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井下矿山智能采矿体系的平台架构研究与实现 ① 胡建华1， 张 龙1， 王学梁2， 王 辉2， 邓煜林1 （1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083； 2.湖北三宁矿业有限公司，湖北 宜昌 443100） 摘 要 以智能采矿的平台架构为基础，理论研究了矿山智能采矿的核心架构及其关键技术，通过对三宁矿业挑水河磷矿案例进 行详细分析，系统阐述了井下矿山智能采矿体系的平台架构及实现途径。 研究结果表明，智能采矿的关键在于开发井下矿山的基 础信息数字平台、采掘设备智能平台、生产信息管控平台、通讯网络传输系统，形成“三平台一系统”的智能采矿核心架构；智能采矿 有利于矿山本质安全的构建，三宁矿业智能采矿的实践初步实现了高危岗位的“机械化换人、自动化减人”。 关键词 智能采矿； 数字平台； 设备平台； 管控平台； 通讯网络传输系统 中图分类号 TD803文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2018.06.001 文章编号 0253-6099（2018）06-0001-05 Plat Structure for Intelligent Underground Mining System and Its Construction HU Jian-hua1， ZHANG Long1， WANG Xue-liang2， WANG Hui2， DENG Yu-lin1 （1.School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China； 2.Hubei Sanning Mining Co Ltd， Yichang 443100， Hubei， China） Abstract On the basis of an intelligent mining plat structure， the core structure and key technologies for intelligent mining in mines were explored theoretically. After detailed analysis of the cases in Tiaoshuihe Phosphorus Mine of Sanning Mining Co Ltd， a systematical explanation of the plat structure of intelligent mining system and approaches for implementation were presented. It is found that the key to intelligent mining is to develop a digital plat of basic ination， an intelligent plat for excavating equipment， a production ination management plat， as well as communication and network transmission system for underground mining， so as to the core structure of intelligent mining consisting of “three plats and one system”. Intelligent mining system is beneficial to ensuring the safety in mine. The practice of intelligent mining in Sanning Mining Co Ltd has preliminarily realized the “substitution of manpower with machine and reduction of manpower by automation” for some highly risk task. Key words intelligent mining； digital plat； equipment plat； management plat； communication and network transmission system 随着“中国制造 2025”重大战略的实施，我国各加 工制造业逐步向创新驱动、绿色发展和智能制造方向 转变。 