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    当新兴前沿技术与矿业撞个满怀

    ——以全球矿业企业利用数字化、智能化建设矿山为例

    2021-2-8 8:23:08 来源:中国矿业报 作者:张炜 高曦 赵相宽 吴西顺

    数字化转型背景下新兴前沿技术将成为矿业行业颠覆性变革的重要推动力

    在全球范围内,矿业行业在重大技术创新方面落后于其他行业。尽管从技术上已实现现代化,但这些变化并未使矿业行业发生颠覆性变革。在新一轮科技革命与产业变革的背景下,矿业行业的技术发展特征是生产效率更高的机械设备及某些操作任务的自动化、数字化、更快更大规模的连接性以及智能网络在整个产业链的应用。

    数字化转型作为矿业行业/企业高质量、可持续发展的必由之路,与其有关的新兴前沿技术具有三个特征:一是大数据,对开展快速、准确且可对比的分析至关重要,结合高级分析和实时信息管理可显著提高作业人员和设备的效率及降低风险;二是能够保障大规模数据共享、泛函网络及实时信息共享数字平台的环境;三是能够提供安全性、可预测性和高速连接性且具高性价比和良好性能的数字化生态系统。新兴前沿技术的应用涵盖矿业行业的所有环节。以采矿作业为例,与之相关的新兴前沿技术的类型及其特征主要分为四类:一是数字化基础,涉及智能传感器、可穿戴设备、全球定位系统、无人机等,旨在获取海量和实时数据;二是大数据集成/追踪,涉及物联网、区块链、射频识别和实时定位系统标签等,旨在实现运营管理一体化及实时决策,从而提高运营作业效率;三是大数据利用,涉及机器学习、高级数据分析、硬件(设备)自动化/远程操作、机器人流程自动化、软件自动化、云计算等,旨在利用获取的数据信息优化作业流程;四是改进作业流程,涉及先进过程控制、可再生能源发电、电力采矿设备、生物采矿、尾矿管理和回收等,旨在减少对能源和水资源的消耗及促进温室气体减排,实现矿业“绿色”发展。

    国际顶尖矿业企业在利用新兴前沿技术促进企业高质量发展及提升企业综合竞争力和可持续发展能力方面走在了行业前沿

    力拓集团2008年启动的“未来矿山”计划,旨在寻找开采矿物的同时降低环境影响及进一步提高安全性的先进方式。近年来,力拓集团主要关注五个领域

    (1)无人驾驶矿用卡车。力拓集团在其位于澳大利亚皮尔巴拉矿区的露天铁矿投入运营了150余台无人驾驶矿用卡车,而远程运营控制中心位于1200千米外的珀斯,预计到2021年,不断增加的无人驾驶矿用卡车每年将为其带来5亿美元的净现金流。评估表明,2018年每台无人驾驶矿用卡车比传统矿用卡车多工作约700个小时,使装载和运输单位成本相应降低了约15%,也减少了相关作业人员在重型机械设备周围工作的风险。

    (2)自动钻机。力拓集团运营着全球最大的自动钻机车队,通过远程操作的方式利用其20余台自动钻机安全且准确地钻进爆破孔,并且引进了智能装载卡车,实现钻孔炸药的自动装填。该设备通过计算机系统和数据分析,确定每个钻孔的适当炸药量,从而减少浪费并提高爆破效率。

    (3)自动铁路。力拓集团的AutoHaul是全球首个重载长途自动铁路运输系统,用于将铁矿石运至港口。该运输系统包括长达1700 千米的铁路线和约200台机车。

    (4)无人机。力拓集团利用无人机进行3D填绘和设备检查,以及边坡和坡顶等的安全风险排查,如裂缝和岩石移动迹象。

    (5)远程运营控制中心。力拓集团的运营中心位于澳大利亚的珀斯和布里斯班以及加拿大的萨格奈地区,其所有的矿山、港口和铁路系统都可以在一个地点进行运营。运营中心利用各种功能强大的软件系统,帮助运营决策者确定改进运营和提高效率的“途径”。

    英美资源集团2018年启动的“未来智能矿山”计划,旨在应用创新思维和技术发展来应对矿业行业面临的主要挑战。因此,建立了4个指导性概念:

    (1)集约型矿山。英美资源集团整合了三项技术,即先进的破岩技术、大规模的矿石分选技术和粗颗;厥占际。这些技术的结合可在运营和资本成本不发生巨大变化且减少能量和水使用的同时,使产量得到显著提高。

    (2)现代化矿山。英美资源集团正在开发和测试自动且连续的岩石切削设备,以在不需要炸药爆破的情况下,安全地开采深部地下矿山,从而显著提高岩石稳定性及减少所采矿石的质量差异。上述在安全性和产能上的技术创新使得企业在面临越来越低的矿石品位和越来越复杂的矿物成分进行矿山开发时,能够建立更安全的矿山环境,降低运营成本,以及提高矿物资源的价值。

    (3)智能矿山。英美资源集团集中于利用实时钻掘分析、高光谱岩心成像以及3D和虚拟现实地质模拟的综合分析来识别矿物和材料特性。此外,正在开发定制化机器学习方法来预测工厂所需的控制参数。另外,一个重要的应用是条件监测和预测性维护。

    (4)无水化矿山。英美资源集团正在通过大规模的闭合环路方法来减少对用水的依赖。工作重点包括两个领域,即蒸发测量和干式尾矿(废石)处置。

    智能矿山建设是矿业企业数字化转型及新兴前沿技术应用的具体体现

    智能矿山建设正在给矿业行业科技创新方向和运营管理模式带来颠覆性变革。尽管对智能矿山没有统一的定义,但其主要目的是将人工智能、物联网、云计算、大数据、地理信息技术、虚拟现实、智能机器人、轨道交通技术、无线通信技术、自动控制、计算机软件、移动互联网、高端装备制造等高新技术应用于矿山生产的各个作业环节,实现矿山全流程、全生命周期的数字化与智能化,其终极目标是实现矿山开发的无人化。

    2020年4月28日,为加快5G、人工智能、工业互联网等新一代信息通信技术与有色金属行业融合创新发展,切实引导有色金属企业智能升级,按照《国家智能制造标准体系建设指南》总体要求,工业和信息化部、发展改革委、自然资源部联合编制并发布了《有色金属行业智能矿山建设指南(试行)》《有色金属行业智能冶炼工厂建设指南(试行)》《有色金属行业智能加工工厂建设指南(试行)》。其中,智能矿山建设的目标是结合我国有色金属矿山开采环境复杂、安全管理压力大、多元素资源共生等特点,在矿山已有自动化、信息化建设基础上,推进物联网、大数据、人工智能、5G、边缘计算、虚拟现实等前沿技术在有色金属矿山的应用,建成集资源的数字化管理、面向“矿石流”的智能生产管控、全流程的少人无人化生产、集成化的本质安全管理、基于工业大数据的智能决策于一体的本质安全、资源集约、绿色高效的有色金属智能矿山,促进企业转型升级、高质量发展,全面提升企业的综合竞争力和可持续发展能力。

    智能矿山建设是一项复杂的体系建设,不仅是技术装备工艺流程的变革,更是对矿业企业运营管理理念的颠覆。其中,智能开采是智能矿山建设中的一个重要环节,该环节以智能化、自动化采矿设备为核心,以高速、大容量、双向综合数字通信网络为载体,以智能设计与生产管理软件系统为平台,旨在通过对矿山生产对象和过程的实时、动态、智能化监测与控制,实现矿山开采的安全、高效和经济效益最大化。

    智能矿山建设典型实例——马里Syama金矿位于马里首都巴马科东南300千米处。据评估,该矿山的黄金总储量达300万盎司。该矿山最初是由必和必拓于20世纪80年代开发的露天金矿,随后被南非Randgold Resources公司收购,继而于2004年被澳大利亚Resolute Mining公司收购。此后,Resolute Mining公司进行了可行性研究,设计了一座新的地下矿山,以补充露天采矿作业。Resolute Mining公司投资建设了新的地下矿山,并于2018年12月投入生产运营。

    Syama金矿的矿石品位并不算高,目前探明储量的品位为每吨2.7克黄金。然而,该矿的范围很大(厚度约200米,长度超过1000米),矿体适合进行分层硐采。因此,新的地下矿山被设计成一座全自动化矿山。

