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为智能化绿色开采探寻技术路径

——2018中国国际矿业大会系列报道之四

2018-10-24 11:01:50 来源:中国矿业报社 本报记者:吴启华 刘盼盼

在2018中国国际矿业大会的专题论坛中,采矿论坛格外引人注目,这一切皆因为它内在的“学术”味道。以“科技引领、绿色开采”为主题的第十一届全国采矿学术会议于10月19日在天津举行。据介绍,为了更好地促进矿业技术的交流,按照矿业大会组委会的安排,把这个学术会议作为今年国际矿业大会的一个重要组成部分一并举行。

本届中国国际矿业大会组委会主席、中国矿业联合会会长彭齐鸣在会上致辞时表示,人类的经济社会活动永远离不开矿产资源提供的材料保障。我们要做的就是改变固有的低效的开采方式和先开采后治理的理念,逐步向更高的水平迈进,实现智能开发、绿色开发。智能化绿色开采,不仅能生产出高质量、低成本的矿产品,更能使矿业这座金山银山无痕地融入到绿水青山,还会带来新的金山银山和更美的绿水青山,这也是我们矿业重塑形象的一个起点。

采矿论坛现场

近年来,很多企业已经在绿色矿业建设方面取得了非常显著的进展,而这很多都得益于新的采矿技术的应用。在本次会议上,来自有关院校的专家学者、矿业企业负责人对绿色开发先进技术和经验理念做了分享。

专家指点迷津

“绿色开发是保证矿业可持续发展的命脉,也是保证本世纪中叶建成美丽中国而国家允许的矿业开发模式。这是新时代保护生态环境制度的刚性约束和不可触碰的高压线。随着浅部资源逐年减少、枯竭,开发深部资源是维持我国矿产资源有效供给、保证我国国民经济可持续发展的最主要途径。研发颠覆性的采矿新技术、新工艺,实现深部遥控智能化无人采矿,是实深部矿产资源开发安全高效最大化的必由之路。”北京科技大学教授、中国工程院院士蔡美峰以“矿产资源绿色智能深部开采关键工程科技战略研究”为题,分享了绿色开发、深部开采和智能化采矿未来矿业开发的三大主题。

蔡美峰表示,绿色采矿的主要方法有:一是将采矿与生态环境作为一个大系统进行研究。不只把矿产看作资源,同时把土地、河流、地下水、植被等构成环境生态的各种要素都当作资源加以保护和利用。二是通过科学设计并采用先进技术,将采矿对环境扰动控制在允许的范围内,以最小的环境扰动获取最大的资源量和经济效益。三是采选过程采用无废或少废的工艺技术,实现废料产出最小化;避免和控制废弃物排放对环境和生态造成污染和破坏。四是与采矿同步开展矿山土地复垦与绿化。采矿过程中保持矿区完整的生态体系;开采结束以后只需要少量甚至不需要进行末端治理,就能使矿山生态环境与自然生态环境有机地融为一个整体。

蔡美峰表示,我国深部开采面临深部高地应力、深部岩性恶化、深井高温环境、深井提升等关键问题,需要破解。

岩爆是一种由采矿引起的人工诱发地震,它和天然地震一样,都是一个能量聚集、演化和突然释放的过程。天然地震的能量来自于地球的构造运动,矿山岩爆的能量来自于采矿开挖扰动。因此,借助地震学中能量与震级的关系式,可以根据开采扰动能量的大小,对潜在的岩爆趋势与级别作出预测。基于采矿过程,通过开采造成的扰动能量分析,能够实现对开采诱发岩爆的趋势和震级作出理论上的预测。“当前主要问题是岩爆检测和实时预报还缺少成熟技术,准确的岩爆短期和临震预报还做不到。这同样要依据岩爆诱发机理,尽早开发出智能化可视化的岩爆精准探测与预报技术及设备。”蔡美峰表示。

目前国内外采用的矿井降温技术包括两种,一种是非人工制冷和人工制冷技术。通风是主要的非人工制冷降温技术。但井深超过1000米后,单靠通风不能达到降温的要求,必须同时采用人工制冷的降温技术才能得到降温要求。人工制冷降温包括水冷和冰冷两种。目前我国采用人工制冷降温的深井矿山只有很少几个,而且我们降温的设备多数是从国外引进的,价格昂贵,很难在我国大范围地推广应用。蔡美峰认为,为了高效解决深井降温问题,必须发展主动式降温技术,重点在以下两个方向:深井高温岩层隔热技术和深井地热开发技术。深部采矿和深部地热开发的有机结合,将为我国成为未来的采矿强国作出贡献。

