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，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)計顯示,，2000年以前，我國只有2個金屬礦山開采深度達到1000米,。進入21世紀以來,，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余座金屬礦山進入地下1000米以下深度開采,，其中有近10座礦山將進入1300~2000米深度開采;未來5~10年，將有1/3以上的礦山進入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，這給支護和采礦安全造成很大負擔(dān),，嚴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)境條件嚴重影響工人的勞動生產(chǎn)效率,，而為了進行有效降溫，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)標準也有待建立和完善。

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“機械化換人、自動化減人”,，建設(shè)地下礦山安全避險“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)展的詩與遠方,。

北京礦冶研究總院張元生教授認為,，“智能礦山”是“工業(yè)化”與“信息化”的有機結(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),，其終極目標是實現(xiàn)“無人采礦”,。“智能礦山”是采用人工智能、物聯(lián)網(wǎng),、云計算,、大數(shù)據(jù)、地理信息技術(shù)(RSGISGNSS),、虛擬現(xiàn)實(VR),、智能機器人、軌道交通技術(shù),、無線通信技術(shù),、自動控制、計算機軟件,、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,、環(huán)保為目標的礦業(yè)工程。

從運行模式上看,，“智能礦山”應(yīng)該是生產(chǎn)管理遠程化,、遙控化、無人化,，采礦作業(yè)智能化,，選冶過程自動化，運輸調(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,，智能鏟運機,、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、湖北大冶等礦山進行了應(yīng)用,，支撐智能化采礦爆破設(shè)計,，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，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)計中的采礦自動化系統(tǒng)又細分為提升自動化系統(tǒng),，膠帶運輸控制系統(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)細分為斜坡道交通信號系統(tǒng),、無人駕駛電機車控制系統(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方,，當(dāng)然也有眼前的現(xiàn)實。應(yīng)該看到,，當(dāng)前我國金屬礦山整體機械化程度還相對落后,，依然需要加快工業(yè)化與信息化融合進程,，實現(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,、信息化的實際，中國恩菲工程技術(shù)有限公司白光輝認為礦山企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自己的需求,，選擇先進的和有發(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)、鏟運機遠程遙控系統(tǒng),、無人駕駛卡車運輸系統(tǒng),、有軌電機車運輸系統(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)的實施標準開始，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,，白光輝認為融合應(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,。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的想法，但也很難或無法實施,。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,。