地下采矿设备智能化.docx

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地下采矿设备智能化

地下矿山设备智能化研究应用现状

摘要:

随着机械设备制造工艺和研究的不断进步,应用于矿山实际生产的机械设备也取得了日新月异的发展。

在我国新世纪探索工业化、信息化的道路上，对资源开采技术及设备提出了发展要求，故发展矿山机械设备作为推动采矿技术革新的重要力量正面临着重大考验。

本文对比国内外矿山机械设备的特点和差距,探讨矿山机械设备的大型化和智能化发展趋势。

关键词：

非煤矿山机械发展趋势大型化智能化

前言

近30年来，地下矿山依靠装备进步，使生产效率提高了3～5倍或更高。

目前，

人们又在努力研制和开发适合连续开采的采矿装备，以期进一步提高采矿效率。

在露天矿，依靠装备进步改进生产工艺、提高经济效益、扩大开采边界的效果更为明显。

纵观采矿技术的发展，可以看到矿山机械的革新是源动力，因此大力发展矿山机械设备是目前国内矿山生产规模化发展的重要保障。

随着矿山转入深部矿床开采，由于深井开采存在着高地应力、高温的突出问题，使采矿作业遇到一系列技术难题，要解决以上问题，关键是要建立和完善一套对矿井作业过程和环境状况进行系统科学的实时动态监测、分析以及有效控制的技术体系，以数字化、信息化、虚拟化和集成化为基础，实现计算机网络管理的管控一体化的智能化开采。

一、智能化矿山的概念

为了保持采矿业的竞争优势，芬兰提出了智能化矿山技术计划。

该计划的主要目的是通过实现硬岩露天矿和地下矿山的实时生产控制、矿山设备自动化以及采用高新技术提高矿山生产效率和经济效益。

智能化矿山就是根据矿山历史信息、开采现场信息和市场信息实时控制达到最优经济生产的自动化高技术的露天矿和地下矿，图l为智能化矿山的总体构架。

智能化的矿山的基本要素是：

（1）全矿信息与数据收集系统；

（2）高速双向全矿通讯与信息系统网络（实时监测和控制）；

（3）计算机化信息管理、矿山计划、控制和维修系统；

（4）与矿山信息网络联网的自动和遥控的机械设备；

（5）与公共网络联网的通讯和监测系统。

图1智能化矿山总体架构

二、国内外地下矿山设备智能化的发展状况概述

2.1国外地下矿山设备智能化的发展状况

从世界范围来看，瑞典的基律纳铁矿和加拿大国际镍公司的矿山是两个依靠

采矿装备进步来提高采矿效率和促进矿山稳步发展的典型代表。

以基律纳铁矿为

例，尽管长期开采使得该矿的开采条件逐渐变差，但其年生产能力一直维持在千万吨以上，其中虽有管理水平的因素，但装备和采矿技术的进步是最基本和最重要的因素。

在1983年，基律纳铁矿分段崩落法的分段高度为12m，使用阿特拉斯科普柯（AtllasCopco）公司钻孔直径57mm的Simba323型风动凿岩台车钻孔、8t斗容的Cat980型柴油装载机装载。

目前分段崩落高度已增加到30m，钻孔主要用重型液压凿岩机或潜孔液压钻机，钻孔直径115mm，85%的矿量采用斗容为15～25t的电动装载机装载，装载作业也由每周5个工作日改为7天有些采区还采用夜班工作制。

此外，国外许多公司积极地把遥控技术应用于金属矿山，如瑞典LKAB公司在其地下铁矿，采用先进的遥控技术，1人可以同时遥控3台铲运机作业；加拿大的INCO公司利用地下通信、定位与导向以及过程监控技术，遥控采矿设备及工艺系统，已成功开发出钻孔、爆破起爆、铲运和喷射混凝土等各项遥控技术。

