安全高效智能化采矿技术在谦比希铜矿的应用.pdf

60 1 前言近年来，随着互联网、高效采矿技术的快速发展，其与各行各业不断深入的应用为行业发展不断注入发展动力或变革其发展模式。智能矿山也因互联网和智能技术在矿山的不断应用而得到快速发展，高效采矿技术与智能矿山技术已经成为国内矿业行业前沿技术的一大研究热点1-3。国外的智能矿山建设起步较早，经过近 20 年的发展，已经涌现出一大批智能采矿装备和技术并成功应用到多座矿山。比如山特维克、阿特拉斯的智能采矿设备，ABB 的生产管控系统等。国际上已经建成或改造成多座自动化程度相当高的智能矿山，如瑞典的基律纳铁矿4、芬兰的 Pyhasalmi 矿5、南非的 Finsch 矿等，这些矿山通过智能矿山建设显著地提高了劳动生产率，降低了作业成本，提高了矿山的竞争力。目前国际矿业巨头也正在向设备自主化、无人化发力，以求通过引进先进技术提高安全水平、降低成本、提高效益。然而，中国相关技术研究起步较晚，与西方矿业科技强国还有较大的差距。我们必须奋起直追，才能在未来矿业竞争中占有一席之地。谦比希铜矿是中国在海外建成的第一座有色金属矿山，被称为“中非合作的标志性项目”，是中国有色金属企业海外开发的一面旗帜和排头兵6。谦比希铜矿为地下开采矿山，包括主矿体、西矿体和东南矿体，隶属于中色非洲矿业有限公司。实现谦比希铜矿安全高效的回采，对同类矿山的高效采矿技术发展以及智能化矿山建设具有重要的借鉴意义7-8。2 矿山概况谦比希铜矿（主矿体、西矿体和东南矿体）共保有333 级以上硫化矿资源量 1.74 亿 t，含铜金属量 355 万t，平均铜品位 2.04%。其中：主矿体保有资源量 2275万吨，含铜金属量 53 万吨，平均铜品位 2.32%；西矿体保有资源量 2075 万吨，含铜 45 万吨，平均品位2.18%；东南矿体保有资源量 1.3 亿吨，含铜金属量 257万吨，平均铜品位 1.97%；含钴金属 14.8 万吨，平均钴品位 0.11%。自公司成立以来，先后恢复了主矿体的开采，开发了西矿体和东南矿体。主矿体 2003 年复产，采用竖井+斜坡道联合开拓，开拓深度 900m；中段高度 200m；采用无轨采矿技安全高效智能化采矿技术在谦比希铜矿的应用徐和麟，杨清平，黄晓明（中色非洲矿业有限公司，北京 100082）摘 要：针对谦比希铜矿开采技术条件复杂、生产效率低、成本高等问题，依托现代先进的信息化采矿技术，在分析谦比希铜矿的矿石开采条件的基础上，融合膏体充填采矿技术、矿山生产信息化管控系统、大型智能化无轨设备生产系统、无人驾驶的有轨及无轨运输系统、油料及炸药垂直/钻孔智能下放系统、无人值守的辅助生产系统等先进技术，将先进的采矿技术融入矿山生产的各个环节，在主西矿体与东南矿体得到很好的应用，两大矿体当前的开采效率和技术经济指标处于同类矿山领先水平，未来可为矿山开采提效提供参考。关键词：安全高效；充填采矿方法；信息化；自动化；智能化 61 术，多级机站通风系统。采矿设备全部引进先进的无轨设备。井下开采系统和装备均达到国内领先水平。主矿体自复产以来，最大生产能力达到 4500t/d 以上，取得了良好的经济和社会效益。截至 2021 年年底，主矿体累计出矿量 1571 万吨、出矿品位 1.76%；采矿损失率44.18%、矿石贫化率 32.31%。西矿体 2007 年启动工程建设，设计采矿生产规模为 3000 吨/日，年产矿石 100 万吨。西矿体项目，设计上有较大创新，开拓系统和采矿技术全部实现无轨化。2010 年 11 月全面建成投产，2016 年达产。但由于西矿体属典型的缓倾斜破碎难采矿体，开采面临的主要难题：采场规模小，采场效率低，装备数字化、信息化程度低，所需设备人员数量多，管理维护难度大，生产成本高，抗市场风险能力弱。为此实时开展了以“技术升级、管理创新”为突破口，对主、西矿体进行全面升级改造，改造取得重大成果，整体技术达到国际领先水平，生产效率提高近 40%。