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砂石骨料矿山智能化建设现状与建议

发布日期：2023-01-25 浏览次数：次

砂石骨料矿山智能化建设现状与建议

彭芬，杨桦，张晓楠，丁磊

（建筑材料工业信息中心，北京１００８３１）

【摘要】智能化是提高砂石骨料企业核心竞争力，推动砂石骨料产业转型升级的重要途径。本文研究通过矿山实地考察、智能矿山解决方案供应商考察、已建设智能化矿山的案例分析、专家访谈、问卷调查及文献调查等方法，对中国砂石骨料矿山智能化建设现状进行深入研究，对中国砂石骨料矿山智能化具体需求进行分析总结，提出了基于当前智能矿山技术发展水平的砂石骨料矿山智能化建设的建议，包括智能矿山基本体系架构，资源环境数字化、设计计划三维化、生产作业自动化、安全环保集成化、经营决策智能化、管控一体化和信息网络化等智能矿山建设七大主要建设模块，以及成立组织、制定规划、标准先行、保障资金四项保障智能矿山建设顺利开展的措施。本文所提建议可为砂石骨料矿山企业科学有序地开展智能化建设提供参考，推动砂石骨料产业高质量发展。

【关键词】智能矿山；砂石；骨料；数字化；露天矿山

０引言

智能制造是新一轮工业革命的核心技术[1]。从20世纪60年代开始，芬兰、加拿大、澳大利亚等矿业发达国家不断推动自动化采矿、智能采矿、全区域无人化采矿技术的发展[2-7]。瑞典基律纳铁矿、分什钻石矿、澳大利亚北帕克斯铜矿、诺顿金田等矿山是智能化研发与应用的典型。随着工业化和信息化融合程度的不断加深，智能制造技术的不断发展，我国采矿业也向自动化、数字化、智能化方向转型。其中，煤矿、金属矿山智能化建设起步较早，发展较快，水泥、砂石骨料、硅灰石等非金属矿山的智能化建设则是近几年开始起步[8-10]。

智能矿山实现资源的数字化管理、生产的自动化管控、全流程的少人无人化作业、基于工业大数据的智能化决策，具有本质安全、资源集约、绿色高效的特点，是促成矿山企业转型升级、提高其核心竞争力的重要手段[11-13]。为推动砂石骨料矿山智能化发展，引导企业科学规范有序开展智能化建设，本文对砂石骨料矿山智能化建设的现状进行了研究，并通过对砂石骨料矿山智能化建设需求及智能矿山技术发展现状的调研，提出了砂石骨料智能矿山建设的整体架构、主要模块及保障智能矿山建设顺利开展的措施。

１我国砂石骨料智能矿山发展现状

近年来，广州市顺兴石场有限公司、浙江交投矿业有限公司、甘肃建投绿色建材产业发展集团有限公司、中电建安徽长九新材料股份有限公司等砂石企业率先起步，建设了较高水平的智能矿山。广州市顺兴石场的智能化建设在资源环境方面实现了三维虚拟仿真；在生产作业方面建立了采区卡调、生产线自动控制、智能称重、智慧定量装车、自动化输送及生产智能管控等系统；在安全环保方面主要建设了工业电视监控系统、室内外一体化定位安全监管及安全监测系统；在经营决策方面建设了销售系统、财务系统、生产辅助决策系统等；在统一管控方面建设了统一的智能管控平台。浙江交投大皇山矿区智能矿山建立了资源环境三维模型；建设了车辆调度、生产自动化控制、母料计量、骨料质量在线监测、码头装船等生产作业系统；建设了人员车辆实时定位跟踪、全方位视频监控、越界开采预警、粉尘在线实时监测、边坡在线监测等安全环保系统；建设了资源储量管理、绿色矿山管理等经营管理系统；建设了统一的智能管控平台。甘肃建投绿色建材产业发展集团永靖绿色建材生态产业园矿山智能化实现了资源环境数字化；建设了远程无人采矿、生产调度、制砂系统、智能物流运输等生产作业自动化系统；建设了安防监控、生态监测、无人机巡检等安全环保系统；建设了决策支持等管理决策系统；建设了三维可视化智能管控平台，可实现各类应用数据的集成。中电建长九（神山）灰岩矿项目目前智能化建设内容主要包括：采矿管理、车辆调度管理、过程控制、生产管理、码头调度、订单管理、库存管理等生产作业系统；视频监控、地质监测、环境监测、电子围栏等安全环保系统；三维储量管理、决策支持、绿色矿山等经营决策系统；矿山、长距离皮带运输和码头三个集中管控平台，该矿山智能化建设还将进一步完善。

