金属矿山数字化漫谈-北京科技大学_胡乃联教授.ppt

1、,金属矿山数字化漫谈,胡 乃 联 北京科技大学,报告内容,1.数字矿山（DM）简介,2.国外矿山数字化概况,3.瑞典基律纳铁矿简介,5.矿山数字化的几点思考,4.我国矿山的数字化问题,数字矿山（Digital Mine，DM）是数字地球（Digital Earth，DE）的理念、原理及技术在矿山领域中的具体应用和延伸。 数字矿山的开发和应用既有与数字地球相似的地方，又有其本身的特点，所以研究数字矿山首先要理解数字地球。,1.数字矿山简介-概念,美国副总统戈尔于1998年最先提出“数字地球”的概念。 从本质上说，“数字地球”不是一个孤立的项目，而是一项整体性的、导向性的国家战略目标。 “数字地球

2、”包括3个重要的组成部分：信息的获取、信息的处理、信息的应用。,1.数字矿山简介-概念,数字地球的构想 戈尔在数字地球：二十一世纪认识地球的方式中，以一种科幻的方式将数字地球表述为： 设想一个小孩来到数字地球陈列室，当她戴上“头盔显示器”，她将看到就象是出现在空中的地球。 使用“数据手套”，她开始放大景物，伴随越来越高的分辨率，她会看到大洲，随之是区域、国家、城市、最后是房屋、树木以及其它各种自然和人造物体。,1.数字矿山简介-概念,在发现自己特别感兴趣的某地块时，她可乘上“魔毯”，即地面三维图像显示去深入查看。 使用“声音识别装置”，小孩还可以询问有关土地覆盖、植物和动物种类的分布、实时的气

3、候、道路、等方面的信息。 她不仅可以跨越不同的空间，也可以在时间线上奔驰。为了去参观卢浮宫，她先在巴黎作了一番虚拟旅游之后，她可以回到过去，了解法国历史。这条时间线可伸回很远，从数日、数年、数世纪甚至到地质 纪元，去了解恐龙的情况。,1.数字矿山简介-概念,“显然，这不是一个政府机构，一个产业或一个研究单位能担负起的事业” 。这就使得数字地球这一目标的实现成为一种政府行为，一种综合国力的竞争，一种发展机遇的争夺战。 从本质上说，“数字地球”不是一个孤立的项目，而是一项整体性的、导向性的国家战略目标。,1.数字矿山简介-概念,“显然，这不是一个政府机构，一个产业或一个研究单位能担负起的事业” 。

4、这就使得数字地球这一目标的实现成为一种政府行为，一种综合国力的竞争，一种发展机遇的争夺战。 从本质上说，“数字地球”不是一个孤立的项目，而是一项整体性的、导向性的国家战略目标。,1.数字矿山简介-概念,数字矿山是数字地球理念及技术在矿山勘探、开发及矿山管理中的具体应用，是一种未来矿山的崭新体系。 学术界对数字矿山给予很大期望，数字矿山被赋予了神圣的使命：“构建数字矿山，以信息化、自动化和智能化带动采矿业的改造与发展，开创安全、高效、绿色和可持续的矿业发展新模式，是中国矿业生存与发展的必由之路”。,1.数字矿山简介-概念,1.数字矿山简介-概念,综合矿业发达国家矿山信息化建设不同的战略设想，以及

5、不同学者对数字矿山概念的表达，对数字矿山的概念可以表述为几个不同的层次： 矿山数字化信息系统 远程遥控和自动化采矿,1.数字矿山简介-内涵,在矿业发达国家矿山，信息技术的应用已相当普及。二十世纪后20年，这些国家信息化的重点已经转移到地下矿山生产过程自动化，实现远程遥控和自动化操作方面。其主要是因为： (1) 提高劳动生产率，降低成本的需要； (2)开采贫矿和深部矿床的需要； (3)改善矿工安全和健康状况的需要。,1.数字矿山简介-特征,(1) 矿山作为劳动对象不断变化的生产企业，必须全面采用现代信息技术，实现矿山勘测、规划、设计数字化，技术与生产过程数字化，经营管理与决策过程数字化，最终体现

