矿山钻机自动取样分析系统的研究及应用.pdf

2023年第3期0引言随着数字化水泥矿山的建设，矿山作业中使用的无人矿卡、远程铲装、自动配矿、智能卡调等新技术可大大降低矿山开采环节的人工劳动强度，提高矿山的开采效率。但钻孔样品的人工取样分析取样代表性不强，化验分析周期长、滞后大，导致钻孔样品的分析检测数据无法准确更新矿山的三维地质模型，无法精准指导矿山铲装、配矿作业。这也使得数字化矿山的建设效果大打折扣。目前在露天矿山开采行业钻机自动取样、自动分析的研究为空白领域，因此亟需开发基于新技术、新方法的钻机自动取样、自动分析系统，将科学的自动取样方法以及先进的成分检测技术应用于露天矿山开采过程中，构建矿山全流程的质量优化控制体系。1钻机自动取样分析系统1.1钻机自动取样系统目前对于露天矿山钻机的研究主要针对于钻机除尘系统的改进与优化1。现有的钻机取样方法是通过钻杆中心孔抽真空把矿粉从中心孔吸出再通过旋流器分级，然后多数矿粉从旋流器底部排出在地面成堆，取样工在成堆的矿粉中随机铲取一定量的样品，手动缩分后送至化验室，矿山现场取样工作量大且随机性强，同时有少量的细颗粒矿粉随空气一起从上部排出，这部分样品并未取到，且矿粉成堆过程中有一定的偏析分级，以上问题均导致了人工取样的整体代表性偏差2。鉴于目前钻机取样存在的问题，为了有效提高钻机岩粉取样的代表性，开发了钻机自动取样系统。为防止样品污染，自动取样系统为新增的旁路式取样系统，外挂于钻机现有的除尘系统，自动取样系统包含有采样管、样品收集装置、真空泵、压缩空气反吹装置、缩分装置、留存样装置等。钻机旁路式自动取样系统的示意图见图1。缩分装置滤网阀门2收集装置PVC钢丝管真空泵三通阀门PVC钢丝管阀门1内置滤网内径20m钢管防尘罩空压机支气路图1钻机自动取样系统钻机自动取样系统的作业流程如下：钻机到达中图分类号：TQ172.6文献标志码：B文章编号：1007-0389（2023）03-63-03【DOI】10.13697/ki.32-1449/tu.2023.03.024矿山钻机自动取样分析系统的研究及应用*张成伟1，武艳文1，张 焱1，党 静1，张光明2，阮亚乐2（1.南京凯盛国际工程有限公司，江苏 南京 210036；2.洛阳黄河同力水泥有限责任公司，河南 洛阳 471600）摘要：本文介绍了基于新技术和新方法的矿山钻机自动取样分析系统，不仅可实现钻机取样分析的无人值守，减少人工的劳动强度，同时结合GIS技术和智能配矿系统，自动取样分析数据可精准更新矿山三维地质模型，优化矿山开采计划及爆破计划，精准指导矿山的配矿工作，实现矿山全流程的质量精细化管控，有效提高矿山的利用率及石灰石质量的稳定性。研究成果可用于水泥矿山及其他矿山相关领域成分检测和质量控制，具有极大的市场空间。关键词：钻机；自动取样；自动分析；激光分析技术Research and application of automatic sampling and analysis system for mining drillsZhang Chengwei1,Wu Yanwen1,Zhang Yan1,Dang Jing1,Zhang Guangming2,Yuan Yale2(1.Nanjing Kisen International Engineering Co.,Ltd.,)Abstract:This article introduces an automatic sampling and analysis system for mining drilling rigs based on new technologies andmethods.It not only enables unmanned sampling and analysis of drilling rigs,reduces manual labor intensity,but also combines GIStechnology and intelligent ore matching systems.The automatic sampling and analysis data can accurately update the three-dimensional geological model of the mine,optimize mining and