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建设智慧矿山 促进安全生产

——矿业创新技术进展之地面监测、无人机和矿山安全浅析

2020-5-28 12:12:58 来源:中国矿业报 作者:高曦 姜焕琴 张炜

推动矿业企业开展技术创新的重要因素之一就是安全,加快自动化采矿设备的发展,建设“智慧矿山”是近年来提高矿山安全性的重大举措之一。

加强地面监测减少安全隐患

目前,用于露天矿山和地下矿山地面监测的3种主要工具是全球定位系统(GPS)、雷达和激光雷达(LiDAR)。虽然雷达技术早已用于活跃边坡监测和边坡坍塌检测,但该技术经过改进和更新后,已成为当前领先的技术应用。

GroundProbe公司是全球领先的露天矿山和地下矿山地面监测解决方案供应商。目前,全向边坡稳定雷达(SSR-Omni)是该公司最先进的系统,旨在通过超高速、全方位的扫描来检测运动热点,以最高分辨率覆盖最广阔的区域。岩土监测站(GMS)是该公司第二种基于激光的解决方案,可对面积广阔的矿区进行长时间监测,监测时间可达数月至数年。该方案专门用于露天矿坑和植被茂密边坡的背景监测,还可对尾矿坝、堆场和掘进巷道的变形进行检测和测量。

2015年10月,力拓公司在澳大利亚的皮尔巴拉地区尝试采用无人驾驶卡车。

总部位于意大利的IDS GeoRadar公司正推广其可用于采矿和土木工程领域的边坡监测干涉雷达。该设备的最大监测范围为4500米,故可部署在安全可达的地点,而无需将人员和设备暴露在危险区域。IDS GeoRadar公司还在推广其HYDRA-U地下遥感监测系统,旨在对即将发生的坍塌事故发出预警,以疏散处于危险中的人员和机械设备。此外,该公司还提供HYDRA-G系统,该系统旨在对建筑物、尾矿坝、巷(隧)道、采矿基础设施和路堑边坡的亚毫米级位移进行预警和实时测量。

探地雷达已广泛应用于地下深部物体探测、公用设施制图、道路与铁路评估以及地质构造调查等领域。IDS GeoRadar公司是全球最大的探地雷达制造商之一,为各个行业提供了一系列探地雷达产品。南非Reutech Mining公司销售的浅表层轮廓仪是一种可在扫描过程中即时反馈岩石结构的探地雷达,其轻巧并符合人体工学的设计专利,允许一名作业人员单手操作即可,就像使用油漆辊刷墙一样。采集到的数据可通过无线网络实时传输和处理,有助于识别如爆破致裂等岩石结构,并且有助于识别存在落石危险的区域。

加拿大泰克资源公司(Teck)在其位于美国阿拉斯加州的Red Dog锌矿业务中,通过将不同颜色、大小如垒球的传感球布置到爆破前的钻孔中进行爆破监测。在爆破之后,可使用手持扫描仪来识别球的移动位置,利用数据绘制爆破过程中矿体移动过程的三维图像。爆破监测系统由澳大利亚Blast Movement Technologies公司(BMT)提供。利用专门设计的BMM Explorer软件计算每个爆破运动监控器的三维运动矢量,更新矿体边界或挖掘高度,以及计算采收矿石的价值、稀释度和分选误差。据报道,爆破运动监测每年可为该公司节省650万加元。

技术创新提高矿山安全水平

随着科学技术的发展,无人机已成为包括矿业行业在内的许多行业中不可或缺的组成部分,而今后的应用将会更加广泛。该技术仍处于发展初期,潜力巨大,不仅可用于露天矿山,也可应用于地下矿井作业。

目前,无人机主要用于区域勘探、地形测绘、堆场库存体积盘点、钻爆设计、设备和矿区(安全)检查以及岩土工程监测和建模。

必和必拓(BHP)自2014年以来一直在使用无人机,并且一直在试验无人机搭载军用级摄像机,以获得矿区的实时航拍影像和三维地图,在其位于澳大利亚昆士兰州的一些煤矿中,无人机用于爆破前的现场清理以及爆破后的烟雾追踪。必和必拓还使用无人机监视矿区交通、道路状况和潜在风险以改善道路安全。维护团队在其位于南澳大利亚州的Olympic Dam矿中,使用无人机来帮助检查塔吊、高塔和高层建筑的屋顶,以避免人员高处作业。该公司目前正在测试专门改装的无人机来进行矿产资源调查。

据报道,巴里克黄金集团(Barrick Gold)自2012年以来一直在其数个矿区使用无人机,从体积测量到环境管理再到施工监测等无所不包。哈萨克斯坦金属集团(KAZ Minerals)的测量人员在其国内的矿区中使用了Q-200 Surveyor Pro固定翼无人机、大疆Phantom 4无人机,以及俄罗斯制造的Geoscan无人机。这些无人机极大提高了大地测量工作的效率、工作的准确性,以及矿区开发的效率。

