地下矿山智能操控技术与绿色矿山建设

地下矿山智能操控技术

与绿色矿山建设西安建筑科技大学2012.12.14

主要内容一、国内外矿山现状二、智能化及绿色矿山建设三、取得的主要成果四、发展目标一、国内外矿山现状1、我国矿山开采现状

①随着社会的发展，人类对各类矿产资源的需求越来越大，而矿产资源是不可再生的资源，目前我国矿产资源总回收率在35%左右，比国外先进水平低10%至20%。②矿山企业的能源、原材料单耗比国外先进水平高30%以上。

③

每年产生的可利用而未被利用的工业固体废弃物资源价值已超过250亿元。浪费大，利用率低、污染严重等问题已经成为矿山发展的瓶颈。

④过去10年我国能源消费量对比<1>平均增长118%；<2>粗钢消费量增长300%；<3>铜消费量增长394%。

⑤据国土资源部统计，全国11.3万座矿山中，采空区面积约为134.9万公顷，占矿区面积的26%。近些年来，采矿引发的矿山次生地质灾害累计12366起，直接造成的经济损失166.3亿元.⑥全国铁矿企业3111家，平均规模42.6万t/年。其中大中型矿山445家，平均规模160万t/年；小型矿山2666家，平均规模23万t/年。2、智能化及绿色矿山建设情况

“十二五”规划提出了技术创新、节能减排是建设环境友好型社会的必经之路，明确了转变经济发展方式。

目标是力争在1～3年完成一批试点矿山建设，2020年基本形成全国绿色矿山格局。

2011年3月19日，国土资源部发布《关于首批国家级绿色矿山试点单位名单公告》（2011年第14号）。按照《国土资源部关于贯彻落实全国矿产资源规划发展绿色矿业建设绿色矿山工作的指导意见》（国土资发〔2010〕119号）文件要求，经矿山企业自愿申请、协会推荐、专家评估及社会公示，确定同煤大唐塔山煤矿等37家单位为首批国家级绿色矿山试点单位。随之在国内掀起了绿色矿山建设热潮。

实例：以“南京栖霞山锌阳矿业有限公司铅锌废水综合利用可行性研究”项目为例，南京栖霞山锌阳矿业有限公司地处我国的母亲河——长江江畔，紧挨着金陵名胜栖霞山风景区，矿山开采过程中产生的废水对环境影响大、处理的难度较大。这对技术创新提出了更高的要求。承接该项目的中钢集团马鞍山矿山研究对此进行了大量实验研究，提出了规模为14000t/d铅锌废水综合利用方案。通过研究表明：选矿、采矿生产废水处理采用先分质回用，其余的生产废水集中处理和回用的综合处理工艺，在正常情况下，废水处理后全部回用于生产及其他用水，实现废水零排放。在智能矿山建设方面：智能数字矿山，是信息技术在矿山应用的集中表现，以计算机及其网络手段，把矿山三维空间和有属性数据实现数字化存储、传输、表达和加工，建立全方位生产管理系统。

优化矿山生产，提高采矿工艺环节中高科技比重，应用自控技术、电子信息技术、网络技术，从整体上提高设备技术效能，提高生产过程中综合自动化水平，提高生产信息化程度，实现控制智能化，连续生产过程自动化，管理信息化和系统化。实例：加拿大国际镍公司（INC）最近所展示的通过地下光纤控制系统，从多伦多的地面控制站对位于400km以外的萨德伯里矿山中位于不同中段的多台铲运机进行遥控。在地下软岩采矿中，由于其岩体较金属矿软得多，可用机械进行挖掘，故可采用连续作业系统。机械化作业使这些矿山可以更加容易地实现全自动化控制。实例：基律纳铁矿作为世界上机械化、自动化程度最高，生产规模最大的黑色地下矿山企业，有员工1750人，其中井下500人，每年采矿达2300万吨，一个操作人员可在遥控室操作3台铲运机出矿，矿石成本仅为29.55美分/吨度。井下矿石运输自动化与遥控已投入使用。主运输水平采用无人驾驶列车,由一套电子计算机系统控制。电子计算系统和机车之间的控制信号是由一台无线电装置传递。到现在，在基律纳铁矿已经建成了四个主运输水平，即275米、320米、420米和540米均采用无人驾驶列车。国内企业在国内，集成创新的杏山铁矿地下采矿自动化控制系统，全面实现了地下采矿提升、破碎、通风、排水、供电、轨道运输、斜坡道信号等环节地面远程控制。工作人员可以通过自动化控制系统和视频监控系统，实时掌握矿井下重点部位的设备运行状况，各种车辆的移动位置、矿石开采的现场环境都能看得清清楚楚。通过实时数据传输系统，还可以直观清晰地了解到地下每一个作业面的人员情况，包括人员信息、方位确定、作业时间等内容。国内企业在发生险情时可以快速确认人员所在位置，并在统一指挥下迅速升井逃生。系统以其整体稳定性、安全性和各子系统的出色表现，把首钢矿山地下采矿自动化、信息化水平一举推进到国内同行业领先水平。二、中钢富全矿业的