6、为矿山的高度信息化、自动化、智能化。,只有这样，才能真正做到高效、安全、低成本生产，并且使矿产资源开发与生态、环境保护相协调。,1.数字矿山简介-特征,(2) 构建数字矿山的最大技术难点在于其作业对象的不确定性，很难进行精确的量测与控制。,矿床开采是一个复杂、多变、信息隐蔽、难以预测的巨型系统，因此，从信息采集、传输、处理、集成、显示到应用于生产过程，涉及领域非常广泛，需要多学科交叉、创新、积累。,1.数字矿山简介-特征,(3)构建数字矿山，将彻底改变现有的矿山生产工艺，也将更有利于深部开采和贫矿开采。,数字矿山是矿业发展的目标和方向，而不是一项具体的工程。,1.数字矿山简介-理论基础,数字矿

7、山建设的理论基础 系统工程学和信息工程学； 数字地质学及岩石力学理论； 现代采矿学； 机械工程学、机器人与自动化理论； 无线电通信理论、空间信息理论； 自动定位与导航理论; 检测监控理论; 工程管理科学、运筹学与控制论。,报告内容,1.数字矿山（DM）简介,2.国外矿山数字化概况,3.瑞典基律纳铁矿简介,5.矿山数字化的几点思考,4.我国矿山的数字化问题,2.国外矿山数字化概况,矿业发达国家的矿山数字化主要从开采过程的自动化、智能化入手，以求最大限度的改善矿工的劳动条件，提高采矿效率。 数字化技术在凿岩、装药爆破、撬毛支护、装载运输等作业均有成功的应用。,2.国外矿山数字化概况,2.1 凿岩作

8、业 开始是从井下硐室或工作间控制台车工作。现在，从地面遥控的自动化凿岩已经实现，并且在试验矿山生产中得到应用。 可以连续自动完成掘进工作面一个循环的炮孔或深孔采矿工作面一排扇形炮孔的凿岩。 凿岩精度得到提高，工时利用显著增加，操作人员大幅减少。 但设备移动就位和维修仍需工人下井直接干预。,2.国外矿山数字化概况,2.2 装药和爆破 加拿大的Inco公司预定研制电子雷管起爆系统与可重复泵送、可变密度、可变能量的散状乳化炸药装药系统。根据凿岩时提供的岩石性质数据，能在不同炮孔装填不同密度、不同装药结构的炸药。这一项目遇到不少困难，但研究工作仍在接续进行。 芬兰的智能矿山计划也有类似的设想，但尚未见

9、实质性报道。,2.国外矿山数字化概况,2.3 撬毛和支护 撬毛和支护虽然也是危险性较大的作业，但有关这些作业自动化的信息报道很少。 美国俄亥俄州的 Master Buildes Inc.在研制一种砼自动化喷射衬砌设备； 芬兰智能矿山计划中有喷射混凝土作业自动化的设想，但未见实质性报道 。,2.国外矿山数字化概况,2.4 装载和运输 LHD自动化发展较快，应用也较为广泛，可分为三个阶段： 第一阶段，铲斗装卸载须从地面遥控操作，从工作面到矿石溜井的运行为自动化； 第二阶段，除铲斗装载地面遥控操作外，其它操作为自动化模式； 第三阶段，全自动化操作，该设备由卡特皮勒在澳大利亚的子公司研制成功，称为“灵