随着遥测技术、数据通讯和数据处理以及机械手的巨大进步，遥控技术将成为未来采矿共同的特点。

2.2国内地下矿山设备智能化的发展状况

在我国，凡口铅锌矿和金川公司是两个依靠装备进步、改进采矿技术与工艺来提高生产效率的典型地下金属矿山。

我国正在朝着智能化数字化的方向发展，自动化调度系统、采矿设备的自动化控制、智能化全球定位系统等现代技术也已在一些矿山得到推广应用，并取得了很好效果。

但总体水平同国外发达国家相比，差距还很大。

三、矿井设计规范中智能化系统的有关规定

3.1一般规定

（1）矿井智能化系统的装备标准，应根据矿井设计能力、开采技术条件、机械化装备水平及智能化技术发展水平等因素，经综合分析论证合理确定。

（2）矿井智能化系统必须以保障生产安全为原则，以提高生产效率、保证产品质量、改善劳动条件、提高经济效益为目的，采用行之有效、质量可靠的先进技术和设备。

（3）矿井安全、生产监控系统宜与计算机管理系统分别组网，并实现网络之间的通信。

条件允许时，可实行上述系统的一体化集成。

3.2安全、生产监控及自动化系统

矿井生产系统自动化及安全、生产监控系统，应以采煤、掘进、提升、通风、运输、排水、地面生产系统等矿井主要生产和辅助生产系统为重点，因地制宜合理确定其自动化水平和监控范围，并应符合下列规定：

