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地下矿山设备智能化研究应用现状摘要:随着机械设备制造工艺和研究的不断进步,应用于矿山实际生产的机械设备也取得了日新月异的进展。在我国新世纪探索工业化、信息化的道路上，对资源开采技术及设备提出了进展要求，故进展矿山机械设备作为推动采矿技术革新的重要力量正面临着重大考验。本文对比国内外矿山机械设备的特点和差距,探讨矿山机械设备的大型化和智能化进展趋势。关键词：非煤矿山机械进展趋势大型化智能化前言近30年来，地下矿山依托装备进步，使生产效率提高了3～5倍或更高。目前，人们又在尽力研制和开发适合持续开采的采矿装备，以期进一步提高采矿效率。在露天矿，依托装备进步改良生产工艺、提高经济效益、扩大开采边界的效果更为明显。纵观采矿技术的进展，能够看到矿山机械的革新是源动力，因此大力进展矿山机械设备是目前国内矿山生产规模化进展的重要保障。随着矿山转入深部矿床开采，由于深井开采存在着高地应力、高温的突出问题，使采矿作业碰到一系列技术难题，要解决以上问题，关键是要成立和完善一套对矿井作业进程和环境状况进行系统科学的实时动态监测、分析和有效控制的技术体系，以数字化、信息化、虚拟化和集成化为基础，实现运算机网络管理的管控一体化的智能化开采。一、智能化矿山的概念为了维持采矿业的竞争优势，芬兰提出了智能化矿山技术计划。该计划的主要目的是通过实现硬岩露天矿和地下矿山的实时生产控制、矿山设备自动化和采用高新技术提高矿山生产效率和经济效益。智能化矿山就是按照矿山历史信息、开采现场信息和市场信息实时控制达到最优经济生产的自动化高技术的露天矿和地下矿，图l为智能化矿山的整体构架。智能化的矿山的大体要素是：(1)全矿信息与数据搜集系统；(2)高速双向全矿通信与信息系统网络(实时监测和控制)；(3)运算机化信息管理、矿山计划、控制和维修系统；(4)与矿山信息网络联网的自动和遥控的机械设备；(5)与公共网络联网的通信和监测系统。图1智能化矿山整体架构二、国内外地下矿山设备智能化的进展状况概述国外地下矿山设备智能化的进展状况从世界范围来看，瑞典的基律纳铁矿和加拿大国际镍公司的矿山是两个依托采矿装备进步来提高采矿效率和增进矿山稳步进展的典型代表。以基律纳铁矿为例，虽然长期开采使得该矿的开采条件逐渐变差，但其年生产能力一直维持在万万吨以上，其中虽有管理水平的因素，但装备和采矿技术的进步是最大体和最重要的因素。在1983年，基律纳铁矿分段崩落法的分段高度为12m，利用阿特拉斯科普柯(AtllasCopco)公司钻孔直径57mm的Simba323型风动凿岩台车钻孔、8t斗容的Cat980型柴油装载机装载。目前分段崩落高度已增加到30m，钻孔主要用重型液压凿岩机或潜孔液压钻机，钻孔直径115mm，85%的矿量采用斗容为15～25t的电动装载机装载，装载作业也由每周5个工作日改成7天有些采区还采用夜班工作制。另外，国外许多公司踊跃地把遥控技术应用于金属矿山，如瑞典LKAB公司在其地下铁矿，采用先进的遥控技术，1人能够同时遥控3台铲运机作业；加拿大的INCO公司利用地下通信、定位与导向和进程监控技术，遥控采矿设备及工艺系统，已成功开发出钻孔、爆破起爆、铲运和喷射混凝土等各项遥控技术。随着遥测技术、数据通信和数据处置和机械手的庞大进步，遥控技术将成为未来采矿一路的特点。国内地下矿山设备智能化的进展状况在我国，凡口铅锌矿和金川公司是两个依托装备进步、改良采矿技术与工艺来提高生产效率的典型地下金属矿山。我国正在朝着智能化数字化的方向进展，自动化调度系统、采矿设备的自动化控制、智能化全世界定位系统等现代技术也已在一些矿山取得推行应用，并取得了专门好效果。但整体水平同国外发达国家相较，差距还专门大。三、矿井设计规范中智能化系统的有关规定一般规定(1)矿井智能化系统的装备标准，应按照矿井设计能力、开采技术条件、机械扮装备水平及智能化技术进展水平等因素，经综合分析论证合理肯定。