蔡美峰认为,为适应深部开采条件还需要对传统采矿工艺进行系列变革。

遥控智能化无人采矿是应对不断恶化的深部开采和环境条件的最好的方法,最大限度地提高劳动生产率和采矿效率、保证开采安全的最根本、最有效、最可靠的方法。目前,国内外采矿仍然还在无人矿山的初级阶段。为了实现无人采矿从初级阶段向高级阶段的过渡,对传统的采矿模式、采矿技术、采矿工艺和管理手段进行根本性的变革是完全必要的,其中包括开发和创新一系列具有颠覆性的技术和方法。近几年,国内的一批矿山通过数字化矿山建设,遥控智能化作业水平有了长足的进步。特别是煤矿进展显著。

关于智能采矿,北京科技大学教授明世祥分享了题为“智能采矿技术在金属矿山的应用与发展”的报告。

现在智能开采的现状怎么样?明世祥表示,金属矿不同于煤矿,煤矿矿体赋存比较规范、比较规整,金属矿形态都是比较复杂的、不规则的,倾角都是比较大的,都是立体性开采的。所以,露采金属矿实现智能化开采相对是比较容易的,但是井下实行智能开采的难度就比较大。国外地下矿山智能开采技术,主要体现在采掘、运输环节上,在一些辅助的环节上也没有完全达到智能化的条件。“我国大多数是老矿山,资源不足,系统改造难,采矿方法复杂,适合高强度开采的矿体比较少。将来采矿自动化的程度、数字化的发展比较快,必然能够推动地下智能矿山的建设。深井开采越来越多,也逼迫我们需要推进智能化矿山建设。”明世祥说。

在采矿灾害防治和预警方面,专家们也给出了方案。

我国矿产资源尤其是金属矿山条件都不是很好,而且在这种情况下,越到深部矿山灾害会越来越多,深部开采面临着岩爆、煤瓦斯突出等问题和挑战。安全的最后一个问题就是预警,预警是保证安全的重要手段。东北大学教授、“长江学者”朱万成以“采矿岩石力学与金属矿灾害预警”为题,分享了四个方面的内容:关于岩石力学在金属矿采矿里面的应用的基本背景,关于采矿灾害预警的一些基本的学术观点,岩石破坏机制与采矿之间的联系,以及几个工程的实例。他认为,现在没法圆满回答“一个地方能不能发生垮塌或者岩爆”、“什么时候发生”这样的问题。“在矿山,我们爆破开挖有可能发生岩爆,但是这种岩爆不是这个地方采动了马上发生,或者这个地方采动了这个地方发生。要找到时间、空间跟现在的状态有联系,但是又不是直接的联系,直接的联系到底在哪里?怎么找到这个联系?这是岩石力学需要解决的问题。”他借助他的导师唐春安的观点分析,地震跟矿山发生灾害相比,地震设计的介质不清楚,难以了解震源的性质,但是矿山围岩结构相对清晰,但是也不是完全清楚。地震涉及到的时间跨度很长,但是矿山频繁采动,可以让人们更多地去理解或者了解它这个应力采动影响的范围或者程度。另外,地震面积比较大,难以建立分析模型,但是矿山的灾害是一个工程的尺度,相对容易把握,通过数值预测等方法可以对它的灾害有一定的把握。在深部开采过程中,诱发的短中期重复岩爆活动可以为掌握岩爆规律提供条件。在这个背景下,我们希望研发一个云平台。通过云平台,首先要研发它的大脑,这就必须要有实验数据、理论模型和现场监测数据。有了这个立足条件,还必须有一个抓手,即建立基于监测数据挖掘和数值模拟预测相结合的预警方法。“通过预测监测不断的循环,在同一个位置不断地提高数据获取量,加深对这个位置岩体的响应信息或者灾害发生可能性的认识程度。最终基于此,我们希望能够做到预测。”

我国有56%的煤矿矿井因自燃从而损失了大量的宝贵资源,不仅每年投入防灭火的经费非常多,而且污染环境。辽宁工程技术大学原校长、教授王继仁以“煤炭自燃机理理论与实践”为题,分享了他的研究成果。他表示,在煤炭自燃机理方面的研究上,近些年他们做了大量的尝试。研究发现,煤炭自燃由活性最大的含氮、硫、磷活性侧链基团与氧反应引起,活性基团与氧吸附放热是导致煤炭自燃的原动力。煤炭自燃难易的增重活化能判定方法。找到活性基团的数量和质量,来用一种阻化、惰化的物质,把活性基团进行惰化、阻化,突破了传统上认为的强盐吸水隔氧的阻化机理。