截至 2021 年年底，西矿体出矿量 1064 万吨、出矿品位 2.00%；损失率 31.52%、贫化率 8.68%。东南矿体是一巨型隐伏铜钴矿床，矿体规模大、分布广、埋藏深、形态复杂。东南矿体埋藏深，首期开采深度 7001100m，矿体厚度平均仅为 9.6m，品位偏低，地质品位仅为 2.07%。如果采用常规的管理模式和开采方法，将不具备任何竞争力，甚至无法经济回采，无法生存。东南矿体设计上有重大突破和创新，立足建设数字化矿山，采用主副井开拓，无轨采矿技术以及信息化、数字化、自动化管理手段。年设计能力 330 万 t/年，平均年产铜精矿含铜 6000065000 吨/年。截至 2021 年年底，东南矿体出矿量 323 万吨、出矿品位 1.83%；损失率 8.88%、贫化率 13.68%。3 主西矿体高效开采技术3.1 缓倾斜中厚矿体大盘区机械化上向进路膏体充填采矿法原采矿方法采场规模小、数量多、采切工程量大、人员设备分散、生产管理难度大、生产效率低。为此，研发了大盘区无轨信息化膏体充填采矿新方法。该方案克服传统开采方法开拓、采准工程布置的束缚，通过盘区与采场结构参数及回采工艺优化技术、新型信息化设备的引进与合理配置、盘区车队的信息化高效生产组织新模式、采场设计与生产计划的数字化技术、生产调度与计划执行的信息化技术，形成了大盘区无轨信息化膏体充填采矿新方法，实现了 5 个盘区 10 个采场 19 台设备 105 万吨/年的安全高效生产。3.2 大型无轨智能化设备优化配置无轨设备优化配置原则是选用自动化程度高，精度高，且高度配套，能充分发挥设备自身优势，将人为因素影响降到最低限度，全面配置大型高效采、掘、运设备及配套辅助设备，实现了安全、高效、经济开采。改造后无轨设备配置如表 1。为充分发挥大型自动化设备效率，与世界知名设备厂家 Epiroc 公司建立战略合作关系，引进其设备管理和维护方面的先进理念，组建专业维保队伍维护管理新模式。采用专业化维保队伍以来，主体设备平均完好率 85%以上，利用率 40%以上。大型无轨设备快速实现达标达效：M2C 双臂凿岩台车单循环爆破进尺达到4.5m，比原有 BOOMER281 台车单循环爆破进尺 3.0m提高了 50%，月度效率由原来 BOOMER281 单臂台车2455m3/月提高到 M2C 双臂台车 13500m3/月，创造了赞比亚单台凿岩台车月度作业量最高纪录；ST14 铲运机台班效率实现了 900 吨，比采矿合同约定铲运效率提高了 2 倍以上；Cabletec LC 锚索台车单根锚索支护时间缩短至 25min/根，支护效率提高约四倍；采用 Getman A64 装药台车装药，提高了装药质量，爆破效率由原来80%提高到 95%以上，炸药单耗控制在 1.5kg/m3；30t XYUK 型矿用卡车台班效率比原来 MT2010 型矿用卡车提高了一倍以上。3.3 信息自动化系统建设利用井下基站实现了生产重点区域的 WiFi 覆盖，实现了人员设备定位、视频监控及地表井下的互联互通。建立了赞比亚首套生产信息化管控平台与系统。针对赞比亚当地员工专业技能素质低，充填采矿工艺环节复杂，设备类型多管理难度大等问题，运用 TOC 制约理论和 5M1E 法对生产管理环节进行系统分析，借助物联网技术，开发了基于主西矿体新盘区新工艺的生产信息化管控平台与系统，实现了一套系统跨平台多项子系统融合，形成了信息化平台标准化操作运行程序与配套严格管控制度，满足了整个生产全方位、多角度管理需求。开发了精细透明化生产管控 MES-APP 系统。以人的行为、设备效率和作业面状态为抓手，运用数字化矿山技术和信息化技术，开发了与西矿体新盘区生产模式相适应的 MES-APP 生产管控系统，建立快速反应、精细化、透明化的生产作业环境，强化设备及生产的过程数据管理与维护，实现管理末梢的精细透明化。