无底柱分段崩落法放矿过程控制系统研究

无底柱分段崩落法放矿过程控制系统研究

史瑞鹏[1]

（新疆八钢矿业资源有限公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830000）

摘要：针对无底柱分段崩落法放矿管理粗放、损失贫化大的问题，提出一种无底柱分段崩落法放矿过程智能控制系统。使用RFID技术、WIFI技术、组网技术以及传感器技术对铲运机进行智能定位、出矿量计量、品位估算、视频监控以及安全预警，使管理人员能精确实时掌握铲运机作业状态以及出矿指标完成情况。在蒙库铁矿的实例实施结果表明：系统建立之后，实现了放矿过程的综合管控和远程监测，便于矿山工作人员更加合理的调控，保证溜井矿量和品位的均衡，对于提高矿山运转效率，降低安全生产风险有着重要意义。

关键词：无底柱分段崩落法；放矿管理；RFID技术；智能定位

Discussion on the Ore-drawing Process Control System of Non-pillar Sublevel Caving Method

SHI Ruipeng

Abstract：Aiming at the problems of extensive management and large loss and depletion in sublevel caving without pillar, an intelligent ore-drawing control system for the process of non-pillar sublevel caving method. The use of RFID technology, WIFI, networking technology and sensor technology to the scraper intelligent positioning, ore production measurement, grade estimation, video monitoring and safety warning, so that managers can accurately and real-time grasp the scraper operation status and the completion of mining indicators. The implementation results of Mengku Iron Mine show that: after the establishment of the system, the comprehensive control and remote monitoring of the ore drawing process are realized, which is convenient for mine workers to more reasonable regulation and control, and ensure the balance of ore flow and grade, which is of great significance for improving mine operation efficiency and reducing safety production risks.

Key words：Non-pillar sublevel caving method; Draw control; RFID technology; Intelligent positioning

1 前言

随着社会的不断发展，人类对矿产资源的需求量持续增加，浅部资源逐步枯竭，使得地下矿山开采规模逐渐扩大。在地下矿山开采过程中，无底柱分段崩落法因具有开采工艺简单、开采强度大、机械化程度高、作业效率高、安全性能较好等优点[1-3]，得到国内外矿山企业的青睐，尤其是针对于铁矿开采，无底柱分段崩落法的应用更为广泛，我国地下铁矿中使用无底柱分段崩落法的矿山占地下铁矿山总数的85%以上[4]。且随着地下矿山数量的不断增加，无底柱分段崩落法的应用会进一步扩大，该采矿方法的拓展和改进对于地下矿山生产具有重要的现实意义。

无底柱分段崩落法是在高程上开拓阶段巷道将矿体切分为若干阶段，将阶段矿体用分段回采巷道划分为若干分段，分段不设置专门的底部结构，而是直接在分段中的回采进路内开凿上向扇形炮孔，进行崩矿、放矿、出矿作业，分段之间自上而下回采，进路在空间上按照一定顺序以步距崩矿逐步退采，在覆盖岩层下放矿出矿[5-6]。由于放矿时上部覆盖有岩石，出矿过程中矿石损失率、贫化率较高。据统计，我国采用无底柱分段崩落法的矿山矿石损失率一般在20%~30%，贫化率一般在25%~35%[7-8]。过高的损失贫化不利于后续出矿品位的控制，严重影响矿山企业的生产效益。且随着采深的增加，采场地压活动逐步显现，采场频繁的爆破作业导致传统的定位和计量装置无法使用，目前采用人工计数的采场出矿量统计方法容易受到人主观影响，结果误差大，导致崩落面和矿石散体之间的形状和空间大小无法控制，出矿作业安全风险增高。目前对于放矿控制系统的研究，只有李兴平

[9]、王荣立[10]、朱忠华[11]等人针对自然崩落采矿的放矿控制进行了系统开发，而针对无底柱分段崩落法放矿控制系统的研究任是无人涉足。这些问题已经成为制约无底柱分段崩落采矿法进一步应用和发展的关键因素。