企业传经

随着核电的规模化发展,铀产业迎来了新的发展机遇。积极推动国内铀资源和海外铀资源勘查开发,对于满足我国核能发展的需求和促进经济社会发展,实现能源、经济和生态环境的协调发展,提升铀资源可持续发展水平具有重要意义。

论坛上,中国铀业有限公司总工程师苏学斌为大家介绍了我国第三代铀矿采冶技术发展和工程应用。

苏学斌表示,我国铀业经过了60年的发展,形成了三代技术:第一代技术从1958年开始,是以常规采矿和搅拌浸出为标志的天然铀生产技术体系;第二代采铀技术是从1985年发展起来的堆浸工艺和酸法地浸采铀工艺;第三代技术是以二氧化碳加氧气地浸采铀技术,该技术既环保又安全,它首次实现了从浸出试剂根源和工艺流程方面控制污染源产生,颠覆了铀资源开发中“先污染后治理”的传统环保理念,最大限度地保护了地下水。

技术的革新是实现绿色开采的原生动力。会上,招金矿业股份有限公司副总裁王春光分享了他们公司关于绿色开采技术的创新经验。主要有以下几个方面:

第一,低品位资源开发利用技术。黄金作为稀缺不可再生资源,目前受矿体赋存状态、技术水平、市场动态等因素影响,资源综合利用水平低,存在浪费资源的问题,招金矿业始终注重低品位资源的盘活和利用,研发了智能辅助决策软件,可快速圈定矿体,估算资源储量,建立三维模型。同时,进行不同技术经济指标条件下的矿床经济评价,从而实现资源储量可视化管理与经济开采,对减少勘探成本、提高资源利用率、优化矿山规划设计,科学指导矿山日常地测生产具有显著效果。

第二,深井开采制冷降温技术。随着浅部资源开采枯竭,深部开采将成为未来的主趋势,而开采深度的增加所带来的高压、高地温等问题日益突出。在高温高压环境、安全高效开采方面,招金矿业成功实施了国内首个非煤矿山井下制冷降温项目,采用井下制冷、井下排热方式进行降温,使得作业面的温度由原来的35摄氏度降到现在的27摄氏度,大大改善了作业环境,提高了作业的效率。

第三,松软矿体空场嗣后膏体充填技术。针对井喷下面矿体松软、强度极低、顶板无法控制、采场稳定性差等问题,招金矿业与科研单位合作,成功在新疆地区建设成了首个膏体充填站。投入运行后,生产能力大幅提升,延长了矿山尾矿库的服务年限,提高了井下作业的安全性。

随着矿业行业的快速发展,产生了许多关于信息化、智能化建设的概念。其中,数字矿山、智能采矿是目前比较受关注的概念。

那么什么是数字矿山?数字矿山的发展是怎样的呢?会上,长沙迪迈数码科技股份有限公司董事长王李管与大家分享了题为“数字智能化与未来矿山建设”的演讲。

他表示,数字矿山是指以矿产资源开发过程数字化信息为基础,对资源、规划、设计、生产和管理进行数字化建模、仿真、评估和优化,并持续应用于矿山生产全过程的新型矿山技术体系和生产组织方式,也叫数字化矿山。而智能采矿是在数字化矿山的基础之上,利用系统工程理论及网络自动控制和人工智能等技术,以开采环境数字化和采掘装备自动化为特质,实现采矿计划、生产、调度和决策等过程的智能化,是现代矿山信息化发展的新阶段。

从未来采矿趋势发展来看,采矿技术的进步取决于两个方面,一是装备和技术的进步,二是随着装备技术的进步,开采模式也将改变。

那么,未来采矿技术将向什么方向发展,我们又该如何建设世界一流矿山,用什么样的标准去衡量呢?在论坛上,王李管也发表了自己的看法。

他介绍,世界一流矿山包括设备一流、管理一流、系统一流。对于建设世界一流矿山,他认为,可以通过数字化、信息化、智能化,对传统的一些技术流程、技术方法进行改变,进而提高传统装备的工作效率,实现自动化、智能化。在管理上,打破过去只考虑单个装备、单个系统的性能,而应该注重全作业链的协同,也就是整个矿山生产的每一个环节,做到一盘棋。同时,要以全流程、全员、全要素、全过程的数据为核心,把数据统一起来。因为矿山的信息化发展有很多孤岛,在基于生产技术和管理这三个层面上要把数据打通,建成一个好的数据中心和协作平台,由人找数据变成数据找人。