智能操控技术及绿色矿山建设

富全矿位于山东省济宁市，矿山地质储量5548万吨，矿石全铁品位25.43%，磁性铁品位16.6%，设计生产能力100万吨。

破碎系统采用“三段一闭路”的工艺流程，磨矿采用三段磨矿流程，三段磨机均与旋流器闭路。最终磨矿细度-325目占90％，为低品位难选矿石。

矿床采用竖井开拓方式，设计有主井、副井、设备材料井和风井4条，构成矿山对角式通风系统。划分-120m、-220m和-320m三个中段，其中，-120中段为回风中段。中钢富全矿实现智能化的总思路主要生产体系、安全控制与预警技术等内容智能化体系的创建。资源循环利用系统和生态保护体系的研发。目的：充分利用有限的资源，建设资源节约型、环境友好型的新型矿山。为此，富全矿业推行矿山节能、能源综合利用及智能型矿山建设是减低生产和管理成本的必由之路，也是企业能否生存下去的关键问题。（一）中钢富全矿业工艺流程图1.提升智能化集中控制系统（二）采取的主要手段系统由三大网络组成:

现场级总线网络

管理级工业以太网

视频监控系统网络规划与扩容。提升机现场智能化控制与故障诊断系统。管理级的提升机集中控制系统。视频监控系统等内容。主要内容包括：

主要采用“集中监测、分散控制”的典型控制模式，将整个设备的控制系统分为4个层次，即设备层、控制层和管理层及辅助的视频监控层。新老电控的无缝对接

制动闸系统智能检测

智能数字监控器操罐设备联锁控制提升机高度自校正液压站和润滑站

新型总线信号系统操作跟罐操作模式集中远程控制与管理故障诊断专家系统运行状态统计与分析

技术要点通过必要的硬件体系的改造，开发了相应的接口软件体系，修改原有系统的控制程序等，将新老电控有机的结合在一起，数据共享，实现了新老电控的无缝对接。由此既保证了原系统的完整性、安全保护、操作控制等完善部分，又为集中控制和完善保护等方面的进一步完善奠定了基础。

1.1

新老电控的无缝对接对现场四个闸盘安装了高精度检测传感器，针对闸盘间隙、磨损、偏摆、以及弹簧疲劳、闸盘温度、闸盘压力、闸盘动作是否正常等信号实时进行检测和精确监控。维护人员可以直观的观测到任何一组闸盘出现不正常或有故障的现象，为维修人员预警，并提供准确的故障点。

1.2

制动闸系统智能检测

1.3

智能数字监控器研制了智能型数字监控器，采用了专家智能控制方式，数字监控器开始运行时，提升机只要按实际情况运行一个行程，数字监控器就可自动记录下提升机相关的运行参数，并保存在数据库中。以后提升机每次运行时，专家控制系统自动根据数据库中的有关数据进行判断、推理，并根据提升机规范和提升机所在的实际位置选取适当的误差范围，作为保护动作的依据，从而既保障了安全性，也避免了各种干扰所产生的误动作。1.4

主控计算机、信号系统与井口操车设备

的联锁控制

原提升机电控系统的主控计算机（PLC）、信号系统及井口操车设备是三个独立部分，技术上不能协作联锁，容易造成误动作，存在安全隐患。

通过技术革新将这三部分按照工艺要求构建了联锁控制，提高了工作效率，从技术上限制了误动作，消除了安全隐患。在提升机的运行过程中，因为钢丝绳受长期荷载作用及滚筒摩擦等因素的影响，会产生蠕动变形，造成提升机控制系统的控制精度不准确。开发了能够有效检测滚筒直径和井筒深度值的自校正软件系统。通过在井筒中设置同步开关，实现对井筒深度值的自动纠偏，保证系统运行过程中在减速点位置之前深度值的自动校正，保证在每一次运行深度数据的精确性。同时，当衬垫磨损达到一定程度时，系统能够给出提示警告，使维护人员及时更换。1.5