3.4 配套辅助系统优化及完善（1）全尾砂膏体充填工艺与系统优化改造针对西矿体复杂难采特点，研建了膏体充填工艺技 62 术，建立了赞比亚首套基于深锥浓密技术的膏体充填系统，形成了尾矿深锥浓密防压耙技术、深锥底流浓度与膏体制备质量智能控制系统、絮凝剂溶液的制备与添加自动控制系统、考虑管道滑移效应的管道输送摩阻计算新模型、低强度膏体充填多步骤回采贫化损失指标控制关键技术、膏体充填管道压力在线监测预警系统六大关键技术。为进一步提高西矿体回采率，解决采场充填脱水难和文明生产差，影响人员、设备效率等问题，通过对膏体充填系统深锥浓密机底流泵及充填管路进行改造，成功实施了井下采空区全部采用膏体充填的技术方案。项目投入应用以来，每年为矿山创造 1120 万美元的直接经济效益。同时，提高了矿山的安全管理水平和开采技术水平，有效缓解了矿山环境生态压力，促进了企业的发展。（2）有轨无人驾驶系统改造500mL 中段原有轨运输系统存在运输距离长，轨道设施差，运输速度低，运输能力不足等问题。为配套实施新盘区改造，满足未来生产运输能力，提出了双编组有轨无人驾驶系统建设，系统运输能力从改造前 135 万提升至 190 万，且实现了减员增效及运输安全可靠的目的。自动运输系统包含：智能控制系统、通信网络系统、信集闭系统、远程装矿系统和远程卸矿系统及系统保护。（3）井下排水及地表皮带运输自动化系统改造顺 利 完 成 所 有 泵 站（400ML、448ML、500ML、700ML、948ML）的水泵和地表皮带运输系统（SC1、SC2A、SC2、SC3）的皮带运输机的自动化改造，维修工和操作工的培训全部完成，实现了远程操作及无人值守。实现水泵自动化远程控制后，节省了水泵操作岗位员工共计 76 人。（4）电能管控系统建设电能管控实现了所有 11kV 变电所的电能采集、变电所配电回路的实时画面监视功能，通过电能数据的采集，形成了水泵的停机日报表和 KPI 日报表、提升机生产日报表、电能需量日报表及月报表、各生产单位电能消耗日报表等。目前正根据实际生产情况，制定合理的用电额度，通过人工调度来实现各单位的合理用电，避免用电需量表1 西矿体技术改造无轨设备配置表主体设备设备名称设备类型设备数量用途备注凿岩台车M2C3凿岩凿岩台车BM2812凿岩刷扩和拐弯铲运机ST145铲运2台中段倒运锚杆台车Boltec2352锚杆支护锚索支护台车Cabletec LC2锚索支护装药台车A64 Charger3装药辅助设备TLB两头忙315SL2扒渣、清底撬毛台车QM0452撬毛服务车SL-332运输爆破、辅材加油车MULTIMEC 66002油料添加喷浆车MEC6050 WPC1喷浆喷浆罐车Utimec 15002喷浆混凝土运输剪式升降车UTI LIFT SF3302安装压路机BW212D-402修路 63 峰值的出现，减少需量电费的支出。（5）其他辅助系统改造为配合系统升级改造，对井下通风、材料与备品备件供应、井下维修车间配置、井下通讯、井下生产调度等辅助生产系统也同步进行信息化、自动化、智能化改造，并采用先进的通信系统实现地面远程控制，既高效，又节省大量人力成本。3.5 选矿技术优化通过开展多目标优化提高技术经济指标的研究和成果转化，通过磨矿分级优化、调整浮选流程结构以及优化药剂制度等，在保证精矿质量的基础上，采用降低精矿品位而提高选矿回收率的措施提升了整体经济效益。选矿回收率再创新高，达到 92.89%，较最初提高 3.13个百分点，与项目实施前的指标相比，累计为公司创效近 2000 万美元。此外，通过采用磨矿分级系统的整体优化方案，球磨机能耗降低了 5.23%，钢耗消耗平均降低了 5.5%，衬板损耗降低了约 9.7%。因节能降耗间接产生的效益约为 36 万美元。