廣東某鎢礦智能礦山建設的探索

黃 毅，張 燕

（1.長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410019；2.中鋁環保節能科技（湖南）有限公司，湖南 長沙 410019）

近年來，隨著科學技術水平的不斷提升，云計算、大數據、物聯網、移動互聯、虛擬現實、無人駕駛、人工智能等新一代信息技術發展日趨成熟，正在向更多領域滲透，不斷推動傳統礦山行業的智能化轉型[1-4]。同時為避免礦山開采、運輸的人員安全健康問題，提高礦區的生產率，減少人力成本，以及智能化能帶來的節能環保等，礦山智能化建設成為礦山建設的戰略方向[5-6]，發展智能化、無人化開采技術，建設智能礦山，是我國現階段及未來礦山資源開采的必然選擇[7-10]。

在國家政策支持和技術創新驅動下，我國的智能礦山建設已經初具規模，數字化、信息化和智能化技術的大量應用顯著提升了礦山技術設備、生產控制、安全管理和經營管理的綜合水平[11-12]。正是在國家政策驅動和礦山企業從粗放型向集約型的轉型發展的時代大背景下，研究以智能化帶動礦山傳統行業轉型升級，打造“安全、高效、智能、綠色”的礦山企業，最終提高企業核心競爭力[13]。

1 礦山概況

廣東某鎢礦為新建露天開采礦山，開采對象主要為云英巖型白鎢礦，設計規模6 000 t/d，年采剝總量約1 000萬t，礦山服務年限16年，前6年為山坡露天，第7年后轉為凹陷露天開采，為大型露天鎢礦。礦山采出礦石含鎢、鉬、銅、鉍等多種有價元素，礦石品位WO30.15%、Mo 0.018%、Cu 0.068%和Bi 0.022%，總體來說礦石屬于低品位礦。礦石圍巖為花崗巖，根據分化程度在垂直剖面上自上而下分別為全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖，依據花崗巖檢測報告，圍巖中的中風化和微風化花崗巖可作為建材，經破碎、篩分、整形后可作為-5 mm、5～10 mm、10～16 mm 和 16～31.5 mm等4種不同粒徑的細砂或骨料。剝離物中的第四系（表土）和強風化花崗巖作為廢石進入排土場。經露天境界圈定，終了境界內第四系（表土）、全風化花崗巖、強風化花崗巖和中/微風化花崗巖占剝離總量比例分別為0.40%、16.33%、24.83%和58.44%，即考慮資源綜合利用，用于建材的花崗巖占總剝離量的58.44%，設計建材規模15 000 t/d?？紤]資源的綜合利用后，項目效益較為可觀。

該露天礦設計露天開采臺階高度12 m，中深孔微差爆破，采用公路開拓—汽車運輸的開拓運輸方式，爆破后礦石塊度≤800mm，廢石塊度≤1 000 mm，礦廢石通過5 m3液壓鏟鏟裝至額載50～60 t自卸汽車，建材和礦石分別運輸至相應的粗碎站，廢石運輸至排土場。結合外部地形和礦山開采規模，露天境界、礦石建材粗碎站和排土場的相對位置關系見圖1，礦石運輸距離約1.5～2km，廢石運輸距離為2.5～3km。

圖1 露天境界與粗碎站、排土場位置關系Fig.1 Position relationship between the open-pit boundary,coarse crushing station and dump

礦山地處廣東韶關，礦區地形起伏較大，礦區周邊生態林、農用地等分布廣泛，根據廣東地區環保要求和企業自身綠色礦山、智能礦山的建設要求，要求該礦山通過“少人、無人”等智能化手段，建設一座現代、綠色、環境友好的智能型礦山。

2 智能化建設標準和原則

2.1 建設標準

結合本項目實際，綜合考慮項目總投資、智能礦山建設投資、定員、勞動生產率、項目效益和建設方需求等，本露天開采智能礦山建設的標準為“無人、少人”、遠程操作、高效可靠和綠色環保，以地測、采礦、剝離、運輸、鏟裝工藝為核心，數字化與自動化為基礎、信息化為紐帶，信息與通信技術（Information and Communications Technology，ICT）支撐平臺為支撐底座，打造智能礦山。