10、巧的装载机”，已经进入商业化阶段。,2.国外矿山数字化概况,自动控制出矿,2.国外矿山数字化概况,2.4 装载和运输 井下机车运输自动化技术已经非常成熟并被广泛应用； 与LHD相比，对地下卡车自动化的关注较少，加拿大即将完成50吨无线导向的电动卡车（Kiruna K-1050）项目。,2.国外矿山数字化概况,2.5 井下通讯和导航 井下矿山无线电通信技术已经相当普及，如漏泄同轴电缆、Wi-Fi技术、ZigBee技术等； 自动定位和导航系统基本上是移植军事部门的技术，处在继续完善之中。,2.国外矿山数字化概况,2.6 国外矿山数字化发展趋势 目标：整体矿山实现远程遥控和自动化采矿。 虽然最近十多

11、年在单项作业方面取得了很大进展，但目前所达到的水平仍处在婴幼期。 一些单项作业还有需要克服的技术障碍； 自动化设备的维修还要依靠工人下井； 实现自动化采矿需要较大的投资。,2.国外矿山数字化概况,2.6 国外矿山数字化发展趋势 许多矿山面临开采深度增加、开采条件恶化、矿石品位降低和环保标准提高等困境，而远程遥控和自动化采矿技术对摆脱这种困境能发挥重要作用； 所以在今后25到30年，这些技术必将逐步发展成熟，并会将矿业带入一个全新的领域。,报告内容,1.数字矿山（DM）简介,2.国外矿山数字化概况,3.瑞典基律纳铁矿简介,5.矿山数字化的几点思考,4.我国矿山的数字化问题,3.瑞典基律纳铁矿简介

12、,基律纳是瑞典北方的最大城市，也是瑞典的主要旅游城市。位于北极圈以北145千米，(北纬67.8度)，人口不足5万人。 “基律纳”是拉普语，意谓“北极松鸡”。早年这里曾是拉普人放鹿的荒山野岭。19世纪30年代在基律瓦拉山发现蕴量丰富的铁矿，但直到1899年铁路通车、铁矿加以开采，这里才迅速发展起来。,3.瑞典基律纳铁矿简介,LKAB 所属基律纳铁矿床是火山喷发沉积形成的，矿体赋于角斑岩（下盘）与石英角斑岩（上盘）之间，大致呈板状，走向近南北，矿体走向长大约4000m，矿体倾向东，倾角50-60 度，矿体水平厚20-200m，平均厚80m，延伸2000m。主要铁矿物是磁铁矿，少量为赤铁矿，铁矿石储

13、量约18亿吨。 基律纳铁矿矿石围岩都很稳定，井巷工程一般不需支护。,3.瑞典基律纳铁矿简介,基律纳已经累计生产了超过10 亿吨铁矿石，275、320、420、540、775米水平都是回采结束的主运输水平，当前的生产水平是1045米中段，建设时的代号为KUJ2000 。建设中的新水平为1365米，工程代号为KUJ1365。 Kiruna铁矿KUJ2000计划的设计规模为2600万吨/年，前几年基本维持在2400万吨，08年达到了破纪录的2750万吨。,3.瑞典基律纳铁矿简介,基律纳铁矿开拓系统示意图,3.瑞典基律纳铁矿简介,3.瑞典基律纳铁矿简介,775水平开拓方法 采用竖井和斜坡道联合开拓，矿

14、石和废石用竖井箕斗提升，人员、设备、材料则用各种无轨车辆从斜坡道运输。 775米上部有10条箕斗井。8条采用40吨单箕斗多绳摩擦轮提升，两条采用25吨双箕斗多绳摩擦轮提升。竖井提升总高度802米，运行速度17米/秒。 主斜坡道进硐口标高230米，近硐口段单车道、双巷，然后为双车道。双车道断面尺寸85米。,3.瑞典基律纳铁矿简介,通风系统采用压入吸出混合通风方式。 基律纳铁矿位于北极圈内，气候寒冷，每年有7个月需要预热，在此期间室外平均温度为-8，预热是按室外温度-20 考虑的，如果气温在-20 以下，就要减少通风量，防止零度以下的空气进入井下。 排水：775m水平采用3段排水，排水是自动化的，