无人机在矿产资源勘查中的第一阶段应用是测绘,然后可以使用无人机获取地球物理数据。加拿大先锋航空测量公司(Pioneer Aerial Surveys)提供了一种支持无人机的航磁传感器系统,加拿大MWH地质调查公司(MWH Geo-Surveys)通过其无人机航磁系统可提供高分辨率数据。GEM Systems公司是该领域的另一家竞争者,其GEM DRONEmag产品是专为无人机地磁测量而开发的量子磁力仪。芬兰Radai公司同样提供包括磁法勘查在内的无人机地球物理勘查和遥感勘查服务。

高光谱传感器已成为遥感领域广泛应用的关键工具,现已广泛用于地质与矿产资源填图和勘探中。在过去的几年里,已开发出用于无人机的轻型高光谱成像(HSI)传感器。

另一项尚处于早期勘探开发阶段的技术是使用无人机通过随机采样或反向循环钻井从现场获取土壤样本。

采矿作业越来越多地使用无人机执行定期的现场调查,以记录其整个作业过程。相比使用传统方法需要数天时间,使用无人机仅需数小时即可完成。无人机可以采用摄影测量或激光雷达系统采集数据,并且将这些数据导入企业的矿山规划软件中,从而生成随时间变化的可视化虚拟副本。矿业企业还能够依据这些数据来分析大量的土壤、植被、地表水文学和地下水信息,以用于监测和复垦。

在地下矿山中,由于无法获取GPS信号,地下无人机使用SLAM(实时定位和地图创建)系统保障无人机的稳定飞行,开展地下矿山测绘和监测。一家矿业企业使用Inkonova公司开发的可手动操作的基于SLAM技术的无人机TILT Ranger,对其位于马里的一座地下矿山进行了测绘。与此同时,澳大利亚Emesent公司也在其搭载了Hovermap技术的无人机上使用了基于SLAM技术的三维激光雷达地图,可以部署在具有危险性的无GPS的环境中采集三维数据和其他数据,而无需将人员送往有潜在风险的区域。该类无人机还可搭载RGB彩色热成像仪、气体传感器和辐射传感器等,以采集各种类型的有用数据,获取的数据可叠加在三维激光雷达数据上进行可视化分析。三维测量数据可用于调整和设计爆破后的采场形状,监控掘进开采进度,以及分析岩石结构来确定底面稳定性,也可以用于测绘地面矿区资产。

利用无人机从露天矿山采集数据,可以非常精确地生成矿山正射影像、三维模型和高密度点云。从地质和岩土工程技术的角度来看,很可能从中提取出矿物学和岩性数据以及结构和地貌数据。这些数据可用于矿山规划、边坡监控、以及品位控制。

目前,许多矿业企业正在通过定期使用无人机来准确地计算库存体积,以优化其库存管理,如使用极高精度的地形测绘技术来生成高准确度的三维库存模型,该模型可用于估算库存体积。除了提高效率外,还可以避免人员进入潜在风险区域,从而提高安全性。

英美资源集团(Anglo American)一直在使用一支由10架无人机组成的编队来监测其南非Kumba铁矿的工作进度和库存情况。

利用无人机拍摄视频和图像,可以安全且低成本地执行定期检查。可以很方便地对整个矿区和特种设备进行例行检查,并且可以对该区域进行安全监测,不仅包括矿山和工厂,还包括尾矿坝和其他偏远区域。通过设备的不间断作业,可以节省大量成本,并且无需人员直接接触设备,从而提高安全性。尾矿坝定期监测是很重要的一项内容。无人机技术咨询公司skymineUAV表示,当出现径流异常、融雪或降雨等使尾矿坝遭受较强冲击的状况时,可通过预编程的自动驾驶无人机对尾矿坝进行频繁的飞行监测。由于监测和数据处理是自动进行的,所以漏过或遗忘的可能性大大降低,从而解决了资源不足和连续监测问题。

通过无人机获取的数据可在开始钻孔之前对钻孔岩面进行测量和拍照。在装入炸药前,工程人员可以使用钻孔布置的地理参考图像来确认钻孔是否位于正确的位置。爆破后的图像和视频有助于分析破岩过程。此外,通过无人机生成的露天矿山数字模型使工程人员和地质学家能够优化爆破设计,并且精确地对整个矿区的矿石品位差异进行控制和记录。

未来的矿山运营将使用自动驾驶无人机,与矿区的其他主动式人工智能系统相互集成。美国Kespry公司提供了一款自动驾驶无人机并配套了云基软件系统,可用于堆场库存、矿山规划、储量勘探、储量填图以及矿区测量,使客户能够轻松获取、查看、分析以及共享数据。瑞士ABB集团与Kespry公司合作,为其矿物加工行业的客户提供整体航测信息解决方案。

技术创新提高矿山安全水平

开展技术创新的重要推动因素和成果之一就是安全性的提高。自动化采矿设备的发展可能是近年来提高矿山安全性的重大举措之一。小松(Komatsu)2018年底的一份报告中指出,在自动驾驶汽车开始运行的10年里没有发生过任何严重的人员伤亡事故。自动化系统有效避免了作业人员直接驾驶卡车,从而消除了驾驶过程中可能的粉尘、噪声、振动和身体伤害等。

