浅谈柿竹园智能矿山建设进程及发展

刘子强，周先，陈功，刘奇 ，彭跃金

(1.湖南柿竹园有色金属有限责任公司， 湖南 郴州市 423037； 2.青海鸿丰伟业矿产投资有限公司， 青海 海西蒙古族藏族自治州 817000； 3.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 4.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 410012)

0 引言

近年来，矿业行业存在着两个较大的问题：一是浅部矿业资源的不断匮乏，正在向深部逐渐发展；二是从事矿业行业的人员逐渐发生断层现象。因此，矿业行业基于科技信息化高速发展的成果进行了一系列改革，开启了新的采矿模式——智能采矿模式（实现资源与开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化）。基于智能采矿的架构思想，国内外矿山逐渐开始智能矿山的建设[1-4]。

加拿大正在计划并开始实施自动化采矿的“五年计划”；瑞典的一些大型企业投入大量资金及技术人员，对智能采矿设备大力发展；力拓集团耗巨资启动建设在皮尔巴拉的库戴德里矿山，将成为第一个全智能矿山企业。而中国的智能矿山建设进程较为滞后，但是梅山铁矿与各大高校紧密结合，构建了矿山网络管理信息平台，实现了信息化及工业自动化的生产管控一体化平台；开阳磷矿基于智能采掘装备，实现了各个环节的机械化开采、远程操控等，矿山利用信息化技术集成了生产现场、业务管理、企业资源、决策分析等4层架构的矿山管控一体化平台，并形成决策分析系统，为企业经营决策提供支撑[5-6]。

因此，要建设智能化矿山，采矿学需紧密结合自动化技术、通讯技术、计算机科学与技术等学科技术，逐步建立智能化开采的基础理论，并开发新技术、新装备，从而促进中国采矿业向智能化发 展[7-9]。本文结合柿竹园的基本情况，介绍了柿竹园开采自动化程度且对下一步建设智能矿山的进程作了规划。

1 工程概况

矿体赋存于花岗岩与中、上泥盆统灰岩接触带附近的矽卡岩、大理岩中。根据矿体产出的部位，矿化特点以及矿石类型的不同，矿体划分为4个矿带（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ矿带），Ⅲ矿带的Ⅲ1-1矿体为唯一工业矿体。柿竹园钨多金属矿采用地下开采方式，主要回采III矿带中部315 m×313 m范围内的富矿体，采矿方法主要为连续崩落法，生产能力为6500 t/d，490 m水平以上富矿矿柱资源近乎枯竭，315 m×313 m范围内保有Ⅲ矿带矿石量约为1800万t，按当前的选矿处理能力，服务年限不足10 a。由于中部富矿资源开采殆尽，现需对490 m水平以下以及315 m×313 m范围外的矿体进行局部开采。

为更合理地对资源进行回采，柿竹园逐渐加大科技创新与智能化建设投入，逐步打造设备先进化、工艺流程自动化、操作智能化、管理现代化、本质安全、绿色环保的现代矿山企业。因此，科学合理地规划柿竹园井下各区域采矿方法，加大智能 化系统的建设投入能够有效地推进企业科技智能化升级，推动矿产资源开发向高效、安全、绿色、可持续发展，有效减少生产作业人员，降低生产成本，实现本质安全。

2 基于智能化的设备配套及调度管理

2.1 矿山配套设备智能化进程

2.1.1 作业设备现状

柿竹园钨多金属矿采矿技术水平总体比较落后，井下作业属于半机械化、机械化开采阶段，大型设备开采占比较少，采矿凿岩主要设备为YGZ-90中深孔钻机，装药采用BQF-100装药器人工装填炸药，当分段高度较高（＞15 m）时，由于炮孔较深，为使孔底炸药单耗达到要求，需装药较长时间，且装药密度不均，导致孔口炸药单耗过高，造成孔口矿石过粉碎，且造成装药工人的劳动强度增加。

巷道支护、进路悬拱、大块二次破碎仍采用人工操作，没有实现机械化作业，工人需在暴露的顶板下长时间作业，松石冒落、爆破飞石等问题增加了工人作业的风险性，作业效率低，安全性差。