因此针对上述问题，结合无线射频技术、WIFI技术、UWB技术、激光与边缘计算终端、组网技术等，构建无底柱分段崩落法放矿过程精细化控制系统，对放矿出矿过程中的机械设备和矿石质量指标进行动态跟踪，实现采场出矿精细化管理和矿山数字化转型，保证采场的安全生产以及各项生产指标达标。

2 基本原理和关键技术

2.1 椭球体放矿理论

椭球体放矿理论最早是由20世纪中期苏联采矿工程师马拉霍夫通过实验研究得到的[12]，并在1952年出版了《崩落矿块的放矿》，书中初步构建了椭球体放矿理论体系。该理论是在实验的基础上得到的，理论概念简单，容易掌握和应用，并且生产实际中的一些问题已经能通过该理论得到解释，因此成为应用最广泛的理论[13]。

椭球体放矿理论的核心是将放出体当作一个椭球体。在单孔放矿时，从采场通过漏斗放出的一定大小的松散矿石，这些松散矿石原有位置在空间上合起来近似椭球体形状，这称为放出椭球体。散体具有二次松散的特征，在放矿过程中，随着崩落矿石的放出，采场崩落矿岩堆体中相应产生松动的范围的矿石形态也近似为一个旋转椭球体，这称为松动椭球体。在松动范围内，各水平层呈漏斗状凹下，称为移动漏斗；已到达放矿口的移动漏斗称为放出漏斗，如图2所示。

图1单孔放矿时崩落矿岩移动规律

1放出椭球体；2放出漏斗；3 移动漏斗；4 松动椭球体

P-P＇矿岩交界面；M 放矿口

椭球体放矿理论中，放出体的形态为椭球体，但实际上因为矿岩散体性质与放矿结构参数和放矿条件的不同，放出体形态与椭球体大多有所出入。但放矿椭球体理论的简单实用，为减少矿岩接触面积，降低矿石贫化率，提高矿石回收率做出了很大贡献。因此在放矿过程中，需要以椭球体放矿理论为指导，根据生产计划控制出矿速度与出矿量，使矿石按照理论规律下落，合理控制矿岩接触面的形状和大小，从而达到控制矿石损失与贫化的目的，同时保证落入溜井的矿石矿量和品位保持均衡，满足矿山生产对矿石品位和产量的要求。

2.2 无源RFID定位技术

要实现放矿出矿过程的精细化控制，首要的就是要对出矿设备进行作业的全流程跟踪，即对铲运机进行实时定位和信息传输。考虑到现场应用环境，在已经建立的无线网络覆盖条件下，采取多技术融合的设备定位。即在传统铲运机作业区，采用更易抗爆破冲击的无源RFID智能标签作为标定、车载识别设备为感知、车辆行驶（驻车、转向）传感器为校准建立起铲运机作业全流程定位跟踪。其工作步骤为：

（1）在铲运机工作路径上安装智能定位桩（图2），如穿脉、出矿巷道以及溜井等的顶部安装无源RFID定位桩。定位桩采用RFID无线通信技术[14-15]，具有唯一识别码，系统软件按照识别码的不同进行位置信息配置，智能定位桩定时向外发送信号，当智能车载终端处于信号覆盖范围内则采集该信号，完成相关信息收集；

（2）在每个铲运机上加装车载智能终端，接收定位桩发射的信号。车载智能终端记录铲运机各项运行数据，并附带有实时语音通讯功能以及实时视频监控功能。需要对智能定位桩发射的无线信号强度进行严格控制，使得车载智能终端在任意位置智能接收到一个定位桩发出的信号，避免造成定位错误；

（3）车载智能终端接收到定位桩发射的信号实现铲运机定位，同时采集铲运机运输参数，并将数据传输至就近的穿脉无线基站，并由基站将数据传入数据中心，支持后续生产报表与安全可视化集控平台三维展示；

图2 智能定位桩

2.3 铲运机自动计量技术

对铲运机进行改造，通过安装计重传感器，实现基于液压+胎压联合的铲运机单斗自动计量，对铲运机单次出矿作业循环进行生产量采集。在铲运机驾驶室安装称重仪表，在提升臂上的安装称重传感器，提升载荷时，触发器和液压传感器向称重仪表发出信息，该信息被转换为数字重量读数显示在称重仪表上。称重系统可累加每次提升的载荷，得出合计数。铲运机装载量动态计量技术工作原理为：