15、在地面进行控制。 775水平于2001年开采结束。,3.瑞典基律纳铁矿简介,基律纳电动卡车井下运行图,3.瑞典基律纳铁矿简介,KUJ2000计划，由775水平下降到1045水平，采矿能力由1830万吨提高到2600万吨。 1045m水平矿石储量为3.3亿吨，分成10个生产采区（Production section），每个采区4个生产矿块（Production block），每个矿块设计矿量800万吨。 在矿体下盘开凿5条新的斜坡道到达10个采区。 提升采用4条盲竖井，分别是3条24吨双箕斗和1条30吨双箕斗。,3.瑞典基律纳铁矿简介,分段高度，第一阶段为28.5m，随后使用30m的分段高度。

16、进路断面6.5米5米，掘进采用Boomer185凿岩台车，深孔掏槽，中间有6个炮孔不装药，孔径64mm。 增加分段高度，就要增大钻孔深度和提高凿岩精度最大深度将达55m，只能有微小的偏斜。凿岩使用装备了新型Wassara水力潜孔冲击器的钻机。,3.瑞典基律纳铁矿简介,该钻机工作环境好、无油雾。与液压凿岩机比，其钻杆费用低，钻孔直径可达115mm。且这种钻机凿岩速度快、钻孔偏斜小。 该钻机开始由G-Drill公司和LKAB公司联合研制，现在由Sadvik凿岩工具股份有限公司负责在世界范围内推广。 凿岩采用全自动的模式，可以连续工作8小时不用人工干预，只有在台车移动（3米）的时候，需要矿工来到工作

17、区进行操作。操作员在控制室仅需要监控一下参数反馈，有无异常报警即可。,3.瑞典基律纳铁矿简介,生产出矿采用Toro2500ES（铲斗容积25t）铲运机。 Kiruna在遥控铲运机方面做了大量的试验，已经实现了一个人控制3-4台铲运机，控制完全在远程控制中心进行，工人的工作环境得到了大大改善，并且设备利用率大大提升。 但是也有一个很重要的因素需要考虑，就是运行成本很难降低。,3.瑞典基律纳铁矿简介,Kiruna铁矿铲运机遥控出矿经历了多年曲折的实验。 一开始铲运机采用视距外远程作业，即操作员用一台配带于胸部的控制装置控制铲运机进行装载。装载完成后，遥控将铲运机从矿堆移出。操作员再回到驾驶室，手动

18、将铲运机开往卸载点。卸载完成，操作员再把它开回到刚才的装载点。 这样做尽管达到了操作员不进入危险区域的目的，但在不遵守安全程序时，还是会发生事故。,3.瑞典基律纳铁矿简介,1986年开始进行自动铲运机的测试，总共分了两个阶段，最初装备了一台Toro 501E铲运机，在巷道中安装了电子导航线，铲运机装载完成后，控制器自动导航控制铲运机运行至卸载点卸载。 试验表明导航效过比较理想，但是受导引系统限制，速度提升困难。 后来探索采用斗容25t的TORO 2500E提升单台设备能力去提升运输能力。,3.瑞典基律纳铁矿简介,1995年安装了改进的装载电控系统，开发了防止铲运机互相碰撞的交通控制系统和导航系

19、统。 后来又使用激光雷达探测墙壁的距离和铲运机在巷道中的准确位置，并通过数据库给铲运机提供空间信息，发出移动指令：向左、向右、前进、后退、稳定速度、加速或刹车，这些技术的采用保证了在一个分段顺利实现三台铲运机的同时运行。,3.瑞典基律纳铁矿简介,尽管自动化铲运机有很大的优势，如不怕炮烟、不用休息、连续工作等。 但有许多不利因素，自动化区域运行的铲运机需要更光滑的巷道底板和大量的辅助装备，所以成本要高于人工操作采场，并且需要在自动区域设置红外探测器和安全门防止人员闯入。,3.瑞典基律纳铁矿简介,在提升运输方面，早在1970年，其主运输水平的机车运输就实现了从坑内控制室遥控装载和无人驾驶自动运行与