矿业作为国民工业的基础产业，也要由工业化 向信息化智能化转型升级，以工业化促进信息化智能 化、以信息化智能化带动工业化升级，依靠信息技术人 工智能改造传统产业，为实现智能采矿奠定基础。 目 前，我国矿业正处于工业化与信息化的两化融合的关 键时期，以实现数字化、机械化与信息化发展的智能采 矿为目标，加快矿山企业转型升级和绿色持续发展。 国际上，智能采矿建设已经取得了一定成就。 瑞典基 律纳（Kiruna）铁矿，井下采场的凿岩、装运和提升都已 实现智能化和自动化作业，凿岩台车和铲运机实现无 人驾驶，运输系统装载和卸载过程均为远程控制[1]。 加拿大国际镍公司在斯托比矿（Stobie）也实现了铲运 机、凿岩台车、井下汽车等移动设备的无人驾驶[2]。 国内智能采矿也取得了明显进步，但智能化整体水平 低于某些发达国家[3]。 南京梅山铁矿围绕金属矿山 生产过程设计了基于物联网的生产管控应用系统[4]。 神华集团设计了智能矿山 5 层架构体系并对其关键技 术进行攻关，实现从感知、传输、分析到决策的智能化 ①收稿日期 2018-05-23 基金项目 国家重点研发计划（2017YFC0602901） 作者简介 胡建华（1975-），男，湖南衡阳人，教授，博士研究生导师，研究方向为高效安全采矿技术与工程稳定性分析。 第 38 卷第 6 期 2018 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №6 December 2018 万方数据 和一体化[5]。 杏山铁矿也开始建设数字化安全矿 山[6]。 湖北宜昌三宁矿业挑水河磷矿是缓倾斜薄到中厚 矿体，矿区面积约 23.42 km2，开采战线长、管控难度 大、安全隐患多，属于典型难采矿体。 其智能化开采 难度大，在建立数字矿床基础上，引进了国内外智能 采掘设备和 VR 智能管控系统，构建了缓倾斜薄到中 厚矿体的智能采矿架构，初步实现了智能矿山的开 采模式。 1 智能采矿的核心架构 1.1 智能采矿内涵 在矿床开采中，以开采环境数字化、采掘装备智能 化、生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息 化为特质，以实现安全、高效、经济、环保为目标的采矿 工艺过程，称为智能采矿[3]。 智能采矿的核心内涵主 要是数字化、机械化、信息化。 数字化是智能采矿的基础，没有数字化，就没有智 能采矿。 通过构建矿床地质信息及井下开采工程环境 的数字模型，形成矿山精细的基础信息数字平台，搭建 智能采矿的信息流基础数据。 同时，基础信息数字平 台的建设，也是后续的设备管理系统、生产计划组织、 调度系统优化、人员定位系统、安全 6 大系统等进行设 计开发和系统运行的基础数据平台[7]。 机械化是智能采矿的手段。 采矿技术的发展，实 质上是采掘设备的发展。 智能采矿的机械化与传统意 义上的设备化相比具有一定的差异性，不只是利用机 械设备实现矿产之大规模开采的机械化，而主要表现 在具有信息控制和智能运行的矿床开采之机械化，也 是我国安监总局“机械化换人，自动化减人”的关键环 节。 随着遥控技术和远程控制技术的发展，采矿工程 中采掘设备要由单机局部的智能化向工艺链全环节的 操控智能化转变，采掘装备智能化必须要与生产过程 遥控化相融合，形成采掘设备智能平台，实现单环节的 远程机械化操作，促进矿山高效生产和本质安全。 信息化是智能采矿的保障。 信息化是建立在网络 交换机、4G 通讯信号等信息传输系统基础上的，利用 物联网、办公信息系统、自动数据处理系统等手段，通 过各种传感器和服务终端实现对真实矿山信息流网络 化、生产过程可视化和生产管理智能化，构成人与人、 人与矿山、矿山与矿山相连的矿山信息系统，实时动态 控制矿山安全生产与运营的全过程，保证矿山生态稳 定和经济可持续增长[8]。 1.2 智能采矿核心架构模型 矿山智能化建设需要具备基础信息数字平台、采 掘设备智能平台、生产信息管控平台和通讯网络传输 系统的“三平台一系统”整体结构；还需要融合智能采 矿方法和工艺设计，优化采矿工艺参数，从而形成一个 闭环的智能采矿架构模型，如图 1 所示。 以此模型架 构为蓝图，实现矿山生产信息数字化、生产工艺机械 化、生产过程自动化、生产管理智能化和信息传输高速 化等特质。 