（1）主要生产和辅助生产系统均应分别具体情况，对单机、生产环节或系统采用半自动化、自动化、集中监测和控制；

（2）大型矿井和条件适宜的中型矿井应建立全矿井安全生产监控系统。

（3）宜在下列场所设置工业电视摄像设备：

1井底车场；

2主井装卸载点；

3副井井口房；

4井下主胶带输送机机头；

5综采工作面；

6地面产系统主要环节；

7其他需要设置工业视摄像设备的场所。

（4）依据现行国家标准《火灾自动报警系统设计规范》规定，应在相关场所设置火灾自动报警系统。

条件许可时，宜与安全、生产监控系统联网。

3.3计算机管理系统

（1）计算机管理系统应以综合管理信息系统为核心，实现各子系统间信息相互传输，实现矿井办公自动化。

（2）计算机管理系统应包括信息管理系统、综合决策支持系统、物业管理系统。

（3）新建矿井应组建计算机局域网，实现全矿井资源的共享。

（4）矿井局域网应根据矿区的总体规划设计，实现与矿区计算机网络联网。

有条件的矿井，宜构建宽带网接入。

矿井局域网的接入方式可视具体情况确定。

3.4通信

（1）矿井行政电话和生产调度电话宜分别设置。

行政电话交换设备和矿井生产调度电话总机应选用程控数字交换设备，当选用矿用程控数字调度交换机时，矿井行政电话和生产调度电话可合用交换机。

（2）行政电话交换设备对矿区中继线数量宜按行政电话交换设备容量的5％～10％配置。

3.5信号

罐笼及箕斗提升信号，应符合下列规定：

（1）斜井串车双钩提升的工作信号应为转发式。

当升降人员时，必须在运行途中任何地点都有向绞车司机发送紧急信号的装置。

（2）矿井地面生产系统集中控制装置，应设有声光兼备的启动预告信号。

（3）新建和扩建的矿井井底车场和运输大巷，当在同一水平同时行驶3台及以上机车时，应设置信号联锁装置。

（4）井下采用无轨胶轮车运输时，对运输繁忙的区段，应设置交通运输信号装置。

四、地下矿山智能化开采的技术实现

4.1资源评估与开采计划

使用近来新兴的地理信息系统、三维可视化和计算机辅助设计技术，能够使复杂的地质体和矿体空间信息更容易理解，更容易使用。

采用地质统计学的插值方法，将地质结构和矿石品位分布直观的显示在所建立的三维模型上。

进而，指定区域的矿石储量通过地质统计工具计算得到。

计算机辅助的地质和岩石力学建模技术，提高矿区初始布置、支护条件以及后续扩展的设计速度，从而降低投资费用。

目前，已有许多整合这些功能的商业软件包，例如：

Micromine、Datamine、Surpac、Minesight。

都可以用来进行三维开采设计，地质体建模，资源评估和矿山计划。

4.2快速准确的信息收集系统

与全部开采过程有关的信息的数字化，是实施地下矿山智能化开采的基础，而开采现场信息的数字化是难点，也是实施智能化监测、控制与调度的关键。

为此必须建立基于传感器技术的信息收集系统。

传感器是井下监测、监控系统的神经末梢，是信息获取终端。

传感技术产生于多种技术，如：

用视频、激光、雷达、热成像来感知环境；机械、热力、核能、光学、化学和电气传感来定义地质及矿物参量；超声波感知空气质量。

为了监测数据在网络的发布和共享，从而实现矿山安全的远程监测，以网络为平台的远程专家事故会诊，设备提供商的远程设备运行状况监测等功能，进而把测控网和信息网有机的结合起来，智能化矿山的传感器采用适应井下特殊情况的基于Internet的嵌入式传感器技术，即在传统传感器的基础上实现信息化、网络化、智能化和微型化，其核心是使传感器本身实现TCP/IP网络通信协议，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信。

嵌入式传感器的一个重要特性就是即插即用功能，即传感器节点连通后自动在系统中注册，这就保证了井下监测监控系统的灵活性、可扩容性。

4.3构建井下综合通信网络

智能矿山的主体部分是全矿范围内的、高速度、大容量的双向通信网络，通称为井下综合通信网络。

井下综合通信网络具有以下3层含义：

（1）传输信息类型的综合性，即同一网络应能够同时传输语音、图像、数据等各种信息，使语音、视频、数据三网合一；

（2）通信接入方式综合：

普通有线与无线接入方式；

（3）能够实现直接、双向的TCP/IP网络通讯，从而构建矿山井下Intranet，并通过网关接入Internet。

4.4智能开采系统功能实现

以覆盖全矿的传感器网络和大容量的综合通信网络为基础，控制中心处理生产过程中产生的数据，确保连续实时监控、生产优化、远程控制以及自动运行。

4.4.1人员和设备的定位跟踪系统

人员、设备的定位跟踪系统包括硬件和软件两部分。

硬件主要包括标签和读卡器。

标签用于传送携带者ID号码，而读卡器主要用于记录这些ID号码，并将数据传送到中心办公室或主控室的PC机上。

标签通常集成在矿帽内或者固定在车辆和其它设备上。

读卡器安装在矿井人口处和井下巷道内，当矿工或者车辆经过时，系统根据读卡器接收到的标签ID报告其所在的位置，其定位精度取决于读卡器之间的距离。

人员、设备的定位跟踪系统软件主要用于存储所有跟踪器的记录情况和实时位置。

软件可提供给使用者分类、过滤、搜索和报告生成等功能，并利用这些功能完成数据的实现和全面的记录，从而有效组织生产和调度。

4.4.2远程控制和自动化

远程控制使得地下金属矿山大型无支护采场的开采成为可能。

辅助以远程视频监控，所有的开采和生产操作都可以通过地表的控制中心来执行，包括测量、开拓、爆破和铲运机装卸等。

从而较大程度地提高生产率，降低成本。

采矿机械的自动化对于设计、生产和经济效益有很重要的影响。

机械上安装车载的监测、控制和追踪系统，并连接到通信网络。

计算机控制端根据响应传感器采集到的信息操纵机械运行。

远程控制和自动化减少了系统内人员的数量，同时缩短换班时间、休息时间，减轻工人劳动强度，提高设备的利用。

4.4.3生产环境监测预警系统

生产环境监测通过网络中的各种传感器对井下温度、湿度、有害气体、微震等进行监测。

通过有线和无线的网络传感器，获得对监测对象的信息传送至控制中心。

当温度、湿度或者有害气体超出设置的范围时，系统立即发出警报。

利用GIS技术，根据传感器或摄像机的IP地址即可在计算机显示器上展示其所在位置。

系统将监测信息存储进数据库，操纵人员可以通过网页报表的形式查看图表。

五、矿山机械设备智能化的发展趋势

在“数字化”、“智能化”已成为知识经济重要标志的21世纪，在采矿设备向着大型化发展的同时，随着卫星无线通讯技术和微电子技术的飞速发展，采矿设备在开发和应用方面也逐步开始了自动化和智能化的进程。

