金属矿山数字化技术进展与自动化采矿

1、金属矿山数字化技术进展与自动化采矿,北京科技大学 胡乃联,报 告 提 纲,数字矿山技术进展 露天采矿自动化技术 地下采矿自动化技术 结束语,4,3,2,1,1 数字矿山技术进展,1 数字矿山技术进展,数字矿山在我国从概念的提出，到研究、开发、建设、应用已经经过了十几个年头； 伴随着矿业市场的起伏变化，数字矿山的建设与应用取得了长足的发展； 信息技术的不断进步，大数据、云计算技术的发展，互联网+概念的提出，为数字矿山的建设注入了新的活力； 一些新的概念、提法也在不断出 现； 自动化、信息化、数字化技术在 矿山的深层次应用。 信息技术不断进步，数字矿山内 涵不断发展。,1 数字矿山技术进展,1.1

2、 矿业软件的发展与应用 1.2 生产过程自动化技术进展 1.3 安全管理技术进展 1.4 其它管理系统技术进展 1.5 总结,地质资源的数字化、可视化； 地质环境的数字化、可视化； 开采设计的数字化、最优化； 生产计划的数字化、最优化。,1 数字矿山技术进展,1.1 矿业软件的发展与应用 地质资源的数字化、可视化： 同其它系统无缝集成： 信息采集系统Pad、电子手簿，信息的采集与输入问题； 储量管理系统储量、生产矿量管理问题； 测量验收系统损失贫化、指标考核问题。 储量信息动态更新问题 露天矿台阶、爆堆品位分布，地下矿采场分层、分段储量、品位的及时更新。,1 数字矿山技术进展,1 数字矿山技术

3、进展,1.1 矿业软件的发展与应用 开采设计的数字化、最优化： 露天矿山，开采境界优化， Whittle软件的应用； 地下矿开拓系统设计、 采准设计、回采设计；,1 数字矿山技术进展,1.1 矿业软件的发展与应用 生产计划的数字化、最优化： 露天矿山应用相对成熟； 地下矿山应用还很少，计划编制 一般还是综合平衡。,1 数字矿山技术进展,1.2 生产过程自动化技术进展 利用GPS卫星导航系统，指挥调度穿孔爆破、装载、运输、排土设备的运转，露天矿山的应用已经非常成功。主要应用有： (1) 钻机精确定位与作业控制 (2) 电铲作业优化控制 (3) 卡车跟踪与优化调度 (4) 推土机作业优化控制 (5

4、) 露天矿边坡位移检测,1 数字矿山技术进展,1.2 生产过程自动化技术进展 研究基于北斗卫星露天矿生产调度系统。 北斗卫星导航系统第三个成熟的卫星导航系统，已经实现了对东南亚的全覆盖； 目前北斗系统在轨卫星数达到 了17颗，已经实现区域定位， 但还不具备全球定位能力。 2014年底，北斗卫星导航系统 已获得国际海事组织的认可。,1 数字矿山技术进展,1.2 生产过程自动化技术进展 地下矿作业地点分散、作业过程不连续、作业条件恶劣，生产过程自动化、数字化难度较大。 生产信息的自动化采集、处理。 地下矿智能调度； 矿山固定设备的自动化：提升、运输、通风、排水、充填、供电、供风等 减少井下人员，提

5、高可靠性； 矿山移动设备自动化：凿岩台车、铲运机、井下运输车辆（电机车、卡车等） 自动化采矿 ；,1 数字矿山技术进展,1.2 生产过程自动化技术进展,1 数字矿山技术进展,1.3 安全管理技术进展 利用信息化、数字化技术，紧密结合六大系统建设，尾矿库在线监测系统建设，矿山安全状况有了明显改善； 地下金属矿山由于生产覆盖面广、作业中段多，现场工作条件复杂，安全问题还很多。,1 数字矿山技术进展,1.3 安全管理技术进展,作业环境的安全保障 作业人员的行为安全 对人员行为的动态描述 对生产人员安全素质的评估 作业设备的运转安全 生产系统运转的安全性 作业设备的状态评估 安全制度保障,内容： 作业

