深部智能开采技术是企业必修课

来源:中国黄金网     作者:安月光

2017/12/04

  党的十九大后,我国对矿山安全开采、绿色矿山、智能化引导越来越重视,笔者认为,其深刻内涵就是要用绿色的发展思维,在创新技术的引领下,遵循绿色矿山发展、智能开采的手段,把中国矿山向着国外先进的矿山水平推进。

 

图一 采深1千米以上的金属矿山国别分布

 

 

图二 我国目前主要开采深度超过1千米的矿山

孔钊/制图

 

  党的十九大深刻阐明了我国社会主义进入了新的历史发展时期,进入了新时代。我国正处于工业化进程中的关键时期,也是工业和人均资源消耗强度增长最快的时期,其中,很明显的是,我国黄金消费总量已经从2013年开始成为全球第一。今后20年,我国人均资源的消耗强度也将接近一个新的峰值期。

  目前我国矿产资源短缺依然严峻,无法满足国家工业发展和日益增长的国民对美好生活的需求,主要是由于国内矿山浅部资源不断枯竭,越来越多的矿山开始由露天转入深井,开采难度大,面临的问题多,需要投入技术、资金、人才、先进设备,国家对产业的规范更加严格等面临着太多需要时间去解决的问题。

 

深部智能化采矿是趋势

  亟需开展以采矿装备智能化运行,以及采矿生产过程智能化监控为目标的地下金属矿智能开采技术与装备研究,突破地下金属矿智能开采的关键技术,提高我国矿山企业和开采装备制造企业的市场竞争能力,促进我国从矿业大国走向矿业强国提供技术支撑。

  就目前的全球金属矿现况来说,全球采深1000米以上的金属矿山约有128座。排名前三的是加拿大、南非和中国(具体分布如图一)。

  我国已经超过澳大利亚,居世界第3位。如果按照现在的发展速度,我国在较短时间内深井矿山数量就会居世界第一。据不完全统计,我国目前开采深度超过1000米的矿山有16个(具体如图二)。

  近年来,我国在三山岛金矿西岭矿区1600米~2600米深度,探明了一个金属储量400吨的大型金矿床,为我国在胶东半岛深部等类似矿集区找到更大规模金矿床指明了方向。随着“三深一土”战略的实施及勘探技术和装备的进步,我国在3000米~5000米深部找到更多大型金矿床是完全有可能的。

  因此,深井开采成为矿山发展的必然趋势。“十三五”期间,我国将有50余座金属矿山开采深度超过1000米,少数将超过1500米,有学者研究认为,如果我国固体矿产勘查深度达到2000米,探明的资源量可以在现有的基础上翻一番。如何对未来可能出现的深部资源进行有效利用开发,已经成为亟需思考和解决的问题了。

  目前深井开采面临诸多难题。我国井下金属矿的自动化、智能化开采技术远落后于国外的发达国家,严重制约了我国地下金属矿开采效率和生产安全性的提高,无法满足我国矿业快速发展的需求。

  因此,亟需开展以采矿装备智能化运行,以及采矿生产过程智能化监控为目标的地下金属矿智能开采技术与装备研究,突破地下金属矿智能开采的关键技术,提高我国矿山企业和开采装备制造企业的市场竞争能力,促进我国从矿业大国走向矿业强国提供技术支撑。

  国家相关部门专门对此作出了指导和要求,提出了根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006━2020年)》和863计划(国家高技术研究发展计划)资源环境技术领域的总体考虑,设立“地下金属矿智能开采技术”主题项目。国家安全生产监督管理总局也提出了关于金属非金属矿山领域“机械化换人、自动化减人”两化指导方案和试点单位的实施。智能遥控开采已经成为中国矿山未来发展的主要方向。

  党的十九大后,我国对矿山安全开采、绿色矿山、智能化引导越来越重视,笔者认为,其深刻内涵就是要用绿色的发展思维,在创新技术的引领下,遵循绿色矿山发展、智能开采的手段,把中国矿山向着国外先进的矿山水平推进。

 

深部采矿目前面临困难

  随着矿山开采深度增加,地压增大,岩温增高,矿山的提升、排水、支护、通风等方面的困难也随着增大,因而要求采矿工艺技术和机械设备能适应这种变化。

  我国金属矿山目前大致是三类情况。

  第一类:少数的现代化矿山。代表着国家矿业发展水平,其生产工艺、装备水平、资源回收和综合利用程度、矿山数字化信息系统建设,基本接近或达到矿业发达国家的水平。

  第二类:相当数量的中等技术水平的中型矿山。机械化水平为上世纪六七十年代的水平,资源回收率和综合利用率程度不一,生态环境问题突出,管理水平与国外相差较大。

  第三类:大量的小型矿山。非机械化劳动所占比重很大,管理粗放,安全问题、环境问题、资源浪费问题较严重。

  同时,大部分露天矿山面临着地表资源枯竭转向井下开采,井下矿山面临向深部开采的问题。

  目前,国内外仍处于建设“无人矿山”的初级阶段。在此阶段,无人采矿的核心技术仍然是采矿工艺和生产组织管理的自动化与智能化。

  西方国家上世纪80年代就开始实施井下工作面的无人采矿,而目前我国不少矿山就连全部机械化作业还做不到。

  从总体上看,我国的采矿技术在许多方面还是落后于发达国家,井下作业设备简陋,机械化程度低,工人在井下密集作业情况较多,采矿装备水平低下,采矿生产效率不高,装备国产化率很低,尤其是大型装备与发达国家之间的水平还相差很大。

