智能化将成为我国矿业开采的发展方向

    “当前，国内外矿业已进入了一个智能化业务高速发展的最佳时期。”北京矿冶研究总院矿山工程研究设计所副所长张达日前在接受记者采访时如是说。据了解，矿山工程研究设计所在矿山安全、高效、清洁开采技术的研究与开发方面代表国家水平，而矿山智能化开采技术、装备与工程应用，已成为该所的主要研究方向。

　　记者:智能开采技术是在怎样的背景下发展起来的?其发展有何意义?

　　张达：随着全球对矿产资源需求量的增加,来自国际市场的高产、高效、高质量、低成本矿产品的进入，以及国内部分非常规掠夺式矿产品开采，使矿业企业间资源、管理与市场的竞争日益激烈，迫使矿山企业在资源利用、环境保护、开采工艺、技术装备、安全管理等方面必须进行变革，以应对当前的严峻挑战。

　　我国金属矿山以地下开采为主，许多矿山逐步由浅层开采转向深部开采。由于地下金属矿山的资源禀赋条件、开采工艺、生产流程、生产装备的差异，以及资源的不确定性和动态性、工作场所的离散型、生产力要素的移动性、生产环境的高危险性等特点，形成了诸多难题，致使矿山企业生产效率低下，事故频发。在这种情况下，为了提高我国矿山的技术实力，开展以安全、高效、经济为目标的地下金属矿山智能开采技术研究就显得尤为重要。

　　智能开采是指以智能化、自动化采矿装备为核心，以高速、大容量、双向综合数字通信网络为载体，以智能设计与生产管理软件系统为平台，通过对矿山生产对象和过程进行实时、动态、智能化监测与控制，实现矿山开采的安全、高效和经济效益最大化。

　　矿山的智能开采技术是由一系列互相依存、彼此衔接的功能模块，通过实时的数据流融合在一起，最终形成的有机整体。其核心功能包括矿山生产规划、矿山生产系统运行、矿山运行状态监控和地下开采装备智能化。

　　智能开采的意义主要在于采用现代高新技术提升传统产业，推动我国矿产资源开发向高效、安全、绿色与可持续发展，增强我国矿业行业的核心竞争能力。矿山智能开采技术对于推动有色金属和钢铁冶金行业的振兴也具有重要意义。

　　记者：国外智能开采技术经历了哪些发展阶段?

　　张达：现代信息技术的应用与发展使得矿山的自动化或智能化开采成为可能。从上世纪90年代开始，芬兰、加拿大、瑞典等国家为取得在采矿工业中的竞争优势，先后制定了“智能化矿山”和“无人化矿山”的发展规划。

　　芬兰提出了智能矿山技术研究计划(IM)，由芬兰技术开发中心(TEKES)牵头，奥托昆普采矿服务公司、坦罗克凿岩机公司和装运机公司、诺尔梅特奥利翁公司、洛克莫公司以及赫尔辛基工业大学岩石研究所共同完成，从1992年至1997年历时5年。该计划共分28个研究项目，预算1200万美元，通过对资源和生产的实时管理、设备自动化和生产维护自动化三个领域的研究，初步建立智能矿山技术体系，提高露天矿和地下矿的生产效率和经济效益。

　　在此基础上，芬兰进一步提出了智能矿山实施研发技术计划(IMI)，从1997年开始，历时3年，通过实施先进技术技术，开发出机械装备与系统，并在奥托昆普公司凯米地下矿进行了开发试验，提高了矿山的劳动生产率，降低了生产成本，改善了工作条件。

