数字化智能管理系统在露天矿山的应用

陈 勇，曹远见

（中国非金属材料南京矿山工程有限公司，江苏 南京 210000）

1 数字化矿山的意义

1）改变矿山的生产经营方式，在矿山设计、测量、开采、安全、应急管理以及绿色化矿山建设等方面产生正面积极的引导作用，促进本就稀缺的矿山资源合理有效的开采，防止出现矿产资源浪费的现象。

2）数字化矿山为矿山开采技术的发展提供更强大的动力。使矿山开采具有更高效、更丰富的管理手段、更多的信息获取，从而提高矿山生产管理的时效性和准确性，提高资源优化配置水平，促进矿山的可持续发展。数字化矿山为矿山管理者搭建了一个带有准确坐标、时间节点和对象属性的三维虚拟环境体系，在这个体系中进行规划、决策和管理，使管理者在处理矿山复杂系统问题时能够建立更强的立体感和全局观念。

2 虎提山灰岩矿背景介绍

1）本工程是枣庄创新山水水泥有限公司一条4 000t/d新型干法水泥熟料生产线和一条100万t/a水泥粉磨生产线的配套工程，矿山生产规模200万t/a。

2）本矿采用露天开采，自上而下、水平分台阶开采，矿山共划分为6个开采水平，台阶高度15 m。依据矿山现状，为尽快达产，在基建期内对+110 m水平以上削顶，矿山主要开采工作面布置在+95 m、+80 m、+65 m和+50 m水平。根据矿体产状要素及其空间展布状态，矿山工作面前期采用纵向采剥方法，随着工作面的推进改为横向采剥方法，工作面根据矿山实际情况进行调整（见下页图1）。

采剥工艺：采用潜孔钻机穿孔，多排孔孔内毫秒延时逐孔爆破，挖掘机装车，矿山专用自卸汽车将矿石自工作面运至矿区西南侧的破碎站，破碎后的矿石由皮带输送机运至矿区西侧0.95 km外的水泥生产线。

3）本矿矿石储量规模大，Ⅰ级品矿石主要分布在KC01矿层中下部，矿石平均品位：w（CaO）为49.23%；w（MgO）为1.99%；w（K2O+Na2O）为0.43%，为一优质水泥用灰岩矿床，矿石类型以鲕粒灰岩和豹皮灰岩为主；Ⅱ级品矿石主要分布在KC01矿层上部，矿石平均品位：w（CaO）为46.64%，w（MgO）为1.64%，w（K2O+Na2O）为0.76%，矿石类型以泥质条带灰岩为主；经企业前期水泥生产线生产的经验，Ⅱ级品矿石不能单独进行水泥生产，必须和Ⅰ级品矿石搭配使用。

3 虎提山灰岩矿开采中存在的问题

1）矿山在被挂牌出让前已被开采多年，在开采中采用机械凿岩，深孔爆破，汽车运输，由于矿山以往未按照设计要求采用自上而下水平分台阶开采，致使目前矿区内已形成了多个采坑。矿区内的采坑主要分布在矿区北部、中部及东部，北部采坑主要分布在00勘查线以北，中部和东部采坑主要分布在00勘查线与IV勘查线之间，其中矿区北部和中部大部分已采至+50～58.7 m水平，部分采坑内有积水；矿区东部已形成的平台呈南北向，其标高由西向东分别为+80 m、+95 m及+110 m水平，通往各工作面的运输道路由矿区南侧进入。

2）虎提山+95 m以上水平矿石质量较差，含钙量较低，且分布不均，此现象主要因该层岩石较为接近原始地表，风化岩较多。

为解决此问题，保持现有开采面不少于3个，同时供矿的装车点不少于4个。高品位矿石与低品位矿石相结合，搭配供矿，使进入破碎站的矿石平均质量达到相应要求。因为装车设备过多，不可避免的造成了现有装车设备出现窝工状态，设备利用率低。采用人工调整装车位置，分配运输车辆，往往调整速度偏慢，因为矿石质量波动较大，调整后仍有可能无法满足矿石质量要求。

4 虎提山灰岩矿数字化矿山应用进程

4.1 数字化矿山建设目标

本系统的实施将建立石灰石原料统一管控平台，打通矿石开采、矿石运输、地磅数据、环境监测等环节的信息壁垒，将勘探数据、现场钻孔凿岩取样化验室检验数据、皮带运输机在线分析仪在线检测数据、矿车信息、管理信息、智能算法等有机融合，打造“绿色矿山-智能调度-智能检测控制—智能调配矿车等”一体化系统（见图2）。该系统以现有矿山勘测数据、炮孔岩粉化验数据、在线分析仪系统、车辆定位系统和调度管理办法等为基础，在保证质量指标的前提下，实时对不同品位的石灰石资源进行优化配置和精准调配，并优化调度规则实现矿车调度智能化，最大程度的利用低品位矿石，减少矿产资源的浪费，延长矿山寿命、降低生产成本和提高管理水平。