上述智能矿山的建设为砂石骨料矿山智能化发展拉开了帷幕，但是从整体来看，砂石行业智能化建设起步晚，基础薄弱，大多数矿山的升级改造还停留在以自动化设备升级，基础网络及通讯设施升级以及建设财务管理、ＯＡ等基本管理信息系统为主要内容的初级阶段。从已建设的智能矿山来看，也存在一些问题：顶层规划设计不到位，信息化项目之间业务关系不清晰、项目建设顺序逻辑错误；信息化项目内涵单薄、外延模糊，系统功能未能覆盖业务或建设重复、一业多地；安环运输类外围信息化项目多，资源环境数字化、智能配矿、智能调度等采选核心业务场景信息化项目少；数据烟囱、信息孤岛普遍存在；数据价值缺乏有效挖掘；智能协同和全局优化难等。

２砂石骨料矿山智能化需求

砂石骨料母岩的开采方式一般为露天开采，主要工艺包括开拓、穿孔爆破、铲装、运输等环节，所用装备包括潜孔钻机、挖掘机、铲车、矿用卡车等。机制砂石骨料制备工艺一般包括破碎、筛分、制砂等环节，所用装备包括给料、破碎、筛分、制砂及输送等设备。砂石骨料矿山主要生产活动有矿床勘查、资源分析、采矿设计、生产计划、开采作业、破碎作业、制砂作业、销售发货等。根据生产组织方式、标准作业流程，砂石骨料智能矿山建设的具体需求主要包括以下方面。

１）矿产资源是矿山开采、加工的对象，矿山地理环境是生产活动展开的场所，对资源与环境的全面准确了解，是矿山生产活动高效开展的基础。智能矿山需要建立资源环境三维模型，实现资源环境的数字化。

２）境界优化是露天矿山设计的重要环节，需要统筹考虑资源的赋存条件、开采的技术条件、矿物产品的实时售价、矿石开采及处理的成本等多方面因素对设计方案的总体效果的影响，而传统的计算方式过程复杂，耗时较长，结果不够准确。同样，传统的矿山设计、规划排产也是耗时耗力。智能矿山需要借助专业软件解决境界优化、设计、规划、排产的问题。

３）矿山生产劳动作业强度大，作业环境恶劣（高温、多粉尘、噪音大等），凿岩、装药、铲装、运输等岗位人员安全风险大。智能矿山通过爆破、采装、运输、破碎、制砂、发货等环节的自动化、数字化、智能化改造，实现生产自动化、关键生产过程的可视化、检测的实时化、设备运维的智能化，降低员工劳动强度，提高劳动效率，提高产品质量稳定性，实现本质安全。传统的卡车调度模式依靠固定配车、人工跑现场、人工收集录入数据，调度实时性不高，是铲装和运输效率提升不上去的关键痛点。智能矿山尤其需要实现实时的、动态的、优化的卡车调度。

４）矿山作为高危行业其安全问题不可忽视，另外，社会发展也对砂石企业的绿色发展提出了更高的要求。智能矿山需要实现对人员安全、环境安全、环境保护的全面一体化掌控。

５）传统的经营管理方式，信息传递较慢，决策过程基本依靠主观判断，智能矿山需要实现矿山生产经管理信息化、实时化、决策科学化。

６）智能矿山需要实现矿山一体化管控，实现数据集成、系统协同、智能优化。

７）智能矿山需要建设信息基础设施，包括传输网络、大数据中心等，保障网络安全，满足数据传输实时性、可靠性、安全性要求。

３智能矿山建设的系统架构

根据砂石骨料矿山智能化具体需求，智能矿山可采用的基本体系架构分为基础层、执行层和决策层，如图１所示。基础层包括智能化生产所必须的基础设施，如资源环境数字化、信息基础设施、数字生产设备、数字辅助设备等。执行层包括支撑生产过程的各类管理功能模块，如安全管理、计划调度、生产组织、质量管理、发货管理、能源管理、物流管理等。决策层包括生产规划与决策的应用，如资源规划、决策管理等。内部系统集成包括企业内部的基础层、执行层和决策层之间的数据共享、应用集成，实现集中控制、统一管理。外部系统集成包括相关集团关联企业或部门等之间的数据共享、应用集成。

