伴隨著淺部礦產(chǎn)資源開采程度的提高，我國礦山尤其是金屬礦山正逐步走向深部開采階段。但是，深部開采面臨著諸多環(huán)境和技術(shù)難題。對于正處于自動化向智能化過渡的國內(nèi)礦山而言，綠色開采、深部開采是其未來發(fā)展中必然要考量的主題。而融合綠色開發(fā)、智能采礦在內(nèi)的新理念、新模式、新技術(shù)創(chuàng)新，成為深部安全、高效、環(huán)保開采的關(guān)鍵。作為礦業(yè)未來發(fā)展的方向，智能采礦如何保障深部開采，將會在深部開采中開拓出怎樣的一條“通途大道”?
(一)深部開采，既是礦業(yè)發(fā)展的必然，也是探索深地奧秘、開拓深地礦床的前沿。
經(jīng)過新中國成立以來60多年的勘查開采，我國淺部礦產(chǎn)資源逐年減少，開采深度在千米以內(nèi)的金屬礦產(chǎn)資源正在逐步消耗殆盡。
礦產(chǎn)資源特別是金屬礦產(chǎn)資源開采正向深部全面推進(jìn)，一些金屬礦山將逐步由千米以內(nèi)向1500米及以上深井發(fā)展。統(tǒng)計(jì)顯示，2000年以前，我國只有2個金屬礦山開采深度達(dá)到1000米。進(jìn)入21世紀(jì)以來，其發(fā)展速度很快，目前已有16座地下金屬礦山采深達(dá)到或超過1000米。其中，吉林夾皮溝金礦、云南會澤鉛鋅礦和六苴銅礦、河南靈寶釜鑫金礦均超過1500米。
此外，全國找礦突破戰(zhàn)略行動通過在整裝勘查區(qū)、礦山深邊部找礦，發(fā)現(xiàn)了多個深井礦床，例如思山嶺鐵礦、濟(jì)寧鐵礦、大臺溝鐵礦、陳臺溝鐵礦、瑞海金礦、三山島金礦西嶺礦區(qū)等。
有專家預(yù)測，我國將有近30余座金屬礦山進(jìn)入地下1000米以下深度開采，其中有近10座礦山將進(jìn)入1300~2000米深度開采;未來5~10年，將有1/3以上的礦山進(jìn)入1000米以深的開采深度。
但是，深部開采作為礦業(yè)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，也面臨著諸多挑戰(zhàn)。
深部巖體地質(zhì)力學(xué)特點(diǎn)決定了深部開采與淺部開采的明顯區(qū)別在于深部巖石所處的特殊環(huán)境，即“三高一擾動”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，使得諸多關(guān)鍵難題需要破解——一是深部高應(yīng)力問題。深部高應(yīng)力可能導(dǎo)致破壞性的地壓活動，包括巖爆、塌方、冒頂、突水等由采礦開挖引起的動力災(zāi)害。二是巖性惡化問題。淺部的硬巖到深部變成軟巖，彈性體變成潛塑性體，這給支護(hù)和采礦安全造成很大負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響采礦效率和效益。三是深井高溫環(huán)境問題。巖層溫度隨深部以1.7℃/100米~3.0℃/100米的梯度增加。深井的高溫環(huán)境條件嚴(yán)重影響工人的勞動生產(chǎn)效率，而為了進(jìn)行有效降溫，又必將大大增加采礦成本。而隨著開采深度的增加，礦石和各種物料的提升高度顯著增加，提升難度和提升成本大大增加，并對生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。
同時，超大規(guī)模超深井開采中涉及安全生產(chǎn)的建井施工、采礦工藝、提升運(yùn)輸、通風(fēng)降溫、充填、巖移預(yù)測等重大問題的解決，離不開深井提升鋼絲繩檢測裝置、大處理能力的尾礦濃縮貯存裝置、超大規(guī)模金屬礦井運(yùn)輸智能控制系統(tǒng)等關(guān)鍵裝備的研發(fā)應(yīng)用;深部金屬礦山開采相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也有待建立和完善。
這些深部開采中的關(guān)鍵難題，同時也是未來智能采礦中需要面對和處理的核心問題。
此外，我國礦山面臨的來自礦業(yè)市場、轉(zhuǎn)型發(fā)展以及國家安全環(huán)保政策方面的壓力與挑戰(zhàn)，也促使其通過提升機(jī)械化、自動化、智能化水平，以提高生產(chǎn)效率和資源利用率，在推進(jìn)“機(jī)械化換人、自動化減人”，建設(shè)地下礦山安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”、“尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)”等的過程中，提升整個礦山的現(xiàn)代化水平。
(二)針對礦山開采面臨的新形勢和新挑戰(zhàn)，業(yè)內(nèi)專家提出了一條解決途徑——智能礦山。這也是礦山未來發(fā)展的詩與遠(yuǎn)方。