提升机高度自校正1.6

提升机液压站监控

本项目通过给液压站增设压力、温度等检测设备，实时监视液压站的工作状态，并开发了控制软件系统，完善了液压站的可靠性。1.7

增设了新型总线信号系统

增设了新型总线信号系统，并组合在现场总线中。每个水平的信号台是一个远程分站，水平信号工的操作信号经由总线和井口主控PLC交换信息，并现场总线联网，由此可以避免信号的误传率，提高了可靠性。1.8

实现了一个信号工多水平跟罐式操作模式

通过在罐口增设控制设备，开发了相应的软件系统，实现了信号工跟罐操作模式，由此一个信号工可以完成多水平操作，提高了劳动效率。1.9

多台提升机智能化集中远程控制与管理

通过现场总线和工业以太网，在集控室构建了多台提升机智能化集中管理、远程控制。集控室实现了单人操作多套提升机的工作模式。1.10

研发了故障诊断专家系统

研发了第一故障判断和系统故障预警分析系统，实现了故障信号的实时检测与显示；历史故障记录与查询；对故障原因实时进行分析并提供最佳解决方案。1.11

开发了设备点检、设备运行状态统计与分

析

、产量统计上报等系统。

通过上述研发，矿山提升系统实现了智能化操控、检测、分析和预警体系。

泵站采用DCAP-5000系列综合自动化及PLC自动控制系统，该系统能保证在无人值班的条件下安全可靠运行。

系统设置站控级（上位机系统）、间隔级控制和保护装置/泵组LCU屏2层。

间隔级控制层将采集和处理后的数据信号通过高速以太网传输到站级控制层，在站控层融为一体。各间隔级装置相互独立，互相不影响，功能不依赖于主控室，增强整个系统的可靠性和适用性。2.泵房无人操控系统的创建系统在上位机出现故障或通信网络出现故障时，各间隔级保护功能不受影响；系统在某一间隔级装置出现故障时，其它间隔级保护功能不受影响。该系统基于微机开放式设计，可以和任意第三方智能化设备及上级调度管理网对接，实现了综合自动化。上述研究实现了遥测、遥控、遥调及所有智能控制功能。

3.智能通风体系的创建

井下通风采用单翼抽出式通风方式，风机自动化监控系统在各采场分别安装了风压传感器及风速传感器，可以精确测量各点的风速及风压，实时监控各分段的通风情况，实现了通风运行工况的实时调控与预警。监控系统方案布置图

4.尾矿充填智能控制系统

系统单元的构建：综合自动化控制平台系统设备集中顺序启停系统砂仓和水泥仓的监控与预警系统自动配料充填控制系统多媒体监控系统

（1）尾矿充填智能控制平台系统

结构体系单元的创建：设备网、控制网、信息网实现功能体系：实现现场生产过程的视频显示、操作指令下达、报警显示、历史记录、报表分析、数据存储等功能，整个系统自动化、可靠、易维护、易扩展。（2）设备集中顺序启停系统

<1>流程设备的选择界面

<2>流程的启动功能<3>流程的停止功能<4>系统对生产过程的操控与保护（3）砂仓、水泥仓的监控与预警系统

实现仓位精确测量和预警

（4）自动配料造浆控制系统将尾砂与水泥按照实际的工艺要求进行配比，通过尾砂给料系统控制矿浆流量，使来料按照设定的比例均匀的流入搅拌桶中。（5）多媒体监控系统的创建

监控系统是一个综合性的监控平台，实现对监控系统里的所有设备的监控管理，同时可以定制相关功能模块。监控系统由三个部分组成：前端图像采集图像及控制信号传输图像显示与存储。各个子系统实现了自动操控、自动检测和预警体系进料流程：（1）尾砂仓进料控制（2）

水泥仓进料监控料浆制备流程：（1）

充填自动配料控制（2）尾砂造浆风量及造浆水量控制（3）全尾砂浆给料计量检测及调节（4）水泥给料量检测及调节（5）供水计量检测及调节（6）灰砂比控制（7）放砂管冲洗水控制（8）

