深部开采 智能采矿 智慧矿山——矿业转型升级可持续发展的必由之路

院士古德生考察云南锡业公司推进矿山信息化的情况

10月11日，在湖南长沙召开的2016矿业前沿与信息化智能化科技年会上，专家表示，我国矿业未来的发展，特别寄希望于深部矿床的勘探。2020年以前，国家主要勘查1000~1500米深度的矿产，到2030年后，将逐步进入1000~2000米深部找矿。目前深部开采在我国矿山行业还处于起步阶段，信息化智能化科技年会，可谓站在前沿与高端，用矿业发展的眼光，聚500名行业精英于一堂，就矿业信息化智能化技术如何向高端突破进行研讨，特别是对超过1000米的深地矿井的资源开发进行技术交流，为矿业发展突破瓶颈指明了方向。

目前，我国整体矿业技术与国外相比差距很大，不论在信息化还是智能化方面，包括深部开采智能化的打井对口、凿岩对口等，都处于前期的科技研发阶段。专家表示，虽然国家在“十二五”规划中将这些研发项目列入863计划，但要实施现场对接、工业化转化还需较长的时间。另一方面，由于我国的矿山基础条件差别较大，很多矿山井下没有建立信息基础设施和网络系统，而智能化和信息化是不可分割的，很多自动控制的智能设备与信息网络信号的接收是集成一体的。面对众多实际问题，矿山企业要发展，首先必须向深部开采-向深地要资源，这是矿业发展的可持续之路；二是智能采矿，实施信息化，采选矿行业已经走在路上；三是智慧矿山-创新数字化矿山与管理，实现高效清洁的智能矿业任重道远。

对矿业而言，想要实现高效清洁的智能采矿，需要下大力气去创新。矿业要发展，研发的方向在哪儿？需要着手哪些瓶颈去发力？

就此，记者首先围绕推进深部开采向高端转型发展的话题采访了中国工程院院士、中南大学教授古德生。他说，今年国家的“十三五”规划纲要，对深海、深地、深空、深蓝四大领域作出了重大部署，这是关乎人类未来的战略高地。他强调，在“深地”探索领域，矿业首当其冲，矿业工作者肩负重任。中国是矿业大国，但不是矿业强国，矿业成为众多行业中的一块短板。目前，发达国家的矿业正向后工业经济转变，而我国矿业工业化还没有完成，正处在重要转折期。作为一个矿业大国，在立足国内资源的同时，更要走出去，只有充分掌握矿产资源，大力开发深部资源，才是发展矿业的根本。

目前，世界金属矿床开采的深度已经达到4146米，这是当代人类到达地球最深的纪录。为了开拓“深地”新领域，前苏联最早开展“大陆科学钻探研究”，在1970~1989年间，打完了深度达12262米的科学钻孔。世界上已有20多个超过4000米的科学钻机孔，美国是建立“深地科学与工程实验室”最多的国家，在新墨西哥州的地热开发深度已超过3000米。我国“锦屏深地科学国家实验室”正在加紧建设，“深地”矿业工程近几年来发展很快。在国内，凡口铅锌矿、冬瓜山铜矿、金川公司二矿区、会泽铅锌矿已经进入深部开采，特别是夹皮沟金矿开采深度达到1600米、思山岭铁矿竖井达到1500米。欣慰的同时，国外的一些数据也令我们看到了差距，国外超过1000米的金属矿山有90多座，其中深度1000~2000米的60座，最深南非卡里顿维尔金矿采深达3800米，竖井延深达4164米。

他表示，虽然我国深部开采起步较晚，但深部矿床开采是矿业发展的大势所趋。自从1996年在铜陵开展《千米深井矿山300万吨级强化开采综合技术研究》国家攻关，2001年举办《深部高应力下的资源开采与地下工程》香山科学会议，2003年《深部岩体力学基础与应用研究》重大基金项目启动，从此揭开了“深地”矿业研究的序幕。“深部矿床开发利用”已被提升到国家发展战略高度。2016年已经成为我国开展矿业“深地”探索的关键年，作为“十三五”国家项目的《深部岩石力学与采矿基础理论研究》、《深部金属矿建井与提升关键技术》和《深部金属矿安全高效开采技术》先后启动。

目前，我国有一大批“深地”矿业工程正面临种种挑战。首先是受开采环境“三高”的制约，即高应力、高井温、高井深，这些因素可能会诱发岩爆和冒顶，而且在提升、通风、排水方面成本大幅提高；其次，“三高”带来的许多科学技术难题，会严重影响生产效率和安全，采深越大、难度越大。