6、地点的岩石条件、顶板状态； 通风条件；动力供应条件； 手段： 微地震监测、应力应变监测； 作业环境智能化在线监测； 作业现场的实地检查。,手段： 井下人员跟踪定位 下井人员考勤与安全状态分析 安全生产调度与生产排班,内容： 安全操作水平 安全培训状态 关键工作岗位经历 安全违章记录 手段： 建立人员安全档案,内容： 设备运行状态参数 手段： 设备智能化在线监测 设备运行记录与管理,内容： 设备维修、故障记录 设备运行状态统计分析 手段： 建立设备安全档案,安全制度与安全规范安全检查、隐患整改,1 数字矿山技术进展,1.4 其它管理系统技术进展 集团管控下的矿山，财务、销售、人力资源、设备资产，

7、甚至物资采购供应都受集团控制； 矿山的生产经营管理主要是预算的分解与执行、生产信息的统计收集、生产成本的核算； 规划好与集团ERP或其他形式的信息系统的信息共享与交换，建设协同化的生产管理系统，是矿山信息化的主要任务； 这些内容的开发建设，具有一定的通用性，一些计算机软件公司往往具有一定的优势。,1 数字矿山技术进展,1.5 总结 建设成就 （1）矿山装备水平、自动化水平提高； （2）矿山管理模式转变、管理水平提高； （3）资源综合利用水平提高； （4）矿山安全状况改善； （5）矿山复合型人才的培养； （6）对相关产业的带动作用。,1 数字矿山技术进展,1.5 总结 存在问题 （1）直接经济效

8、益的体现； （2）对数字矿山的片面认识； （3）重硬件购置、轻软件开发； （4）管理模式、管理水平； （5）系统运维问题； （6）专门人才问题。,2 露天采矿自动化技术,2 露天采矿自动化技术,利用GPS卫星导航系统，指挥调度穿孔爆破、装载、运输、排土设备的运转，露天矿山的应用已经非常成功。 设备的自主运行，特别是车辆的自主运行，困难还很多。 车辆的自动化运行，分为以下三个阶段： (1) 视距内遥控车辆。 (2) 远程遥控车辆。 (3) 无人操作自动化车辆。 为了实现车辆的自主运行，Caterpilar、Komatsu、Liebherr等设备制造公司从2008年就开始这方面的研究工作，取得了一

9、些进展。,2 露天采矿自动化技术,利用激光或雷达传感器阵列感知周围环境，从而避免碰撞; 障碍检测处理软件根据传感器信息，计算出车辆是否要照顾其他车辆，路 上是否有人或其他障 碍物； 雨、雪、雾和岩尘等 环境因素也要考虑。,2 露天采矿自动化技术,2008年，Rio Tinto在其所属的澳大利亚West Angela铁矿，对小松无人操作运输系统（AHS）进行了试验； 取得初步成果后，2011年，为Yandi-coogina铁矿从小松订购了150台无人操作自动化汽车，2012年开始交货； 汽车由远离矿区1500km的Perth Rio Tinto操控中心控制，这个中心管理着14个矿，3个港口和3条

10、铁路。 Liebherr也在进行矿用汽车自动化方面的开发研究，为将来打基础。,2 露天采矿自动化技术,开展实质性的研究与试验的主要是几个大的矿业公司所属矿山，如： 2013年，Caterpilar在BHP Billiton所属的西澳州Jimblebar矿，现场进行了无人操作自动化矿用汽车实际生产试验； Caterpilar还和FMG的Solomon铁矿合作，争取在3年内实现该矿45台Caterpilar自动化矿用汽车的目标；,2 露天采矿自动化技术,矿用汽车无人操作自动化的特点： (1) 彻底解决了司机的安全问题； (2) 提高生产率和作业率，降低作业成本； (3) 解决了技术工人 缺少问题，

11、特别是在 边远地区； (4) 传感器价格较 贵。,3 地下采矿自动化技术,3 地下采矿自动化技术,研究和应用自动化采矿的矿业发达国家主要有：芬兰、加拿大、瑞典、澳大利亚、南非等，它们从上世纪90年代即开始相关的研究和实验。 下面以瑞典基率纳铁矿为例来了解自动化采矿的技术进展。 瑞典LKAB公司：1890年在瑞典斯德哥尔摩成立，包括两个地下矿和一个露天矿： 基律纳（Kiruna）铁矿; 马姆贝里耶特（Malmberget）铁矿; 斯瓦帕瓦拉(Svappavaara) 露天矿。,3 地下采矿自动化技术,基律纳铁矿,基律纳铁矿塌陷区,3 地下采矿自动化技术,马姆贝里耶特铁矿,马姆贝里耶特铁矿塌陷区,