blasting plans,accurately guide the ore matching work of the mine,and achievefine quality control throughout the entire process of the mine,effectively improving the utilization rate of mines and the stability of limestone quality.The research results can be used for component detection and quality control in cement mines and other mining relatedfields,with great market potential.Key words:mining drill;automatic sampling;automatic analysis;laser analysis technology*基金资助：中国建材集团攻关专项资助（2021HX0607）计量检测张成伟，等：矿山钻机自动取样分析系统的研究及应用*-632023年第3期指定位置开始钻探作业，系统自动形成样品编码。在钻机钻探到达指定深度的持续作业过程中，自动取样系统通过真空泵将钻机捕尘罩内的颗粒样品吸入收集装置中进行收集。通过设置自动采样频次，实现钻孔过程中的连续定时采样，样本收集完成后，将样品合样转运至缩分装置内进行混匀和缩分，经过混匀缩分后，获得分析样和留存样。旁路自动取样流程见图2。自动化验指令下达样品自动编码设置采样频次自动采样钻孔作业结束自动采样结束形成样品合样样品混匀缩分获得留存样品获得检测分析样品样品制备自动分析留样喷码标记图2钻机自动取样系统1.2激光分析技术在灰岩矿山检测分析中的应用目前石灰石矿山钻机岩粉样品的检测主要使用化学分析法或荧光分析法。大多数的矿山距离化验室较远，岩粉样品的送样过程耗费了较多人力。矿山钻机车载在线取样分析系统，可实现在钻机作业过程中的实时随钻自动采样和自动分析，有效解决了现有岩粉样品检测分析中周期长、滞后大等问题。岩粉样品的粒度最大约为10 mm，若使用荧光分析技术，为了保证检测精度，首先需对样品进行破碎和研磨，另由于荧光分析技术对于镁、铝等轻元素的检测，需在真空环境下进行，因此样品还需经过压片处理3，实现车载布置难度较大。激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种全新的物质元素分析技术，使用高能脉冲激光将样品表面烧蚀成等离子体，通过测量等离子体光谱强度来精确、快速获得样品元素含量，矿物的基体效应也不会影响激光分析的准确度，同时对轻元素的检测准确度较高，适合于钻机岩粉样品的快速精准检测分析4。为了初步验证激光分析技术在灰岩矿山检测分析中的精确度，使用低功率激光分析平台对8个石灰石-白云石类标准样品进行检测。其中实验室使用的制样条件为研磨后岩粉粒度 D90 为 30 m 以下，放入模具中后人工压平。通过实验室前期的探索，经过研磨和压平处理的岩粉样片，可显著降低激光分析等离子温度及电子密度的波动5，有效提高激光分析技术在岩粉样品检测的准确度，8个标准样品CaO含量的检测结果及拟合图谱见图3。CaO含量的全谱分析结果汇总见表1。在实验室状态下对 8 个标准样品进行检测分析，CaO含量检测结果的绝对偏差为0.79%，相对偏差为 1.92%。根据 DZ/T02132020 矿产地质勘查规范石灰岩水泥配料类规范要求5，以石灰石中CaO均值为48%进行计算，则根据地质勘查规范，矿山石灰石 CaO的检测相对偏差为 10.57%。因此在实验室环境下经过研磨、压平处理后的岩粉样品，激光分析的检测准确度满足矿山勘探要求，但与现有荧光分析或化学分析相比，检测的准确度依旧有一定的差距，还需进一步深入研究。同时以上的实验室研究为初步探索，后续还需进行其他化学成分的检测分析和激光分析仪的车载稳定性试验。