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科技
作者:陳宗珩
2020-04-30 19:06
[億歐導讀]

3月3日,發改委等部門出臺新政,明確指出要健全煤礦智能化標準體系。 露天開采由于在安全等方面具有較大優越性,本文從露天礦區出發,探討露天礦區數字化現狀及其無人化主要應用場景。

露天開采

題圖來自“公開圖片”

國家發展改革委、國家能源局等部門于2020年3月3日印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》提出,到2021年,建成多種類型、不同模式的智能化示范煤礦;到2025年,大型煤礦和災害嚴重煤礦基本實現智能化;到2035年,各類煤礦基本實現智能化,構建多產業鏈、多系統集成的煤礦智能化系統,建成智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系。

露天開采由于在安全等方面具有較大優越性,已成為資源開采的首選開采方法。本文從露天礦區出發,探討露天礦區數字化現狀及其無人化主要應用場景。

露天開采在采礦工業中占據重要地位

相比地下開采,露天開采具有不可比擬的優越性。20世紀以來,煤炭、冶金、建材、化工等行業的露天開采得到廣泛發展,約2/3的礦產資源露天開采。本文以露天開采為例,介紹數字化礦山的現狀與未來發展。

2017年,全球年產煤80億噸,其中露天開采50億噸,美國、澳大利亞、俄羅斯露天采煤量占比均在50%以上,部分國家甚至高達90%。中國露天礦數量由建國初期的10余座增加到2017年的400余座,采煤量約5.28億噸,只占全國總煤炭產量的14%,露天采煤量占比遠低于國際水平,具備很大的增長空間。

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國內其他礦產如鐵礦石露天開采比重高達86.4%,銅礦、鋁土礦、稀土礦等露天開采占比均高于60%。煤礦雖占比較低,但是由于其總產量龐大,也是露天開采不可忽視的一部分。

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數字化賦能露天開采全流程

礦山建設一般經歷以下三個階段:

  • 勘探及建設立項階段:礦床初步勘探、詳細勘探、項目建議書、可行性研究及設計任務書。

  • 建設設計階段:初步設計、技術設計必要時在初步設計后還要增加技術設計。

  • 設階段:施工、試車、投產(生產)及總結驗收。

“數字化礦山”(digital mine)是對真實礦山整體及其相關現象的統一認識與數字化再現。

礦山數字化信息系統包括以下子系統:

礦區地表及礦床模型三維可視化信息系統,服務于勘探及建設立項階段、建設階段

礦山規劃與開采方案決策優化系統,水文地質及巖石力學數據采集、處理、傳輸、存儲、顯示與探采工程分布集成系統,服務于建設設計階段

礦山主要設備運轉狀態信息系統、生產環節監控與調度系統、礦山環境變化及災害預警信息系統、礦山經營管理及經濟活動分析信息系統,服務于建設階段。

在礦山的建設過程中,建設生產階段為露天開采耗時最長、耗資最大的部分,也是數字化礦山應用最廣,融合程度最高的階段。

以生產環節的數字化建設為例,主要分為管理層、操作層、執行層和傳輸層,前三個環節的數據通過傳輸層流通,實現礦山網絡的一體化管理。

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指令和信息通過管理層、操作層、執行層的順序自上而下進行,管理層通過數據分析、感知計算等技術方法,結合作業計劃、調度管理等管理方式整體把控整個礦山的信息,并下達指令。

操作層收到管理層的指令后,通過地面控制終端、遠程操縱臺等,實施遠程操作,通過中央控制屏和按鈕箱等管控具體生產環節,以及通過BI平臺等進行經營管理和經濟活動分析等。

執行層包括機器(裝載設備、鏟運設備、運輸設備)、儀器(傳感器、儀表)、人員,直接進行生產環節的施工工作。

傳輸層負責整個礦山的數據傳輸,與各層級之間均有數據交換,從最上層的GNSS、通訊基站,到中層的安全監控網、智能交換機,再到底層的路邊傳感器、定位儀等,使得所有生產數據、位置信息都能夠輸送到合適的位置并做出相應的處理。

數字化礦山形成的管控一體化系統,綜合考慮生產、經營、管理、環境、資源、安全和效率等因素,實現整體的協調優化。

無人化才是礦山開采的終極目標

中國一些重點礦山目前已經建設了包含不同內容的礦山數字化信息系統。數字化礦山的代表企業東方測控、華夏天信等企業已服務較多國內煤炭產量50強企業。數字化礦山不是未來時,而是現在進行時。

然而,對于礦山開采來說,無人化才是終極目標。

2014年,陜煤化集團黃陵礦業一號煤礦1001綜采工作面實現無人開采。實現了工作面割煤、推溜、移架、運輸、滅塵等操作自動化運行,達到了工作面無人作業的目的。

雖然當前已經有成功案例,但是受制于成本、環境等因素,礦山完全無人化仍有很長一段路要走,細分流程的發展研究是現在礦山無人化的主要發展方向。

在無人化作業中,當前前景最大、發展最快的是無人駕駛運輸車環節,運輸車主要應用在礦山生產工藝的采裝、運輸和排卸環節。

在采裝環節中,運輸設備主要作用是裝載由挖掘設備采掘的松散的礦巖。

在運輸環節中,運輸設備將采場采出的礦石運到選礦廠、破碎站或貯礦場,把剝離的巖土運送到排土場,將生產過程中所需的人員、機械設備和材料運到作業地點。

在排卸環節中,運輸設備將礦石/巖土排卸到貯礦場/排土場。

總體來看,運輸工作在露天開采工藝中占據重要地位,其基建投資額占總基建費用的40%~60%,運輸成本和工時分別占礦石總成本和總工時的一半以上。合理運用無人駕駛技術,不僅可以降低礦上運營成本、提高勞動生產率、提高礦上生產能力,還可以通過運輸環節管控來提升露天礦整體的管理工作水平。


本文來源于億歐,原創文章,作者:陳宗珩。轉載或合作請點擊轉載說明,違規轉載法律必究。

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