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大型露天矿山数字化智能化转型典型路径方案
1. 适用范围
本项转型路径适用于安徽省内大型非煤露天开采矿山数字 化智能化建设和管理。
2. 总体框架
以大型露天矿山、选厂现状为基础，以实现矿山技术、生产、 安全、管理全作业链信息化智能化为目标，智能矿山建设基本架 构主要分五层，分别为感知执行层、网络传输层、数字平台层、 应用开发层、运营展示层。
感知执行层负责实现各子系统数据的感知与采集，同时对执 行设备下发控制指令。 网络传输层由 WiFi 网络、有线接入、 4G/5G/WiFi6/专线等系统组成，负责信息和数据的双向传送。数 字平台层向下实现各种多源异构感知数据的接入，向上为智能矿 山应用层的开发提供服务和工具。应用开发层为用户提供实际使 用到的涉及矿山生产、安全、经营管理、决策分析各环节的各类 操作软件及工具。运营展示层主要包括移动端、PC 端、综合展 示大屏等功能，方便指挥和管理人员远程操控、精准调度。
图 1 大型露天矿山数字化智能化总体架构
3. 技术要求
根据矿山不同类型及发展阶段，大型露天矿山经过 2～4 年 的技术及装备改造提升，应实现装备机械化、智能化和管理信息 化、数字化，在系统化、平台化方面，能够系统集成，各子系统 之间能够有效兼容。
矿山应首先进行智能化矿山建设方案规划设计，然后按设计 方案进行网络信息化基础设施建设，并对各子系统进行改造升级 及相关软硬件设备设施的安装调试，预计建设周期 3 年左右，总 资金投入在 2010 万元左右。智能化投入根据矿山的改造项目数 量、矿山的规模以及系统情况有所差异。建设项目、建设内容、 资金投入、建设周期如下表所示。
表 1 大型露天开采矿山数字化智能化转型路径
注：由于各矿山工艺特点、生产规模、开采矿种、装备应用等存在差异性，以及 智能矿山技术更新迭代，表格中智能化资金投入及建设周期仅供参考，部分项目可同 步进行建设。
4. 技术功能特性
（1）基础设施
①基础网络
综合规划建设办公网、监控网、控制网及其他高速工业网络， 支持数据采集、信息管理、视频监控、安全监测等信息化应用， 保障数据安全可靠传输。
a.工业网
工业环网带宽：主要以矿山工业环网所承载业务及数据流量分析为基础，地表环网为千兆。
组网方式：采用环形或双环形组网技术和环间耦合技术，以 实现传输链路或网络节点故障时，环网自动切换，对于时延要求 高的设备可独立成环。
性能要求：网络建设具有高可靠冗余性；汇聚交换机与核心 交换机实现万兆OSPF 和线路冗余，支持三层路由功能；搭建设 备监控、告警和展示平台，满足现有节点（ 网络设备），必须满 足结合物理位置展示逻辑拓扑及连接情况，提供所需的软硬件平 台，历史故障及告警信息可追溯、可查询；建设统一、高效、实 时、稳定、安全的现场生产控制网络；实现主干万兆环网冗余， 支路千兆网络带宽；冗余环网切换时间小于 20ms ，支持冗余环 间耦合。数据传输速率范围 10/ 100/ 1000/ 10000Mbps；支持 QoS 机制，可读取 IEEE802. 1p/ 1Q 第二层 QoS 标签和第三层 TOS 信 息，使重要数据能如期、持续地传输；全面支持工业网络必需的 时钟同步 SNTP（简单网络时钟协议）功能，全网时钟统一，实时性高；支持多种级别的安全特性，实现整个网络的安全部署。 普通人员可以查看不可更改交换机配置，而管理员则可以修改交 换机的配置，避免交换机的配置被非法修改。