    (1)矿山数字化、自动化建设采用的主要技术装备。分层硐采涉及许多重复性的采矿作业,因此,Syama金矿具备利用更为先进的技术工艺提高矿山产能和作业效率的巨大潜力。该矿山是按照自动化和数字化矿山理念设计的。为此,Resolute Mining公司与瑞典设备制造商山特维克集团开展了合作,建设了基于全自动生产系统的地下矿山。该系统应用了山特维克集团在全球其他地方经过测试的技术,包括AutoMine®系统和OptiMine®系统。

    OptiMine®系统可以提供全套的数字化解决方案,比如高级分析、3D可视化和建模、对矿区设备和移动设备的位置跟踪以及生产计划的可视化等。这些功能旨在使位于远程运营中心的管理者和作业人员能够更好地对数据进行解释、预测和管理,以便更准确地了解矿山的生产作业环境,从而提高矿山生产作业效率和优化生产作业系统。

    通过AutoMine®系统,山特维克集团提供了由TH663i型卡车、LH621型装载机、DL421型自动钻机和电动铲运车组成的完整车队,旨在实现该矿山的全面自动化。

    Syama金矿还配备了完善的数字化基础设施,安装的光纤电缆旨在确保通信畅通,这对于设备与控制室之间的数据交换至关重要。

    (2)为企业带来了显著的产能提升。据Resolute Mining公司表示,自动化技术装备将在提高矿山安全性的同时,显著提高矿山生产作业的产能。鉴于该矿山的矿体特征,必须降低矿山的成本以实现盈利。自动化降低了15%的成本,将生产成本从每盎司881美元降低至746美元,但前期在自动化采矿设备上的投入介于1000万美元到1500万美元之间。随着时间的推移,Resolute Mining公司预计采矿成本将降低30%。

    矿山设备的使用效率将得到提升,特别是通过节省班组及爆破作业后的时间,后者必须暂停生产作业以进行通风。自动化技术的应用使一些机器设备的作业时间达到了每天22小时,而之前只有15小时。

    需要重点强调的是,随着在不安全区域和作业困难区域内从事生产作业的人员越来越少,矿山生产作业的安全性得到了显著提升。这也大大降低了矿山作业人员面临的风险。例如,自从Randgold Resources公司在其位于非洲的一些矿山实施了自动化技术以来,该公司的季度工伤率下降了29%。

    除了提高矿山生产作业的产能之外,新技术还有助于提高矿山运营的可持续性,如清洁技术的使用,比如电动汽车可限制有害的柴油微粒的释放,以及减少温室气体的排放等。

    (3)矿山自动化意味着对低技能劳动力需求的减少以及对高技能劳动力需求的增加。井下生产作业的完全自动化意味着井下机器设备所需操作人员的数量将是非常少的。对于马里而言,自动化技术的应用带来的工作岗位减少是一个特别关键的问题,因为马里是一个低收入且经济基础脆弱的国家(失业率为7.1%),矿业(黄金)是马里经济的支柱产业,2018年占出口收入的64%,占政府收入的21%。

    除了政府部门持有该矿山20%的股份之外,Syama金矿也是马里整个国民经济发展的重要贡献者。该矿山目前是这一地区最大的劳动力雇佣方,总共雇用了1500人,其中多数进行露天开采。

    与使用传统技术的典型地下矿山相比,Syama金矿于2018年12月开始投入运营的地下矿山提供的就业岗位相比要少得多。例如,AutoMine®系统提供的无人驾驶机器设备意味着不再需要某些工作岗位,比如钻机作业人员和运输卡车司机。事实上,地下矿山作业需要的劳动力很少,但对这些人员技能水平的要求却很高。

    在与马里政府就建设全自动化地下矿山的许可开展谈判期间,Resolute Mining公司就开始对当地员工进行培训,以适应新的工作岗位,比如操作OptiMine®系统,监视机器设备生产作业,以及维修和维护新型机器设备等。

    (作者单位:中国地质调查局国际矿业研究中心、地学文献中心)

    网站编辑:宫莉

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