智能矿山的中国道路

智能矿山不再只是墙上的远景美图，其建设已迈出坚实的步伐。智能矿山建设不仅令人炫目，也能交出漂亮的经济账。

近日举行的2019中国国际矿业大会特开辟持续两天的智能矿山论坛。与往届技术论坛不同的是，此次智能矿山论坛，不再是只有技术人员，矿山企业负责人明显增多，在一定程度反映了企业负责人越来越重视智能矿山建设。

矿卡升级跟着矿山发展趋势走

论坛上，潍柴动力上海研发中心副主任李福军表示，矿山生产模式发展要经历原始、机械化、数字化、智能化4个阶段。目前，我国矿山生产模式处于数字化阶段进程中，主要表现在硬件的投入与使用上，在数据整合与共享方面还处在较低水平，“数据孤岛”问题突出。其中，大中型矿山数字化程度高，小型矿山还处在机械化阶段，数字化程度偏低。

在他看来，矿山未来的发展趋势是绿色、安全、智慧、高效。绿色发展成为矿山的基本要求。安全生产仍然是采矿工作中的最大威胁，如何强调安全的重要性都不为过。技术自动化、数字化的推进仍以安全性为前提。科技创新的加快推进，大数据、互联网、遥感探测等新技术与矿业交叉融合，数字化、智能化技术和装备不断深入应用，矿业发展新动能日益增加，为行业转型升级，实现创新发展开辟了新领域。智慧矿山主要通过矿山的云中心的智能决策模型自动决策，保障生产过程各环节的自动高效运行，并通过反馈信息主动进行决策再优化，从而保证矿山经营管理经济高效运行。

李福军介绍，目前我国智慧矿山已完成阶段性目标规划，并列出了时间进度表。2021年，我国将建成100个初级智能化示范煤矿，基本实现掘进工作面减人提效，综采工作面少人或者无人操作，实现固定岗位的无人值守和远程监控。2025年，全部大型煤矿要基本实现智能化，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，实现开拓设计、地质保障、采掘运通、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行，井下重点岗位机器人作业。2035年，全面实现煤矿智能化开采，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的智慧煤矿体系。2050年，全面建成安全绿色、高效智能矿山技术体系，实现安全绿色、高效智能化生产。

顺应矿山发展趋势，矿用卡车产品也在不断创新，朝着安全高效、绿色环保、智能化方向发展。传统柴油矿卡使用中油耗成本占比接近总成本的50%。相比柴油，天然气的低能耗成本优势明显，因此燃气驱动矿卡成为众多企业开发产品的新方向。重汽最早推出了天然气矿用卡车，但由于产品配套使用的基础设施建设落后等原因没有形成批量使用。混合动力矿卡相对比较成熟，类型丰富多样，额定载重集中在100吨～250吨之间，与燃油动力矿卡相比，综合节能率普遍超过20%。2018年，各企业开始陆续投放纯电动矿卡，潍柴、徐工、洛阳钼业、宇通等国内企业都已有产品上市，但核心技术仍有待提高，电池寿命和成本仍是主要制约因素。此外，氢能驱动矿用卡车尚处于产品开发阶段，产业链各项技术有待进一步提高完善。2018年，潍柴集团与国家能源集团开始共同开发200吨级氢能重载矿用卡车。预计2035年我国矿卡将全面进入燃料电池时代。目前，各项智能化技术正在矿用卡车上快速应用，无人驾驶技术也在不断成熟。

无人驾驶在露天矿应用广阔

虽然无人驾驶商用已有10多年时间，但由于路权、道路复杂，及担心被黑客困住等问题，即使像谷歌、百度这样的魔兽企业，投巨资打造的无人驾驶汽车仍然不能在公共道路上行驶，但在露天矿由于没有路权障碍、环境相对单一、经济效益显著、运货不载人等特点，却迎来了发展机遇。

矿区运输主要存在招工难、成本高、事故频发这3个突出的痛点问题，年轻人从业意愿低，司机操作不规范造成的车辆维修、油耗等成本高居不下，矿卡车型大、盲区多，伤亡事故频发，无人驾驶成为矿区根本的解决手段。

北京踏歌智行科技有限公司创始人、国家“万人计划”科技创新领军人才余贵珍教授表示，露天矿封闭无人，运输线路固定、点对点、低速，最适合无人驾驶落地的场景，能实现机器替人的经济价值、无人驾驶的本质安全，并且更加稳定可靠。