(2)矿井智能化系统必需以保障生产安全为原则，以提高生产效率、保证产品质量、改善劳动条件、提高经济效益为目的，采用行之有效、质量靠得住的先进技术和设备。(3)矿井安全、生产监控系统宜与运算机管理系统别离组网，并实现网络之间的通信。条件允许时，可实行上述系统的一体化集成。安全、生产监控及自动化系统矿井生产系统自动化及安全、生产监控系统，应以采煤、掘进、提升、通风、运输、排水、地面生产系统等矿井主要生产和辅助生产系统为重点，因地制宜合理肯定其自动化水平和监控范围，并应符合下列规定：(1)主要生产和辅助生产系统均应别离具体情形，对单机、生产环节或系统采用半自动化、自动化、集中监测和控制；(2)大型矿井和条件适宜的中型矿井应成立全矿井安全生产监控系统。(3)宜在下列场所设置工业电视摄像设备：1井底车场；2主井装卸载点；3副井井口房；4井下主胶带输送机机头；5综采工作面；6地面产系统主要环节；7其他需要设置工业视摄像设备的场所。(4)依据现行国家标准《火灾自动报警系统设计规范》规定，应在相关场所设置火灾自动报警系统。条件许可时，宜与安全、生产监控系统联网。运算机管理系统(1)运算机管理系统应以综合管理信息系统为核心，实现各子系统间信息彼此传输，实现矿井办公自动化。(2)运算机管理系统应包括信息管理系统、综合决策支持系统、物业管理系统。(3)新建矿井应组建运算机局域网，实现全矿井资源的共享。(4)矿井局域网应按照矿区的整体计划设计，实现与矿区运算机网络联网。有条件的矿井，宜构建宽带网接入。矿井局域网的接入方式可视具体情形肯定。通信(1)矿井行政电话和生产调度电话宜别离设置。行政电话互换设备和矿井生产调度电话总机应选用程控数字互换设备，被选用矿用程控数字调度互换机时，矿井行政电话和生产调度电话可合用互换机。(2)行政电话互换设备对矿区中继线数量宜按行政电话互换设备容量的5％～10％配置。信号罐笼及箕斗提升信号，应符合下列规定：(1)斜井串车双钩提升的工作信号应为转发式。当起落人员时，必需在运行途中任何地址都有向绞车司机发送紧急信号的装置。(2)矿井地面生产系统集中控制装置，应设有声光兼备的启动预报信号。(3)新建和扩建的矿井井底车场和运输大巷，当在同一水平同时行驶3台及以上机车时，应设置信号联锁装置。(4)井下采用无轨胶轮车运输时，对运输忙碌的区段，应设置交通运输信号装置。四、地下矿山智能化开采的技术实现资源评估与开采计划利用近来新兴的地理信息系统、三维可视化和运算机辅助设计技术，能够使复杂的地质体和矿体空间信息更易理解，更易利用。采用地质统计学的插值方式，将地质结构和矿石品位散布直观的显示在所成立的三维模型上。进而，指定区域的矿石储量通过地质统计工具计算取得。运算机辅助的地质和岩石力学建模技术，提高矿区初始布置、支护条件和后续扩展的设计速度，从而降低投资费用。目前，已有许多整合这些功能的商业软件包，例如：Micromine、Datamine、Surpac、Minesight。都能够用来进行三维开采设计，地质体建模，资源评估和矿山计划。快速准确的信息搜集系统与全数开采进程有关的信息的数字化，是实施地下矿山智能化开采的基础，而开采现场信息的数字化是难点，也是实施智能化监测、控制与调度的关键。为此必需成立基于传感器技术的信息搜集系统。传感器是井下监测、监控系统的神经末梢，是信息获取终端。传感技术产生于多种技术，如：用视频、激光、雷达、热成像来感知环境；机械、热力、核能、光学、化学和电气传感来概念地质及矿物参量；超声波感知空气质量。为了监测数据在网络的发布和共享，从而实现矿山安全的远程监测，以网络为平台的远程专家事故会诊，设备提供商的远程设备运行状况监测等功能，进而把测控网和信息网有机的结合起来，智能化矿山的传感器采用适应井下特殊情形的基于Internet的嵌入式传感器技术，即在传统传感器的基础上实现信息化、网络化、智能化和微型化，其核心是使传感器本身实现TCP/IP网络通信协议，将传感器作为网络节点直接与运算机网络通信。