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    為打造智能化礦業(yè)大國貢獻一份力


    “當前,國內外礦業(yè)已進(jìn)入了一個(gè)智能化業(yè)務(wù)高速發(fā)展的最佳時(shí)期。”北京礦冶研究總院礦山工程研究設計所副所長(cháng)張達日前在接受記者采訪(fǎng)時(shí)如是說(shuō)。據了解,礦山工程研究設計所在礦山安全、高效、清潔開(kāi)采技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)方面代表國家水平,而礦山智能化開(kāi)采技術(shù)、裝備與工程應用,已成為該所的主要研究方向。

      記者:智能開(kāi)采技術(shù)是在怎樣的背景下發(fā)展起來(lái)的?其發(fā)展有何意義?

      張達:隨著(zhù)全球對礦產(chǎn)資源需求量的增加,來(lái)自國際市場(chǎng)的高產(chǎn)、高效、高質(zhì)量、低成本礦產(chǎn)品的進(jìn)入,以及國內部分非常規掠奪式礦產(chǎn)品開(kāi)采,使礦業(yè)企業(yè)間資源、管理與市場(chǎng)的競爭日益激烈,迫使礦山企業(yè)在資源利用、環(huán)境保護、開(kāi)采工藝、技術(shù)裝備、安全管理等方面必須進(jìn)行變革,以應對當前的嚴峻挑戰。

      我國金屬礦山以地下開(kāi)采為主,許多礦山逐步由淺層開(kāi)采轉向深部開(kāi)采。由于地下金屬礦山的資源稟賦條件、開(kāi)采工藝、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)裝備的差異,以及資源的不確定性和動(dòng)態(tài)性、工作場(chǎng)所的離散型、生產(chǎn)力要素的移動(dòng)性、生產(chǎn)環(huán)境的高危險性等特點(diǎn),形成了諸多難題,致使礦山企業(yè)生產(chǎn)效率低下,事故頻發(fā)。在這種情況下,為了提高我國礦山的技術(shù)實(shí)力,開(kāi)展以安全、高效、經(jīng)濟為目標的地下金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)研究就顯得尤為重要。

      智能開(kāi)采是指以智能化、自動(dòng)化采礦裝備為核心,以高速、大容量、雙向綜合數字通信網(wǎng)絡(luò )為載體,以智能設計與生產(chǎn)管理軟件系統為平臺,通過(guò)對礦山生產(chǎn)對象和過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、智能化監測與控制,實(shí)現礦山開(kāi)采的安全、高效和經(jīng)濟效益最大化。

      礦山的智能開(kāi)采技術(shù)是由一系列互相依存、彼此銜接的功能模塊,通過(guò)實(shí)時(shí)的數據流融合在一起,最終形成的有機整體。其核心功能包括礦山生產(chǎn)規劃、礦山生產(chǎn)系統運行、礦山運行狀態(tài)監控和地下開(kāi)采裝備智能化。

      智能開(kāi)采的意義主要在于采用現代高新技術(shù)提升傳統產(chǎn)業(yè),推動(dòng)我國礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)向高效、安全、綠色與可持續發(fā)展,增強我國礦業(yè)行業(yè)的核心競爭能力。礦山智能開(kāi)采技術(shù)對于推動(dòng)有色金屬和鋼鐵冶金行業(yè)的振興也具有重要意義。

      記者:國外智能開(kāi)采技術(shù)經(jīng)歷了哪些發(fā)展階段?

      張達:現代信息技術(shù)的應用與發(fā)展使得礦山的自動(dòng)化或智能化開(kāi)采成為可能。從上世紀90年代開(kāi)始,芬蘭、加拿大、瑞典等國家為取得在采礦工業(yè)中的競爭優(yōu)勢,先后制定了“智能化礦山”和“無(wú)人化礦山”的發(fā)展規劃。