据其介绍，从国外无人驾驶的发展来看，卡特彼勒20世纪70年代开始研发无人驾驶矿车，小松、别拉斯等公司也陆续推出无人驾驶矿车。澳大利亚、加拿大和巴西等国家也陆续推出了近300辆无人驾驶矿车投入运营，与人工驾驶相比，总体成本降低了15%以上，而且每年还增加500小时的工作时间。我国除了有大型矿车的市场需求外，矿区自卸车和宽体车的需求量也特别大。由于我国人工成本低，需要开发更低成本的露天矿运输系统。针对我国矿区工艺和环境更加复杂的实际，还有混行无人运输系统的市场需求。

余贵珍认为，建立特定场景无人驾驶系统架构，像业务调度系统、运行监控系统和安全保障系统这三个系统必不可少，对应的有大数据分析平台、高精定位服务平台、车路协同平台、高精度地图平台，通过云端调度与运营服务，矿卡与挖掘机、推土机实现装卸、运输协同作业，除有矿卡的无人驾驶，还需要推土机、挖掘机指引矿卡在什么地点装、卸，运用监控平台、通信大数据等技术，实现设定的作业场景。无人驾驶比人工操作速度更快，视频、激光雷达等应用需要传输大量数据，还要实现实时监控，5G因其高宽带、低延时，在露天矿可以很好地应用，远比打电话更有应用价值。

余贵珍总结指出，矿区无人运输系统涉及感知、控制、车路协同、智能调度、大数据5个方面的核心关键技术。感知，是指非结构化道路路面检测与融合感知技术，针对矿区的非结构化道路，不仅要检测车道线、行人，还要检测路面石头，道路两侧的悬崖、山坡，甚至是灰尘;控制，是指特种车无人驾驶轨迹跟踪与精准停靠控制技术，因为矿区运输使用的是大载量的大型车辆，重载上坡和重载下坡等控制与常规车辆不同;车路协同，是指基于V2X的车路协同控制技术，只有应用了车路协同技术，才能完成装和卸的协同作业;智能调度，是指无人运输协同作业智能运营调度技术，光有单个矿卡的自动化远远不够，还需要多台矿卡编组作业的智能调度技术;无人运输的调度也包括应用大数据分析，此外基于大数据的分析还能发现瓶颈，实现无人运输能耗与效率的优化，减少油耗和车损，提高整体效益。

丹东东方测控技术股份有限公司软件部部长吴耀昕在论坛上表示，该公司在马钢集团铁矿山实现了井下有轨电车无人驾驶，不需要人工遥控，是完全自主驾驶，同时还增加了障碍物和危险情况的自主识别及自动钻探，真正实现了无人驾驶。

智慧矿山算出漂亮经济账

甘肃金徽矿业有限责任公司建设绿色矿山在业内颇负盛名，郭家沟铅锌矿已成为绿色矿山建设的典范，但显然公司并不满足于此。该公司董事张世新在本届中国国际矿业大会智能矿山论坛上提出，践行生态理念，创建智能矿山，为绿色矿山建设提出了更高的目标，明确了建设“中国一流世界领先”的生态型、环保型、绿色矿山的奋斗目标。据其介绍，金徽矿业高度重视科技创新与人才培养，引进技术专家和经验丰富的技术人员，形成了探、采、选3个技术团队，组建了金徽矿业研究院，并与中国地质大学、中南大学等院校开展技术合作，建立产学研基地。建立院士专家工作站，先后实施了数十项技术攻关和技术创新项目，取得了显著的研究成果。其中，已授权发明专利1项、实用新型专利11项、软件著作权4项。

郭家沟铅锌矿自勘查开发以来，先后有白春礼、王志珍、蔡美峰、莫宣学、毛景文、汤中立、武强、袁亚湘、田刚、古德生、张平文、江松等院士专家前来调研和指导工作。众多院士专家在调查研究的基础上，对绿色矿山建设及探采选工艺提出了宝贵的意见和建议，为其技术研发工作注入了活力。

金徽矿业智能矿山建设主要在两个方面发力：

一方面，注重技术创新，打造数字化矿山。积极推进“采掘作业和机械化、生产管理一线化、施工队伍小型化、质量管理标准化”，先后引进凿岩台车、撬毛台车、无人驾驶有轨电机车等设备，经过多次工业调试，将选矿设计工艺由常规浮选工艺改造为电位调控浮选工艺，并研发了适合该矿的高效药剂，应用选矿全流程自动控制系统的集成技术，使选矿过程控制达到可视化、信息化和网络化，各项工艺参数实现了实时在线检测。铅锌回收率分别达到了93.16%和95.57%;铅精矿伴生银的回收率达到89.46%，铅锌银选矿综合回收率达到国际领先水平。通过研究电位对尾矿沉降的影响规律，在国内外首次开发利用电位调控改善细粒脉石沉降属性的新技术，攻克了提高磨矿细度与提高尾砂充填利用率不能兼顾的技术难题，尾砂利用率达到70%以上，既解决了充填用尾砂的问题，又减少了尾矿库固废排放量、延长了尾矿库使用寿命。利用电位调控技术和特效药剂制度，研发出浮选过程同步净化提高回水水质的新技术，回水中残余有害离子和有害成分被选择性络合沉淀，保留了对浮选有益的药剂成分，使选矿回水不需净化处理即可直接循环利用，解决了国内外浮选回水循环利用率低的难题，每吨原矿新水消耗量降低到0.2立方米以下，从而使选矿回水循环利用达到100%，具有广泛的推广应用价值。