嵌入式传感器的一个重要特性就是即插即用功能，即传感器节点连通后自动在系统中注册，这就保证了井下监测监控系统的灵活性、可扩容性。构建井下综合通信网络智能矿山的主体部份是全矿范围内的、高速度、大容量的双向通信网络，通称为井下综合通信网络。井下综合通信网络具有以下3层含义：(1)传输信息类型的综合性，即同一网络应能够同时传输语音、图像、数据等各类信息，使语音、视频、数据三网合一；(2)通信接入方式综合：普通有线与无线接入方式；(3)能够实现直接、双向的TCP/IP网络通信，从而构建矿山井下Intranet，并通过网关接入Internet。智能开采系统功能实现以覆盖全矿的传感器网络和大容量的综合通信网络为基础，控制中心处置生产进程中产生的数据，确维持续实时监控、生产优化、远程控制和自动运行。人员和设备的定位跟踪系统人员、设备的定位跟踪系统包括硬件和软件两部份。硬件主要包括标签和读卡器。标签用于传送携带者ID号码，而读卡器主要用于记录这些ID号码，并将数据传送到中心办公室或主控室的PC机上。标签通常集成在矿帽内或固定在车辆和其它设备上。读卡器安装在矿井人口处和井下巷道内，当矿工或车辆通过时，系统按照读卡器接收到的标签ID报告其所在的位置，其定位精度取决于读卡器之间的距离。人员、设备的定位跟踪系统软件主要用于存储所有跟踪器的记录情形和实时位置。软件可提供给利用者分类、过滤、搜索和报告生成等功能，并利用这些功能完成数据的实现和全面的记录，从而有效组织生产和调度。远程控制和自动化远程控制使得地下金属矿山大型无支护采场的开采成为可能。辅助以远程视频监控，所有的开采和生产操作都能够通过地表的控制中心来执行，包括测量、开拓、爆破和铲运机装卸等。从而较大程度地提高生产率，降低本钱。采矿机械的自动化对于设计、生产和经济效益有很重要的影响。机械上安装车载的监测、控制和追踪系统，并连接到通信网络。运算机控制端按照响应传感器收集到的信息操纵机械运行。远程控制和自动化减少了系统内人员的数量，同时缩短换班时刻、休息时刻，减轻工人劳动强度，提高设备的利用。生产环境监测预警系统生产环境监测通过网络中的各类传感器对井下温度、湿度、有害气体、微震等进行监测。通过有线和无线的网络传感器，取得对监测对象的信息传送至控制中心。当温度、湿度或有害气体超出设置的范围时，系统当即发出警报。利用GIS技术，按照传感器或摄像机的IP地址即可在运算机显示器上展示其所在位置。系统将监测信息存储进数据库，操纵人员能够通过网页报表的形式查看图表。五、矿山机械设备智能化的进展趋势在“数字化”、“智能化”已成为知识经济重要标志的21世纪，在采矿设备向着大型化进展的同时，随着卫星无线通信技术和微电子技术的飞速进展，采矿设备在开发和应用方面也慢慢开始了自动化和智能化的进程。能够说，目前采矿设备的自动化和智能化已经取得了实质性的进步，无论在露天矿仍是在地下矿，无人驾驶程式化控制和集中控制的采矿设备，已经进入实际研发与应用阶段。在此后的20年里，完善的自动化和信息技术将会在采矿设备取得更普遍的应用，也将会在必然程度上改变采矿方式和提高采矿技术水平。信息、定位、通信和自动化技术的迅速进展和应用，深刻地影响和改变着传统的采矿工艺，无人工作面、遥控采矿乃至是无人矿井等已在瑞典、加拿大、美国、澳大利亚等矿业发达国成为现实。加拿大INCO公司通过地下通信、地下定位与导航、信息快速处置及进程监控系统，实现了对地下开采装备乃至整个矿山开采系统的遥控操作。在当前自动化程度最高的加拿大国际镍公司斯托比矿，除固定设备已实现自动化外，铲运机、凿岩台车、井下汽车全数实现了无人驾驶，工人只需在地面遥控这些设备，就可以够保证采矿工作顺利进行。我国也正在朝这方面进展，自动化调度系统、采矿设备的自动化控制、智能化全世界定位系统等现代技术也已在一些矿山取得推行应用，并取得了专门好效果。但整体水平同国外发达国家相较，差距还专门大。学习国外先进经验，尽力实现我国采矿工艺与采矿设备智能化，提高矿山安全生产度和劳动效率。第一，加速成