4 东南矿体高效开采技术4.1 安全高效充填采矿法为充分发挥盘区化作业模式下自动化铲运机出矿能力，试验了房柱充填法、分层进路嗣后充填法、预控顶下向中深孔空场嗣后充填法、预控顶上向中深孔空场嗣后充填法四种主要采矿方法，经现场试验后成功予以实施，采场的掘、采、出、充实现无缝衔接，自动化铲运机出矿效率达到 1500 吨/班，出矿量已提升到 8000 吨/天，为下一步实现达标达产奠定了坚实的基础。膏体充填系统采用 18.0m 深锥浓密机浓缩，两段卧式搅拌机搅拌膏体制备工艺和自流输送工艺。单套充填系统充填能力为 140160m3/h，日最大充填量 4397m3/h。充填站共设计布置 4 个充填钻孔，孔深 680m，主干管选择 175mm 双金属复合管。采场高度 520m，分两步骤回采，采用全尾砂膏体充填技术。一步骤采场采用灰砂比 1 8 膏体充填后，充填接顶情况良好，膏体强度高，从已完成二步骤采场回采看，回采过程中未发生一步骤充填膏体垮塌事故。全尾砂膏体充填技术使井下空区得到及时有效充填及在赞比亚首次成功实施，使采矿作业更安全，矿山更加绿色环保。4.2 自动化采矿设备配置及采矿自动化系统已采用先进设备及技术：卡车运输自动化、电机车图1 铲运机出矿自动化图2 800mL自动化卡车运输中段运输自动化、铲运机出矿自动化、远程控制破碎锤及平板给矿机、全自动化双臂凿岩台车、单孔自动化中深孔台车、装药台车等；掘进凿岩采用山特维克 DD422i 智能掘进台车，可实现快速定位与精准凿岩。装药采用GetMan 装药车，通过升降平台实现乳化炸药的高效装药。采用山特维克的 LH514 铲运机进行出矿，深孔采场使用 Auto Mine Loading 系统自动化铲运机出矿（如图1 所示），出矿效率和安全性大大提高。运输中段 800mL 采用山特维克 AutoMine Hauling卡车无人驾驶系统实现自动运输，如图 2 所示。系统使用 3 台 TH540 和 1 台 TH545 卡车运输矿石承担南采区每天 5000t 矿石和 1500t 废石的运输任务。运输中段 1080mL 使用有轨运输系统承担每天 5000t 矿石和1500t 废石运输。该系统由无人驾驶电机车运输控制系统实现自动化运输，1080mL 电机车运输自动化系统如 64 图 3 所示。同时，配套了大量专用的辅助设备，以减轻辅助工序的劳动强度，提高效率及安全状况，提高主要设备利用率。井下建设有与无轨设备种类和数量及维修保养制度相匹配的两个大型维修硐室，维修硐室功能完备，装备精良，便于维修保养，可更好地保证设备完好率。采矿生产设备和辅助设备机械化、自动化，井下无线网络全覆盖作为信息化、自动化的基础；通过Wanlan 系统和生产辅助系统信息化、自动化融合，实现出矿、矿石运输自动化，实现智能化配电及生产过程自动化的融合，以及大数据收集和分析，实现主要固定设备和移动设备状态监测和计划预修，保证全矿各生产系统的高效运转；利用 OptiMine 系统，实现采矿生产过程实时监控和及时调度。4.3 油料垂直下放系统油料垂直下放系统由地表油库、管道系统、井下中转站、井下油库构成。应用自动化控制技术，将油料从地表输送至各中段中转站，形成油料输送系统。再使用油罐车载油从各中段储油硐室到各工作面，为无轨设备加油，形成油料配送系统，如图 4 所示。系统投用后，油料下放效率明显提高，而且更好地保证了油料，进一步减轻了副井材料下放压力。4.4 炸药垂直下放系统乳化炸药垂直下放系统由地表储罐、输送管道（通过钻孔从地表至井下）、井下储罐组成，如图 5 所示。供应商炸药运输车运输基质至现场储罐，通过钻孔中安装的乳化炸药管、敏化剂管输送至井下 680mL、980mL储存罐，使用定制的装药车从储存罐底部装车，运输至采场或掘进工作面进行装药，装药之前乳化炸药和敏化剂混装敏化成为真正炸药，最后进行爆破。乳化炸药垂直输送系统已经于 2020 年 3 月投用，投用后炸药下放效率明显提高，井下生产所需炸药及其质量得到了更好的保障。该系统具有炸药输送效率高、炸药质量有保障、安全性高的明显优势。