　　此外，加拿大完成论证并开始实施的采矿自动化项目(MAP)五年计划，预算接近2000万美元，由加拿大国际镍有限公司、鹰桥镍矿有限公司、加拿大自动化与机器人技术中心等承担，基于国际镍公司研发的地下高频宽带通信系统，研发遥控操作、自主操作和自调整系统等核心技术，矿体圈定机器人装置通过通信系统与智能地质模型连接，开拓过程则是根据矿体圈定结果建立模型。自动化工程开拓模型向进行工作的遥控设备直接提供信息，遥控设备的信息也同时提供给矿山模型，并作用于生产过程。实现上述功能的装置是采矿机器人控制器，它既是一个连接监控传感器与局部遥控执行器的计算装置，又是一个射频调制解调器。另一方面，建立了矿山基本辅助系统，如通风、泵送、地层控制、配电、矿山排水、压缩空气以及工艺用水等。在这些辅助系统中，布设在现场的传感器将信息通过与通信系统相连接的控制装置发送到中心控制计算机，该计算机按照模型处理数据，并给各个水平的远距遥控执行机构发送信号进行调节。通过上述内容的研究开发，使加拿大在采矿自动化技术方面处于国际领先地位，保持了采矿工业的竞争优势，并形成了新的支柱技术产业。加拿大还制定出一项拟在2050年实现的远景规划，即在加拿大北部边远地区建设一个无人化矿山，通过卫星操控矿山的所有设备，实现机械破碎和自动采矿。

　　加拿大国际镍公司研制出一种地下通信系统，此系统建立在有线电视和无线电发射技术相结合的技术基础上，并在斯托比(Stobie)矿试用。这种功能很强的宽带网络与矿山各中段的无线电单元相结合，可传输多频道的视频信号，操作每台设备。该矿除了固定设备已实现自动化外，铲运机、凿岩台车、井下汽车均已实现了无人驾驶，工人在地面遥控这些设备，整个井下基本上不需要设置工作人员。

　　同时，其他国家也在同步开展矿山自动化和智能化的战略，瑞典为此也制订了战略计划，着力提高矿山自动化水平。澳大利亚Micromine公司针对采矿应用，开发出基于Web的在线远程采矿控制系统PITRAM，实现缩减采矿成本10%。美国宾夕法尼亚Rajant公司开发出恶劣环境下的高弹性、宽带移动目标无线网状网络，实现了移动目标的可靠、快速接入。

　　近10年来，国际著名的几家采矿设备公司均在大力发展智能采矿装备及相关技术，如瑞典的山特维克公司、阿特拉斯科普柯公司等，不仅开发的大量采矿设备具有很好的自动化或智能化功能，而且开发了多种智能矿山的技术与装备系统，如AotoMine系统、OptiMine系统和MineLan系统，利用这些技术，这些公司正逐步由原来单一的设备供应商向技术解决方案供应商转变。

　　记者：请您谈谈我国智能开采技术发展现状及存在的问题?

　　张达：西方发达国家从上世纪90年代就开始研究智能开采技术，与之相比，我国的相关技术研究落后了很长时间。但同时也应该看到，由于以网络信息技术为代表的高新技术迅速发展，我国目前打下了很好的信息化技术基础，在这方面与国外的差距并不大，至少远高于国外当年的技术水平，因此我国完全是在一个新的起点开展智能开采技术研究，也完全有可能在短时间内达到或赶超国际先进水平。

　　近些年来，随着我国社会经济的发展和矿业的复苏，与智能开采相关的许多高新技术应用得到了长足进步。例如，我院开发了BLSS-PE矿用三维激光扫描仪、矿山高带宽无线通信系统及矿山智能化调度与控制系统，可为智能采矿提供技术支撑。我国的矿山六大系统等信息化建设，多数已建成了井下光纤主干通信网络，视频监测、环境监测、自动化控制已在部分大中型矿山应用，以进口设备为主的遥控铲运机得到大量应用，一些先进的人员与设备定位系统和井下地压灾害监控系统得到应用，先进的矿业软件如国外的DataMine、Surpac和国内的Dimine、3Dmine等也得到了推广应用。国家立项开展了多项与智能化采矿相关的重点或专项科技攻关项目，如“数字化采矿关键技术与软件开发”、“地下无人采矿设备高精度定位技术和智能化无人操纵铲运机的模型技术研究”、“井下(无人工作面)采矿遥控关键技术与装备的开发”、“千米深井地压与高温灾害监控技术与装备”等项目，都奠定了良好基础。