智能采矿 数字化机械化 采矿设计与结构参数优化相融合 信息化 基础信息 数字平台 地 表 地 形 数 字 信 息 地 质 资 源 数 字 信 息 采 矿 工 程 数 字 信 息 采 空 区 数 字 信 息 采掘设备 智能平台 凿 岩 装 药 智 能 设 备 铲 装 运 输 遥 控 设 备 提 升 运 输 智 能 设 备 无 人 值 守 辅 助 设 备 生产信息 管控平台 生 产 过 程 监 控 信 息 生 产 调 度 智 慧 系 统 安 全 生 产 信 息 融 合 生 产 计 划 组 织 系 统 通讯网络 传输系统 工 业 以 太 网 网 络 交 换 机 数 据 存 储 系 统 无 线 通 信 系 统 图 1 智能采矿架构模型 2 智能采矿的关键技术 2.1 基础信息数字平台 基础信息数字平台是智能采矿的基础，是建立在 三维矿业软件上的数字模型，其基本功能是提供矿山 三维实体的模型、矿床的精细数据和采矿可视化平台， 并为矿山设计优化提供基础参数，已经给采矿智能化 带来了革命性的变化。 10 多年来三维矿业软件在我 2矿 冶 工 程第 38 卷 万方数据 国矿山企业数字化建设过程中，获得了极大的推广和 应用，目前市场和企业主要应用的三维矿业软件有 DIMINE、3DMine、Surpac、Minesight、Datamine、Micromine 和 Vulcan[9]等。 矿山地表地形数字信息的建立主要有两种方法 原始测量数据生成法和地形图等高线生成法。 原始测 量数据生成法是将野外测量的数据点以 txt 格式文件 导入 DIMINE 软件中，然后再根据点生成三维模型；等 高线法是将已有地形等高线导入 DIMINE 软件中，然 后进行高程赋值，利用赋完高程值的等高线进行建模 的方法。 矿山地表地形数字信息的主要作用是提供地 表地形可视化效果，为地质勘查设计提供方便。 地质资源数字信息主要包括矿体三维实体模型、 矿体品位信息和储量信息。 根据勘探线上的钻孔信 息，提取矿体轮廓线，再依据提取的矿体轮廓线建立矿 体模型。 地质资源数字信息主要是将资源信息统计于 表格中，为生产计划编制提供参考信息。 采矿工程数字信息是当前采装运支工作面信息的 集合。 结合前面的地质资源数字信息将当前工作面的 地质信息及时更新出来，可以根据当前工作面地质条 件设计爆破参数以及合理地优化调度系统。 随着井下采场不断推进，采空区成了影响矿山安 全生产的一个重要因素。 采空区数字信息需要将矿床 所有采空区的坐标、体积以及稳定性统计出来，并建立 三维实体模型，为矿山充填设计和回采顺序优化提供 资料。 2.2 采掘设备智能平台 智能采矿的发展与采矿设备的进步密不可分。 进 入 21 世纪以来，采矿设备一直向大型化和智能化方向 发展，这不仅降低了工人的劳动强度，还极大提高了采 矿的生产效率。 因此，矿山企业引进大型智能化设备 也是矿山向智能采矿发展的重要标志。 设备平台最能体现出智能采矿的优势，因为采矿 生产的主要工序凿岩、装药、爆破、通风、支护、出矿、井 下运输等都离不开智能化设备。 智能化设备平台的建 设也是由单个发展到整体的过程，依次是单机智能化、 单环节智能化、整体智能化[10]。 单机智能化主要是指 凿岩台车、装药台车、铲运机、支护撬毛设备、提升运输 设备以及辅助设备等各自实现智能化。 目前，国内很 多矿山正在进行单机智能化的改造，并向单环节智能 化变革推进，其过程正是目前矿山需要突破的难点。 单环节智能化的关键技术是需要将设备与采矿工艺相 结合实现单个生产环节的智能化，从而以整体采矿工 艺为出发点，系统地实现工艺流程智能管控，形成设备 平台在工艺流程和作业链上的最终整体智能化。 2.3 生产信息管控平台 生产信息管控平台是一项复杂的系统工程，它既 包括对生产作业情况、人员设备分布情况的实时监测， 也包括井下人员之间、井下人员与地面调度管理人员 之间的无线通信，还包括对井下各个工作单元生产作 业的协调组织与管理[11]。 图 2 为生产信息管控平台 的建设体系架构，生产信息管控平台是矿山企业的指 挥平台，与两个基础平台进行交流和时空调控，并建立 数据链的反馈机制，实现矿山生产、组织、计划和安全 全方位的智能决策与快速响应。 生产规划 产能规划 工艺流程 开拓采切 资源配置 生产组织 生产能力 物流路径 生产指令 生产调度 过程管控 过程仿真 安全管理 质量管理 视频监控 基础信息 数字平台 采掘设备 智能平台 通讯网络传输系统 生 产 信 息 管 控 平 台 采矿 工艺 参数 设计 及其 优化 图 2 生产信息管控平台的建设体系 生产信息管控平台最前沿的功能就是对装备的远 程智能控制。 