北京礦冶研究總院張?jiān)淌谡J(rèn)為，“智能礦山”是“工業(yè)化”與“信息化”的有機(jī)結(jié)合和新的發(fā)展階段，是“互聯(lián)網(wǎng)+礦山”的本質(zhì)體現(xiàn)，其終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“無人采礦”。“智能礦山”是采用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、地理信息技術(shù)(RS\GIS\GNSS)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、智能機(jī)器人、軌道交通技術(shù)、無線通信技術(shù)、自動控制、計(jì)算機(jī)軟件、移動互聯(lián)網(wǎng)、高端裝備制造等高新技術(shù)，應(yīng)用于礦山生產(chǎn)各個作業(yè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)礦山全流程、全生命周期的數(shù)字化與智能化。
所謂智能采礦，就是在礦床開采中，以開采環(huán)境數(shù)字化、采掘裝備智能化，生產(chǎn)過程遙控化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化和經(jīng)營管理信息化為特質(zhì)，以安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保為目標(biāo)的礦業(yè)工程。
從運(yùn)行模式上看，“智能礦山”應(yīng)該是生產(chǎn)管理遠(yuǎn)程化、遙控化、無人化，采礦作業(yè)智能化，選冶過程自動化，運(yùn)輸調(diào)度無縫化。
當(dāng)前，我國智能礦山技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在綜合調(diào)度中心、資源管理系統(tǒng)、智能裝備、泛在信息智能采集與傳輸、智能化采礦爆破技術(shù)與裝備、地下空間高精度定位與導(dǎo)航、智能生產(chǎn)調(diào)度與控制平臺、礦山安全智能化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等方面。
其中，在智能裝備方面，智能鏟運(yùn)機(jī)、裝藥車、鑿巖臺車等裝備已投入使用;在智能通信方面，井下無線通信系統(tǒng)已經(jīng)在甲瑪銅礦等10余個礦山進(jìn)行了應(yīng)用;在智能化采礦爆破技術(shù)與裝備上，三維激光掃描系統(tǒng)已經(jīng)在新疆阿舍勒銅礦、湖北大冶等礦山進(jìn)行了應(yīng)用，支撐智能化采礦爆破設(shè)計(jì)，并將結(jié)果指導(dǎo)自動鉆孔與優(yōu)化裝藥;在地下空間高精度定位與導(dǎo)航上，已經(jīng)開發(fā)出了原型系統(tǒng)，部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場轉(zhuǎn)化應(yīng)用。
大規(guī)模深井充填法開采是我國近年來金屬礦山的一個顯著特點(diǎn)，埋藏深(高地應(yīng)力、高地溫)、礦體厚大、環(huán)保要求等給礦山開采帶來了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，體現(xiàn)在采礦方法選擇、回采順序、提升運(yùn)輸、通風(fēng)和制冷降溫、充填系統(tǒng)、尾礦處理、安全(包括防水)等方面。
瑞海金礦是大規(guī)模深井礦床充填法開采的一個典型礦山。依照設(shè)計(jì)方案，采礦自動化及信息化融合控制也被納入其中。瑞海金礦自動化及信息化系統(tǒng)包括：采礦自動化、選礦自動化、生產(chǎn)管理信息平臺、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃。其中，采礦自動化包括采礦自動化系統(tǒng)、通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、安全監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)、井下交通自動化系統(tǒng);選礦自動化包括頑石破碎、磨礦系統(tǒng)、浮選系統(tǒng)、脫水系統(tǒng);企業(yè)管理信息平臺主要指礦山生產(chǎn)管理信息系統(tǒng);企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃包括井下光環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、地表光環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。
具體而言，其設(shè)計(jì)中的采礦自動化系統(tǒng)又細(xì)分為提升自動化系統(tǒng)，膠帶運(yùn)輸控制系統(tǒng)，溜井、破碎系統(tǒng)，充填料制備自動化、通風(fēng)控制系統(tǒng)等;通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)細(xì)分為井下光環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、井下有線通信系統(tǒng)、坑內(nèi)無線通信系統(tǒng)等;安全監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)細(xì)分為氣體監(jiān)測系統(tǒng)、地壓(微震)適時監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)等;井下交通自動化系統(tǒng)細(xì)分為斜坡道交通信號系統(tǒng)、無人駕駛電機(jī)車控制系統(tǒng)等。