  我国露天开采的回收率为80%~90%,而地下矿山只有50%~60%。地下矿山传统采用两步骤回采模式,所留下占矿量40%~50%的矿柱,采空孔难以回收。深井矿山是目前回收率低的主体,造成大量资源损失,必须从根本上改变。另外,为了资源的高效开发利用,要大力推进采矿工艺和采矿技术的创新。

  笔者认为,必须加大研发和投入的力度,采用先进的科学技术,不断提高地下矿山的装备水平,向装备的自动化、机械化、智能化方向发展。目前世界上地下矿山都在追求安全高效开采,机械化水平、自动化水平不断提高。

  无人采矿的智能化模式是应对不断恶化的深部开采条件和环境条件的主要途径。

  为了把握矿业发展的大趋势,稳步推进金属矿业现代化,金属矿业发展将呈现绿色开发、深部开采、智能采矿三个方向,这将是中国矿业未来发展紧扣的主题。

  那么,什么是深井采矿?技术界尚无明确统一的概念。一般认为,由于矿床埋藏较深,使生产过程出现一般矿床开采时不曾遇到的技术难题的矿山生产,即为深井采矿。

  但是,深与浅、难与易是相对的。随着采掘技术和矿山机械设备性能的发展和提高,开采深藏矿床的矿山越来越多,开采深度越来越大,原来认为是深的,现在就不再属深;原来是难的,现在也不再困难。或许正因深浅难以划分,故人们没有去探讨确定深井采矿的统一概念。

  但随着矿山开采深度增加,地压增大,岩温增高,矿山的提升、排水、支护、通风等方面的困难也随着增大,因而要求采矿工艺技术和机械设备能适应这种变化。

  目前国内通常将深度超过1000米的矿山称为深井采矿。

  我国现阶段的金属矿山开采深度一般都不超过700米~800米,但近年有色金属行业有二分之一的矿山已过渡到深部开采,已有一些埋藏深度达1000米左右的矿床正在开发。

  我国矿山尤其是金属矿山正逐步走向深部开采阶段,但是,深部开采面临着诸多环境和技术难题。对于正处于自动化向智能化过渡的国内矿山而言,绿色开采、深部开采是其未来发展中必然要考量的主题。而融合绿色开发、智能采矿在内的新理念、新模式、新技术,成为深部安全、高效、环保开采的关键。

  随着地表资源量不断减少,浅部矿产资源开采程度的提高,深井矿山数量与日俱增,据统计,全国有三分之一的矿山,将进入千米以下的深井开采。未来30年,矿山更多将由露天矿山占主体转变为深井矿山为主体。

  但是伴随着采矿的深度越来越深,采深到1000米以下,带来了许多在浅部采矿没遇到的问题,如通风和岩爆。由于矿体埋藏太深,井下岩石温度升高,深部岩石压力加大,深部地区岩爆也可能发生,因此,深井即“三高一扰动”的复杂力学环境因素是未来深井开采面对的主要问题。这将给开采带来许多意想不到的困难。

 

探索和实践深井开采技术

  如果说,过去20年,全球采矿技术的发展是矿山机械化的发展促进了采矿工艺的变革,那么今后20年,将由矿山自动化、信息化、智能化技术对采矿工艺的变革起主导作用。

  深井采矿更多面对的是采的难度与安全的问题,国内部分矿山已经率先尝试进行深井智能远程遥控采矿技术。

  如何实现智能远程遥控开采技术,多年来我们进行了以下技术探索和实践。

  智能采矿是指以智能化、自动化采矿装备为核心,以高速、大容量、双向综合数字通信网络为载体,以智能设计与生产管理软件系统为平台,通过对矿山生产对象和过程进行实时、动态、智能化监测与控制,实现矿山开采的安全、高效和经济效益最大化。矿山企业的机械化、自动化、智能化是大势所趋,是缓解劳动力红利逐渐消失的国内矿业行业发展的需求。

  作为国内无人驾驶远程遥控系统,其实现的核心手段有远程操控中心系统、无线接收系统、数据处理中心系统、视频显示系统、无线网络传输系统、智能导向控制系统、安全控制系统、深井定位技术系统

  实现“智能遥控采矿”,将为矿山发展带来深远影响。

  实现采矿作业室内化,可最大程度地解决矿山生产安全问题,特别是金属矿山转入深部开采的情况下,大批矿工将远离高温、岩爆的恶劣环境。实现生产过程遥控化,井下工人将大量减少,可大幅地提高劳动生产率,降低井下通风降温费用,使企业的竞争力大幅提升。

  实现矿床开采规模化,由于矿山产能可大幅提升,劳动效率高,成本将大幅下降,低品位矿床有可能得以更充分利用。实现技术队伍知识化,由于传统产业向知识型产业过渡,职工的技术素质大幅提高,队伍结构和工资待遇将大大改善。推动矿业的全面升级,可使金属矿业实现跨越式发展,从矿业大国过渡成为矿业强国。

  此外,还将带动国家的信息产业,机械制造等相关产业链的延伸和发展。

  如果说,过去20年,全球采矿技术的发展是矿山机械化的发展促进了采矿工艺的变革,那么今后20年,将由矿山自动化、信息化、智能化技术对采矿工艺的变革起主导作用。

  随着近年研发技术的不断投入和加大,我们先后开发出了矿用一系列产品和核心技术,包括具有自主知识产权的矿用智能遥控开采技术,在智能化装备、通信、智能导航、无线传输等方面,在矿山智能开采上作出了大量探索,先后在视距遥控技术、智能远程遥控开采技术上已经成功运用。

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