b.办公网
办公信息网带宽：要充分考虑业务承载能力需求，集中管理 简化运维的能力需求，要能够满足业务拓展。
组网方式：采用以数据中心机房为中心节点的扩展星型拓扑 结构网络。
网络硬件：采用核心交换模式，由三层网管型交换机承担核 心数据交换功能，并根据需要设置数台二层交换机提供全矿数据 信息的核心交换功能。
因特网（Internet）接入与应用：使用专线方式接入双因特网 线路，保证办公系统和财务、生产、管理、设备等资料信息的查 询和交流等业务。
网络运维：要集中管理简化运维，能通过网关系统提供网络 设备的统一管理，并配合相应软件模块实现网络健康监测，协助 管理人员进行故障排除。
c. 网络安全
在工控网络安全防护系统设计、实施过程中，建立等级保护 深度防御体系，对计算环境、网络边界、通信网络、用户和数据 进行全面加固。 以《网络安全技术网络安全等级保护基本要求》 （GBT22239-2019）为依据，按照《网络安全技术网络安全等级 保护安全设计技术要求》（GBT25070-2019），建设符合矿山需要的安全计算环境、安全区域边界和安全通信网络。
②数据中心
建立与矿山规模及信息化水平相适应的安全、开放、数据易 于获取与高效处理的企业数据中心，为矿山应用提供基础环境支 持。
a.机房硬件
数据中心建设标准不低于《数据中心设计规范》（GB50174） 中 C 级标准。数据中心网络安全建设应满足相应网络安全等级 保护要求。不间断电源系统应有自动和手动旁路装置，且其容量 至少为负载的 1.2 倍。数据中心安全防范系统宜采用数字式系统， 支持远程监视功能。数据中心的核心基础设施宜按容错系统配 置，在电子信息系统运行期间，基础设施应在一次意外事故后或 单系统设备维护或检修时仍能保证电子信息系统正常运行。
b.数据采集
数据采集系统应实现生产运营基础数据的在线、 自动采集， 采集范围应包括环境、资源、生产、设备、能源、质量、安全、 运营管理等领域。数据应具备编码、时间、空间、关联、隶属等 统一规范，便于数据共享与信息融合。
数据采集系统应统一建立数据服务系统，支持实时数据、关 系数据以及非结构化数据的集中存储、管理和存取服务，并实现 容灾备份功能。
（2）地质资源管理
将原始勘探数据、生产勘探数据和炮孔岩粉样数据等进行可视化，实现二、三维 GIS 数据同源化、联动化，直观形象显示勘 探数据，完成矿床品位分析、矿床三维模型建立和储量估算等。 在此基础上，实现资源储量升级、核减、三（二）级矿量圈定等 资源储量的动态管理。主要建设要求如下：
①地质资料数字化
a.实现勘察报告、核实报告、生产勘探报告等地质资料及其 附件图表的电子化存储。
b. 电子化地质资料应实现多部门、多终端的异地实时更新、 审阅、维护、发布和应用，数据的输入和输出应具有可追踪性。
②地质管理一体化
a.各类地质数据应建立相应的数据库实现持久化存储，应采 用专业软件实现数字化管理。
b.应建立取样、制样、化验资料和数据的综合管理平台，统 一规范取样、制样、化验工作流程，实时共享爆堆和化验数据， 实现地质与生产过程一体化管理。
③三维地质建模
a. 应实现矿产资源储量三维可视化、数字化管理和动态管 理，可直观反映矿床的形态、产状、厚度、品位的三维空间分布 规律。
b.应进行工程量计算和二级矿量计算。
c.应能进行中长期采剥计划和短期采剥计划编制。
d. 应基于生产探矿数据或钻孔岩粉数据动态更新三维地质 模型和块体模型。