图1 露天矿鸟瞰图

图2 数字化矿山中控室

4.2 矿车定位与状态识别

矿山配备12台矿用自卸卡车、3台挖机、1台铲车等设备，挖运设备上安装有车载信息接收装置，系统实时对这些设备精准定位、智能调度。系统自动采集各车载终端定位，自动识别出各矿车运行状态(如装车、卸车、空运等)，并将运行位置、状态等信息在矿区电子地图上实时显示出来，保证调度员及时掌握矿车运行情况（见图3）。

该系统对矿区不同平台、不同矿石品位区域进行电子围栏设置，通过电子围栏对矿区进行区域划分，当矿车进入非指定的电子围栏时系统会进行报警及时提醒司机校正路线，避免司机走错路线造成安全问题。同时也会将报警信息通过微信或APP及时推送到安全员手机上。当矿山有爆破时，调度员及安全员通过中控室大屏或手机可以随时监控爆破区是否还存在车辆及人员。

4.3 智能配矿调度

系统根据实际生产中矿车出勤计划、在线检测的矿石有用、有害组分，结合现场实际确定配矿参数进行配矿算法计算，并根据车辆调度原则，结合矿车、地理位置等情况的变化适时进行自动调度（见图4）。

图3 电子地图矿车定位

图4 车辆任务状态界面

调度员可根据生产的需要对重要参数进行动态调整。也可以进行人为干预。该系统为整个智能化矿山运行的核心系统，因为矿石质量波动极大，系统算法要结合现场实际进行实时调整，在各种突发状况中摸索符合实际的逻辑运算规则，为解决矿石的综合利用提供最完美的手段。

4.4 车载终端功能

接收调度指令：系统对矿车的调度指令以文字消息的形式在车载终端上显示；

卸车提示：为了达到高标准的配矿，对卸车进行干预，通过声光报警方式通知司机按照顺序卸载；

确认操作：矿车司机可通过车载终端触摸屏进行接收指令确认、车辆状态（请求任务、卸车、下班等）报告等操作，相关信息实时上传调度系统如下页图5所示。

图5 车载终端日夜运行模式对比图

报警：当矿车在非指定的电子围栏内停留一定时间后，车载终端以醒目闪烁的文字形式进行报警，通知司机按照正确的位置去装车。

日夜模式：当卡车进入夜班状态时，终端屏幕的亮度对司机产生一定的视觉干扰，此时司机可以切换到夜间模式。

4.5 道路粉尘监测及气象情况信息推送

将路面粉尘监测数据（PM2.5、PM10、TSP）集成到本系统中进行显示，使管理人员及时通知洒水设备对路面、装车点进行洒水降尘，达到环保要求。

该系统通过对接气象部门的公共开放接口，及时将获取的气象情况推送到调度员及安全员微信或手机APP上，随时随地的掌握气象情况，尽可能的在崩塌、泥石流、滑坡、洪涝等灾害发生前采取必要的安全措施（见图6）。

图6 扬尘检测数据窗口

4.6 在线分析仪数据及派车的APP

可以通过手机APP随时随地查看石灰石元素在线分析仪数据，并根据在线分析仪结果进行配矿干预、派车干预、卸车干预等（见图7和图8）。

图7 在线分析数据实时曲线图

图8 派车APP操作界面图

4.7 平台储量及平台品位的自动更新

本系统可以根据每天车辆的运载量，及平台的初始储量，自动更新现存储量。当现存储量低于阈值时，会报警。平台的品位由最近3车的在线分析仪数据的平均值为准，对平台品位进行自动更新（见图9）。

4.8 自动过磅系统

自2020年5月1日开始，矿山地磅升级为自动过磅，依靠一整套成熟的自动感应系统自动识别矿车，自动进行计量（见图10）。从而大大简化了过磅流程，提高了效率，节约了过磅时间，提高了运转效率。

4.9 远程监控系统

2020年6月1日，虎提山灰岩矿山上架设了360o全景摄像头，并通过无线网络将视频信号直接传回公司总部。通过手机APP也能实时掌控矿山生产情况（见图11）。

图9 自动更新的平台储量窗口

图10 自动过磅感应器

图11 远程监控系统

5 当前数字化矿山存在的问题

5.1 前期投资费用较高

整个数字化矿山的重点核心设备为在线分析仪，其购置一套的费用在270万元以上，且两年半需要更换一次放射性部件，运行维护费用较高。

GPS终端设备、中央处理器和监控显示器一整套购置费用在30万元左右。处理数据的应用软件因各公司情况不一，价格相差悬殊，少则几万多则几十万元。随着高新技术的不断发展，科技成本将会不断降低。

5.2 GPS终端信号接收问题

因为矿山环境比较复杂，且位于山东与江苏交界处，导致移动设备上的信号接收系统运行不稳定，经常出现无法检测到移动设备的问题。但这一问题在国内5G网络不断兴起的潮流中，有望得到尽快解决。

6 结语

结合这一矿山案例，对于采矿业从业者来说，要逐步走上科技含量高、经济效益好、充分利用矿产资源、绿色化矿山、技术型人才得到充分发挥的新型工业化之路，数字化是其发展的必然趋势。面对这个趋势，采矿人要与时俱进，学以致用，充分发挥数字化矿山的优势，解决困扰我们实际生产中的各种顽疾，合理有效地用好每一份矿产资源。