      芬蘭提出了智能礦山技術(shù)研究計劃(IM),由芬蘭技術(shù)開(kāi)發(fā)中心(TEKES)牽頭,奧托昆普采礦服務(wù)公司、坦羅克鑿巖機公司和裝運機公司、諾爾梅特奧利翁公司、洛克莫公司以及赫爾辛基工業(yè)大學(xué)巖石研究所共同完成,從1992年至1997年歷時(shí)5年。該計劃共分28個(gè)研究項目,預算1200萬(wàn)美元,通過(guò)對資源和生產(chǎn)的實(shí)時(shí)管理、設備自動(dòng)化和生產(chǎn)維護自動(dòng)化三個(gè)領(lǐng)域的研究,初步建立智能礦山技術(shù)體系,提高露天礦和地下礦的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

      在此基礎上,芬蘭進(jìn)一步提出了智能礦山實(shí)施研發(fā)技術(shù)計劃(IMI),從1997年開(kāi)始,歷時(shí)3年,通過(guò)實(shí)施先進(jìn)技術(shù)技術(shù),開(kāi)發(fā)出機械裝備與系統,并在奧托昆普公司凱米地下礦進(jìn)行了開(kāi)發(fā)試驗,提高了礦山的勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低了生產(chǎn)成本,改善了工作條件。

      此外,加拿大完成論證并開(kāi)始實(shí)施的采礦自動(dòng)化項目(MAP)五年計劃,預算接近2000萬(wàn)美元,由加拿大國際鎳有限公司、鷹橋鎳礦有限公司、加拿大自動(dòng)化與機器人技術(shù)中心等承擔,基于國際鎳公司研發(fā)的地下高頻寬帶通信系統,研發(fā)遙控操作、自主操作和自調整系統等核心技術(shù),礦體圈定機器人裝置通過(guò)通信系統與智能地質(zhì)模型連接,開(kāi)拓過(guò)程則是根據礦體圈定結果建立模型。自動(dòng)化工程開(kāi)拓模型向進(jìn)行工作的遙控設備直接提供信息,遙控設備的信息也同時(shí)提供給礦山模型,并作用于生產(chǎn)過(guò)程。實(shí)現上述功能的裝置是采礦機器人控制器,它既是一個(gè)連接監控傳感器與局部遙控執行器的計算裝置,又是一個(gè)射頻調制解調器。另一方面,建立了礦山基本輔助系統,如通風(fēng)、泵送、地層控制、配電、礦山排水、壓縮空氣以及工藝用水等。在這些輔助系統中,布設在現場(chǎng)的傳感器將信息通過(guò)與通信系統相連接的控制裝置發(fā)送到中心控制計算機,該計算機按照模型處理數據,并給各個(gè)水平的遠距遙控執行機構發(fā)送信號進(jìn)行調節。通過(guò)上述內容的研究開(kāi)發(fā),使加拿大在采礦自動(dòng)化技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先地位,保持了采礦工業(yè)的競爭優(yōu)勢,并形成了新的支柱技術(shù)產(chǎn)業(yè)。加拿大還制定出一項擬在2050年實(shí)現的遠景規劃,即在加拿大北部邊遠地區建設一個(gè)無(wú)人化礦山,通過(guò)衛星操控礦山的所有設備,實(shí)現機械破碎和自動(dòng)采礦。

      加拿大國際鎳公司研制出一種地下通信系統,此系統建立在有線(xiàn)電視和無(wú)線(xiàn)電發(fā)射技術(shù)相結合的技術(shù)基礎上,并在斯托比(Stobie)礦試用。這種功能很強的寬帶網(wǎng)絡(luò )與礦山各中段的無(wú)線(xiàn)電單元相結合,可傳輸多頻道的視頻信號,操作每臺設備。該礦除了固定設備已實(shí)現自動(dòng)化外,鏟運機、鑿巖臺車(chē)、井下汽車(chē)均已實(shí)現了無(wú)人駕駛,工人在地面遙控這些設備,整個(gè)井下基本上不需要設置工作人員。

      同時(shí),其他國家也在同步開(kāi)展礦山自動(dòng)化和智能化的戰略,瑞典為此也制訂了戰略計劃,著(zhù)力提高礦山自動(dòng)化水平。澳大利亞Micromine公司針對采礦應用,開(kāi)發(fā)出基于Web的在線(xiàn)遠程采礦控制系統PITRAM,實(shí)現縮減采礦成本10%。美國賓夕法尼亞Rajant公司開(kāi)發(fā)出惡劣環(huán)境下的高彈性、寬帶移動(dòng)目標無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現了移動(dòng)目標的可靠、快速接入。