④资源储量估算评价与动态管理
a.利用资源量模型和储量模型进行资源量和储量的估算评 价。
b.利用资源量模型和储量模型按照不同需要输出资源量和 储量报告数据。
c. 资源量模型和储量模型应随勘探和生产数据的变动及时 更新。
d. 资源管理系统应可历史回溯矿山资源量和储量动态变化 情况，实现动态跟踪管理。
⑤水文地质监测
矿山应实现水文地质资料数字化，主要内容为地表水环境、 土壤环境及地形地貌景观等。
（3）测量管理
①测量信息采集
矿山测量信息采集和传输应采用现代数字化、遥控测量技术 及设备，包括手持 RTK 、无人机航测、三维激光扫描仪等。
②测量数字化管理系统建立
测量工作应实现数字化管理，实现测量数据采集、存储、处 理、统计及图形化展现，应具有行业通用数据输入、输出接 口。
③测量三维模型构建
矿区地形、地面建筑、露天采场、采空区、地质体、探矿工 程、坑内工程、生产掘进工程等测量成果应实现三维可视化管理， 三维模型应用于生产管理。
（4）采矿智能设计系统
①通过参数设置完成露天采矿设计，根据设计参数计算工程量，生成设计模型。
②对于露天开采，实现中长期计划、短期计划、露天爆破设计。
③该系统通过生产计划的录入以及设备对矿量的监测，将实 时数据传入系统，通过智能配矿算法计算出工作计划表，来完成 工作的实时下发，能够减少作业人员，提高作业效率。同时得到 持续且稳定的入选品位，降低选厂用药成本。
④根据矿体、品位模型等数据进行计划编制，支持在三维可 视化环境下根据工程类型、施工条件等对计划进行动态更新。
（5）智能穿孔系统
①穿孔设计
使用穿孔设计软件，在测量和地质数据的基础上能通过设置 参数自动完成穿孔设计（含炮孔布置、炮孔深度、孔径及炮孔倾 角等参数）。
②信息采集
实时采集、显示矿区视频信息、环境信息、穿孔设备状态参 数、作业参数、位置及姿态等信息。
③全局监控
应具备设备全局信息的显示，各部位运行状态监控，监控数 据实时上传。
④自动化、远程遥控控制
应具备自动或远程遥控行走、精准定位、自动找孔、自动调 平、全自动作业、精准测深；具备水压水量控制、液压传动控制、 风压操作控制、运行状态监测与故障诊断等自动化控制系统。
⑤生产任务管理
应纳入智能综合管控平台管理，自动更新和储存任务执行信 息、设备运行信息， 自动生成生产报表。
（6）智能爆破系统
①智能化爆破设计
使用爆破设计软件，通过设置参数自动完成炮孔装药量计 算、爆破量计算、爆破网络设计、爆堆模拟、品位分布模拟等功 能，通过设置参数自动圈定各项爆破影响范围、各类警戒范围。
②爆破信息化管理系统
通过信息化平台可以简洁、直观地动态掌握爆破工艺技术现 状、工艺技术管理现状和质量管理现状。一是实现爆破计划及完 成情况管理。主要对每次爆破的穿孔爆破、边坡爆破、掘进爆破 等计划进行信息化管理，具体参数包括各钻机的日完成穿孔量、 爆破量、炸药单耗等信息。二是自动生成爆破完成情况报表。具 体包括：采区、水平、爆区编号、钻机编号、孔深、孔距、排距、 段高、爆破量、爆破米道（米）、炸药单耗（kg/t）、炸药量、起 爆器材、孔深合格率和孔网合格率等信息，直观看到爆破历史数 据。三是建立爆破资料管理档案及查询。建立档案管理功能，对 于爆破电子资料进行存档，包括穿孔任务书、爆区验收图、爆区 连线图、爆区参数计算表等信息。技术人员可随时查阅相关资料，便于横向与纵向对比。
（7）智能铲装系统
①铲装设备自动化改造