面对问题，古德生强调，作为矿业人，要以颠覆传统的创新模式，寻求采矿技术的新突破。“超大超深矿床开采技术”是现代金属矿业的高端研究领域，主要包括绿色开发、深部开采、智能采矿三大核心，目前，研究深井掘进机是前提，因为深井掘进机可以实现一次性快速成井。他举例，国外竖井的设计深度一般小于2000米，超过2000米改为两段竖井提升。作业时，由于掘井空间狭窄，施工困难，高应力环境下可能引发岩爆和井壁崩塌事故等，竖井掘进的关键在于改善作业条件，提高成井速度。

向大矿段采区协同作业的连续回采智能采矿技术方向发展，他表示，该技术可实现一步骤连续回采，大幅提高资源回收率。大矿段采区协同作业，能充分发挥智能设备的效能；并且多采区连续回采，基本上没有三级矿量的问题，能大大减少超前采掘工程；并且作业集中，有利于提高井下通风及降温效果；人不再进入老区，大幅度提高矿山本质安全。

井底泵站与全尾砂膏体泵压胶结充填技术的发展方向。研发以千米钻孔取代在竖井安装的千米管道，将选厂尾砂以浆体的形式自流输送到井下，在井下设充填泵站，采用全尾矿膏体泵压胶结充填工艺，实现规模化充填。另外，采用钻孔取代深井千米垂直管道输送可避免管内高势能、大流量、高流速的料浆给管道带来的冲击、磨损爆管和堵管等重大事件。

他总结，矿业的出路在于深部矿床开采过程的信息化与智能化，主要是通过信息化改造传统工业，走工业化与信息化融合的发展道路。而矿业发展的未来目标，就是建设智慧矿山，实现智能采矿。

“世界有色金属博物馆——柿竹园”生活区全景

有专家表示，随着互联网+和中国制造2025等国家行动计划的实施，传统的生产方式正不可避免地发生着变化，从全球趋势来看，新一轮科技革命和产业革命正在孕育兴起，信息技术呈现出新的发展态势，即新技术替代旧技术，智能型技术替代劳动密集型技术趋势明显。物联网、大数据等作为智能型新技术的典型代表，正成为各国争相布局，抢占未来科技进步和产业发展的重要领域。

今年以来，世界经济复苏依然乏力，矿业经济仍然处于下行通道，生产发展面临更大困难，但长期来看，矿产资源是一个国家经济起飞的首要条件以及经济实力的重要标志，按照中国目前经济发展速度和战略目标，参照发达国家的矿产品消耗经验，21世纪上半叶的中国将处在矿产品消耗的高峰期，届时的中国矿业要满足国民经济的发展要求，其科技含量与生产方式必须有一个根本性的改变。其中，新一代信息技术首当其冲，矿山企业必须抓住机遇，努力依靠科技创新，广泛使用互联网、大数据等智能生产技术来提升和改造采矿这一传统产业，即走矿业智能制造之路，通过智能生产技术的推行，使传统的采矿业在管理模式、组织结构、采矿工艺、决策方式等方面有大的改革，从而使中国从矿业大国走向矿业强国。

信息物理系统，简称CPS，作为计算进程和物理进程统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。金属矿业企业，从生产工艺上一般涉及采矿、选矿、冶炼等主要生产环节，利用CPS网络将生产过程中的人、机、料、法、环境五大要素高度联结，从而使得虚拟世界和现实世界进行高度融合。专家表示，CPS是实现智能生产的基础，没有CPS的支撑，智能生产都是空中楼阁。

目前，很多矿业集团经过多年的信息化建设，已经实现了ERP、MES、DCS、OA等，加上一些集团各个分公司的本地化系统，这些系统的建成实现了部门内信息共享和协作，但是“信息孤岛”现象严重，随着异地的发展，跨供应链的企业协作已经成为很多集团业务发展的一个瓶颈，因此，实现智能制造战备中的纵向集成是建设规划的一个重要内容，从而达到连接一切，集成一切的目标。而横向集成主要强调不同企业之间的信息共享与协作，矿业企业应与其产业链的上、下游的企业进行信息集成，从而实现矿业产业间的信息集成。

以洛钼集团为例，作为钼钨行业龙头企业，该企业在信息化与工业化相融合方面，具有自己的话语权。洛钼集团2006年开始进行底层生产过程自动化系统的建设，2010年开始进行管理决策ERP系统规划、设计和建设；2014年提出引入制造执行系统，将企业ERP系统与底层自动化系统之间进行有效对接；2015年提出了构建洛钼集团全流程智能生产一体化管控集成系统，系统以管理、指挥、控制和协调生产为核心，将制造执行系统、企业资源计划和现有的数字化采矿和选矿智能控制系统进行集成。通过数字化采矿系统，主要针对采矿生产，将矿体地质模型，配矿作业计划，装、运、卸生产调度以及运输量自动计量统计与管理集成一体，采用互联网相关技术，实现对装、运、卸生产过程的实时数据采集、判断、显示、控制与管理，实施对卡车、电铲等设备进行监控和优化调度，实施对采矿生产的数据进行监测及控制，从而形成一种信息化、智能化、自动化的全方位新型现代数字化生产管理平台。