20、卸载。1045水平是第三个自动化无人列车和远程控制中心集中遥控装、卸载的运输系统。 1045米中段共有7列轨道机车，每列24节，载重量500吨。所有列车均在地表进行控制。 机车上有新型的在线品位测定仪，能将每列车的品位信息传到控制中心计算机，自动完成配矿和机车调配。 提升系统早在1995年就已经实现了全自动运行。,3.瑞典基律纳铁矿简介,Kiruna铁矿08年产铁矿石2750万吨，员工大约1800人，其中有400人从事井下工作，主要从事掘进、凿岩、出矿及维修。其他人员为选矿、球团等地表人员。 由于井下作业，如凿岩、部分自动化铲运机、运输、提升系统等基本实现了遥控和无人驾驶，人员逐步向维护和地表

21、发展。 按照年产2750万吨铁矿石，400人计算，人均劳动生产率6.875万吨/年，居世界前列。,3.瑞典基律纳铁矿简介,在数字化、自动化方面，国外代表性的矿山还有： 加拿大国际镍公司（Inco） 发展远程遥控和自动化采矿技术的先行者 1982年，将铜崖北矿确定为试验矿山； 1994年，和 Sadvik Tamrock公司一起在斯托比矿实施从地表控制的凿岩自动化试验计划； 1996年， 和Sadvik Tamrock公司、诺贝尔公司和加拿大矿物与能源技术中心组成联合体，实施为期5年的采矿自动化计划（MAP），在铜崖北矿175矿体进行试验。 到2000年底，除遥控装药技术外，MAP的技术目标均已

22、达到。,3.瑞典基律纳铁矿简介,澳大利亚奥林匹克坝铜铀矿世界上最大的充填法矿山 奥林匹克坝铜铀矿是BHP Billiton全资子公司。 矿区内探明矿石储量20亿吨，平均含铀0.051，铜1.6，金0.68g/t。由此计算矿床的金属储量分别是：铀100万吨，铜3200万吨，金1200吨，该矿床是一个铜- 铀 - 金 - 铁 - 稀土元素综合矿床。,3.瑞典基律纳铁矿简介,智利特尼恩特（El Teniente）铜矿，又译埃尔特尼恩特铜矿，地质储量40亿吨，铜储量6776万吨，伴生有金、银、钼。智利全国第二大、世界上最大的地下矿山，日出矿量达10万吨，全部采用自然崩落法。 芬兰奥托昆普公司（Otok

23、umpu） 世界四大不锈钢生产商之一，凯米（Kemi）铬矿，露天转地下。 南非芬斯(Finsch)金刚石矿，储量11300万克拉，2005年的矿石处理量600万吨，金刚石产量220万克拉。,报告内容,1.数字矿山（DM）简介,2.国外矿山数字化概况,3.瑞典基律纳铁矿简介,5.矿山数字化的几点思考,4.我国矿山的数字化问题,4.我国矿山的数字化问题,我国矿山数字化建设与国外有着显著的不同： (1) 起步较晚 (2) 由于信息技术的迅猛发展，使矿山企业，尤其是现代矿山企业直接面对了信息技术发展的前沿技术和最新的管理理念 (3) 但这些先进的技术和理念与矿山企业的融合却成为了最大的瓶颈,4.我国矿