2.2 建設原則

基于上述建設標準，該露天開采鎢礦按以下原則進行智能化建設。

（1）整體規劃、分步實施。本項目一期建設礦山智能化，優先實現采裝運及企業運營管理的智能化建設，選廠及建材廠按高標準自動化設計，后期建設選廠及建材廠的智能化。

（2）統一平臺和標準、信息互聯互通。通過智能網絡，實現人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間互聯互通。

（3）效益優先、持續優化。以解決生產經營和企業管理的實際問題為出發點，實現關鍵控制技術的升級、突破；并在生產運行中不斷完善、持續提升。

（4）堅持以生產工藝為核心、自動化為基礎、信息化為紐帶。對礦山資源及地形進行數字化建模，提供礦山開采各工藝環節的建設方案，配備相應的智能化設備，在現有技術條件下盡可能實現智能化和自動化。

3 智能化建設方案

3.1 ICT平臺建設

3.1.1 基礎信息網絡

基礎信息網絡作為ICT各個系統信息交換的高速公路，支撐智能礦山應用子系統的協同控制。本階段采礦區域移動網絡采用5G綜合方案，系統采用星型拓撲以太網結構，在采場區域共設置40處信息點。自建局域網絡擬覆蓋整個礦區地上約5km2的范圍，覆蓋的主要區域有生活區、采礦區、車載運輸區以及礦區內主要辦公區，為礦區集群通信、無線視頻監控、移動辦公、監測設備等數據提供穩定可靠寬帶的無線傳輸通道。5G網絡應用場景示意圖見圖2。

圖2 5G專網智能礦山應用場景示意圖Fig.2 Schematic diagram of 5G private network intelligent mine application scenario

3.1.2 數字化使能平臺

數字化使能平臺作為智能礦山項目的數據底座，實現礦山數據的基礎數據整合，統一規劃數據語言，向下提供已接入子系統應用的數據集成接口，把對應的源數據轉換成為結構化數據，保存在數據使能組件的相應主題庫中；向上提供數據服務、計算能力接口給智能應用系統。

3.1.3 智能運營中心

智能運營中心是以物聯網、大數據、云計算、人工智能、移動互聯、地理信息系統（Geographic Information System，GIS）等新型數字化技術為基礎，基于使能平臺實現對智能礦區相關設備的運行狀態進行監測和報警跟蹤處理，借助GIS、二維/三維技術，對智能礦區相關信息進行可視化管理，提高礦區管理智能化水平；通過跨系統數據整合和聯動，實現資源的統一調度，提升礦區綜合管理服務水平。

3.2 智能化支撐系統建設

3.2.1 主數據管理系統

主數據管理系統主要包括數據建模、數據整合、數據管理、數據服務、基礎管理、標準管理等功能模塊，是主數據標準文本發布、主數據全生命周期管理的重要平臺。

3.2.2 三維數字化設計與建模

三維數字化設計與建模主要是依據三維礦業軟件，實現對礦產資源與環境（包括地表、圍巖和礦體等）的數字化建模。主要包括地質塊段快速劃分、資源儲量及三級礦量自動統計、露天境界優化、露天采礦設計、露天采剝計劃編制、露天臺階爆破設計、地質圖件和報表自動輸出以及與其他系統數據輸入輸出等。該鎢礦礦體Surpac塊體模型見圖3，優化后的露天終了境界見圖4。

圖3 白鎢礦Surpac塊體模型Fig.3 Scheelite Surpac block model

圖4 露天開采終了境界圖Fig.4 Map of the final open-pit boundary

3.3 生產自動化系統建設

3.3.1 無人機測量系統

無人機傾斜攝影測量系統由無人機攝影平臺、飛行控制系統和地面監控系統組成。工作流程分為像控點布設、數據采集、數據處理、測繪成果表達、遙感解譯[14]，具有效率高、精度高、實時性高、成本低等優點。本項目采用消費級無人機大疆精靈4ProV2.0，主要針對外部地形、礦山開采現場等進行無人機測量，測量解譯后形成三維模型，為地質災害治理、生態修復、露天境界優化、礦山生產計劃編制采裝運智能化設備運行動線設計和優化及可視化運營管理等提供數據及模型支撐。無人機攝影測量應用工作流程見圖5。

圖5 無人機傾斜攝影測量在礦山露天開采應用的工作流程Fig.5 Work flow of application of UAV tilt photogrammetry in open-pit mining