由于面临各种岩土工程和环境问题,地下矿山的健康和安全风险更高。与露天采矿一样,开展地下采矿自动化的目的是提高设备的产能并更好地保障作业人员的安全。除了将作业人员从危险的采矿区撤离外,随着可穿戴技术的发展,正在引进新技术以保护仍在采矿环境中作业的工人。同时,虚拟现实技术(VR)作为一种行业工具,正用于在安全环境中模拟工作场所,以对工人进行培训和教育。

矿业企业现在能够利用可穿戴技术来监控工作场所内作业人员的安全和健康。近年来,矿业行业已开展了可穿戴设备的一些应用,以支持生产过程控制、健康和安全管理以及环境质量监控。可穿戴设备可以根据其功能、外观、与人体的接触程度,以及其他参数进行分类,一般可分为智能服装、智能眼镜、可穿戴摄像头、可穿戴传感器和医疗设备,以及智能手表。可穿戴设备中使用了各种类型的传感器,这取决于预期的用途。

德勤咨询公司(Deloitte)、加拿大Vandrico解决方案公司和美国Cortex Design公司共同开发了一款名为Smart Helmet Clip的智能头盔配件。这种新型可穿戴设备重量轻,可以固定在矿工头盔的后部或前部,内置有用于检测空气中有害气体水平的传感器、辐射传感器、温度和湿度传感器,以及其他根据矿山类型而定的传感器。除了为紧急情况提供黄色到红色的警报系统外,头盔还可以辅助管理人员与矿工之间的通信。Smart Helmet Clip配有车载GPS、加速度计和陀螺仪,可跟踪矿工的移动,或者在发生事故时对没有移动的矿工进行定位。

Jannatec Technolgies公司开发了其第一代ENSO智能头盔,可提供许多定制化功能,包括GPS、电话、LED、摄像头和防撞系统,以帮助其按照规章作业并确保工人安全。

Hexagon Mining公司推出了HxGN矿山个人警报(Personal Alert)装置,这是一种给现场人员佩戴的避险设备,可确保对周围重型设备360o全方位识别;防撞系统可计算车辆的位置、行进方向和路径,而Personal Alert装置的精密测量技术可确定步行人员的距离和位置。Hexagon Mining公司是一家数字解决方案供应商,可以创建自动化智能连接的生态系统。

纽蒙特矿业公司(Newmont Mining)的一个试点项目包括联网工人技术,该技术可以分析卡车司机的面部表情,并且在驾驶员分心走神或昏昏欲睡时发出声音振动警报。该公司还推出了类似于Fitbit公司的可穿戴设备Smartband,可以持续监测员工的睡眠质量和持续时间。驾驶员可借此了解自己出现疲劳或分心的特殊征兆,以及生活习惯的改变如何减少疲劳和改善长期健康。该试验获得了成功,疲劳和分心事件分别下降了87%和68%。

虚拟现实和增强现实技术正迅速成为矿业行业的有效工具。虚拟现实技术的主要用途之一是安全和培训,但是也可以帮助企业和利益相关方更好地理解拟开展的项目以及相关的复垦和环境影响缓解措施。此外,该技术正在帮助完善矿山规划,从产能到环保措施,以及为矿山复垦规划提供支撑。

泰克资源公司已与LlamaZOO Interactive公司合作,后者为前者项目的矿山规划和社区参与创建虚拟孪生系统。虚拟现实技术使人们无需亲赴现场就可以感受身临其境的体验,并且使他们能够“看到”拟建矿山的情况。在虚拟之旅中,用户可以在矿区上空俯瞰所占用的土地、地质模型、现有和规划的设施、需要建设的基础设施及其规模,以及矿区和周边地区的地形。用户还可以在虚拟游览期间提前观摩矿山开发的不同阶段,包括关闭后和复垦后的景观。同时,在虚拟空间中也可以全方位地观看矿体的三维模型。

Barminco公司与技术专家合作,开发了便携式交互虚拟现实培训系统,以辅助提高对危险的认识和“新手入门”培训。除了介绍该公司的安全流程外,该交互式虚拟现实技术培训工具还使用户能够真实地体验地下环境。该技术以真实的第一视角使受训人员感受危险环境。Barminco公司是涉足从矿山开发到生产的机械化硬岩地下采矿服务的国际化供应商。

Sentient公司是一家位于澳大利亚珀斯的软件开发公司,为矿业和资源行业的客户提供功能强大的沉浸式三维可视化、过程控制和自动化解决方案,包括培训和模拟、基于三维动画和导览图的交流和推广、以及实时数据可视化。□

(作者单位:中国地质调查局国际矿业研究中心、中国地质调查局地学文献中心)

资料来源:RFC Ambrian. Report 4 - Ground Monitoring, Drones, and Mine Safety. 2019.8.

网站编辑:宫莉

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