目前根据矿山智能化水平的不同，对装 备的控制大致分为井下遥控操作设备和远程控制设备 两种方式。 国内外很多矿山已实现在工作面对铲运机 进行遥控操作，目前正在向远程智能控制发展。 管控 平台中安全系统的构建是矿山企业必须建立的基础工 程，智能化的管控平台能够将传统的井下安全“避险” 六大系统与实时监控系统融合起来，大量减少井下巡 查人员，实现监控与防护一体化，为智能采矿提供安全 保障。 生产计划组织也是维护矿山正常运行的一项重 要工作，结合数字平台里面的实体模型和地质资料，根 据生产需要合理分配人力资源和设备资源，制定相应 的月生产计划和年生产计划。 结合管控平台和数字平 台进行矿山生产计划编制不仅具有时间短、劳动强度 小、计划准确等优点，而且当实际生产中出现参数变化 的时候可以及时修改以完成新计划的编制[12]。 管控 平台对于运输系统优化最大的优势是可以充分利用巷 道和设备实体模型进行装载、运输、让车和卸矿的仿真 模拟，在考虑时间和空间的关系下，求出最大的运输能 力，确定调度方案。 2.4 通讯网络传输系统 通讯网络传输系统是智能采矿的保障，它是三个 平台之间连接的桥梁。 它承担着生产信息管控平台的 信息传输和矿井生产综合自动化调度控制中心的控制 和监测，对网络的实时性、可靠性、安全性均是工业级 要求，要保证持续稳定运行。 建议采用标准 TCP／ IP 3第 6 期胡建华等 井下矿山智能采矿体系的平台架构研究与实现 万方数据 协议和工业以太网技术，将井上和井下设备监控站所 采集的信息和控制信息实时传送到智能控制中心。 另 外要充分利用飞速发展的通讯网络技术，在井下建立 4G 信号基站，保证井上、井下人员能通过手机进行信 息交流。 以太网技术的不断发展，彻底改变了以前完全现 场总线的局限性，它不仅在办公自动化领域而且在工 业自动化场合得到了广泛应用，许多控制器、PLC、智 能仪表、DCS 系统已经带有以太网接口，这标志着工业 以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方 向。 采用的基于工业以太网的集成式全分布控制系 统，具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和互操 作性等特点。 矿山智能采矿也是以太网一个重要的运 用平台。 3 智能采矿的案例分析 三宁矿业挑水河磷矿位于湖北省宜昌市夷陵区樟 村坪镇，矿区矿体为缓倾斜薄到中厚矿体，平均厚度4 m， 由中磷层和下磷层组成，其埋深为 81.67～614.75 m， 平均 254.27 m，采用隔一采一条带开采嗣后充填法。 其东部矿区采用斜坡道开拓，西部矿区采用胶带运输 斜井开拓，东、西矿区由两条运输巷道贯通，其长度分 别为 2.41 km 和 4 km。 对于这类缓倾斜薄矿体，采用 传统的采矿方法效率极低，需要大量的工人值守和承 担运输任务，并且破碎硐室和工作面存在极大的安全 隐患。 发展智能采矿也是挑水河磷矿根据自身条件独 特性做出的决策。 根据前面“三平台一系统”的建设思路，三宁矿业 挑水河磷矿在矿山开采、选矿生产、井下充填与安全环 保监测、生产过程监控、通信系统集成等现场及技术指 标方面实现了智能化集中监控与管理[13]。 其建设案 例为以后发展智能采矿提供了宝贵经验。 3.1 平台建设状况 3.1.1 基础信息数字平台建设 在基础信息方面三宁矿业引进了 DIMINE 数字矿 山软件系统。 第一步，根据地表高程信息，将地质资料 统计出来，建立地形地表模型。 第二步，根据测斜文 件、孔口文件、岩性文件、样品文件、钻孔数据库建立矿 体三维模型。 第三步，根据目前开拓、采准、切割、回采 的进度，建立井巷工程、采空区三维模型。 图 3 为挑水 河磷矿地表与矿体三维模型。 3.1.2 采掘设备智能平台 挑水河磷矿对采矿设备尤为重视，一直向自动化、 智能化方向发展。 由于挑水河磷矿扁平结构的特点， 三宁矿业引进了 3 台山特维克 DD211L 凿岩台车，这是 图 3 挑水河磷矿地表与矿体三维模型 一款低矮型单臂电动-液压掘进台车，可在顶板高度仅 为 1.7 m 的巷道内进行凿岩作业，其工作效率相当于 36 个传统工人。 下一步需要发展的就是在地表智能 控制中心建立一套 DD211L 凿岩台车的操作系统，待 井下通讯网络传输系统建立完善之后便可实现远程操 作。 目前已经实现破碎机的远程操控。 与凿岩台车搭 配的还有装药台车、铲运机、支护台车、胶带运输设备、 辅助设备，这些设备协调作业、安全高效生产就构成了 矿山企业的智能设备平台。 