在选矿智能系统方面，洛钼集团通过引进在线粒度分析仪和在线品位分析仪，构建涵盖全流程的DCS系统，可以实现破碎、筛分、磨矿分级、浮选、精矿压滤烘干、尾矿输送等全流程的过程控制，实现了工艺技术指标和设备的优化管理。

该企业通过矿业智能化系统，可以将生产管理流程进行重组和优化，消除数据孤岛，减少数据冗余，提高数据质量，保障数据定义与使用的唯一性及一致性，促进精细化管理的推进；通过计划协同管理，大大提升了企业生产管理水平，应用后在降低企业运营成本、缩短产品生产周期、提高产品效率及提高资源利用率等方面能取得显著成效。同时也为企业解决了很多实现问题：比方生产组织扁平化不彻底，专业化分工过细，机构设置过细，总体业务效率低；采矿、选矿、冶炼等专业化单位未实现期望的标准化服务；生产相关计划不能实时联动和协同，且缺少高效率生产计划优化手段，生产调度指挥所需信息不能全面掌握，在生产管理领域存在若干信息孤岛，不能整合数据开展分析；效益最大化重要手段之一的矿石预测及结构优化，进一步得到完善等。

实际上，在众多矿企中，洛钼集团在信息化和工业化相融合方面做到了提前布局，使传统的采矿业在管理模式、组织结构、采矿工艺、决策方式等方面发生了重大的改革，从而为使中国从矿业大国走向矿业强国诠释了一份矿企的责任。

随着智能化、数字化、信息化目标的提出，矿山数字化成为矿业企业今后的发展方向，老企业想在激烈的市场中保持竞争态势，就必须采用新工艺、新装备和新的管理手段，达到提产、降耗、增效的目的。长沙迪迈数码科技股份有限公司，一直以来为行业解决了很多棘手问题。该公司董事长王李管，长期从事数字矿山技术的研究、开发和应用实践，2014年被评为全国矿山信息化智能化领军人物。在2016矿业前沿与信息化智能化科技年会上，他告诉记者，矿企要想得以长足发展，解决的途径就是要善于思变，新路，来自思路。他说，矿山企业构建矿山综合数字通讯平台，实现语音、视频、数据的同网传输，是现代矿山生产过程自动控制和安全过程标准化管理的基础。只有通过信息化智能化的预警、启动应急、多级联动、集中管理等技术手段，才能实现矿山企业的实质增效。

DIMINE软件采用三维可视化技术，以数据库技术、三维实体建模技术、国际上通用的地址统计学方法、数字采矿设计方法、工程制图技术为基础，应用于矿山的地质、测量、采矿相关工作，具有先进、全面、高效和易于掌握等特点。

DIMINE软件利用模型数据和钻孔数据来存储和管理地质信息，通过模型可以帮助企业在三维状态下观察矿体、岩体的走向、倾向以及地质边界和形态。并且利用模型进行品位分析和储量估算，尤其在平剖面地质图输出、储量实时估算和探矿设计等地质工作方面有很多突出的优点。

目前，大冶有色铜绿山铜铁矿使用DIMINE软件建立品位模型后，可进行灵活勘探，并且可实现采矿过程中的矿量、品位、金属量的统计计算。我们知道，测量工作是矿山经营的重要组成部分，测量数据直接关系到企业成本和产出，也是企业管理决策的重要依据。传统的测量数据核算人工操作，计算繁琐，工作量大，而通过DIMINE软件中测量功能的组合运用，使测量内业工作变得简单、快捷。

另外，与传统CAD软件相比，DIMINE软件在井巷工程设计、采矿设计、工程制图等方面具有突出的优点。比方在井巷工程设计方面，先调用矿岩模型，观察分析设计方案，然后根据设计高程切出矿岩平面轮廓线，再设计巷道、斗井，最后自动生成数据表格并出图。同时可利用井巷工程模型支持对供风、压风、供水、排水、供电、充填等系统的科学管理。还可根据矿体品位布局，合理安排采场的采供矿，便于生产组织管理，加强配矿管理，提升和稳定供矿品位。

用生产企业的话来说：“数字模型是我们进行软件应用的基础，也是我们地测采专业资料数据库，方便我们对各类图纸资料的管理。”

当下，矿业要发展，有多少怀揣梦想的矿业人，他们肩负矿业责任，从不同行业、结合不同学科，想为建设智慧矿山、实现智能采矿而做点什么；他们有的已进入耄耋之年，只为聚在一起相互作用，不断影响，探讨和交流如何能突破矿业的前沿技术。当2016矿业前沿与信息化智能化科技年会在长沙刚刚落下帷幕，紧接着，在10月14~15日北京西郊宾馆，中国工程院主办第234场中国工程科技论坛，又云集了400多名专家学者，而古德生院士又从长沙赶到北京，参加“深部矿产资源高效开发与利用”为主题的交流和讨论。实际上，科技论坛会上具有这种情怀的院士很多，他们代表了为矿业而生的矿业人的最高境界。

