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数字矿山技术在矿山综合开发利用上的应用冯超东katkj1001@163.com18911589098西南科技大学2019年8月17日无废化2自我介绍学位资格：-北京科技大学采矿工程博士-研究方向：数字矿山系统工程主要工作经历：-某地下铁矿山：工作两年，担任采矿工程师；-MICROMINE软件中国分部：工作两年，担任技术支持工程师；-SURPAC软件中国办事处：工作三年，先后担任技术部经理、副总经理；-现任矿安通科技（北京）有限公司总经理，致力于数字矿山整体解决方案的提供与技术服务；-同时兼任西南科技大学矿业工程系教师。无废化3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无废化4数字矿山（DigitalMine，DM）是数字地球（DigitalEarth，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-概念无废化5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”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-概念无废化6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（控制室），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-概念数字地球的构想无废化7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-概念数字地球的构想无废化8“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-概念无废化9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-概念无废化101.数字矿山简介-概念所谓数字矿山，是指人类在矿山地表和地下开采矿产资源的工程活动中所涉及的各种静、动态信息的全部数字化，并由计算机网络进行管理，同时可运用空间技术与实时自动定位、导航技术对矿山生产工序实行远程遥控操作和自动化采矿的综合体系。无废化111.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由初级到高级的三个层次：•矿山数字化信息系统•反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山•远程遥控和自动化采矿无废化121.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。无废化131.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。无废化141.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。无废化151.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。无废化161.数字矿山简介-理论基础数字矿山建设的理论基础•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;•监测监控理论;•工程管理科学、运筹学与控制论。无废化17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无废化182.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。无废化192.国外矿山数字化概况2.1凿岩作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。无废化202.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，但研究工作仍在继续进行。芬兰的智能矿山计划也有类似的设想，但尚未见实质性报道。无废化212.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MasterBuildesInc.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。无废化222.国外矿山数字化概况2.4装载和运输LHD（铲运机）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“灵巧的装载机”，已经进入商业化阶段。无废化232.国外矿山数字化概况自动控制出矿无废化242.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（KirunaK-1050）项目。无废化252.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。无废化262.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。无废化272.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。无废化28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无废化293.瑞典基律纳铁矿简介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。无废化303.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。无废化313.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。无废化323.瑞典基律纳铁矿简介基律纳铁矿开拓系统示意图无废化333.瑞典基律纳铁矿简介无废化343.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8×5米。无废化353.瑞典基律纳铁矿简介基律纳电动卡车井下运行图无废化363.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（Productionsection），每个采区4个生产矿块（Productionblock），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。无废化373.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。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。无废化383.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，需要矿工来到工作区进行操作。操作员在控制室仅需要监控一下参数反