尾矿输送流程（9）

充填料浆浓度、流量检测与控制（10）充填管冲洗水控制5.选矿厂无人操控体系的创建

破碎智能专家系统磨机状态模糊控制系统磨矿分级自适应模糊控制器排尾过程自动控制系统磁选过滤与供水过程自动控制系统磨选全流程控制系统企业生产信息管理系统

（1）破碎智能专家系统

<1>破碎系统运行状态的集中显示、起停联锁控制<2>给料控制与安全监控

<3>除尘自动控制<4>矿仓布料控制及物料平衡控制（2）磨机状态模糊控制系统

<1>磨机状态与矿石性质的智能分析

<2>一段磨机的优化给矿控制

<3>二、三段磨机分级的优化控制

（3）磨矿分级自适应模糊控制器<1>建立磨机装球、磨矿排矿浓度、旋流器溢流粒度的预估模型<2>实现旋流器溢流粒度的优化控制及磨矿系统的负荷平衡控制（4）

排尾过程自动控制系统

实现尾矿渣浆泵变频调节、液位状态的显示、监控和报警功能。（5）磁选过滤与供水过程自动控制系统

实现供水离心泵的变频调节，供水主管流量状态的显示、监控和报警、恒压供水的控制功能（6）磨选全流程控制系统（7）企业生产信息管理系统<1>通过设备监测与设备安全管理，达到保障设备安全、减少故障停车时间，提高设备作业率。<2>通过对能耗、物耗的管理及生产成本的监控，达到强化管理、节能降耗、降低成本的目的。<3>针对生产过程中各子系统生产技术指标实现了统计分析和报表自动生成。通过人机界面，将分散的过程信息集中起来，实现信息处理和操作集中化，完成系统监视和控制功能。工艺参数趋势曲线显示、历史数据分析；报警显示、事故记录；现场设备远程诊断、远程维护；产量显示、历史记录；远程启停设备；工艺流程运行状态分析。监控系统组网图6.地下水资源综循环利用系统的创建（1）矿井地下水资源综合利用体系的创建

将井下涌水和水井补充水输送到水源热泵系统，作为一次能源开发利用。

水源热泵系统提取水中的能量用于企业员工办公、生活设施的采暖和制冷。（2）污水处理系统的创建

矿山将整个厂区的生活污水进行净化处理，处理后的可直接用于生产，每小时处理水量为300m3。供水系统图7.设备余热利用系统的开发

富全矿生产用风采用地表空压机站集中供风形式，共安装螺杆式空压机6台。

空压机运行时散发的热量使空压机房内持续高温，而且温升快，2台空压机运转10分钟室内温度就能达到50℃左右。非常不利于设备运行，需要采取散热措施。

副井井口冬季结冰，为防冰块坠落危及人身安全，需要在井口采取预热措施。

副井设计进风量为105.75m3/s，冬季室外平均温度-7℃（历年极限最低温度-18.1℃），为杜绝井口结冰，要求副井进风温度高于2℃。因空压机散发的热能被排至室外造成能源的浪费。为合理利用余热能源，将设备散热输送至副井井口，解决井口结冰问题。实践应用证明，在环境温度达到-14℃时，井口温度仍能保持在6℃以上。8.矿山人员跟踪定位管理系统的构建（1）现代管理的需求

富全矿共有-120、-220、-320三个工作水平，井下作业人员600余名。

如何防止人员进入危险区域、及时掌握井下作业人员变化、动态分布；提高矿山安全管理水平的重要途径和发展方向。（1）井下人员跟踪定位系统功能的开发

根据国家安全生产行业标准AQ6210-2007；支持GIS的地图模式查询；系统地考虑了多个出入井口的情况；支持人员历史记录查询；支持轨迹回放（轨迹显示持卡人实际行走路线）；支持模糊查询、精确查询；与硬件配合，支持危险区域人员误入的自动报警等功能。<1>系统具有模拟动画显示功能，地图可以放大缩小、拖动，操作简单。<2>显示井下作业人员总数及人员、重点区域人员总数及人员、超时报警人员总数及人员，超员报警总数及人员，限制区域报警人员总数及人员、特种作业人员工作异常报警总数及人员等，显示轨迹符合GIS模式。