12、3 地下采矿自动化技术,基律纳是瑞典北方的最大城市，也是瑞典的主要旅 游城市。位于北极圈以北145千米，北纬67.8 （北极 圈66.34）。 （1）极光 （2）极昼（3月30日7月15日） 极夜（12月13日次年的1月5日） （3）冰雪旅馆 （4）矿井旅游,3 地下采矿自动化技术,基律纳旅游特色 （1）极光,3 地下采矿自动化技术,基律纳旅游特色 （2）极昼（3月30日7月15日） 极夜（12月13日次年的1月5日）,3 地下采矿自动化技术,基律纳旅游特色 （3）冰雪旅馆,3 地下采矿自动化技术,基律纳旅游特色 （4）矿井旅游 每年6月1日至8月31日，每天上、 下午各一批； 门票：成人SE

13、K345，包含大巴、 导游、咖啡和饼干。,3 地下采矿自动化技术,3.1 地质 基律纳铁矿床是火山喷发沉积形成的，矿体赋存于角斑岩（下盘）与石英角斑岩（上盘）之间，大致呈板状，走向近南北，矿体走向长大约4000m，矿体倾向东，倾角50-70 度，矿体水平厚20-200米，平均厚80m，延深2000m。 主要铁矿物是磁铁矿，少量为赤铁矿。矿石TFe 含量在30%-65%，平均含量60%以上，P 的含量在0.05%-5%，平均含量2%，控制铁矿石储量约22亿吨。 基律纳铁矿矿石与围岩都很稳定，井巷工程一般不需支护。,3 地下采矿自动化技术,3.2 开 拓 1910年开始露天开采，1965年开始转为

14、地下开采。 开拓方式为竖井/斜坡 道联合开拓。 主斜坡道进口段（ 230 m ）为单车道、双巷，420 m时合并成为双车道，坡度为1 1 0，双车道断面尺寸为8 m 5 m； 竖井位于矿体下盘，同一工业场地建多条竖井； 当前的生产中段为1045，开拓、采矿准备中段为1365。 1045m水平矿石储量为4. 3亿t。分成8个矿块进行开拓，每个矿块有4条矿石溜井，分别溜放磷品位不同的矿石。 在矿体下盘开凿4条新的斜坡道到达8个矿块。,3 地下采矿自动化技术,3.2 开拓 中段高度 320中段，45米； 420中段，100米； 540中段，120米； 775中段，235米； 1045中段，270米；

15、 1365中段，320米； 工业旅游中段在 540米水平。,3 地下采矿自动化技术,3.3 采矿方法 从地下开采开始一直采用无底柱分段崩落采矿法，结构参数不断变化。 分段高度：12m，28.5m， 30m， 32m； 炮孔排距：开始 1.5-1.8m，现在 3.0-3.5m，每排炮孔崩矿量变化； 进路间距：相应变化。 回采进路断面尺寸： 7.0 （ 6.5 ）m5.0m。 1045中段分为9个分段开采，分段高度30米，第一个分段实际为28.5米。 1365中段分为10个分段开采，分段高度为32米。,3 地下采矿自动化技术,3.4 落矿 回采凿岩主要采用安装有 高压水力潜孔冲击式钻机的遥控凿岩台

16、车。 Length 12.9 m Width 3.0 m Height 3.0 m Weight 37 ton Power 170 kW Hole depth 55m Hole dia. 115 mm,3 地下采矿自动化技术,3.4 落矿 台车利用激光系统进行准确三维定位，30m内偏斜率低于1.5%； 穿孔速度0.6-0.8m/min，300m/d，最高达到600m/d。 基律纳铁矿在提高凿岩和爆破质量方面已经取得了很大的进步，但是还有许多技术问题 需要解决，尤其是在节 理裂隙发育、多孔洞的 岩体中。,3 地下采矿自动化技术,4.4 落矿-自动化凿岩,3 地下采矿自动化技术,3.4 落矿-自动

17、化凿岩 自动化功能： (1)布孔计划的传递 (2) 推进梁精确定位 (3) 准确平稳开孔 (4) 凿岩和接卸杆 (5) 自动卸杆并在钻杆架 归位 (6) 推进梁在下一个开孔点定位。 成功的经验： 用户和制造商紧密合作、可靠的设备、预测维修。,3 地下采矿自动化技术,3.4 落矿-自动化凿岩 Simba W469遥控凿岩台车,3 地下采矿自动化技术,3.4 落矿-装药 LKAB全资子公司Kimit（基米特）公司专门为基律纳铁矿的采矿方法变革研制炸药和装药车。 为了把液体炸药保持在大直径（115mm）， 上向深孔（40-50m）的应有位置，炸药 的粘度必须很高。Kimit公司专门研制了 抗水性好、