（1）测量铲运机举升缸活塞两端的压力差，运用数学模型软件将压力差转换为重量信号；

（2）称重过程为动态称重，即在铲矿卸矿的举升过程中对装载的矿石进行称重，不影响铲车司机作业方式，称重误差为 8%；

（3）动态计量主机安装在各台铲运机上，主要包括5.7寸全彩色显示主机、油压传感器、定高传感器，防作弊装置等。

（4）称重传感器从举升缸进油管和回油管中取样油压差，计量过程无需中断，动态实时称重，称重后将数据实时的通过无线方式发送到溜井无线接收装置，再通过网络传输到监控主机的数据库中，实时处理显示；

（5）计量主机设置了防作弊装置配合液压传感器完成防作弊监测。

3 系统构建

3.1 系统需求分析

在构建系统的过程中，首要的是进行系统需求分析。只有明确了系统需求，才能根据需求设计相应的功能和逻辑，最终得到满足用户要求的结果。无底柱分段崩落法放矿过程控制系统的目的是在保证开采安全的基础上，通过精细化的出矿控制，保证铲运机运送至溜井的矿石品位在一定范围内波动，保持均衡，同时降低崩落矿石散体的贫化率和损失率。

基于以上目的，系统应实现以下功能需求：

（1）出矿装备的动态跟踪。即对铲运机的位置、作业状态以及指标达成情况等进行实时监测；

（2）出矿量统计。需要对铲运机作业循环次数以及单次出矿量进行计量，为后续生产计划核算以及溜井矿量和品位均衡等提供基础数据；

（3）溜井矿石品位估算。通过对运送至溜井的矿石品位进行估算，为后续出矿品位控制以及生产调度提供依据。

（4）数据管理。包括出矿计划数据、矿石品位数据和铲运机作业数据的采集和传输，以及作业计划执行情况的分析对比，也可以实现地表生产计划以及。

（5）视频监控。对井下采场放矿过程进行实时监控，对于异常情况提出预警。

（6）可视化。开发可视化管理平台，将铲运机出矿作业过程、出矿量和估算品位等信息进行可视化展示，对铲运机井下作业状态进行实时反馈，以便生产管理人员观测和控制。

3.2 系统架构与功能

根据以上系统需求分析，得到无底柱分段崩落法放矿过程控制系统的基本架构如图3所示。系统主要包括通讯网络平台、铲运机定位模块、铲运机计量模块、品位预测模块以及三维可视化管理平台等部分。

图3系统架构

（1）通讯网络平台

使用基于工业以太网的井下通信系统构建通讯网络平台。以光纤有线网络为骨干（接入现有工业环网或独立），以无线网络（GWIFI）为延伸，在各水平分层沿脉设立若干智能无线发射终端，通过无线局域网络覆盖穿脉，为实现数字化监控、生产过程监管、铲运机定位与计量等提供一个共用的信息传输平台。

建设该通讯网络平台解决了从主干环网到采场进路“最后一公里”的问题，同时为后续无人驾驶提供稳定的数据传输网络。

（2）铲运机定位模块

在每个溜井以及回采进路的入口顶部安装RFID智能定位桩，定时发射射频信号，并且给每个位置的定位桩进行编号。在每个铲运机上安装智能车载终端、RFID定位天线以及智能无线接收终端，接收智能定位桩发出的射频信号。

通过调试定位桩发射信号的强度，使定位桩发射的信号相互之间没有重叠，确保铲运机在任何位置都只能接收到一个定位桩发射的信号。当铲运机经过定位桩附近时，扫描接收到智能定位桩信号，读取定位桩信号即可定位铲运机当前位置，并通过无线网络传输至基站。

（3）铲运机计量模块

在铲运机提升壁上安装称重传感器，驾驶室安装铲运机装载量动态计量主机。在铲运机铲矿卸矿过程中，通过测量铲运机举升缸活塞两端的压力差，运用数学模型软件将压力差转换为重量信号，实现动态称重且不影响铲车司机正常作业。同时称重系统可对每次测量的重量进行累加，得到合计重量，并通过无线网络将数据实时发送至溜井处无线接收装置，在传输至监控主机的数据库中。