在挖掘机上加装智控中心、各类传感器、通信模块等，使其 具备远程遥控功能。在此基础上，将机械臂的自动控制技术、自 动驾驶的人工智能感知技术融合到挖掘机设备远程操控作业中， 从而提高生产效率，保障生产安全。
②智能化软件系统开发
基于 5G 网络条件，通过高清摄像头、防撞雷达、倾角仪、 陀螺仪等设备将电铲的数据信息反馈至远程控制室，还原现场画 面、声音、振动环境，让操作员在远程控制室内同样能感受到作 业现场的环境。同时配置安全保障系统，把电铲的控制部分接入 远端，以达到矿山工作面少人化的目标。实现远程操作稳定装车。
（8）智能运输系统
①卡车运输系统
a. 由调度中心控制管理装备了高精度定位能力的车辆，为每 辆车指定装载机的位置和运输路线，车辆通过接收无线指令以合 适的速度按照目标路线运行。
b.卡车由导航定位系统、调度中心控制装置无线指令和其他 导引装置来确定车辆在矿山的准确坐标并了解周围情况，使卡车 能在无人操作的情况下实现复杂装载运输、卸载循环的自动运行。
c.装载时，由安装了导航定位系统的挖掘机或装载机来计算 并引导卡车至正确位置， 由装载机自动进行装载。
d. 卸载时，监测中心控制装置发送卸载点位置和路线信息， 卡车在相应设备引导下到达卸载点，准确进行卸载。
②带式运输系统
带式运输机应实现自动化控制，具备远程启动和停止、参数 复位、急停等功能。当皮带的跑偏开关、拉绳开关、撕裂装置、 打滑装置动作时应能实现自动停机。带式输送机驱动应采用变频 装置，带式输送机应具备过载保护功能，带式输送机的中转站应 设置防棚堵功能，带式输送机应实现就地、远程控制切换功能。 带式输送机的主要生产区域应实现无人值守。带式输送机、放矿 机、中转站应实现集中控制和远程高清影像实时监控。
（9）选矿自动化智能化系统
①破碎过程智能化操作控制
通过破碎全流程视频监测、基于矿石块度图像分析等技术实 现故障报警，实现破碎过程的智能化操作，降低破碎停车故障， 提高破碎运行效率。
②磨矿分级过程智能化操作控制
结合矿石块度图像分析、磨机负荷和分级粒度检测技术、磨 机衬板磨损在线检测技术等，建立磨矿分级专家控制系统，实现 磨矿分级的智能操作和分级粒度的闭环控制，稳定磨矿分级产品 粒度、浓度技术指标，减少波动。
③选别过程智能化操作控制
面向浮选、磁选、电选等选别生产过程，结合在线品位分析、 在线矿浆监测和机器视觉图像分析技术等，建立智能浮选机、智能高梯度磁选机等选别全流程智能协同控制系统，实现选别流程 稳定控制和优化控制。稳定选别精矿品位，降低废次，优化提高 回收率。
④浓缩脱水过程智能化操作控制
基于浓密过程智能监测技术，结合操作经验、机理变化趋势 及生产数据分析，形成浓缩脱水专家控制规则库，实现浓密机底 流排矿优化与节能控制，提高浓密机底流放矿浓度，实现浓密与 脱水过程峰平谷优化调度。
（10）智慧应急管理系统
①隐蔽致灾因素普查、灾害治理
实现对矿山基础信息、普查成果、地勘工程、生产建设工程、 灾害防治等成果资料及图纸的动态实时监测管理。
②安全监测预警系统（边坡监测、视频监控、人员定位） 系统建设内容如下：
a. 监测子系统：利用智能机器人进行边坡的自动化变形监 测，采用一台智能全站仪与监测点目标（照准棱镜）及上位控制 计算机形成变形监测系统，可实现全天候的无人值守监测，其实 质为极坐标自动测量系统。系统可自动采集、传输和处理变形点 的三维数据。利用因特网或其他局域网，可实现远程监控管理。
