揭秘丨地下无人智能采矿是怎样开展的？
《Engineering》2018年第3期刊发了战凯研究团队的研究成果《基于无人装备的地下金属矿智能开采技术》一文，为我们带来了采矿一线的研究成果。
一条来自凡口电视台的报道
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智能采矿技术快速发展的突出表现是采矿装备的智能化进程逐步升级，无人和集中控制的采矿设备，已经进入实际应用的阶段，并将推动自动化和信息技术在矿业开采中得到更广泛的应用。
技术分层
典型的无轨装备采矿的智能开采技术可以分为控制层、传输层和执行层。
执行层是指井下智能凿岩、装药和铲装运设备，单个装备实现智能化/无人化水平，包括智能中深孔凿岩台车、地下智能潜孔钻机、地下智能铲运机、地下智能矿用汽车、智能采矿爆破技术与装备。
传输层是指井下泛在信息采集与井下无线通讯技术与装备，实现矿井高速无线通讯和数据传输，即泛在信息采集与井下无线通讯。
传输层与控制层都需开发适用于井下环境的高速、高精度设备定位、跟踪和控制相应系统，为井下无轨设备的自主运行、避障和远程遥控提供技术和支持，即设备精确定位与智能导航。
控制层则是大脑，负责整个智能开采过程的调度和控制，是系统级支撑平台。
智能开采的流程
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由控制层的智能调度和控制平台通过对矿山资源储量、地质情况分析，结合地下生产进度等一系列因素，编制出合理的开采计划。
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基于开采计划，通过传输层给各个装备下发控制指令：何种装备什么时间在哪个采场执行开采任务。
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装备执行指令，控制层会实时通过传输层采集当前巷道的泛在信息及车辆的基本信息，用来判断或随时调整执行层中各种装备的下一步动作。
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重复第2步和第3步，直到整个阶段性开采计划顺利完成。
智能装备
在智能开采流程的所有工序中，执行层采矿装备的智能化和无人化显得尤为重要。地下采矿设备为主要实现“钻、爆、装、运”的工程车辆，即深孔凿岩台车、潜孔钻机、铲运机、卡车和装药车。
传输层和控制层的智能装备即智能开采基础系统平台，主要包括定位与智能导航平台、信息采集及通信平台和智能调度与控制系统。
这些智能装备都是国家“863”计划“地下金属矿智能开采技术”项目中的重要研究成果。
深孔凿岩台车
该车应用于高分段中深孔凿岩。凿岩台车的无人化与智能化功能包括：远程操控及虚拟现实、自主行驶技术、自动布孔定位功能以及智能凿岩系统。
智能潜孔钻机
在现有的采矿工艺中，超高分段、大孔径深孔凿岩时无法使用凿岩台车，这个时候就需要采用潜孔钻机。潜孔钻机的智能化集中体现在：自主行驶及炮孔定位功能，凿岩参数自动匹配及智能控制技术，深孔凿岩防偏控制技术，多钻杆存储、自动排序和防卡杆技术。
地下智能铲运机
凿岩台车与潜孔钻机破碎矿石之后，该车利用铲斗铲削矿石，将矿石装入铲斗并运送。铲运机的无人化和智能化主要包括：无人行驶功能、自动称重功能、定点卸载、故障自诊断和远程遥控等功能。
地下智能矿用汽车
地下矿用汽车是实现地下矿山无轨采矿的主要运输车辆，机动、灵活、高效、经济，促进了生产规模的扩大，改善了矿山的回采工艺和运输系统，并向无轨开采综合机械化发展，其智能化发展趋势如下：为了节能和环保，采用双动力的电传动地下矿用汽车；无人驾驶技术；车辆巷道空间检测、智能辅助驾驶、遥控运行功能。
地下智能装药车
地下装药车是集原料运输、炸药混制、炮孔装填于一体的机电一体化产品，具有结构紧凑、自动化程度高、适用范围广等特点。其智能化进展包括：孔底的自动探测功能；作业状态的远程监控与故障诊断；遥控寻孔及智能寻孔；远程无线遥控行驶及完全无人驾驶等功能。
定位与智能导航平台