目前井下出矿基本实现了机械化作业，主要以4 m3铲运机出矿为主，部分采场配备了2 m3的铲运机，但整体铲运机装载能力较小，设备效率低，与国内同类矿山装备水平有一定的差距。

2.1.2 智能化设备配套

由上述可知，矿山现有的采掘设备还未能实现自动化、机械化，为建设智能化作业矿区，提高采矿作业效率，减少一线操作人员，降低作业成本，亟需更新相关作业设备，因此，矿山引进一批较为先进的智能化设备。

（1）平巷掘进台车、中深孔凿岩台车及深孔台车。引进平巷掘进台车后，矿山的机械化掘进程度占比大幅增加，极大提高了掘进速度，为以后智能化掘进奠定了设备基础。

（2）装药台车。引进装药台车后，装药速度比人工装药大幅增加，既减轻了工人劳动量，又实现了多方位的高速和高密度装药，保证爆破质量。

（3）6 m3普通铲运机和4 m3遥控铲运机。矿山引进6 m3普通铲运机和4 m3遥控铲运机对未来大规模智能出矿具有重要意义。

（4）移动式二次破碎台车和固定式破碎锤。用于放矿口的大块破碎，固定式破碎锤用于溜井口格筛上的大块破碎，与现在采用手持式钻机打眼放炮和裸露药包爆破相比，将极大提升生产安全。

通过引进不同的智能化设备，使矿山机械自动化程度大幅增加，不仅提升了矿山整体效率，且减轻了工人劳动量，实现本质安全。

2.2 不同区域的开采方法

根据矿山采购的设备，对不同区域的采场回采方式进行规划设计，以便更好地利用智能化设备，逐步实现智能化采矿。

（1）315 m×313 m范围及西部采区。由于315 m×313 m范围内的富矿基本回采完毕，回采后地表形成了塌陷坑，且塌陷坑东部已经形成了近200 m的陡壁，相应区域内若采用其他开采方法，会对现状矿体及塌陷坑造成较大的扰动，增加回采的风险性。而315 m×313 m西部区域的矿石，品位相对较低，因此采用大型无轨设备作业，易于实现高度机械化、智能化的无底柱分段崩落法回采该采区矿石。

（2）北部采区。结合矿体厚度及矿岩稳固性，北部采区宜采用阶段空场（分段凿岩或阶段凿岩）嗣后充填采矿法，其中已经布置好分段平巷等工程的采场，采用分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法，未掘进工程采场，选用阶段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法。该方法矿块结构简单，采准工程量低，爆破效果好，矿石大块率低；矿块生产能力大，采矿作业集中化程度高，便于大型无轨智能化、机械化设备作业；人员在半永久性支护的巷道型空间内作业，作业安全。

（3）东部490 m以上采区。东部490 m以上采区，矿体构造与北部采区相类似，故采用阶段深孔侧向崩矿嗣后充填采矿法与分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法相结合。此法可以充分利用现有的中深孔凿岩台车钻凿中深孔，铲运机端部装矿，机械化及智能化程度高，劳动生产率高；可同时在几个分段进行不同的作业，有利于提高产量；分段空场嗣后充填采矿法采用挤压爆破，有利于矿石的破碎和充填体的稳定。

（4）东部490 m以下采区。东部490 m以下采区选用阶段空场嗣后充填采矿法，此法爆下的矿石能对围岩和暴露的充填体有临时支撑作用，铲运机出矿，装备水平比连续崩矿法高，生产能力大；嗣后充填可使用低标号水泥胶凝充填，成本较低；回采与充填工作互不干扰，制约关系较分段空场嗣后充填法少，且有一个大量出矿阶段，较分段空场嗣后充填法而言，更利于保证产能均衡。

因此，矿山基于不同区域选择不同的采矿方法，充分利用已有的智能化设备进行凿岩采矿，将矿山机械自动化程度提升一个台阶，为以后的矿山智能化奠定了很好的基础。

3 柿竹园智能矿山建设规则

基于上述矿山的基本情况可知，柿竹园机械自动化程度正逐渐增强，为后续实现智能化奠定了智能设备基础，但离智能矿山的建设还有很远的距离。智能矿山的建设是集自动化、信息化、数字化于一体的智慧平台，以信息为媒介，实现自动化操作，再以信息为媒介，将井下数据实时采集反馈，形成闭环信息处理。