18、粘度高的乳化炸药，可以预 装药，不受孔内积水影响，返药量少。,3 地下采矿自动化技术,3.5 采场出矿 采场出矿采用Toro 501E型铲运机，载重15 t，单台效率为320t/h； 为了满足自动化出矿的需要，1045m水平用新开发的Toro 2500E铲运机，斗容25t，单台效率为500t/h，每周平均出矿3. 0 3. 5万t； 2500E长14m，宽3.7m，高3.2m。 采用独特的电缆收放技术（专利技术），运行距离达180m； 无废气排放、低噪音、粉尘少、轮胎寿命长，便于集中维修。,3 地下采矿自动化技术,3.5 采场出矿-自动化出矿 1990年开始的铲运机（LHD）自动化试验，人工装

19、载，运行和卸载自动化完成，借助埋在巷道底板内的金属缆控制铲运机运行。 人工装载的目的是： 避免大块卸入溜井； 人工控制产矿位置， 有利于改善损贫指 标。,3 地下采矿自动化技术,3.5 采场出矿-自动化出矿 导航系统费用高，缺乏灵活性，每次爆破后要延长金属缆，重新布置装载工作面；运行速度慢（10-12km/h）。 由于运行速度慢，需要更多的铲运机。 1999年开始使用Toro 2500E进行新的试验。,3 地下采矿自动化技术,3.5 采场出矿-自动化出矿 对导航系统进行了大的改进，利用安装在巷道侧壁的反射条带来计算LHD的位置(延壁法)。LHD上装有一台低功率激光扫描器，计算机自动记录每一反射

20、器的精确位置。 LHD能够在每秒钟内调 整其位置达40次。 新的自动化系统的主要优 点是LHD运行速度可以达 到18km/h。彻底解决了LHD 的运行速度问题。,3 地下采矿自动化技术,3.6 其它作业 提升； 运输； 喷浆； 锚杆。 马姆贝里耶特矿的运输。,3 地下采矿自动化技术,基律纳铁矿的技术特点非常鲜明：高阶段、大结构参数、高效率、自动化。 机械化、自动化必然带来高效率。全矿共有4000 多名员工，从事井下作业的有500人左右。例如：铲运机司机原来大约有100人，现在只有原来的三分之一； 井下人员平均劳动生产率达到40000t/ a。 随着机械化水平的提高，直接从事井下作业的人员还会减

21、少。,3 地下采矿自动化技术,分析国外自动化采矿比较成功的矿山，例如： 瑞典基律纳（Kiruna）铁矿 智利特尼恩特（El Teniente）铜矿 加拿大（Inco）国际镍公司 南非芬斯（Finsch）金刚石矿 澳大利亚奥林匹克坝（Olympic Dam）铜铀矿 芬兰奥托昆普（Otokumpu）公司 印尼Grasberg深部矿带 这些矿山有一些共同的特点。,3 地下采矿自动化技术,除奥林匹克坝铜铀矿外，大都是采用崩落法采矿的矿山，特别是采用自然崩落法的矿山； 正是由于这种采矿方法工序比较简单，出矿点相对固定，所以成为自动化采矿发展较快，也能连续生产的矿山。 因此，矿山生产技术条件是实现自动化采

22、矿的重要影响因素。 适应自动化采矿的开采工艺：矿体规模相对较大，中深孔、大孔落矿、相对固定出矿点。,4 结束语,4 结束语,在我国，最近十几年一直致力于数字矿山的开发建设工作，取得了一些成效； 开采条件的恶化，人类文明的进步，要求进行自动化采矿； 在矿业发达国家，信息技术的应用已相当普及。二十世纪后20年，这些国家矿山信息化的重点已转到地下矿山生产过程自动化，实现远程遥控和自动化操作方面。 目标：彻底改善工人的劳动条件，实现无人或少人采矿，实现采矿办公室化。,4 结束语,总体而言，我国矿业还处在工业化发展中后期，工业化水平差异非常之大。,4 结束语,自动化采矿受到一些具体条件的限制：矿体规模小、不利于自