（4）品位预测模块

通过矿山CAD图纸标注的中深孔化验信息读取中深孔位置以及化验值，并将数据录入数据库。通过中深孔化验值以及铲运机出矿量计算当班累计进入溜井的矿石量以及矿石平均品位。具体计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，为当班进入溜井的总矿量；为铲运机往溜井处执行第次运输任务时的矿石装载量；为铲运机执行第次运输任务时装载矿石的硫品位；为铲运机执行第次运输任务时装载矿石的铁品位。

根据以上公式编写相应矿量和品位计算代码，构建当班溜井矿石品位自动预测模块，并将预测数据通过无线网络传输至监控主机的数据库中。对溜井矿石品位和矿量的实时预测，有助于管理人员对出矿计划进行跟踪调控，使溜井中的矿石矿量/品位保持均衡。

（5）视频监控系统

铲运机安装无线网络摄像机，摄像机能拍摄整个铲运机全部动作过程，便于对整个放矿过程进行全程监控，拍摄的视频通过无线方式传输到矿山地表调度中心，并在对应的上位机软件中进行实时显示，通过电脑可以验证作业人员真实出矿情况。

（6）三维可视化管理平台

搭建放矿过程三维可视化管控平台。首先对巷道进行三维建模并附加坐标信息，并在巷道三维模型的基础上建立通信基站模型、智能定位桩模型以及铲运机三维模型，搭建井下铲运机作业的三维场景。在数据库中调取铲运机实时定位数据，通过可视化平台显示铲运机当前位置和作业状态，并实时更新。根据智能定位桩拓扑信息和铲运机位置时序分析可得到铲运机运行路径并在巷道三维模型上突出显示。

对于各采场矿石品位情况，通过调取数据库储存的中深孔位置以及化验数据，设置颜色梯度区分品位高低，并覆盖在整个巷道三维模型上，突出显示各采场的矿石品位分布情况。

平台支持数据的可视化展示，通过柱状图、表格等形式显示当班出矿计划、当前铲运机出矿量实时统计、溜井出矿量统计等内容。同时还具备分析功能，如当班出矿量与计划出矿量动态对比，日出矿量与月度平均数据对比分析等。

搭建的放矿过程三维可视化管理平台有助于矿山生产管理人员对铲运机作业状态和出矿计划执行情况全面、及时、准确的掌握，为后续溜井矿量和品位的均衡调配提供了基础支撑，对于实现无底柱分段崩落法放矿过程智能化、信息化管控具有重大意义。

4 实施实例

新疆八钢矿业资源有限公司富蕴蒙库铁矿有限责任公司（以下简称“蒙库铁矿”），位于新疆阿勒泰地区富蕴县，距富蕴县城96 km，其矿床为火山喷流型块状磁铁矿床，处于阿勒泰山脉南缘中部山前地带。蒙库铁矿为八钢优质原料供应基地，低硫球团产品对于八钢生产而言有着重要战略意义。蒙库铁矿原采用露天开采，现已全部转入地下开采，随着开采环境改变，采矿过程的安全与经济成为矿山要解决的重点问题，矿山面临的市场形势与技术变革压力迫使矿山通过自动化改造、数字化运营、智能化集控系统搭建实现跨越式发展。

蒙库铁矿设计产能300万吨/年，采用无底柱分段崩落法采矿。采场出矿主要依靠9台铲运机作业完成，实际上产中2台2 m³的金川铲运机已停止使用，由7台铲运机负责矿石从采场到溜井矿石运输，铲运机现状如图4所示。铲运机在工作过程中，现场和司机各自统计趟数，通过每斗大致铲装能力，推算产量。生产统计信息最终汇报至调度室，形成当班生产报表，但是这种人工计数的方式统计出矿量容易产生较大误差，不利于矿山管理人员进行出矿计划调控，导致崩落面与松散矿堆之间的空间大小失控，提高矿石损失与贫化的同时还容易引发各类安全生产事故。因此对于矿山采场放矿过程进行实时监控和智能化管理成为了蒙库铁矿亟需解决的问题。