24、山的数字化问题,(4) 硬件系统、自动控制系统、网络系统等可以快速与国际接轨 (5) 软件系统、系统集成与规划、管理理念的提升与管理过程的规范化则需要补课 (6) 所有这些造成了国内矿山数字化建设内容复杂，架构庞大，规划相对困难,4.我国矿山的数字化问题,由此可见，我国的矿山数字化包括如下内容： 4.1 地质资源数字化 4.2 设计计划最优化 4.3 生产过程自动化 4.4 经营管理协同化 4.5 决策支持智能化,开采对象数字化,开采方式数字化,开采过程数字化,经营过程数字化,决策过程数字化,4.1 地质资源数字化,矿产资源是矿山企业的加工对象，是矿山一切工作的基础。矿山只有全面掌握加工对象的

25、形态、数量、质量等信息，才能安全、高效的组织生产。 因此，建立数字矿山，必须首先实现矿床的数字化、可视化。 地质资源的数字化内容主要有：,4.1 地质资源数字化,地质数据库的建立与更新 矿床模型的建立与三维可视化 资源/储量计算与品位估计 矿山地矿工程三维可视化 矿山岩石力学特性的数字化 除第5项外，以上工作均可由比较成熟的、已经商品化的矿业软件完成。 目前，应用较广的矿业软件有：,4.1 地质资源数字化,Datamine（英国） Mintec（美国） Surpac（澳大利亚） MicroMine（澳大利亚） MapGis（武汉中地数码科技有限公司） 3DMine（北京三地曼公司） D-Min

26、e（长沙迪迈信息科技有限公司） 其它,4.2 设计计划最优化,地质资源可视化只完成了加工对象的数字化问题 如果没有实时更新的基础数据，它只能是静态的可视化矿床模型 如果没有充分利用所建立的数字矿床模型，那么它就成为了局部范围内使用的孤岛信息 数字化后的地质资源信息需要用于矿山的生产实际,建立在地质资源数字化基础上的设计计划最优化,4.2 设计计划最优化,设计计划最优化的主要内容： 开采方案的最优化与可视化仿真 开采设计的数字化与最优化 生产规划、中长期计划优化及可视化展示 生产作业计划的动态、可视化 生产能力最优配比与矿石质量均衡,4.2 设计计划最优化,设计计划最优化的实现 工具矿业软件及相

27、应的内嵌开发工具 基础数字化的地质资源信息 方法优化理论与方法 过程建立数学模型进行优化 特征交互性、滚动式、可视化、自我学习 目标矿山所有资源(地质资源、人、财、物)的最优配比,4.3 生产过程自动化,矿山企业生产过程的自动化、数字化不同于一般的制造企业，特别是分布于不同中段的采掘生产，由于作业地点分散、作业过程不连续、作业条件恶劣等原因，完全实现自动化、数字化难度较大。 根据我国矿山目前的装备水平和管理现状，生产过程数字化、自动化的内容主要包括：,4.3 生产过程自动化,4.4 经营管理协同化,矿山的生产是个多业务协同的过程 这种协同不仅是业务内容上的协同，同时也是时间和空间上的协同 目前

28、国内多数的矿山在业务的协同管理上存在着很大的差距 目前被普遍认知的“信息孤岛”正是业务协同管理意识欠缺所产生的表象 业务协同的关键在于业务流程优化与信息资源规划(IRP),4.4 经营管理协同化,经营管理数字化、协同化以成本分析与控制为核心进行规划。主要包括全面预算管理、材料消耗管理、人力资源管理、全员目标管理、成本分析控制等几个方面的内容。 目前许多矿山都在进行管理信息系统（MIS）、企业资源规划（ERP）、办公自动化（OA）系统的建设与实施，由于系统性较差，离经营管理数字化、网络化还有一段距离。,4.5 决策支持智能化,数字化的最终目的，是为各级管理人员提供所需要的决策支持 这种支持不仅仅是数据的罗列，更重要的是基础数据经过加后形成的具有表现能力的数据分析集，结合矿山的各种数字化建设内容所形成的画面、实时模拟图、地质资源展示等，综合显示于展示平台中，用直观、简洁、综合性的方式为各级管理人员提供所需的矿山生产经营状况,4.5 决策支持智能化,决策支持智能化的主要内容