图１智能矿山系统架构示意图

４砂石骨料矿山智能化建设主要模块

根据砂石骨料矿山智能化需求，智能化建设内容应该包含资源环境数字化、设计计划三维化、生产作业自动化、安全环保集成化、经营决策智能化、信息网络化、管控一体化等七大主要模块，如图２所示。

图２矿山智能化建设七大主要模块

４.１资源环境数字化

地质资源三维建模基于地质认识，通过三维建模技术及三维可视化技术，构建三维地质体。三维数字化矿床模型可以形象地表示出矿床外部形态及内部成分、结构等空间变化，通过空间数据管理、空间分析以及图形可视化表达工具，可以研究地质资源的空间关系及其地质、物理和化学等属性信息，进行地质分析和资源评价。资源三维模型的建立，使得储量估算更加真实客观，品位分析更为详细，矿废方量估算更为容易，为矿物资源的合理利用、生产活动的动态管理提供了依据[14-17]。

通过激光扫描仪、无人机倾斜摄影等地表勘察手段可以对地理环境进行表征，进一步通过定位、融合、建模等技术处理，可以大范围、高精度、全方位地数字化再现砂石骨料矿山的真实场景，实现地理环境数字化[18-19]。地理环境数字化为砂石生产现场管理、智能调度及智能矿用卡车实现高精度定位奠定基础。

４.２设计计划三维化

矿山境界优化软件以资源模型为基础，运用专业三维软件，构建资源价值模型，通过最优化方法，进行科学详尽的经济分析，编制合理可行进度计划，实现企业经济效益最大化和可持续发展[20-21]。矿业设计软件还可进行开拓运输系统、排土场等布置，设计高效快捷、三维可视、科学合理。采矿计划软件可进行露天矿长期采剥进度计划、中期采剥进度计划、短期采剥进度计划的编制工作，计划可验证、规划可优化、过程可三维动态模拟展示，以直观的方式为决策和计划提供参考，有利于矿山开采顺序的优化，形成动态可视的地质资源储量消耗规划，为矿山的生产管理提供指导[22]。

４.３生产作业自动化

随着技术发展，矿山的爆破、采装、运输、发货等环节逐步朝远程化、遥控化、自动化、无人化发展。遥控及无人驾驶技术涉及的应用设备包括钻机、装载机、矿车等[23]。系统借助车载传感器及环境传感器感知附近环境变化，通过远程遥控或系统决策方案，操控矿用设备进行相应的钻孔、爆破、铲、装、运工作。

露天卡车调度系统实时采集露天生产以及辅助设备的状态信息，自动计量统计生产信息，及时准确地掌握生产进度，实时跟踪与显示设备运行状态，实时优化调度、优化车流、自动调度。卡车调度系统提高调度指挥的精准性与实时性，提高生产作业效率，降低设备投资和生产成本，提高经济效益[24]。

质量管理是矿山生产的核心，贯穿于规划、设计、计划、开采、破碎、制砂等全过程。在线检测技术能够解决定时离线分析检测方法的滞后性问题，提高品质管控的实时性。推动在线粒度分析在砂石骨料矿山的应用。在线粒度分析仪通过连续采集运动中（如皮带输送机、振动给料机等）砂石骨料的图像，利用大数据分析技术，给出物料粒度大小分布情况，避免超粒径混入，可以及时调节相关生产设备的控制参数，如振动给料机的下料量、破碎机的振幅、频率等参数，保障产品质量及其稳定性。

无人值守自动装载计量系统能自动完成发货作业。系统能自动感应车辆位置，进行发货信息人机交互，自动装料，自动计量，实时显示装车进度，实现发货作业全程无人值守。该系统可以节省人力，提高发货效率，防止作弊与商业贿赂。

