普朗銅礦井下鏟運機定位與計量自動化的研究與應用

趙冰峰，張旭東，馮興隆，劉華武，韋權偉，席海濤

(1.云南迪慶有色金屬有限責任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.長沙迪邁數碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410006)

普朗銅礦井下鏟運機定位與計量自動化的研究與應用

趙冰峰1，張旭東1，馮興隆1，劉華武1，韋權偉2，席海濤2

(1.云南迪慶有色金屬有限責任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.長沙迪邁數碼科技股份有限公司， 湖南 長沙 410006)

簡要介紹了普朗銅礦的地質特點和使用自然崩落法放礦管理的方法，并由此提出了使用基于RFID的井下鏟運機定位與計量方法，以滿足自然崩落法對放礦控制的嚴格要求，并將之實際運用在首采區，取得了識別率99%以上的效果。并實際探討了現場實踐中所遇到的關鍵問題和處理辦法，同時對本方法進行了分析，確定了井下該定位技術的優勢。

普朗銅礦；RFID；自然崩落法；定位系統

0 引 言

隨著科學技術的發展和社會進步，企業生產經營逐漸轉向機械化、自動化。減少人工成本已成為企業降本增效的主要措施。

機械化、自動化代替人工實施中，機械化、自動化水平直接影響到能否真正通過減少人工降低企業生產經營成本的關鍵。本文介紹了普朗銅礦使用基于RFID的井下鏟運機定位與計量方法有效的減少生產作業人員，從而實現降低企業生產經營成本。

普朗銅礦隸屬云南迪慶有色金屬有限責任公司，礦山采用前進式拉底自然崩落法開采，一期采選工程設計規模為1250萬t/a，服務年限為22 a。一期采選工程首采區服務年限為8 a。

1 放礦方法的選用及其要求

自然崩落法是一種依靠巖體內部的自然力實現礦石的崩落，依靠重力實現崩落礦石運搬的高效率、低成本、大規模采礦方法。盡管自然崩落法開采已經有110多年的歷史，并在許多礦山得到了成功應用，但由于其適用條件、開采工藝、生產過程控制與管理的復雜性，針對具體礦床，必須在開發前期做好開采技術條件適用性、礦體可崩性、開采方案設計等研究工作，在開采過程中處理好拉底推進、聚礦槽爆破、削幫、誘導和崩落的關系，制定科學合理的放礦生產計劃和放礦控制管理技術措施，確保整個開采過程的成功。自然崩落法所具有的技術、工藝和管理特點使其成為所有采礦方法中技術和管理水平要求最高、風險最大、貧化損失指標控制最難的一種采礦方法。

根據普朗銅礦區域地質特點，開采技術條件和礦體可崩性等參數，對自然崩落法管理的進一步研究。以3720首采區作為研究對象，見圖1。

圖1 3720首采區域

在自然崩落法的拉底、崩落和出礦三者之間，有一個彼此互相促進依存又彼此相互消長影響的合理匹配關系。這個關系在各個崩落發展階段呈現出不同特點，協調處理三者之間的關系，構成了自然崩落法生產工藝的核心，影響著礦山中長期和短期計劃編制中長期計劃編制根據礦山中長期規劃、區域地理環境、區域經濟特性等制定，使用自然崩落法放礦優化軟件解析上述因素，同時結和目標礦量和目標品位、拉底推進方式和中長期放礦模型，最后經過多目標綜合處理，得到中長期放礦計劃。

短期放礦計劃編制是以長期放礦計劃為基礎。短期放礦計劃編制不僅僅是得到日排產計劃，更是根據實際放礦點的出礦量和出礦品位對當下的日排產計劃進行調整，這個是短期放礦編制的關鍵。確保每一次鏟裝的位置和礦石量被如實和精確的記錄。因為虛假的鏟裝數據會導致后續計劃編制中剩余礦量與品位信息的失真，從而導致計劃量與品位預計的失真。從國內的生產實踐來看，由于缺乏自動化監測技術，導致人工工作量大，計劃執行情況監督不到位，數據準確率差。

2 放礦進度的實時管理方法

2.1 系統概述

鏟運機定位及計量自動化系統是國內首款針對礦用鏟運機運行過程及鏟裝物料計量的智能化管理系統，針對礦井特定的生產環境，對裝卸礦進行準確監控，并利用無線設備實時反饋為主要功能。為采用自然崩落法的礦山企業在實時監控環節提供最為有效的硬件支撐，減少礦山現場監督人員，為礦山精簡人員提供了可能性。

如圖2所示，該定位系統在主要功能之外還提供了司機和控制中心的實時交互功能，為緊急避險和故障快速排查提供了有效手段，能夠提升溝通效率，降低溝通成本。

該系統的運行流程見圖3。

圖2鏟運機定位及計量自動化系統

圖3 系統運行流程

利用位置識別技術記錄鏟運機裝載、計重、運行、卸礦一個閉合流程的軌跡信息，然后對此信息進行軌跡分析，從其運行軌跡是否形成運行閉環、裝卸載時間是否滿足停留時間要求，是否觸發了記重裝置，以及獲取其最遠的運行距離進行數據分析，得到其運行時間、裝載礦量、裝載出礦點信息，將生產信息以無線的方式發送至智能無線終端，經過網絡送至指揮調度中心，以作為指揮調度的根據，如圖3所示。

