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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

蔡美峰院士:金属矿山深部智能开采现状及其发展策略

2021-09-14   来源:中国有色金属学报

  深部安全高效开采是我国金属矿产资源开发面临的迫切问题,地应力增大、涌水量加大、井温升高导致传统采矿方法困难。

  

  近日,蔡美峰院士研究团队对国内外金属矿山深部智能采矿现状进行了分析,剖析了我国金属矿深部智能开采存在的问题,并对我国金属矿深部智能开采发展策略提出了建议。相关研究成果于9月13日发表于《中国有色金属学报》。通讯作者为谭文辉副教授。

  

  一、国外金属矿山深部智能开采

  

  研究详细介绍了国外典型智能化矿山运行现状,如:世界上第一座智能化的地下铁矿山——瑞典的基律纳铁矿、西澳的日出坝金矿、世界上最大的充填法矿山澳大利亚奥林匹克坝铜铀矿、全球最大的地下矿山智利特尼恩特铜矿等。

  

  从国外智能开采技术的发展可见,国外的智能化开采已进入相对成熟阶段,智能开采将成为深部开采的必然之路。智能开采的关键技术由如下三个部分组成:

  

  (1)开采智能探测。透明地质是智能开采的基础,因此必须布设各类传感器和非接触测量设备对采场区域进行开采前的自动探查和检测,以及开采过程中对环境变化的感知等,进行矿岩的自动识别、复杂采矿环境的辨识,为采矿机俯仰采控制和摇臂调高等开采活动提供可靠信息,实现地质条件的透明化。

  

  (2)开采智能导航。为了实现对开采设备和人员的自动定位,服务于矿山开采和安全监控,可采用光纤惯性导航、三维雷达、三维激光、红外等技术为精确开采保驾护航。


(3)开采智能控制。开采智能控制需要融合自动化、可视化、远程遥控、三维虚拟现实等多项技术,根据不断变化的开采条件自动调控采掘过程,使智能化采掘设备与自动调度决策集为一体,建立以成套装备总控制网络为核心,单机装备为执行机构的智能控制模式,最终形成装备安全感知、信息可靠传输、动态决策于一体的智能开采系统。

  

  二、国内金属矿山深部智能开采及存在的问题

  

  在国内智能化金属矿山建设方面,研究选取了超大型绿色智慧矿山-马城铁矿、智慧矿山-梅山铁矿、采选联合智能矿山—锡铁山矿、首套全自动无人驾驶系统——马钢张庄矿、罗河矿智慧矿山等7个矿山做了介绍。

  

  与国外矿山相比,智能化发展相对滞后,仍存在如下问题:

  

  (1)开采环境智能感知技术薄弱。对采矿导致的岩石力学条件和环境改变的多场信息监测感知,是当前地质信息透明化的主要数据信息源。目前单一变化量的测试感知尚可,但其整体效应、参数融合不足,对岩层介质变化的规律及判断未形成统一标准。数据和信息孤岛问题、异构多源多模态数据融合问题、标准滞后问题是目前必须解决的问题。

  

  (2)缺乏深部高应力、高温条件下的高效采矿技术,采矿成本高,井巷工程推进速度慢。深部环境复杂,开采过程精确定位导航技术缺乏,安全应急指挥与调度智能化技术急需提高,开采过程工艺复杂、设备繁多导致行进路线长、行进阻力大、行程困难多,急需研发自主行走、智能控制等关键技术。

  

  (3)矿山机械化装备配套性差,井下大型采掘设备的制造水平低。我国大多数矿山仍然采用的是传统的设备,其自动化及信息化水平尚不能满足智能开采要求,缺少成熟的、智能化的国产凿岩钻车、铲运机和矿用汽车等现代装备,缺乏适合于井下的精确定位导航技术。

  

  (4)采矿生产管控一体化综合信息平台开发相对滞后。在开采优化设计、生产管理、开采环境监测、安全预警等方面,信息难以共享,不能为科学决策与管理提供有效的技术支撑。需要开发全新的具有高度智能化、信息化和协同性的控制技术、决策技术、开采技术和装备体系。

  

  三、金属矿深部智能开采发展策略

  

  智能采矿是一个复杂的系统工程,国内外智能采矿的成功案例无一例外都有合理高效的开采工艺、智能化采矿设备、自动化的提升和运输设备、先进的生产管控模式。

  

  金属矿深部智能开采应在四大类19 个基础研究方向开展研究,并开发三大类13 种技术设备,具体如下:

  

  (1)基础研究方向

  

  1)深部地应力测量及构造应力场重构

  

  针对传统地应力测量方法在深部测量中存在的理论和方法局限性,开展深部岩石力学工程地应力测量相关技术研究,着重研究:深部岩体非线性本构模型;深部易碎岩体地应力测量技术;基于光学测量的地应力测试方法;深部高应力积聚区实时精准定位辨别方法。

  

  2)深部多场环境参量与地球物理参数的本构关系

  

  为了实现深部地质构造精细探测和环境参数的精确反演,着重研究:地球物理探测新方法;渗流场、温度场和化学场精准测量;基于物理化学场方程的环境参量反演方法。

  

  3)深部多场耦合作用下岩体力学特征及破坏机理

  

  针对深部开采工程面临多场耦合环境和不同于浅部的岩体非线性基础性问题,重点研究:透地岩体结构智能识别技术;大尺寸岩体结构智能识别技术;岩体结构面连续移动扫描技术;应力场、渗流场和温度场耦合作用机制;深部高温、高压条件下岩石结构变化过程。

  

  4)深部智能连续采选理论技术

  

  围绕深部复杂地质条件下安全、高效、智能开采难题,重点研究:深部金属矿智能连续开采原理;深部采矿智能化工艺技术;开采过程中应力场动态反演技术;深部井巷分区分级智能支护技术;充填参数智能决策算法;充填工艺智能化运行技术;智能化匹配与精准给料制备技术。

  

  (2)关键技术设备

  

  1)深部开采智能化感知设备

  

  开发新型地应力测试设备、多场耦合智能监测设备、岩体结构连续扫描设备、地下空间无人机载激光扫描系统和环境关键参数探测感知仪器,解决岩体内部结构精准识别与三维建模难题。

  

  2)深部开采过程智能作业设备

  

  研发深部金属矿山连续采掘装备、全断面成井钻机智能化控制技术、井巷通风装置智能调控系统、深部采掘装备无人化智能作业技术,构筑适合中国深部开采的无人采矿技术体系。

  

  3)深部开采智能管控平台

  

  开发综合数字通信平台、全采区、多系统自适应智能调控技术与系统、构筑基于工业混合云的矿山大数据平台,满足矿山工作面复杂环境下的高可靠、高带宽、高性能管控需求,创建深井条件下全区开采、多系统自适应智能调度技术与系统,形成开采全过程智能管理及调配解决方案。


日出坝金矿地质模型与地下开采系统示意.jpg

日出坝金矿地质模型与地下开采系统示意图


罗伊山矿资源可视化平台.jpg

罗伊山矿资源可视化平台


国内智能矿山的发展历程

国内智能矿山的发展历程.jpg


  责任编辑:宫在芹

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