　　目前，我国智能化发展存在的主要问题是：国内采矿装备的技术水平相对落后，尤其是其自动化及信息化水平尚不能满足智能开采要求;缺少具有自主知识产权的井下综合通信、定位导航等实现智能开采的支撑技术与软件平台;相关技术研究力量分散，未能形成强大的研发团队。

　　智能开采技术研究是一项庞大的系统工程，从国外的经验来看，均是由国家出资设立专项，组织多家研究机构和相关企业联合攻关，然后再由企业深入完善。

　　记者：智能开采技术的发展趋势是什么?

　　张达：国外在地下智能开采方面的整体趋势是井下宽带通信网络化、井下数据采集实时化、井下生产装备自动化、井下生产管理信息化，实现矿山大规模智能化、自动化综合优化调度与生产管理，从而实现经济、安全、高效的目标。

　　智能开采技术的总体发展趋势主要表现为以下10个特点：一是矿山地表、矿床及工程环境模型的三维可视化系统;二是有效的生产经营管理信息系统，包括矿山规划、开采方案、生产计划、统计调度、生产监控、地测管理、经营管理等，并形成企业局域网络;三是视频和数据同网传输的网络体系，以光纤或无线电通信为主体的多媒体通信网络，实现矿山数据分布式共享;四是实现矿山生产过程数据自动采集与处理，采用传感器网络技术，实现生产过程、矿山安全、设备运转的监控与数据自动采集和可视化处理;五是实现矿山生产系统集中控制，通过智能控制系统，对提升、运输、通风、排水等进行集中遥控;六是采用计算机软件系统，实现矿山资源、设计优化、生产计划与开采环境的数字化、模型化与可视化;七是基于数字矿山平台的采矿爆破一体化设计系统和过程监控系统;八是运用多媒体、模拟、仿真、虚拟技术，再现矿山整体与生产活动过程，包括调度、过程监控、灾害预警等;九是通过整个生产过程实时动态响应的信息集成，实现主体采矿设备的集中控制，或无人驾驶的程式化控制;十是采用智能化采矿设备自动定位与导航系统，使矿山从单一工序到整个系统，实现生产过程的远程操作。

　　记者：在矿山智能开采方面，北京矿冶研究总院主要开展了哪些研究?

　　张达：我院是国内首批开展地下金属矿山智能开采技术研究的单位。“十二五”期间，我院牵头开展了国家“863”主题项目“地下金属矿智能开采技术”研究，针对地下金属矿山的特殊性，以信息采集、井下高频宽带实时通信网络、井下定位技术、调度与控制系统等为技术手段，以井下铲运凿岩爆破装备为控制对象，通过多层次、在线实时调度与控制，优化矿山生产过程，形成具备行业性和通用性的地下金属矿山智能开采平台，为地下金属矿的高效、安全、绿色与可持续开采奠定基础。该项目的任务设置既考虑以解决地下金属矿智能开采的关键技术问题为目标，同时也考虑在有限的资金和时间内实现项目的可行性。

　　经专家多次研讨和论证，该项目最终拟定以智能化井下装备、泛在信息的采集及高频宽带通信、矿山高仿真三维展示信息平台及基于该平台的智能化导航、调度和控制等具备典型性、紧迫性的应用为研究对象，具体确定了智能中深孔全液压凿岩台车、地下高气压智能潜孔钻机、地下智能铲运机、地下智能矿用汽车、地下金属矿山智能精细化采矿爆破技术与装备研究、智能开采的泛在信息采集与通信系统、智能开采的支撑软件及智能化调度与控制系统、井下设备的精确定位与智能导航共计8项研究开发任务。

　　目前，项目研究成果正在国内矿山进行现场工业试验，相关成果已开始在国内矿山推广应用。应该看到，在不远的将来，我国矿业将借“两化深度融合”之势，逐步从机械化、信息化、数字化、自动化走向智慧化快速发展，打造属于中国的智能化矿业大国。