4.5 辅助生产系统生产辅助系统为生产保驾护航：全矿主干网络实现井下 WiFi 全覆盖、水泵自动启停、按需通风系统、智能交通管控系统、人员定位及视频监控系统、智能高低图3 1080mL电机车运输自动化图4 燃油润滑油垂直输送系统 65 图5 炸药钻孔垂直输送系统示意图压配电系统、智能仓储系统、地表厂区智能门禁系统、主井提升系统自动化、充填系统自动化。4.6 自动化选厂建设选矿系统按照工艺过程自动化标准建设，利用先进的在线品位分析仪、在线粒度分析仪、矿石块度成像仪、磨音分析仪、浮选泡沫成像仪等在线分析仪表，构成选矿生产数字模型为基础的专家控制系统，实现生产过程自动化控制和指标优化，达到作业人员少、设备安全性高、工艺指标先进、生产成本低等目标。选矿立足技术创新提前实现达标。通过采用新的设计理念和创新管理，东南矿体选矿车间日处理量、精矿品位及回收率均达到或超过设计指标，日处理量连续稳定在 10000 吨/天，铜精矿品位达到 26.3%，比设计指标提高 2.3 个百分点；选矿回收率达到 95%，比设计指标提高 2 个百分点。5 结束语通过对主西矿体进行系统升级改造和东南矿体数字化矿山建设，采矿工艺和装备水平在国内外已处于领先水平。（1）西矿体为赞比亚第一座膏体充填矿山，主要采用数字化大盘区无轨安全高效开采综合技术开采，降低了损失和贫化，提高了资源利用率，通过创新充填料浆浓度的精确控制技术，实现了低灰砂比充填和低贫损开采；创建了缓倾斜中厚矿体上向进路式膏体充填采矿方法，突破了富水破碎矿体的安全高效开采关键技术难题，实现了缓倾斜破碎矿体的安全高效回采，其主要技术经济指标采矿贫化率控制在 6%8%，回采率在75%78%，采场生产能力不低于 350t/d，在富水破碎缓倾斜中厚矿体回采方面处于国际领先水平，而且消除了主矿体及赞比亚地下矿山普遍采用崩落法采矿造成的地表塌陷、地下涌水量大等带来的环境与安全问题，整体达到国际领先水平。（2）东南矿体为深埋矿体，矿体多褶皱，产状复杂多变，为难采矿体。矿体上部有数百米巨厚含水层，地表有农村、养鸡场、炼钢厂、国际公路、河流等地质环保问题，最大采深超过 1000m。通过创新采用预控顶分层进路嗣后充填采矿法、预控顶下向中深孔空场嗣后充填采矿法、预控顶上向中深孔空场嗣后充填采矿法等膏体充填采矿方法以及大型高效自动化采掘设备，实现了安全高效开采。采矿及装备达到国内领先水平及国际先进水平。总之，中色非矿将致力于理念创新、技术创新、管理创新，继续开展谦比希铜矿主矿体 800mL 以下深部难采矿体采矿方法试验研究、东南矿体深部资源勘查和经济开采技术研究、充填胶结材料研究以及谦比希铜矿深地资源开发技术及智能矿山开采技术研究，形成具有自身特色的矿山科技创新体系及特有新技术，将谦比希铜矿建设成为高度自动化、智能化，技术水平达到世界一流标准的现代化矿山。参考文献：1 周立强，周立财.基于MIDAS-GTS充填采矿法采场结构参数优化研究J.中国矿山工程，2015，44（1）：24-27.2 赵东升.安全高效采矿技术在红岭铅锌矿的应用研究J.世界有色金属，2019，10（8）：78-79.3 白奋龙，徐帅，梁庆荣.智能矿山部分系统技术设备管理应用与创新J.陕西煤炭，2022，41（06）：164-168.4 汪建.瑞典基律纳铁矿考察报告J.矿业工程，2011，9（01）：57-62.5 刘恩荣.芬兰皮哈砂麦（PYHASALMI）矿生产概况J.有色矿冶，1985（00）：9-14.6 张金钟，刘芳芳，杨清平，等.中色非矿微震活动与爆破扰动的相关性研究J.中国矿山工程，2022，51（2）：72-78+94.7 姜朋.安全高效采矿技术在高应力矿山的应用研究J.山东工业技术，2017（1）：114.8 刘磊.安全高效采矿技术在高应力矿山的运用研究J.中国石油和化工标准与质量，2019，39（23）：196-197.9 杨清平，陈顺满.无轨化开采技术在谦比希铜矿的应用与优化J.采矿技术，2019，19（01）：1-4+9.