鏟運機定位及計量自動化系統，可以做到遠程配置設備，圖形管理設備狀態，查詢設備歷史狀態，報表輸出，具體見圖4。

為了使礦山各個子系統能夠采用統一的平臺進行管理，避免形成信息孤島，造成礦山靜態、動態數據分別管理、相互獨立，不能或難以進行融合與共享，因此，本研究將鏟運機定位及計量自動化系統作為礦山平行系統的子系統，采用統一的平臺進行展示與管控。

2.2 實時定位

在系統構建的功能背景之下，重點便是如何進行準備機車定位。基于井下獨特的工作環境，無法接受衛星發送的基于空間地理位置的定位數據，需要間接的通過其他新的方式來獲取定位數據。

其他的方式主要以找參考點的方式進行。例如通過電磁互感尋找電感線圈，通過攝像頭識別特征物，通過紅外尋找熱源，通過超聲波，但是發現這些技術在井下不適用。由于礦下經常進行放炮，線圈的有效保護和供電，是個不可解決的問題。井下工作環境十分昏暗，不利于圖像處理中特征物的分析提取。而開采過程中經常伴隨著有毒可燃氣體的釋放，如果使用熱源是十分危險的。

圖4系統軟件功能架構圖

經過慎重考慮使用當今十分普遍的基于RFID的定位技術，以滿足在井下惡劣環境下，鏟運機放礦的嚴格控制。RFID即射頻識別技術，是一項利用射頻信號通過交變磁場或電磁場實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息快速地進行目標識別的技術。識別工作無須人工干預，可以工作在各種惡劣的環境下，并支持多目標識別。一個簡單的RFID系統是具有唯一的ID號，讀寫器與其進行無接觸的信息交換。國外RFID定位技術被較早用于煤礦。在美國煤礦必須為礦工配備基于RFID的人員定位的無線追蹤系統。智利銅礦巨頭Anglo America公司也采用RFID來追蹤礦工和礦車。

而將RFID技術應用于鏟運機定位并進行規模性實施并用于放礦控制尚屬首次。本系統將基于RFID技術的智能定位樁安裝于井下特定的空間位置，由于其具有唯一的識別碼，并在編號后不斷的向外發送信息，當車載終端處于其信號范圍之內時便可獲取車載終端的空間定位信息，通過不間斷的獲取車載終端的定位信息來判定車輛的行進路線，從而得到其工作進度。

本定位系統中使用的智能定位樁為低成本設計。考慮到定位樁的設備用途和礦下環境的特點，在一個檢測系統中會使用數量較多的智能定位樁，故而需要做好產品及維護成本把控。此設備為一次性鋼構樹脂灌封，可以有效避免因為基建和作業帶來的設備損害。該設備在設計過程中充分考慮使用年限的問題，故而從電路結構到軟件操作中采用了低功耗設計，配備有高性能大容量電池ER26500，低功耗無線芯片，合理的設備喚醒和睡眠頻率：1秒一次，使得該設備在理論上可以持續工作至少五年之久。這些特點使得該設備具有極高的性價比，并可以節約客戶一大筆設備與維護的成本。

在本系統中使用的車載終端起到交互的作用。一方面將控制中心的放礦作業計劃下發到車載終端上，使得司機按照計劃進行作業，同時可以下發報警，將險情以最快的方式告知該區域的作業司機。同時該設備具備采集，上傳數據的功能，能夠將鏟運機的運行狀態，工作進度及視頻監控數據上傳指揮中心，當有司機發現有險情的的時候可以上報，并與直接語音與控制中心通話。同時配有本安防爆攝像頭，能夠有效起到監督與取證的效果，以最大的程度保證監督，取證和溝通的有效性。

本次實驗區域共有進路32條，溜井2條。共采用4臺礦用無線發射終端，44臺智能定位樁，分布方式為每個溜井配備兩個智能定位樁，每個出礦進路采用一臺智能定位樁，并沿穿脈兩端相對放置兩臺礦用無線發射終端。鏟運機在行進過程中，會沿著穿脈，出入出礦進路和溜井，從而讀取沿途帶有坐標標簽的智能定位樁的RFID信號，并將從RFID信號解析出的坐標標簽通過車載無線設備發送至川脈兩端的礦用無線發射終端，實現了上傳定位數據的功能。圖5為鏟運機定位及計量自動化系統界面，可以對所有安裝的定位樁一目了然；圖6為礦上平行系統界面，對現場每臺鏟運機工況做到實時把控。