CaO含量/%253035404550谱峰强度01000020000300004000050000图3岩粉样品CaO的检测结果及拟合图谱表1石灰石-白云石类标准样品CaO含量激光分析检测结果%标样编号GBWO3206AGSB08-1345-2014GSB08-1354-2010GSB08-1534-2014GSB08-1537-2016GSB08-2986-2013GSB08-2991-2014GSB08-3200-2014偏差均值标准浓度48.6248.1537.6433.7244.7341.3031.6027.94预测浓度47.4947.2438.0633.7346.1442.6330.5827.84绝对偏差1.130.910.420.011.411.331.020.100.79相对偏差2.331.901.120.023.153.223.230.371.922矿山全流程的质量优化控制钻孔样品的人工取样分析，由于钻孔数量大，取样分析的工作量大，往往将一个爆堆区域的多个钻孔的样品合并后分析。此种取样分析方式，取样代表性差，无法代表爆破平台石灰石的平均成分，因此矿山配矿大多采用高中低品质的估值搭配，铲装作业的位置也是人工大致确定，无法精准控制品位。通过钻机自动取样分析系统的建设，矿山全流程的质量优化控制可实现以下的功能：（1）准确获得爆破平台不同位置、不同深度石计量检测张成伟，等：矿山钻机自动取样分析系统的研究及应用*-642023年第3期灰石的化学成分，经过品位属性更新后，可保证三维地质建模更加准确，为后续制定合理的开采计划提供依据；（2）可实现矿山全流程的质量精细化管控，矿山开采环节的质量控制将由原来的估值控制转变为精准控制，通过单个钻孔的实时取样分析可准确获取不同位置的矿石质量，同时可精确定位铲装作业的位置，也使得多个爆堆的精准配矿得以实现。（3）钻机自动取样分析系统也可与进厂石灰石在线中子分析仪联动使用，实时优化智能配矿和卡调系统，最终实现矿山开采与石灰石调配系统的闭环管控。矿山全流程质量优化控制流程图见图4。3结语及展望通过钻机自动取样分析系统的应用，再结合数字化矿山的智能配矿及卡调系统，可有效避免因人工控制导致的质量波动大、矿石搭配品位不均衡等问题，极大的提高矿山开采效率、延长矿山的使用年限，有效的保障水泥原料质量的稳定性。该研究成果可用于水泥矿山及其他相关矿山领域成分检测和质量控制，具有极大的市场空间。有关矿山钻机自动取样分析系统的应用效果及重点研发攻关方向的思考如下：（1）通过合理的取样系统设计以及样品的混匀缩分，有效提高自动取样的代表性，可实现不同位置及钻探深度的精准取样，精准指导矿山三维地质模型的数据更新；（2）实验室对标准样品的检测分析，通过研磨和压平的样品预处理，避免激光照射时的样品飞溅现象，显著降低等离子温度及电子密度的波动，可有效提高激光分析技术检测的准确度；（3）激光分析技术在岩粉样品检测中的应用还需进一步深化研究，克服激光分析单点扫描的局限性，提高实验室静态检测的精度，为后续的车载分析创造条件；（4）基于钻机自动取样分析系统的数字化矿山，实现了矿山的精准智能配矿，可改变现有水泥工厂的质量控制模式，后期需探索不同品质的石灰石对烧成能耗的影响，形成矿山开采与水泥熟料生产的闭环质量管控新模式。参考文献1 吕秀梅,姜 鹏,宋海涛.潜孔钻机除尘系统的研究J.露天采矿技术,2022,37(2):113-115.2 赖桂华,王建华,肖长洪,等.一种钻机自动取样装置及使用方法P.中国专利:CN114062026 A,2022-02-18.3 王祎亚,王毅民,高新华,等.X射线荧光光谱在岩石分析中的应用评介J.冶金分析,2020,40(10):1-11.4 郭锐,张雷,樊娟娟,等.基于激光诱导击穿光谱的化验室水泥质量检测设备研制J.光谱学与光谱分析,2016,36(7):2249-2254.5 DZ/T02132020,矿产地质勘查规范 石灰石、水泥配料类S.（收稿日期：2023-01-01）优化开采计划精准更新三维地质模型品位属性更新钻机自动取样分析系统石灰石堆场进厂石灰石质量要求智能精准配矿系统智能卡调系统矿山破碎机石灰石长皮带石灰石中子分析系统优化控制钻孔质量数据钻孔质量数据图4矿山全流程质量优化控制流程图中材国际（南京）成功签约沙特阿拉伯南方省水泥有限公司吉赞3号水泥生产线项目总承包合同沙特当地时间5月17日晚，中材国际(南京)与沙特阿拉伯南方省水泥有限公司（SPCC）共同签署了SPCC 吉赞3号线5000t/d水泥生产线工程总承包合同文件。签约仪式在沙特首都利雅得举行。来源：中材国际南京信 息计量检测张成伟，等：矿山钻机自动取样分析系统的研究及应用*-65