3.1.3 生产信息管控平台 图 4 为三宁矿业智能控制中心。 三宁矿业引进了 国内第一个 VR 智能管控平台，电子显示屏中间部分展 示了挑水河磷矿的 VR 智能管控平台，可以实时显示井 下工作人员的总人数以及具体位置，可以随时调出各采 区的地质资料、三维模型、生产计划；左、右两边显示屏 展示出井下采、装、运以及通风的监控画面。 目前井下 很多设备都已实现远程控制，如破碎机、胶带运输机、通 风设备等。 地表选厂和充填站实现了远程管控。 图 4 三宁矿业智能控制中心 3.2 通讯网络传输系统建设 挑水河磷矿通讯网络系统建设有无线网络和有线 网络两套系统。 无线网络是与中国电信合作建设的井 下无线基站，在井下主要巷道、重点硐室实现电信 4G 信号全覆盖。 有线网络是选用 MOXA 环网交换机建 成监测和控制两个千兆环网子系统井下的环境监测、 定位、IP 有线电话及视频信号经处理转换后汇集到监 测环网；井下运输控制、风机控制、调风控风、充填控制 信号接入控制环网。 监测与控制网络分开组网极大地 4矿 冶 工 程第 38 卷 万方数据 减少了网络间的互相干扰，提高了生产控制的准确性、 安全性。 地面信息传输系统设备主要由操作台（包括软 件）、IP／ PBX 网络语音服务器、环境监测服务器及客 户端、人员定位服务器及客户端、环网交换机、磁盘阵 列等组成。 IP／ PBX 是一种基于 IP 的语音通信系统主设备， 此设备完全可以将语音通信集成到数据网络中，从而 将分布在各区域员工的语音和数据通信集成在一个网 络中。 系统设置环境监测、人员定位服务器及磁盘阵列 存储单元，将井下各分站、各监测点采集到的数据经监 测环网传送后存储。 共设置客户端（监测端）3 台，供 查询监测。 MOXA 环网交换机为系统网络提供中继和转换接 口，为矿井信息化提供千兆以太网平台。 地面维护台 中综合处理软件、定位软件等实现对人员、设备信息的 自动化管理，使管理层一目了然。 3.3 综合效果分析 三宁矿业智能采矿的目标是通过对矿井环境监 测、通讯定位、无线通信等生产子系统远程监控，实现 所有设备的状态监视和控制均在智能控制中心完成。 目前根据挑水河磷矿的岩体力学性质、隔一采一的采 矿方法以及凿岩台车一次最大的凿岩宽度，对挑水河 磷矿的采场结构参数进行了智能优化。 另外，井下有 4 km 胶带运输巷道，每隔 200 m 安装 1 个摄像头，已 经实现远程监控、无人值守；破碎硐室利用智能遥控技 术实现了破碎锤的远程遥控操作，降低矿山的职业卫 生和安全隐患等；井下风门实现红外线开关及远程控 制风量大小。 按照智能采矿规划，矿山将进一步提高设备智能 遥控机械化水平，由单环节智能化向整体智能化发展。 基于目前已经建立的平台和系统，下一步要实现更多 设备的远程控制，集成井下和地表信息，实现精准开 采、本质安全。 在矿山的通风控制上，由全矿井的大通 风系统向区域化的局部通风系统转变，建立分区管理、 按需通风的智能管控通风系统，控制矿山的通风网络 和无轨运输调控管理；开发矿山的矿岩自动识别系统， 提高皮带运输系统的自动抛废能力；开发局扇、排水系 统等的无人值守、远程操控系统。 4 结 论 1） 智能采矿是建立在通讯网络传输系统基础上 的，依托矿山基础信息数字平台构建的精确矿床与工 程模型，应用智能采掘装备实现机械化自动作业，开发 生产信息管控系统，实现矿山生产信息数字化、生产工 艺机械化、生产过程自动化、生产管理智能化和信息传 输高速化等特点，建立了“三平台一系统”的智能采矿 架构模型。 2） 以三宁矿业挑水河磷矿智能采矿建设为例，分 析了矿山智能采矿的构建及其主要特征。 三宁矿业根 据挑水河磷矿扁平结构的特点，在建立的三维数字矿 床模型基础上，引进了低矮式的智能化采掘设备，实现 了机械化精准生产。 以虚拟现实系统和生产管控系统， 初步构建了矿山生产过程的智能管控平台；双网络传输 系统保证了信息的高速通道和实时传输。 就目前发展 阶段来看，还需要加大基础信息数据的实时更新，将硬 件购置与软件开发相融合，进一步提高设备的利用率。 3） 在建立挑水河磷矿智能采矿的基础上，需要结 合协同开采的理论，综合考虑矿山采空区范围、矿体地 质条件、设备生产能力、充填材料性能，设计新的采矿 工艺，将智能采矿的优势充分发挥出来，实现智能采矿 建设中的多学科交叉融合。 参考文献 [1] 文 兴. 基律纳铁矿智能采矿技术考察报告[J]. 采矿技术， 2014，14（1）4-6. 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