定位与智能导航平台由精确定位系统和智能导航系统两部分组成。精确定位系统能够给出地下矿用车辆定位参考点的位置及车体姿态信息，为矿用车辆完成智能导航任务提供支撑条件。智能导航系统由路径规划和路径跟踪两个关键模块构成，路径规划模块负责根据调度指令给出矿用车辆的导航路径；路径跟踪模块负责控制矿用车辆沿着规划路径自动行驶到目标位置。
智能调度与控制系统
智能调度与控制系统作为地下金属矿智能开采系统智能化的软件平台和管理中心，对系统性能的优劣和成败起着十分重要的作用。围绕地下金属矿生产调度与过程控制的实际需求，实现基于数据仓库的可视化智能调度与控制。
目前，依托项目研发的一些技术已经在矿山取得应用，如地下通信技术由北京矿冶科技集团有限公司矿山所研发了固定式无线基站、移动式无线基站及车载无线终端等产品；传感器技术由矿山所研发了三维激光扫描仪等产品；车辆的远程遥控技术及相关车辆设备已经逐步进入实际生产应用，如北矿机电科技有限责任公司研发的遥控铲运机、炸药所研发的遥控装药车等，这些设备在山东黄金集团有限公司三山岛金矿投入试验运行。
下一阶段，研究团队将针对“深部采矿过程现场全面无人化作业”这一核心主题，继续研制开发基于自主知识产权无人采矿智能装备的集群控制系统，可实现凿岩、支护、装药、铲装、破碎、无轨及有轨运输等7类智能无人采矿装备集群控制，同时支持采装运多台无人采矿装备的集群化协同作业；进一步开发出井下无人作业安全控制系统，实现对采场、斜坡道及运输巷道等生产区域的安全管理，可管理多个安全区域；形成无人采矿增强现实与集控一体化平台，全面支持无人采矿生产模式的组织与实施。
为什么要研发智能采矿？
深部开采的难点主要在于如何平衡经济性与安全性。
一方面由于深部开采对通风、地压、支护、提升、降温、装备等环节要求更高，也更复杂，导致总体利润下降，必须采用更大规模、更智能、更高效和更精细的采矿技术与装备，才能确保企业具有足够的市场竞争力。
另一方面，在深部矿体开采中，常因高地压和开采扰动，导致岩移、冒顶、片帮甚至岩爆等地压灾害，直接威胁开采作业中的人员设备安全。
智能开采的最终目标是依托矿山大规模无人装备、智能化系统、综合优化调度与生产管理，实现地下矿山的经济、安全、高效开采。
在地下金属矿智能开采技术领域，国外一些发达国家已进行了多年实践，积累了丰富的经验，芬兰、瑞典、加拿大等矿业发达国家就先后制定了“智能化矿山”和“无人化矿山”的发展规划。但是中国在这方面的应用比较少。
“十二五”期间，国家“863”计划设立了“地下金属矿智能开采技术”项目，一定程度上推动了我国地下金属矿智能开采技术的快速发展。“十三五”期间，国家“863”计划会继续支持相关技术的研究，推动无人化技术在矿山企业的落地生根。
研究团队概况
研究团队依托北京矿冶科技集团有限公司下的金属矿山智能开采技术北京市重点实验室。本课题的学术带头人是战凯博士。
团队研发人员56人，其中高级职称37人，中级职称18人，享受政府特殊津贴的专家4人，国家有突出贡献中青年专家2人，新世纪百千万人才工程国家级人选3人，博士18人，硕士36人。
研究团队人员的专业覆盖了采矿工程、计算机、自动化、仪器仪表、通信技术、电子技术、网络技术、软件技术、机械工程、数字矿山工程、安全工程、尾矿工程、岩土工程等诸多领域，对基于无人装备的智能采矿有充分的认识和研究。
战凯，1962年9月出生于吉林省九台市，博士，教授级高级工程师，北京矿冶科技集团有限责任公司副总经理，北京科技大学和青岛大学兼职教授，博士生导师，国家享受政府特殊津贴专家，国家863计划项目首席专家。
长期从事矿山工程技术、车辆工程技术、矿山智能装备和机械制造等领域的研究开发工作，曾承担和完成国家科技攻关、国家863计划项目、自然科学基金等20多项，共获得省部级科技进步二等奖两项，三等奖四项，专利24项。参加编著专著两部，发表了70余篇学术论文。
参考文献：
Jian-guo Li,Kai Zhan. Intelligent Mining Technology for an Underground Metal Mine Based on Unmanned Equipment[J]. Engineering, 2018, 4(3): 381 -391 .
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