3.1 智能矿山建设总体思路

要实现智能矿山的建设，仅仅实现采矿的机械自动化是远远不够的，需建设以“生产管理远程化、遥控化、无人化”为核心，以“采矿作业智能化、选冶过程自动化、运输调度无缝化”为主要要素的多学科、多专业的交叉系统工程。

而要完整实现此过程，关键在于如何从井下对数据进行实时获取、传输以及智能集成分析，因此需要以下几种关键技术手段。

（1）空间信息技术。以测绘、遥感、全球定位导航技术、地理信息系统为基础的空间信息技术将实现矿山信息采集和处理的实时化、自动化、智能化。

（2）云网融合技术。云网融合技术将实现远程爆破、开挖、选矿、采矿、运输等复杂操作。

（3）数据挖掘技术。基于海量数据的提取建立决策支持和智能服务的专家系统，采矿过程中有任何意外，计算机分析以最好的解决方案一键解决。

（4）三维模拟和虚拟现实。借助虚拟现实、三维模拟和人工智能技术建立起来的矿床模型、采矿模拟、地下矿井仿真、井下围岩力场仿真等，帮助在采矿前就能预知采矿现场会出现的所有情况。

（5）智能采矿和服务技术。包括无人采矿技术、井下勘探与物探技术、井下快速定位与自动导航技术、地下矿井人员定位技术、自动化指挥调度系统等。

（6）安全保障体系。严格规范的管理、先进的技术真正实现无人员失误、无机器故障、无系统缺陷、无管理漏洞的人、机、矿山和管理高度融合的矿山安全目标。

以“空间信息技术”、“云网融合技术”、“数据挖掘技术”、“三维模拟和虚拟现实”、“智能采矿和服务技术”以及“安全保障体系”六大技术为支撑，逐步实现智能矿山建设的主要核心及其三大基本要素。基于柿竹园的基本现状，目前可以从井下生产调度与监管角度来实现井下少人甚至无人化的智能生产调度系统。

3.2 井下生产调度与管理

由于柿竹园距离完全建设成为智能型矿山有较远的距离，需根据矿山整体现状以“总体规划，分布实施”为原则逐步推进智能矿山的建设。目前矿山具有较多的高水平智能化设备，因此针对井下智能设备提出了调度方案架构，如图1所示（以运输设备为例）。

图1 调度方案架构

此调度方案架构由“计划”部分、“反馈与执行”部分及“统计与监管”部分组成。

“计划”部分：对每台铲运机下发装卸矿计划，优化资源配置，简化复杂的现场环境所带来的生产指挥难度。

“反馈与执行”部分：自动生成车辆运载产量、车辆日运行运距、月运行运距、周转量等数据的统计报表以及支持公司决策的数据依据。

“统计与监管”部分：通过定位管理，对运输设备进行实时监控，及时掌控设备工作状态和工作量，便于调度和管理，有效提高效率，降低成本。

上述3个部分内容以地表监控中心、井下矿用交换机、综合通讯基站、实时定位技术、行车安全监控、视频和语音通话等技术为一体实现生产调度与监管。此系统可以对井下不同设备实时下发指令，实时监控设备状态，实时反馈信息，逐步做到井下少人及无人的智能化工作面。

4 结论

（1）智能矿山建设是矿业发展的必然过程，柿竹园结合现场实际及矿山发展的大环境，引进一批智能化设备，并根据设备及人员配置情况，对不同区域选择不同的开采方式，充分发挥设备的优势为矿山创造了良好的经济效益；

（2）针对柿竹园智能矿山的建设进程，提出以“生产管理远程化、遥控化、无人化”为核心，以“采矿作业智能化、选冶过程自动化、运输调度无缝化”为主要模块的总体建设思路，并以“六大关键技术”为支撑逐步实现智能矿山建设的主要核心及其三大基本要素，为柿竹园智能化矿山提供了借鉴作用。