      近10年來(lái),國際著(zhù)名的幾家采礦設備公司均在大力發(fā)展智能采礦裝備及相關(guān)技術(shù),如瑞典的山特維克公司、阿特拉斯科普柯公司等,不僅開(kāi)發(fā)的大量采礦設備具有很好的自動(dòng)化或智能化功能,而且開(kāi)發(fā)了多種智能礦山的技術(shù)與裝備系統,如AotoMine系統、OptiMine系統和MineLan系統,利用這些技術(shù),這些公司正逐步由原來(lái)單一的設備供應商向技術(shù)解決方案供應商轉變。

      記者:請您談?wù)勎覈悄荛_(kāi)采技術(shù)發(fā)展現狀及存在的問(wèn)題?

      張達:西方發(fā)達國家從上世紀90年代就開(kāi)始研究智能開(kāi)采技術(shù),與之相比,我國的相關(guān)技術(shù)研究落后了很長(cháng)時(shí)間。但同時(shí)也應該看到,由于以網(wǎng)絡(luò )信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)迅速發(fā)展,我國目前打下了很好的信息化技術(shù)基礎,在這方面與國外的差距并不大,至少遠高于國外當年的技術(shù)水平,因此我國完全是在一個(gè)新的起點(diǎn)開(kāi)展智能開(kāi)采技術(shù)研究,也完全有可能在短時(shí)間內達到或趕超國際先進(jìn)水平。

      近些年來(lái),隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展和礦業(yè)的復蘇,與智能開(kāi)采相關(guān)的許多高新技術(shù)應用得到了長(cháng)足進(jìn)步。例如,我院開(kāi)發(fā)了BLSS-PE礦用三維激光掃描儀、礦山高帶寬無(wú)線(xiàn)通信系統及礦山智能化調度與控制系統,可為智能采礦提供技術(shù)支撐。我國的礦山六大系統等信息化建設,多數已建成了井下光纖主干通信網(wǎng)絡(luò ),視頻監測、環(huán)境監測、自動(dòng)化控制已在部分大中型礦山應用,以進(jìn)口設備為主的遙控鏟運機得到大量應用,一些先進(jìn)的人員與設備定位系統和井下地壓災害監控系統得到應用,先進(jìn)的礦業(yè)軟件如國外的DataMine、Surpac和國內的Dimine、3Dmine等也得到了推廣應用。國家立項開(kāi)展了多項與智能化采礦相關(guān)的重點(diǎn)或專(zhuān)項科技攻關(guān)項目,如“數字化采礦關(guān)鍵技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)”、“地下無(wú)人采礦設備高精度定位技術(shù)和智能化無(wú)人操縱鏟運機的模型技術(shù)研究”、“井下(無(wú)人工作面)采礦遙控關(guān)鍵技術(shù)與裝備的開(kāi)發(fā)”、“千米深井地壓與高溫災害監控技術(shù)與裝備”等項目,都奠定了良好基礎。

      目前,我國智能化發(fā)展存在的主要問(wèn)題是:國內采礦裝備的技術(shù)水平相對落后,尤其是其自動(dòng)化及信息化水平尚不能滿(mǎn)足智能開(kāi)采要求;缺少具有自主知識產(chǎn)權的井下綜合通信、定位導航等實(shí)現智能開(kāi)采的支撐技術(shù)與軟件平臺;相關(guān)技術(shù)研究力量分散,未能形成強大的研發(fā)團隊。

      智能開(kāi)采技術(shù)研究是一項龐大的系統工程,從國外的經(jīng)驗來(lái)看,均是由國家出資設立專(zhuān)項,組織多家研究機構和相關(guān)企業(yè)聯(lián)合攻關(guān),然后再由企業(yè)深入完善。

      記者:智能開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展趨勢是什么?