设备管理是现代生产管理的重点，可以延长设备使用寿命，降低设备故障发生几率，提高维修作业效率，降低备品配件消耗，降低维修保养费用。设备管理系统包含档案管理、资产管理、运行管理、备品配件管理、维修管理、维修人员管理等内容。其中，设备预测性维护通过大数据分析、机器学习和ＡＩ技术，可以在设备发生故障前报警并进行原因分析，提出科学处置建议，有效预防非计划停机。

４.４安全环保集成化

砂石骨料矿山安环集成平台主要包括安全监测系统、边坡在线监测系统、安全生产视频监控系统、环境监测系统等。通过安环集成平台，全面提升人员行为安全、作业环境安全，从而大幅提升矿山的安全水平。

安全监测系统自动监测采石场表面位移、降雨量和爆破振动等数据，实现快速数据采集、数据自动存储、自动跟踪监测、分析历史数据，并及时发出预警。

雷达智能监测系统通过对监测指标数据实时、自动、连续的采集、传输、管理及分析，实现对地质滑坡、高陡边坡、排土场的全天候、亚毫米级精度、自动监测预警[25-26]。

无人机自动安全巡检系统通过高精度影像及信息采集及智能分析，可进行爆破安全监测、越界巡检、设备点巡检、边坡／尾矿库监测等安全巡检工作，验证雷达监测等系统的安全警报[27]。无人机还可以协助完成数字化地理环境的更新、辅助应急救援等[28]。

环境监测系统建立环境监测网，对矿区粉尘、废水、噪声等污染源和污染物实行动态监测，对降尘设备、废水处理系统运行状态实时监测，确保排放合格。

４.５经营决策智能化

ＯＡ系统、财务管理、客户资源管理、人力资源管理及决策支持、商业智能等信息系统是企业管理的重要工具。这些系统能提高业务运行效率，提供全面企业信息，快速响应客户需求，帮助管理者做出更好的决策，实现企业最优运营。

４.６管控一体化

通过系统集成、统一数据平台及可视化技术，搭建协同管控平台，可以实现各系统集成，实现不同类型数据的集成与交互，可通过可拓展系统接口为未来发展留足空间，实现矿山生产经营实时管控、资源动态管理、各生产经营环节协同创新及数据资产综合利用，提高矿山生产管理效率。在高精度真实矿区三维模型的基础上集成各系统，可建立以数字孪生技术为基础的三维管控平台。

４.７信息网络化

整体规划设计矿山网络通信系统，建设信息网络基础设施，满足关键业务对数据连续性的要求，提升数据接入能力和传输效率。建立网络安全管理中心，构建包括物理环境安全、应用系统安全、网络安全、数据安全等在内的多重安全防护保障体系，健全相应的信息安全管理制度。

５砂石骨料矿山智能化建设保障措施

５.１成立组织

加强智能矿山建设的组织领导，建立起合理的组织架构，鼓励企业一把手担任智能化建设负责人，并设置专职管理岗位与技术岗位。发挥组织机构在智能矿山建设中的组织、协调、督促指导作用，积极推进智能矿山建设。

５.２制定规划

正确理解智能矿山的内涵与要素，根据砂石矿山实际业务特点和支撑条件，结合矿山智能化现状、实际需求、基础条件等因素制定矿山智能化建设规划，明确任务目标、技术体系、实施路径、进度安排和预期成果，指导智能矿山建设稳步推进，达到整体投入最少、产出最优的目的，避免重复建设与漏洞，实现降本提质增效。

５.３标准先行

在遵循智能制造领域及砂石行业已经发布的相关标准规范的基础上，建立统一标准规范的数据体系规范，规范主数据、数据索引格式、元数据格式、数据表结构等。建立统一的能够支持生产实时数据、历史数据等各类数据的服务、通讯协议和接口标准。

５.４保障资金

根据企业经营状况及矿山智能化建设的实际需求，确定投资规模，明确资金来源，保障资金投入。及时掌握政府相关扶持政策，关注金融机构对智能矿山的资金支持，发起设立相关市场化基金，扩大资金来源，形成支持智能矿山建设的投入长效机制。制定智能化资金使用管理制度，明确岗位职责及使用流程与方法，确保资金规范使用与及时投入。

参考文献

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