图4 蒙库铁矿铲运机现状

4.1 系统构建

基于上述内容，对蒙库铁矿的铲运机进行智能化改造升级，开发铲运机智能管理系统，对矿山无底柱分段崩落法放矿过程进行实时性监察和精细化控制。

地下区域布置包括：

（1）通讯网络部署：建立铲运机作业区域无线信号覆盖，矿山已在938和884中段大巷中布置了工业环网，但对于铲运机作业分层中，暂无信号覆盖，考虑到利用现有网络和现场采矿中频繁爆破环境下设备适应性，拟通过光纤（专线）+无线基站（天线增强）将网络拓展延申至蒙库铁矿采矿分层巷道中，建立采矿“最后一公里”的无线通讯覆盖。

（2）井下监控室：对铲运机作业情况进行全程监控，包括接入层交换机、监控电脑。

（3）铲运机定位装置布置：智能定位桩配备，基于已经建立的无线网络覆盖，主要通过在采矿工程末端（溜井、进路口、穿脉口）设置智能定位桩，并通过系统配置软件将布设的智能定位桩进行区分，便于上位机软件读到采集信息后的统计分析；智能车载终端配备，井下运行的7台铲运机都配备一台智能车载终端。

（4）铲运机单斗计量布置：对蒙库铁矿现有铲运机中7台进行改造。通过计重传感器安装，实现基于液压+胎压联合的铲运机单斗自动计量，对铲运机单次出矿作业循环进行生产量采集。同时设置触发器实现矿石量自动累加，计算铲运机累计出矿量，并通过无线网络传输至地面监控中心数据库。

（5）视频监控系统：每台铲运机安装无线网络摄像机、车载智能终端，实时拍摄铲运机整个铲运卸作业过程，并将视频以无线形式通过地下综合通讯基站传输至地表调度中心进行显示，实现放矿过程远程监控。

地表区域布置包括：

（1）调度中心：对采场放矿过程监控，包括汇聚层交换机、视频服务器、监控服务器、监控主机等。

（2）铲运机智能管理平台：提取数据库中井下铲运机作业数据，对数据进行处理和分析，构建三维可视化平台将数据可视化，提供铲运机实时位置显示、铲运机作业路径动态显示、采场矿石品位突出显示、出矿计划统计分析与可视化、溜井矿石品位平衡估算等功能。

采场放矿过程智能化控制系统的建立对蒙库铁矿生产有着重要的现实意义，一方面，本系统建立了铲运机生产调度基础：通过无线网络覆盖和车载定位通讯终端建设，将原来位于“离线”的作业设备纳入到在线管理，人员和设备之间、设备和设备之间位置一目了然，信息相互分享，生产作业计划通过网络直接下达，调度指令和生产指标数据共享程度高，管理人员减少现场频次。使得指令从以往逐级电话、口头交代转变为通过信息化、数据化、高时效的模式，提高人员和设备安全。

另一方面，建立铲运机定位与计量系统，对采场出矿量和品位的精确计量，有助于矿山管理人员对出矿速度和出矿量进行控制，进而控制矿岩接触面的形状和大小，对于降低矿石损失率和贫化率，保证矿山高效运转、保障安全生产，有着重要意义。

5 结论

本文提出了一种无底柱分段崩落法放矿过程控制系统，对采用无底柱分段崩落法开采矿山的放矿过程进行实时监控和智能化控制，确保矿山安全高效生产。并在蒙库铁矿进行的实例实施，得到如下结论：

（1）系统建立后，改变了以往井下放矿过程无法监控、指标难以统计的问题。实现了放矿过程的综合管控和远程实时监测，满足了采用无底柱分段崩落法生产矿山对放矿的严格管理的要求，又达到矿山安全生产的目的。

（2）建立铲运机定位和计量系统，有助于矿山对铲运机的位置和工作状态进行实时跟踪。对出矿计划执行情况进行统计分析，便于矿山工作人员更加合理的调控，保证溜井矿量和品位的均衡，对于提高矿山运转效率，降低安全生产风险有着重要意义。

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