此外,王李管还表示,在信息化、智能化规划方面要充分考虑到业务的特点,包括地质、采矿、选厂等全过程,以资源开发为核心。通过我们的采掘进度计划引出一系列的计划,主要从业务上要有一个全覆盖。从国际的经验来看,实现智能化有三个层级:第一个层级叫装备的智能化或者叫自动化,第二个层级叫系统的智能化和自动化,第三个层级叫整个企业的智能化。这三个层级是有共性的,但也有不一样的地方。因此,在未来矿山建设的过程中,各个工艺环节需要采用专业的硬件产品,在不同层级解决不同层级的问题,同时也要考虑整个作业链的各个工业系统环节,高度协同。

随着《中国制造2025》逐步深入,矿山企业正在加快以智能矿山为目标的战略转型,电机车无人驾驶作为智慧矿山的重要标志正在被越来越多的矿山企业认可。无人驾驶系统的实施不仅减少作业人员,还能改善工作环境、增加设备运行时间、提高生产能力,真正达到本质上的安全生产,实现机械化换人、解放人的目标。

虽然国内电机车无人驾驶起步比较晚,但是发展比较快,国内企业一直在持续研究和推进,并付诸于实施,已实现了遥控控制和自动行驶相结合的无人驾驶体系,但是与国际先进技术相比,还未达到全自动化的目标。

会上,丹东东方测控技术有限公司通讯导航部部长白洪亮围绕“井下采矿无人驾驶技术”主题,为大家阐述了目前国内无人驾驶的关键技术——

一是系统架构,整个无人驾驶系统由三个层面构成,最底层是车载控制系统,还有一个放矿机控制系统,中间环节是通讯系统,井下接一个光线管网,上面带了很多无线通讯基站,地上就是控制中心和操控台,主要包括:机车无人运行控制系统;机车精确定位系统;轨道障碍物识别和防碰撞;安全应急保障系统;机车及各设备自身健康状况监测技术;机车优化调度及信集闭系统;变速巡航系统;子装矿系统;通信保障系统;溜井和卸矿坑料位监测技术。

二是机车精确定位导航技术。该定位精度要求5厘米左右,所以在井下这一个环节,如果实现定位应该是多种定位方式相结合的定位体系。另一个就是网络,因为电机车是一个与外隔离的系统,要通过无线网络把高清视频和所有的控制信号传到上位机,绝对不能延迟,有延迟就容易导致机车失控,更不能断网或者有盲区,否则安全隐患太大。

三是自动装矿技术。自动装矿技术是实现整个无人驾驶最难的环节,它主要包含:车斗的精确定位、车厢的蠕动控制、放矿机控制、装车车厢料位控制,还有大块自动检测,大块自动检测实际上是放矿控制中比较难的一个环节。

四是变速巡航技术。它可以实现电机车的无人驾驶,主要针对所有的轨道、路段建模。电机车走到每一个位置的速度是预先设定好的,比如,什么时候升弓,什么时候降弓,什么时候避让,所有过程做完,电机车就能实现自主运行。此外,在车前安装一个探测雷达,便可以往前扫射大概70米~100米的距离。在井下也建立了直道和弯道三维模型,通过前探雷达扫描与三维模型匹配,再结合机车视频的自动识别,可以检测到前方的轨道上是否有人、是否有其它设备,机车之间是否有足够的安全距离,必要时采取自动紧急刹车,实现主动安全。

五是安全应急保障技术。该技术也可以说是一套安全保障机制,它包含机车行驶路线的分段闭锁、机车防碰撞检测、机车分段限速及断电控制、轨道障碍物检测、定点及车载视频监控、应急处理预案、各岗位标准的操作规程、安全管理规范。

随着采矿技术的不断进步,我们希望,第十一届采矿学术分论坛会议的召开,可以为广大矿业从业者带来更多的收获,为我国矿业的发展注入新的活力,为践行绿色发展理念、实现智能采矿和数字矿山、建设美丽中国做出贡献。□

网站编辑:宫莉

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