（3）显示巷道布置模拟图、人员位置及姓名、超时报警、超员报警、进入限制区域报警、特种作业人员工作异常报警等；具有漫游、总图加局部放大、分页显示等方式。

（4）地图分层次显示，包括巷道图层、设备图层、重点区域图层、识别区域图层、人员位置图层，各图层可选择不同叠加显示。

（5）地图具有鹰眼组件，指示当前可见区域在总图中的位置，可通过鹰眼组件拖动可见区域。

通过井下以太环网接入示意图

9.远程移动管理系统（e矿山）的创建（1）矿山管理信息概况

将富全矿原有的生产运行和安全、综合监控、预警管理系统与数字矿山移动管理系统进行了耦合，企业管理人员能够通过移动终端（手机）随时随地的接入系统，及时了解矿井生产状况和安全状况，并利用移动信息化平台进行各种决策。

使原有的只能在PC和局域网中使用的功能和数据扩展到移动网络和手机等移动终端设备，以短信等方式为媒介进行信息收发的双向传递和交互式传递。

系统架构图如图9.1.2-1所示。图9.1.2-1系统架构图

（2）e矿山系统功能<1>数据查询：将现有生产系统中安全监测数据、设备运行数据；<2>报表发送：将矿方的安全生产日报和调度日报，每天定时发送给相关人员；<3>人员定位：将现有系统中的人员定位延伸至手机端查询；<4>产量统计：将现有产量统计系统延伸至手机

端查询；<5>视频监控：将现有视频监控画面及运行参数延伸至手机端查看；<6>安全信息报警：将超出权限的安全监测等数据及时向相关人员发送；主要技术功能如表9.1.3-1所示。图9.1.3-1

监控系统组网图集控室照片

三、取得的主要成果1、研究并开发了全套智能化矿井提升控制系统，实现了人机交互实时远程提升机运行状态的监控；同时创建了在线安全故障监控与诊断系统，确保提升系统安全运行。2、创建了泵房综合智能化系统，实现了无人值守与智能化监控、遥控操作体系，确保了井下排水运行安全。3、创建了风机智能化监控与预警系统，可以精确测量各点的风速和风压，实现了通风运行工况的实时预警与调控。4、创建了尾矿充填智能控制系统，主要内容包括网络控制系统及系统控制软件的开发等。5、创建了选矿厂的全流程智能控制系统，实现了整个工艺过程的监控、调整、预警、故障保护、监控数据统计分析与自动调整的功能。6、构建了e矿山管理系统和人员跟踪定位系统，管理人员可以通过移动终端（手机）随时掌握矿井的生产状况和安全状况，并进行相应的决策，增强了矿井管理水平及灾害发生时井下作业人员的快速反应能力。7、开发了矿山网络控制系统、视频画面的全局监控及多标准接口软件系统，实现了数据统一远程监控与管理体系。8、构建了地下矿山资源循环利用的绿色体系

充分利用矿井地下水源丰富的特点，开发了矿山水源热泵及污水处理系统，实现了资源循环利用的目的。

开发了空压机运行状态下散发的热量回收利用体系，解决了井口预热问题，同时又减少能源浪费。

地下开采充填体系的建设，减少采矿对地表及水文地质条件的破坏，从而减小或避免了地下矿山开采对生态环境的破坏和影响，达到绿色和谐的目的。

地下矿山智能操控、监测与预警体系的创建，提高了回收率和劳动生产率，减少了作业人员，从而使伤亡率、有毒有害气体、放射性污染及粉尘等职业危害降低，有效保障了作业人员的安全与健康；实现了地下矿产资源开发过程中的环境友好、绿色无污染、低能耗、循环经济的目标。9、取得了可观的经济与社会效益（1）通过提升系统智能化集控的实现，在更加保证了系统运行的安全性的基础上，主井提升由完成一个提升循环需时4分15秒降低至3分15秒，每年可增产40.8万t；主井提升司机8人、装矿工4人、卸矿工4人全部取消；副井减少两个提升水平信号工8人、提升司机8人、推车工8人，共计40人。（2）泵房无人操控的实现；使得矿山出现特殊情况时,实现无人操控自动排水，同时可减少水泵工8人、变电工8人，共计16人。（3）通风智能集控的实现；可使管理人员实时掌控巷道内的风流情况，并且系统可根据井下风量需求随时自动调节风机转速，达到节能目的，年约可节约电费200万元，减少岗位操作人员8人。

（4）充填系统智能集控的实现;使系统充填更加顺畅,减少了人为的事故因素。同时使原配置岗位操作人员24人减少至8人，减少了16人，原设计充填量50-70m3/h提升至最大100m3/h。（5）选矿厂无人操控体系的实现；使供矿系统处理量由原设计能力的180T/h提升至260Th（可节约动力费用570