b. 高清视频监测：采集模式为高清数字摄像机-硬盘录像机 -PC 客户端，实现对边坡面的实时视频监控，能对监控图像进行 实时存储，具有回放、录像以及预置位功能。通过现场摄像头实时拍摄并传输至调度室显示屏上，直观显现边坡运行情况。在边 坡面具有代表性的或重要区域设置视频监测点，对监测区域实施 视频影像监测；针对不便于线路架设的视频监控区域，采取风电 互补的清洁能源供电技术与无线网桥传输技术，有效扩展视频系 统的范围。
c. 降雨量监测：通过对监测点的雨量阈值进行分析计算，确 定滑坡的临界雨量范围，降雨达到临界雨量，自动发布滑坡警报。
d.红外入侵告警系统：在采场边坡平台入口位置建设红外入 侵监测高分贝语音告警系统，当有人、车闯入未经许可入口时， 可高音警报提示，同时邻近摄像头切换到预设位实时监控，并将 报警信号回传至监控中心。
e.专家软件系统：专家软件系统是安全监测预警系统的关键 组成部分，不仅可对实时采集的数据直观查看和组织生成各种生 产报表，更可结合专家软件模型，综合处理各种数据，得到科学 的分析结果，从而指导生产，保证边坡安全运行。企业可以将下 属各个边坡信息进行统一管理发布，并可将实时数据按照县、市 等相关平台接口定义发送。最大限度保障边坡系统安全。
③双重预防信息化系统
双重预防信息化系统涉及矿山安全管理方面，涵盖风险分级 管控及隐患排查治理。主要包括前期准备、划分风险评估单元、 辨识各类危险源、风险评估、风险分级管控、安全风险公告、隐 患排查、隐患分级、隐患治理等。通过信息化手段，实现企业资质证照智能分组、过期自动提醒，以及危险源点的实时监控预警、 自动评估、智能分析、综合判断等功能。
④矿用安全设备全生命周期监测系统
矿用安全设备全生命周期监测系统通过对矿用安全设备数 据采集、分析统计，实现设备选型、采购计划、投产使用、在线 盘点、监测分析、故障预警、巡检维修和报废再生的全生命周期 进行闭环管理，使矿山能够实时掌握每台设备在开采区、井下巷 道或库房等区域上的位置信息，为管理决策提供精准有效的数据 依据。
系统包含以下功能：设备管理、感知数据在线监测、设备故 障预警、设备全生命管理、移动APP 端。
（11）矿山生产综合管控平台
建设智能管控中心，构建多业务、多系统一体化、可视化高 度融合的智能综合管控平台，支持多种通信协议，将矿山生产、 安全等多源异构系统数据进行采集、集成，让矿山运营透明可视、 资源调度快速有序、生产安全高效协同，提升矿山运作效率和整 体产能。
5. 应用案例
（1）长九（神山）灰岩矿
长九（神山）灰岩矿矿区位于安徽省池州市西南方向约 37km 处，隶属池州市贵池区，设计开采规模 7000 万吨/年，总运营期 约 29.5 年。
长九（神山）灰岩矿项目主要按建筑用砂石骨料规划设计， 共分为三大工程，即矿山开采及加工系统、物流廊道工程和长九 专用码头工程。矿山开采的原矿经溜井、平硐运输至附近的破碎 加工系统，加工后成品混合料经长距离胶带机运输至码头堆场， 经再次筛洗分级后由装船机装船外销。
长九项目拥有全国单一体量规模最大的生产系统，涵盖矿山 开采、矿石加工、廊道输送、陆域筛洗和码头装船，体量庞大、 异常复杂。矿山成功引用数字化管理，建成了物联网管控和智慧 码头管理系统；在产品研发端，建成砂石行业全国首家三级试验 室，稳定保持试验检测技术的科学性、前沿性和先进性，为高品 质砂石产品的生产和深度应用提供了技术支撑。