可以说，目前采矿设备的自动化和智能化已经取得了实质性的进步，无论在露天矿还是在地下矿，无人驾驶程式化控制和集中控制的采矿设备，已经进入实际研发与应用阶段。

在今后的20年里，完善的自动化和信息技术将会在采矿设备得到更广泛的应用，也将会在一定程度上改变采矿方法和提高采矿技术水平。

信息、定位、通讯和自动化技术的迅速发展和应用，深刻地影响和改变着传统的采矿工艺，无人工作面、遥控采矿甚至是无人矿井等已在瑞典、加拿大、美国、澳大利亚等矿业发达国成为现实。

加拿大INCO公司通过地下通讯、地下定位与导航、信息快速处理及过程监控系统，实现了对地下开采装备乃至整个矿山开采系统的遥控操作。

在当前自动化程度最高的加拿大国际镍公司斯托比矿，除固定设备已实现自动化外，铲运机、凿岩台车、井下汽车全部实现了无人驾驶，工人只需在地面遥控这些设备，就可以保证采矿工作顺利进行。

我国也正在朝这方面发展，自动化调度系统、采矿设备的自动化控制、智能化全球定位系统等现代技术也已在一些矿山得到推广应用，并取得了很好效果。

但总体水平同国外发达国家相比，差距还很大。

学习国外先进经验，努力实现我国采矿工艺与采矿设备智能化，提高矿山安全生产度和劳动效率。

首先，加快建立矿山设备智能化体系，结合运用网络、相关软件、矿山数据和模型及调度优化和全球卫星定位系统（GPS）技术，构成了矿山生产智能化采矿系统；其次，逐步发展智能采矿机器人系统技术，使采矿机器人进行开采过程的联合作业，形成矿山开采作业完整体系。

矿山的数字化、智能化的研究将以单台设备的遥控化和智能化为基础，逐步发展形成矿山系统的智能化。

尽管目前人们对数字化、智能化在中国矿山的实现还心存疑虑，但国外有些矿山已在这些方面取得了很大进展并凸显出了经营优势，我相信不久的将来数字化矿山将会在冶金矿山变为现实。

六、结论

地下矿山智能化开采系统，综合各个领域的先进技术，能够提高产量、降低生产成本、减少环境对人体健康的影响，同时使矿工远离灾难。

智能化开采系统能够维持矿山企业的竞争力，并且拓展矿山企业的生存与发展空间。

矿山智能化将以单台设备的遥控化和智能化为基础，逐步发展形成整个矿山系统的智能化采矿和无人化采矿。

本文指出矿山机械发展的智能化发展趋势，并详细分析矿山机械智能化的关键点，应逐步构建及形成矿山生产智能化采矿系统，并加快发展智能采矿机器人系统技术，最终实现智能采矿技术。

中国是一个人均资源匮乏的国家，随着资源的开发，开采的深度也有所增加，由陆地向海洋延伸，开采的难度也日益恶化，安全开采的形势日趋严重，矿山机械向自动化和智能化方向发展是大势所趋。

智能矿山的内涵近年来不断扩展，但不论数字矿山，还是智慧矿山、感知矿山，其核心都在于以信息化、数字化技术的挖掘和应用为核心，充分实现系统集成、多级联网、应急救援、自动控制、决策支持等功能，从而有效提高生产效率，降低生产成本，实现安全、可持续的发展。

矿山的智能化，意味着整个产业的全面升级。

就技术发展角度而言，智能矿山建设应该从单纯的生产信息化向生产经营全过程的信息化，乃至整个产业链的信息化延伸；从各专业系统集成向全系统全面集成拓展；从实地作向远程控制，乃至系统自动控制发展。

政策支持对矿山智能化建设的作用同样不容忽视。

事实上，政策提出支持鼓励“智慧矿山”建设已有时日，而随着领导力和管理效率的进一步强化和提升，加上矿企重视程度的逐步加强，有理由相信，矿山智能化建设终将成为采矿行业破茧重生的重大助力。

综上所述，采矿设备智能化是未来社会发展的需求，这也是产品创新的体现，这也是实现可持续发展的必然结果。

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