在具體的實施過程中需要控制智能定位樁的可識別范圍。在具體實施過程中，確定信號中心點，再沿信號中軸線向巷道頂部打孔，自適應調節發射功率，在分析了該巷道出礦進路規律后，維持可識別范圍重復區域小，并且不存在無信號區域，將輻射范圍控制在3.5 m，也就是將精度控制在7 m的范圍內，做到了與一般GPS定位數量級一致，達到了與裝載了GPS一樣的精度效果。

在具體的實施過程中穿脈的無線WIFI的覆蓋率是十分重要的。該區域中所有的數據傳輸均由無線傳輸，故不僅需要保證信號的穿障性還需要保證信號帶寬，最終選用2.4 G與5.8 G雙頻段技術，2.4 G信號有較好繞射與穿透能力，在具有障礙物或者有弧度的巷道中比5.8 G具有更好的信號質量；而5.8 G具有更好的頻寬，使得具有更高的信號傳輸速度，這個優點有利于本安防爆攝像頭的數據傳輸，使得視頻傳輸不卡頓，能夠實時傳輸更高質量的圖像；故而使用2.4 G和5.8 G的信號能夠有效使得無線網絡能夠傳輸更多數據，也能覆蓋較廣的范圍。經過現場驗收測試在600 m范圍內的動態，靜態實時視頻測試，語音通話測試均能做到無卡頓和高清的狀態，說明該無線覆蓋和通信質量是滿足要求。

圖5 鏟運機定位及計量自動化系統界面

圖6 平行系統實時工況

3 該定位系統的優點

該定位系統針對礦下工作特點，系統具有很高的可靠性，具有良好的定位穩定性，同時具有信息的時效性，且能降低人工帶來的成本損失。

該系統在架構上具有較高的魯棒性。鏟運機自身信息的獲取采用RFID非接觸式的方式，鏟運機信息的傳遞采用WIFI的傳輸方式，故而可以看到各個模塊相對獨立，并且信息的傳遞采用無線的方式完成，加強了該系統穩定性；該設備從結構設計時考慮到的防水設計，到接口選用標準工業防水接口，到選用防爆攝像頭，都切實考慮到設備工作的防護；設備在設計的時候多使用機械按鍵，這種報警的方式可靠性高；而本電路設計考慮到了鏟運機供電不穩定的特點，并且做了專業防護。

將RFID運用于井下定位是十分合宜的。相比于其他的定位技術RFID定位技術較早的應用于礦下 ，具有更多的案例進行借鑒，技術也相對而言就更加成熟。其實這不是沒有原因的：井下定位技術RFID技術較紅外，激光，雷達，UBW，WIFI定位而言具有更低的開發難度，具有較低的技術成本，同時也具有更低的硬件成本。

該系統具體實時性的特點。能夠在無線網絡的支持下實現實時下發作業指令，設備在接受了下發報警信息后進行喇叭報警；并支持工況數據的上發，這不僅有利于指揮中心對司機進行工作狀態判定，也有利于指揮中心對于工作進度的把控，有利于對工作計劃的反饋與調整；同時還支持語音對講，減少了溝通成本，并上傳視頻信息，讓井下工作狀態一目了然。在作業人員按下報警按鈕后，該報警信息自動上傳到指揮中心。該系統與平行系統對接，可以以3D的形式直觀的顯示現場工作狀態，有利于調度員對于整體工況進度的把握，便于進一步排產。

能夠有限降低人工帶來的成本損失。銅礦峪銅礦自1989年11月自然崩落法投產伊始，成立了放礦控制科，專門負責自然崩落法出礦的各項管理工作，管理人員專門從事24 h的放礦管理工作。然而采取人工管理方式的效果并不是很理想，放礦管理經常出現漏記錯記等無法人工操作避免的現象，導致了放礦控制不合理，頻繁出現大礦礦石，導致了漏斗破壞嚴重，形成了大量的望天斗和塌落耙道。有鑒于此，人工計量的方式必須被電子計量的方式所取代，這里使用通過時間軌跡來判斷裝卸礦次數的實用方法，且確切數據證明其裝礦卸礦識別率達到了99%；其次此系統可以省去人工計數導致的每年度百萬左右的人力成本，做到為礦上企業減負。

4 結 語

在技術越來越發達的今天，希望層出不窮的新技術在給生活帶來便利與安全的同時，普朗銅礦關于自然崩落法的研究和RFID技術在普朗銅礦的研究應用也能帶來新的思路，更高的經濟效益和更安全的生產環境，同時也為國內關于自然崩落法的研究作出更大的貢獻。

[1]古德生,李夕兵.現在金屬礦床開采學技術[M].北京:冶金工業出版社,2006.

[2]馮興隆,吳維虎,袁明華,等.DIMINE軟件在普朗銅礦地質建模中的應用[J].中國礦山工程,2014(06):19-22，48.

[3]劉華武,馮興隆,梁江波,等.普朗銅礦大規模開采關鍵技術應用研究[J].礦業研究與開發,2016,36(07):1-5.