矿山已建立智慧矿山开采调度系统，主要包括无线通信系 统、车载终端系统、智能调度平台、监控中心系统。其中无线通 信系统实现车载终端系统与监控中心系统之间的信息交互，包括 设备运行状态信息、调度指令、定位信息、报警信息等。目前网 络传输方式有公网传输与专网传输。车载终端系统包含卡车调度 终端和 AI 行为分析终端，通过公网将信号传输至后台服务器。 智能调度平台将对生产数据进行存储整理分析，达到管理、决策、 指挥生产的目的。
矿山已建立智能安全管控系统，主要功能包括人员穿戴及行 为违章实时识别、人员分布管理、厂区及硐室出入管理、特殊作 业管理、作业安全管控、反违章管理、考核管理、胶带运行异常识别、数字化智能巡检、风险安全管理、隐患排查管理、配电房 安全管理、智能安全管控智慧中心。通过智能安全管控应用，移 动端 APP 可适配安卓及ios 系统，可随时随地实现违章的“报警 推送、流程处理、数据查看”等协同功能，支持违章行为手动上 报，发现违规行为后可第一时间通过移动端填报及审批。
图 2 长九（神山）灰岩矿智能安全管控应用
图 3 长九（神山）灰岩矿智能调度系统
图 4 长九（神山）灰岩矿物联网管控平台数据可视化
（2）芜湖海螺
海螺集团是一家大型建材企业集团，组建于 1996 年，总部 设在中国安徽省芜湖市，主导产业为水泥制造，下属安徽海螺水 泥股份有限公司，主要从事水泥、商品熟料、商砼及骨料的生产 和销售。芜湖海螺数字化矿山项目 自 2018 年 12 月份启动，于 2019 年 7 月完成建设， 目前由智能矿山、卡车调配、质量控制 和视频监控四大系统组成。
芜湖海螺智能矿山建设，以实现矿山资源可视化、开采方案 合理化、出矿品位均匀化、指标控制精细化及生产调度智能化为 目标，基于矿山资源综合利用的原则，最大限度地挖掘和发挥矿 山数据的潜能和作用，给予矿山资源管理、生产计划等各方面以 现代化的管理手段和科学的决策支持。
芜湖海螺数字化矿山以石灰石质量控制为主线，利用数字采 矿软件进行矿产资源管理和开采计划管理；结合智能调度系统、 在线质量检测系统实现矿山生产调度自动化和质量控制智能化；依托智能管控平台完成生产、质量、设备等数据自动采集和管理， 达到安全、高效、绿色的开采目的。
芜湖海螺智能矿山建设包含以下六点总体内容：
①实现矿山三维地质建模、地质数据处理、炮堆参数赋值和 精细化生产配矿；
②通过数据自动采集、智能化统计分析实现矿山开采生产管 理模式变革；
③通过通信、定位等方法构建矿山虚拟生产系统，实现生产 与安全的集中管控；
④根据品位控制要求的配矿指令，合理地调度设备，实现“铲 不等车、车不待铲”；
⑤实时检测质量，自动配矿计算，实现无人化、自动化、智 能化的生产异常处理；
⑥实现多源信息的高效组织管理和各系统模块之间实时信 息同步共享。
6. 技术难点
（1）地质资源的三维可视化实时更新。 目前普遍为构建 三维可视化模型，无法根据采掘进度变化实时更新三维可视化 模型。
（2）露天穿孔作业远程控制效率低。从技术层面能够实现露 天穿孔作业远程控制，但作业效率远低于人工作业，普及难度大。
（3）露天无人卡调系统作业效率及流畅性不足。受现场作业环境制约，大型露天矿山企业运输卡车数量较多且密集，网络 通讯、卡车运输现场环境等制约了露天无人卡调系统的普及。
7. 措施建议
（1）大型露天矿山应引进先进的三维可视化软件及相应人 才，满足矿山地质资源的三维可视化实时更新。
（2）开发成熟的露天穿孔作业远程控制装备，尤其是远程 识别系统上，应进行技术攻关。
（3）规范露天矿山运输作业环境及运输道路建设，提高露 天作业区域网络覆盖精准度，减少网络延迟，进一步提高露天卡 调系统的作业效率及流畅性。
