某高寒高海拔礦山智能化建設探討①

黃 毅， 張 燕， 黎常青

（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； 3.華楚智能科技（湖南）有限公司，湖南 長沙 410019）

隨著全球礦產資源開采難度不斷加大、安全環保要求進一步加強，國內外礦業公司都在積極探索開發礦山智能化建設［1-4］。 云計算、大數據、物聯網、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，正在不斷推動傳統礦山行業的智慧化轉型［5-7］。與國外先進水平相比，我國礦山智能化建設還存在一定差距［8］，仍處于智能化建設的初級階段。 當建設項目處于高寒高海拔地區時，為了保障工作人員安全、提高生產效率，建設少人甚至無人智能礦山是必然選擇。本文對某高寒高海拔地區大型有色礦山智能化建設的可行性進行了探討。

1 項目概況

我國某大型有色金屬礦山位于青藏高原，海拔5 000～5 800 m，礦區5 400 m 以上常年積雪。 項目建設主要包括礦山開采與礦石碎磨、長距離礦漿管道輸送和冶煉3 大部分。 根據礦體賦存條件，礦山采用全露天開采模式；礦石經破碎磨礦處理后，制備成礦漿，通過長距離管道輸送到冶煉廠區，壓濾后堆存作為冶煉原料；冶煉廠位于山下工業園區，距離礦區直線距離約300 km，海拔約1 400 m。

由于礦山地處高原，土壤發育較差，植被覆蓋率極低，具有高寒高海拔、含氧率低（空氣中氧氣含量為內陸的40%～45%）的特點，礦山及管道沿線的人工作業難以長時間開展，按常規礦山建設無法維持正常的運營。 針對該資源儲量大、品位高的大型金屬礦山，建設條件的限制迫使建設方及設計方開展智能化、少人化甚至無人化建設方案的研究，最大程度地降低高海拔現場人員的數量、作業強度和作業時間，同時在礦山配備制氧站以確保人員的健康和安全，最終目標是建成一個技術先進、經濟合理、綠色智能的大型礦山及冶煉企業。

2 智能化建設頂層設計

2.1 智能化建設目標

該智能礦山／冶煉廠建設總體目標是“無人、少人、遠程操作、高質高效、安全可靠、綠色環?！?，以地測、采剝、碎礦、礦漿輸送、冶煉工藝為核心，數字化與自動化為基礎，信息化為紐帶，ICT 支撐平臺為支撐底座，打造智能礦山／冶煉廠。

2.2 智能化建設設計

以信息化和工業化“兩化”融合為出發點，以降低勞動強度、改善工作環境、標準化規范化管理、少人操作、“無人”操作為建設目標，基于數字化、模型化、網絡化、自動化、信息化服務之間的數據互聯互通，智能化建設設計主要包括以下幾方面：

1） 整體規劃、分步實施、試點先行。 根據智能化總體建設目標，充分考慮工程實際特點，對智能化建設進行整體規劃，分步推進建設進程，優先進行礦山采礦、碎磨及管道運輸智能化建設，后期建設冶煉廠智能化。

2） 統一平臺、統一標準、互聯互通。 統一建設標準，統一組織方案設計，明確業務流程，梳理信息流程，統一技術平臺，統一模型，統一數據源。 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，以及橫向、縱向和端到端的高度集成。

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） 技術與管理同步推進，共同提升。 智能化建設需考慮技術提升與管理制度相匹配，必須從組織機構、定員、定責出發，依據技術管理要求，對管理流程進行優化集成，建立標準規范與知識庫，將標準規范與知識庫融入到智能制造的系統之中。

5） 堅持以工藝為核心，從生產工藝的需求出發，對工藝進行分解與數字化建模，提供建設方案，在現有技術條件下盡可能實現自動化，通過信息化實現數據互聯互通，集中統一協同管理。

3 智能化建設方案

3.1 ICT 平臺建設

ICT 支撐平臺建設內容包括ICT 基礎設施、數字化使能平臺、智能運營中心等3 大部分。 旨在建設本工程運營管理統一的數字平臺，平臺向下通過物聯網、ROMA 實現所有子系統的接入管理，向上通過服務方式為應用提供數據與業務開放的訪問接口，打造統一、開放、可靈活擴展的園區管理應用底座；進行園區業務數據治理，形成標準的數據主題庫（人、車、物、事件等）；業務上實現園區綜合態勢、綜合安防、人員車輛管理、資產管理、能耗管理、環境空間及設備設施管理等智慧化應用。

IT 基礎設施分為模塊化機房、基礎信息網絡、IT 基礎平臺3 個部分，其總體布置示意見圖1。 礦山區域移動網絡采用LTE 4G 專網方案，TDD 模式，頻率1.8 GHz，自建局域網絡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，覆蓋范圍約5 km2，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的無線傳輸通道。 礦區無線專網架構見圖2。

