、压实等维护路面作业。

4.2.9 大块破碎

二次破碎台车或移动碎石锤自动进行大块破碎。

4.2.10 材料运输

无人驾驶材料车将各类货物自动运输并卸载到指定地点。

4.2.11 天井施工

天井钻机自动进行天井钻井施工，包括中导孔的钻进及反井扩刷，能自动进行钻杆更换，能自动根据钻进过程中岩石条件自动优化调整作业参数。

要实现上述各工序的自动作业，需要智能扫描及分析设备对井下已形成的巷道、硐室、采空区等空间进行数字化描述，并对其岩性、构造、节理裂隙、浮石、矿围岩稳固性、跨塌风险等进行辨识和判断，及时更新矿山三维立体模型数据，与撬毛、锚杆支护、喷砼支护、凿岩、爆破、出矿及出渣、路面维护等作业设备共享数据。所有人员及设备均能实时定位，能相互通讯、信息共享、传递工序间配合作业的指令等，集控中心统一指挥调度，实现采掘装备多机联合作业。

4.3 实现采掘智能化需求的关键技术

4.3.1 精确定位

采掘设备精确定位是其实现自动作业的前提，如凿岩设备只有“感知”到自身的精确位置，才能按炮孔设计图进行凿岩，保证凿岩精度，行走中的设备要实现安全避让，其准确位置数据也是控制的基础。

精确定位能通过扫描、比对设备周边已经数字化的空间环境或及测量控制点获得。

4.3.2 作业环境智能识别

作业环境智能识别也是采掘设备能够自动作业的前提，只有采掘设备在“看清”其作业对象及环境后，才能够进行准确的分析判断和操作。需智能识别的作业环境主要有：爆堆、运行线路、卸(渣)矿点、凿岩工作面、装药工作面、撬毛工作面、锚杆支护工作面、喷砼支护工作面、需要破碎的大块、需要维护的路面等。

4.3.3 网络全面覆盖及信息及时传输

采掘工作面存在爆破作业，存在爆破冲击对设备设施的影响，因此爆破工作面网络全面覆盖是难点，可通过自动移动的设备来实现网络全面覆盖。

采掘设备为移动设备，为保证运行安全，要求信息传输有低时延、大流量的良好性能，将5G通讯技术应用于井下，应能满足采掘智能化的通讯要求。

4.4 采掘智能化效果分析

采掘智能化主要有以下优点。

4.4.1 减少人员

机械化换人、自动化减人、智能化代人，采掘智能化可减少大量操作人员。举1个矿山智能化设计例子，矿山为大型铜矿山，开采规模为6 000 t/d，采用分层充填法、点柱充填法开采，采掘智能化水平按常规的、重复性的采掘作业全部由设备自动完成，人员只进行采掘作业条件的准备、现场巡查及检修维护，与常规水平相比，采掘智能化人员可减少173人，按18.3万元/年的人工费计，每年可节约人工成本3 165.9万元。

4.4.2 提高效率

采掘设备自动运行的水平，相当于水平最好的、熟练的操作工的最高水平，且可以稳定运行，因此采掘智能化可以提高生产效率。

4.4.3 安全

实现采掘智能化后，大量重复性的、耗时长的、操作环境条件较差作业环节将不再需操作工现场操作完成，而由设备及系统自动完成，作业人员主要工作仅是巡查、检修维护等，因此作业人员的安全风险降低了，其工作环境也得到了改善。

5 结 语

从我国地下金属矿山实际情况看，无轨采掘工艺已得到广泛应用，并逐步向采掘设备的全面配套方向发展。长远来看，采掘电动化和智能化将是地下金属矿山发展的必然结果，需要广大科技工作者结合生产实际，尽早攻克相关技术难题，实现地下金属矿山采掘智能化愿景。