特别是，当中国工程院院士、北京科技大学蔡美峰深入介绍深部矿产资源开发研究对我国经济发展的必要性和紧迫性时，当中国工程院副院长赵宪庚院士从资源环境、科学研究、经济发展的宏观层面，充分肯定深部矿产资源高效开发与利用在我国经济发展中的重要作用时，矿业发展的必要性和紧迫性已经刻不容缓摆在了我们面前，矿业创新也将会迎来发展的大舞台。

而正在此时，从云南驰宏传来喜讯，由金诚信矿业管理股份有限公司承建的驰宏公司会泽矿业分公司矿山深部资源找探矿3#竖井工程试运行启动。会泽矿业分公司3#竖井掘砌及配套工程是国内目前最深的竖井工程。2013年底，金诚信公司克服连续冻雨天气，组织大临设施安装，实现了2014年1月1日开工。在整个掘砌安装过程中亮点频现：一是创造了30天完成凿井设备设施安装，形成施工条件的奇迹；二是开工后经过锁口段、井颈段前期施工的不断优化、磨合，发挥最大施工效率；三是进入2015年以来，在井筒深达1100m以下，涌水量超过110m3/h，岩性差、地压显现、岩爆突出等恶劣条件下，连续2个月创下月成井破百米纪录；四是精确计算、科学组织、集中优势资源，在狭窄场地实现901t/71.7m井架快速吊装，精准安装，实现天轮安装误差小于1mm；五是通过优化作业时间，平行施工，预判存在的困难和问题，精确施工，实现18天安装完成装载系统，15天安装完成卸载系统。同时，对1526m深井在无成功施工经验可借鉴情况下，实现质量、安全零事故，并创下国内多项施工纪录。特别是1526m深的全国最深竖井掘砌安装纪录，矗起我国矿山工程建设新的里程碑。

其实，近年些来，在信息化智能化发展的引领下，很多矿山已经尝到了信息化带来的甜头。

湖南柿竹园公司即是这样一家企业之一，当满满的幸福感写到职工脸上的时候，他们掩饰不住内心的喜悦：“现在矿里不管是井下还是地面，关键岗位都实现了安全过程控制，信息化无孔不入，连井下都可以接听电话了。”  

在柿竹园，采矿工告别了打眼放小炮，扔掉了电耙，用潜孔钻凿岩几十米深，利用爆破网络，一次装炸药上百吨，一次点火就能轻松采下上百万吨的矿石，井下计量实现无人操作；选厂不仅实现自动给药，还对磨矿、浮选等关键环节进行过程监测；冶炼厂对粉煤、进料、炉温、出料等关键点也实现了在线监测，一些技术工人坐在中控室就能对生产过程了如指指掌。

我们看到，正是因为围绕全员“零三违”、现场“零隐患”、矿井“零事故”的“三零”工程，柿竹园公司积极打造“安全航母”，为职工生命安全筑起了一道铜墙铁壁。该公司扎实推进矿井质量标准化建设，实现了井下标准化、地面规范化、全员精细化，同时坚持“科技兴安”理念，完善人员定位系统、井下通讯系统、自救系统、尾矿库在线监测系统、选矿过程监控系统、冶炼环保监测系统，成为了信息化与工业化深度融合的典范。

铜陵有色铜山矿业公司是一家有着60年历史的老矿山企业，当铜山人面对老矿企信息化发生翻天覆地的变化时，他们无比骄傲的是，、精细化、系统化、标准化的发展“快车道”。铜山矿业深部开采工程被列为安徽省861重点工程之一，是铜陵集团公司自主设计、自主施工、自主使用的新打造的项目，在建设之初就将机械化、信息化、生态化进行深度融合。在变电、配电、用电设备上优先布局使用低能耗产品；在提升、排水、供风、球磨等突出的八大系统中一律采用了低能耗变频设备。2015年之初，，投资建设高能耗设备网络监控系统。现如今在办公室里只要用电脑鼠标轻轻一点，足不出户就能对该矿高能耗设备运行情况一目了然。该公司还根据国家能源战略发展要求，在集团公司成为国家能源战略试点单位后，在2015年年初就参与了能源管理中心子项目建设，现主体工程已全部结束，进入后台调试、数据传输和并网工作。

而这些因为数字矿山带来的社会效益和安全生产，只是有色金属行业一个小小的缩影。下一步，解决实际问题，加大矿业企业信息化和智能化基础设施的建设工作，力争基础设施和技术装备相匹配，推动智能化和信息化有机结合才是矿业今后的发展之路。