圖1 IT 基礎設施總體布置示意

圖2 礦區無線專網架構

數據使能平臺包括數據融合集成平臺、物聯網集成平臺、集成通信平臺、GIS 平臺、視頻云平臺、位置服務、單點登錄。

智能運營中心以領導駕駛艙作為目標，基于大屏展現實現綜合態勢、園區安防、應急管理、設備運維、能耗分析、信息發布等。

3.2 智能化支撐系統建設

智能化支撐系統建設圍繞本采冶工程智能化技術支持服務展開，按照技術服務專業化的建設思想規劃打造企業技術支持與創新發展平臺；從生產工藝技術支撐出發，智能化建設包括業務主數據、數據標準、數據采集、數據處理、數據建模、數字化設計與優化、生產與作業計劃編制與排程、模擬仿真分析、大數據分析等。 智能化支撐系統建設架構見圖3。

圖3 智能化支撐系統建設架構

3.3 生產自動化系統建設

生產自動化系統建設以生產操作無人化或少人化、提高生產質量與生產效率、節能環保、降低勞動強度與生產成本，實現本質安全作為建設目標，圍繞地測、采剝、碎磨、礦漿管道輸送、冶煉和公輔工程進行建設。 其建設內容主要包括以下幾方面：

1） 地測采自動化。 礦山地處高海撥、高寒地帶，作業環境十分惡劣，礦山測量采用無人機測量系統；高原型高風壓潛孔鉆機利用先進鉆機自動控制系統、鉆孔導航系統，輔助定位控制功能，實現潛孔鉆機自動布孔；基于5G 網絡低時延、大帶寬的優勢，利用ADAS技術，開展礦山無人駕駛系統建設與應用，減少現場作業人員；鏟裝設備、炸藥混裝車及其他輔助設備通過固定網絡通信設備、遠程操控臺、控制服務器、車載無線通信終端、車輛定位裝置、車載控制器、數控執行機構、無線視頻攝像頭、電纜、光纜、接線盒、避雷器、軟件等，實現視距遙控與地表遠程遙控。

2） 碎磨自動化。 碎磨車間位于海拔5 000 m 以上，碎磨自動化以無人值守作為基礎目標、碎磨流程優化作為遠景目標，打造碎磨DCS 自動控制系統與碎磨APC 先進過程控制系統。 碎礦及磨礦控制流程見圖4和圖5。

圖4 破碎篩分流程優化控制流程

圖5 磨礦分級流程優化控制流程

3） 礦漿管道輸送自動化。 礦漿管道輸送約450 km，起點海拔5 600 m，終點標高1 400 m，距離遠、高差大，線路環境復雜，交通通信不便，智能化建設內容包括加壓泵房、壓力監測站、管道等無人值守系統，SCADA 管道數據采集與監測監控系統，管道DCS 控制系統和管道專家顧問系統。

4） 冶煉自動化。 冶煉廠位于山下工業園區，工作環境較好。 冶煉自動化建設基于經濟效益驅動的全流程優化作為建設目標，從配料、回轉窯氧化、濕法和火法冶煉、配套的綜合回收生產工藝入手，打造冶煉DCS自動控制系統、冶煉APC 先進過程控制系統，并于MES 系統集成融合，實現精細化與精益化管理。

5） 公輔工程自動化。 公輔工程包括礦區、冶煉工業園區以及連接二者的供電線路、交通線路、礦漿管道線路的公輔工程與設備。 公輔工程自動化建設從綜合安防、人員通行、車輛通行、資產管理、設施管理、能效管理、環境空間7 個管理域入手，建設內容包括工程車輛監控系統、供電無人值守系統、供水無人值守系統、壓氣無人值守系統、智能倉儲系統、過磅計量無人值守系統。

3.4 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、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，并通過ROMA 數據集成融合平臺與上級公司ERP 及其他信息系統實現集成管理。 其建設架構如圖6 所示。

圖6 管理信息化系統建設架構

4 智能化建設風險

目前國內外礦山均朝智能化建設方向發展，國內礦山智能化建設略晚于國外，仍處于智能化建設初級階段，且目前為止還沒有高寒高海拔礦山成功實現智能化建設，故本項目在高寒高海拔礦山智能化建設施工、智能礦山平臺建設、智能化設備的選擇、智能礦山的資金投入、運營管理經驗和高素質人才培養等各方面均面臨嚴峻考驗。 本項目建設面臨的主要風險如圖7 所示。

圖7 項目智能化建設風險

5 結 語

1） 對于開采條件困難、建設條件復雜的礦山，智能化建設是必然選擇。 本文提出礦山開采-物料輸送-冶煉一體化項目的智能化建設方案，通過提高整個系統和設備的智能化、自動化程度，最大程度克服礦山外部建設條件不足等不利因素，從而實現對該國家級大型礦山的開發。

2） 與礦山常規建設方案相比，本項目智能化建設新增投資約3 億元人民幣，減少定員約60%，大大降低了現場人員的工作強度，能有效實現企業降本增效，是具有可實施空間、技術先進、經濟合理的智能化建設方案，可供同行交流和探討。

3） 我國礦山智能化建設任重道遠，本項目實施雖存在一定風險，但隨著國內互聯網、人工智能、5G 通訊、物聯網等技術日新月異的發展以及國家政策的大力支持，相信在未來幾年能實現對該項目的智能化建設，成功打造國家級開發基地，并大力推動國內礦山和冶煉廠智能化建設的步伐。