      張達:國外在地下智能開(kāi)采方面的整體趨勢是井下寬帶通信網(wǎng)絡(luò )化、井下數據采集實(shí)時(shí)化、井下生產(chǎn)裝備自動(dòng)化、井下生產(chǎn)管理信息化,實(shí)現礦山大規模智能化、自動(dòng)化綜合優(yōu)化調度與生產(chǎn)管理,從而實(shí)現經(jīng)濟、安全、高效的目標。

      智能開(kāi)采技術(shù)的總體發(fā)展趨勢主要表現為以下10個(gè)特點(diǎn):一是礦山地表、礦床及工程環(huán)境模型的三維可視化系統;二是有效的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理信息系統,包括礦山規劃、開(kāi)采方案、生產(chǎn)計劃、統計調度、生產(chǎn)監控、地測管理、經(jīng)營(yíng)管理等,并形成企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò );三是視頻和數據同網(wǎng)傳輸的網(wǎng)絡(luò )體系,以光纖或無(wú)線(xiàn)電通信為主體的多媒體通信網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現礦山數據分布式共享;四是實(shí)現礦山生產(chǎn)過(guò)程數據自動(dòng)采集與處理,采用傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù),實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程、礦山安全、設備運轉的監控與數據自動(dòng)采集和可視化處理;五是實(shí)現礦山生產(chǎn)系統集中控制,通過(guò)智能控制系統,對提升、運輸、通風(fēng)、排水等進(jìn)行集中遙控;六是采用計算機軟件系統,實(shí)現礦山資源、設計優(yōu)化、生產(chǎn)計劃與開(kāi)采環(huán)境的數字化、模型化與可視化;七是基于數字礦山平臺的采礦爆破一體化設計系統和過(guò)程監控系統;八是運用多媒體、模擬、仿真、虛擬技術(shù),再現礦山整體與生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程,包括調度、過(guò)程監控、災害預警等;九是通過(guò)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應的信息集成,實(shí)現主體采礦設備的集中控制,或無(wú)人駕駛的程式化控制;十是采用智能化采礦設備自動(dòng)定位與導航系統,使礦山從單一工序到整個(gè)系統,實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的遠程操作。

      記者:在礦山智能開(kāi)采方面,北京礦冶研究總院主要開(kāi)展了哪些研究?

      張達:我院是國內首批開(kāi)展地下金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)研究的單位。“十二五”期間,我院牽頭開(kāi)展了國家“863”主題項目“地下金屬礦智能開(kāi)采技術(shù)”研究,針對地下金屬礦山的特殊性,以信息采集、井下高頻寬帶實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )、井下定位技術(shù)、調度與控制系統等為技術(shù)手段,以井下鏟運鑿巖爆破裝備為控制對象,通過(guò)多層次、在線(xiàn)實(shí)時(shí)調度與控制,優(yōu)化礦山生產(chǎn)過(guò)程,形成具備行業(yè)性和通用性的地下金屬礦山智能開(kāi)采平臺,為地下金屬礦的高效、安全、綠色與可持續開(kāi)采奠定基礎。該項目的任務(wù)設置既考慮以解決地下金屬礦智能開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題為目標,同時(shí)也考慮在有限的資金和時(shí)間內實(shí)現項目的可行性。

      經(jīng)專(zhuān)家多次研討和論證,該項目最終擬定以智能化井下裝備、泛在信息的采集及高頻寬帶通信、礦山高仿真三維展示信息平臺及基于該平臺的智能化導航、調度和控制等具備典型性、緊迫性的應用為研究對象,具體確定了智能中深孔全液壓鑿巖臺車(chē)、地下高氣壓智能潛孔鉆機、地下智能鏟運機、地下智能礦用汽車(chē)、地下金屬礦山智能精細化采礦爆破技術(shù)與裝備研究、智能開(kāi)采的泛在信息采集與通信系統、智能開(kāi)采的支撐軟件及智能化調度與控制系統、井下設備的精確定位與智能導航共計8項研究開(kāi)發(fā)任務(wù)。

      目前,項目研究成果正在國內礦山進(jìn)行現場(chǎng)工業(yè)試驗,相關(guān)成果已開(kāi)始在國內礦山推廣應用。應該看到,在不遠的將來(lái),我國礦業(yè)將借“兩化深度融合”之勢,逐步從機械化、信息化、數字化、自動(dòng)化走向智慧化快速發(fā)展,打造屬于中國的智能化礦業(yè)大國。

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