另一方面，加快转型升级，创建智能矿山。实现无人驾驶电机车，逐步将井下自卸运矿卡车和井下铲运机进行无人驾驶升级改造;积极推进凿岩台车、锚杆台车和撬毛台车远程操作升级改造，实现1人多车控制;在高标准建设 “井下安全六大系统”的基础上，加快实现井下快速定位与自动导航等智能服务。

丹东东方测控技术股份有限公司软件部部长吴耀昕以锡铁山矿山为例，解读智能矿山如何落地。西部矿业股份有限公司锡铁山分公司是国内最大的独立铅锌采选联合生产企业，设计能力原矿处理量132万吨/年。智能矿山建设从采矿、选矿、管矿三方面进行了完整的架构设计，并分集团应用和矿山应用两个层面，全方位地规划了整个矿山29个子系统，同时串起来形成一个完整的智慧矿山。在智能采矿方面，实现了无人驾驶、远程装矿、采矿数据集成、智能通风等，机车驾驶员减员80%，矿工和井下值守岗位减员100%，降低了劳动强度，提升了作业效率，保障了本质安全;在智能选矿方面，磨浮无人化、磨矿专家系统、泵站无人值守等，实现综合减员30%，提升台时处理量4.62%;在智能管控方面，通过MES、集中计量、无人计量、能源管理、物资管理等，实现计量、能源相关岗位减员80%，矿山数据统计工作智能化，在线类数据全部自动采集，提升企业生产经营执行效率50%以上。按综合总体效率分析，锡铁山智能矿山投运一年收回建设成本。

黑科技让智能矿山更炫

论坛期间，有专家表示，相对人人皆知的GPS导航，惯性导航显得备受冷落。但在矿井、隧道、水下这样的空间，卫星信号无法到达，也就无法实现GPS定位，但使用惯性导航可以提供精准的导航和定位信息。惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。澳大利亚CSIRO出品的“LASC(拉斯克)”系统是国际公认的具有世界领先水平的矿山智能化系统，率先把惯性导航系统应用在采煤机上。虽然GPS技术已经非常成熟，地面上的定位精度也非常高，而且目前大部分智能化传感系统也都是采用GPS系统，但是在接收不到卫星信号或有信号干扰的地方，惯导设备将发挥决定性作用。惯性导航传感装置(INS)作为LASC系统的硬件部分，不需要搭建外部基础设施，甚至不需要借助磁强计来侦测方向，可以在没有基站指引的情况下，自行判别方向，自动校正，而且精确度高，能适应恶劣的采矿环境，所以比GPS更适合井下定位。此外，INS能提供准确的3D位置信息，这是物理数据而非模型数据。采煤机搭载INS之后，可以进行全自动工作面找直和水平控制，让采煤机保持理想运行路线，以适应复杂的矿区地形。相比其他定位系统，穿戴式惯导系统不仅能定位，甚至是有触觉的，能感知被定位人员的姿势，是坐着，站着，还是躺着，能及早知道井下人员的异常状态。在本届中国国际矿业大会上，中国船舶重工集团公司第七O七研究所展出的高精度陀螺经纬(全站)仪，就是惯性技术应用的解决方案，相对传统的导线测量，实现了矿山井筒不停工定向，测量控制点缺失地区的各种测绘保障工作，而且测量精度高，速度快。

与会专家认为，智能矿山是一项整体的系统工程，采用智能化系统技术实现矿山系统的动态监控、智能化运行，实现高效运行、自动节能化，简单地叠加信息技术并不能实现建成智能矿山，其建设理念是在线、融合、智能，涵盖了露天矿卡车无人驾驶，井下有轨机车无人驾驶、三维地质设计与管理、无人值守工厂、专家控制系统应用技术(通过多频次、小幅度、连续性调整，稳定生产过程，保证产品质量，提高选厂处理量及金属回收率 )、三维生产管控技术、大数据应用等关键技术与装备。