3.3.2 無人駕駛與遠程遙控系統

系統基于5G網絡的超高速率、超低時延特性，融合GPS及北斗定位、視覺感知、信息傳感等技術、實現鉆、鏟、裝遠程精準控制和純電動礦用卡車智能編隊運行及無人化遠程操控。

采場內智能化設備配備智能控制終端，利用5G通信技術，將鉆、鏟、車等自身的狀態上行給到平臺進行實質重構和分析，各設備之間進行信息共享，數據在系統平臺實現交互，實現對全電動高風壓潛孔鉆機、液壓挖掘機等工程設備的遠程控制以及新能源電動礦卡的無人駕駛，保證各工序、各設備間的協同作業。利用無人駕駛與遠程遙控系統基本架構圖見圖6。

圖6 無人駕駛與遠程遙控系統基本架構圖Fig.6 Basic architecture diagram of unmanned and remote control system

3.3.3 露天邊坡監測系統

露天邊坡穩定性監測系統主要對邊坡的地質、地形、地下水、降雨情況以及邊坡是否滑動等特性進行檢測，進而為邊坡災害的預警及治理提供根據。其可以實時分析邊坡體移動的規律，提供邊坡穩定性分析資料，了解和掌握滑坡的形態、規模和發展趨勢，預報滑坡，以便采取相應的處理措施，保障礦區安全和保護生態環境，提高礦山生產的安全水平，是礦山智能化建設不可或缺的一部分。該系統分為：監測中心和監測終端，二者由通信模塊連接，軟件、設備、網絡集成于一體。該研究主要以東部高邊坡（邊坡高度超過200 m）和南部臨河邊坡作為主要監測面，監測的主要內容及采用的設備見表1。

表1 邊坡監測內容及設備Tab.1 Slope monitoring content and equipment

3.4 生產管理信息化系統建設

生產管理信息化為生產過程數據統一集成、集中管理、透明可視、優化分析等提供統一平臺，旨在實現管控一體化、實現精準化管理，全方位提高效率、降低成本、降低勞動強度、保障安全和質量，建設內容及建設架構如圖7所示。

圖7 管理信息化系統建設架構圖Fig.7 Construction architecture of management information system

4 智能礦山配置及效益分析

4.1 智能礦山軟硬件配置

結合實際及建設方需求，智能礦山一期建設采用無人駕駛運輸汽車，遠程遙控鉆機、液壓鏟等設備進行鉆孔、鏟裝及運輸作業，生產輔助設備按常規考慮，專網采用華為公司面向企業的通訊標準（enterprise LTE，eLTE）軟件及硬件配置如表2所示。

表2 智能礦山建設軟件及硬件配置Tab.2 Software and hardware configuration of intelligent mine construction

4.2 效益對比分析

在滿足礦山建設規模及環保要求下，礦山按廢石資源綜合利用，常規露天礦山和智能礦山建設的可比投資及效益對比分析見表3。

表3 常規礦山與智能礦山可比投資效益對比分析Tab.3 Comparative analysis of comparable investment and benefit between conventional mine and intelligent mine

5 結論

（1）露天開采鎢礦項目具有多種金屬、品位低，選礦難度大的特點，露天境界圈定考慮剝離廢石中的中/微風化花崗巖綜合利用，剝離物中占比約58.44%的中/微風化花崗巖加工成建材，一方面減少了排土場容量，降低了排土場的征地費用，減輕了排土場的管理壓力；另一方面建材產品為企業貢獻了27.36%的營業收入，項目整體效益可觀。

（2）該鎢礦按智能礦山標準進行建設，與常規礦山相比，智能礦山建設費用新增約3 500萬元，企業定員減少約19.69%，單位礦石制造成本下降約12.39%，全成本下降約14.18%，財務內部收益率（FIRR稅后）增加0.72個百分點。新增可比投資部分回收期約1.37年，經濟效益明顯。

（3）開展“少人化、無人化”的智能礦山建設，將實現汽車的無人駕駛，鉆、鏟的遠程遙控和礦山生產運營的可視化管理，大大提高生產的安全性、企業的勞動生產率和企業的管理水平，提升企業競爭力。

（4）基于智能礦山建設要求和標準，為實現無人駕駛和遠程遙控，設備選型設計采用全電動設備，包括自卸汽車和鉆機等，大大降低了廢氣排放，節能環保，環境效益顯著。