伴隨著一些大型地下礦山的建成投產(chǎn)，可以預(yù)見，未來遠(yuǎn)程遙控和自動化開采將是一個顯著特征，新建礦山的現(xiàn)代化水平將有一個巨大的提升。
(三)礦山有智能化的詩與遠(yuǎn)方，當(dāng)然也有眼前的現(xiàn)實(shí)。應(yīng)該看到，當(dāng)前我國金屬礦山整體機(jī)械化程度還相對落后，依然需要加快工業(yè)化與信息化融合進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)礦業(yè)的跨越，從而走向智能采礦。
談到當(dāng)前礦山自動化、信息化的實(shí)際，中國恩菲工程技術(shù)有限公司白光輝認(rèn)為礦山企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自己的需求，選擇先進(jìn)的和有發(fā)展前途的技術(shù)。
他表示，國內(nèi)地下礦傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)可細(xì)分十幾個系統(tǒng)，如高壓供電系統(tǒng)、低壓供電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、無人駕駛卡車運(yùn)輸系統(tǒng)、有軌電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)、溜井料位檢測系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)、提升系統(tǒng)以及六大系統(tǒng)。應(yīng)該說，國內(nèi)礦山對先進(jìn)技術(shù)非常重視，同時也投入大量資金和人力搞自動化和信息化建設(shè)，但總體效果不盡如人意。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和TCP/IP通訊協(xié)議的廣泛應(yīng)用，在他看來，地下礦自動化、信息化融合具備可行性。但他認(rèn)為，集成不是融合，綜合也不是融合。融合是要在集成的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)各系統(tǒng)(供配電、控制、網(wǎng)絡(luò))之間的相互交叉、相互滲透、信息相互引用、資源相互共享層面上的融合，以至于不再出現(xiàn)綜合的痕跡，比系統(tǒng)之間無縫銜接的層次更高。這種融合應(yīng)從礦山總體集成到各個子系統(tǒng)的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)開始，最后到所有系統(tǒng)納入地下公網(wǎng)搭建的管控平臺全范圍進(jìn)行融合。這種程度的融合，需要融合者具備全面的專業(yè)技能和全局的把控能力。
針對融合的切入點(diǎn)，白光輝認(rèn)為融合應(yīng)該從底層做起：從高低壓供配電、各個子系統(tǒng)自動化控制、各個子系統(tǒng)對外通信規(guī)約做起。風(fēng)、水、電是一個礦山的動力命脈，而供配電系統(tǒng)又是風(fēng)和水的動力來源，所以抓住電(包含控制)也就等于抓住了一個企業(yè)的動力命脈。所以，融合的第一個切入點(diǎn)是“電”。信息化是現(xiàn)代化礦山建設(shè)的基礎(chǔ)，而網(wǎng)絡(luò)又是實(shí)現(xiàn)全礦信息化的高速公路。抓住了網(wǎng)絡(luò)也就等于抓住了全礦的神經(jīng)系統(tǒng)——做到一切皆有可能。所以，融合的第二個切入點(diǎn)是“網(wǎng)絡(luò)”。
目前，大多數(shù)礦山的做法是，首先按照工藝系統(tǒng)、按照專業(yè)劃分需要建設(shè)的各個子系統(tǒng)，并將各個子系統(tǒng)分包給不同的專業(yè)集成公司去完成。在此基礎(chǔ)上，再用一張大網(wǎng)(綜合信息網(wǎng)絡(luò))去把各個子系統(tǒng)都罩住。這張大網(wǎng)一般都由業(yè)主來集成。
由于各個子系統(tǒng)之間固有的特性，使得協(xié)調(diào)性較差。這種分散實(shí)施、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的方式最多也就是能夠獲得一個綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有N多種通訊協(xié)議、N多種控制設(shè)備、N多種集成習(xí)慣等特點(diǎn)。同時從系統(tǒng)上就自然分割開來，使得用戶即使有融合維護(hù)的想法，但也很難或無法實(shí)施。這種化整為零的集成方式勢必導(dǎo)致礦山建設(shè)缺乏整體性，各個系統(tǒng)之間的融合就更是難上加難。