技术创新改变矿山生产模式 ——自动化采矿装备现状及发展趋势浅析
自动化采矿装备是矿业行业最重要的技术创新之一，是实现矿山现代化的重要标志，是未来矿山发展的趋势。目前，露天矿山的自动化采矿装备已取得重大进展，地下矿山采矿装备的自动化成为矿业行业关注的焦点，具有很大的发展空间。
技术发展推动露天采矿装备自动化
目前，越来越多的技术开始应用于露天采矿装备的自动化，包括钻机、推土机、装载机和辅助车辆等，大大提高了矿山生产效率，推动了现代化矿山建设。
与GPS技术的结合使钻进更精确，从而使预编程爆破孔模式下的钻进具有很高的精度和可重复性，降低了成本并减少了易耗品和炸药的使用，使破岩更可靠和一致，从而提高了铲车效率，改善了卡车装载能力和破碎机吞吐能力，降低了整个工序的维护成本。力拓集团是第一家实施自动化钻进的公司，其自动化钻进系统（ADS）允许作业人员通过单个远程控制台同时控制多家制造商的4台自动钻机。2015年，力拓集团利用7台自动钻机累计钻探超过225万米，产能提高了约10%。同时，该公司通过自主研发的3D可视化技术——RTVis可以呈现以前无法测量的地表以下较深矿床的实时3D模型，从而使钻爆作业更加精确，减少了炸药使用量并使废物得到了更合理的分类。
自动化推土机在民用领域尤其突出，但在采矿作业中目前只能实现半自动化，卡特彼勒的半自动推土机已在美国Powder River和澳大利亚昆士兰州的煤矿生产中得到了应用。D11T型推土机在现有的索斗挖掘机周围作业，以辅助向索斗挖掘机进料，不仅可以提高两者的协作性、产能和利用率，还可以使作业人员远离恶劣的工作环境。目前，阿齐煤炭公司（Arch Coal）正在采用Cat Command推土机管理系统来改善美国怀俄明州Black Thunder煤矿推土作业的工作效率。
推土机的自动化可进一步提高矿山的产能，然而自动化装载机面临着如何解决装载面的不规则及如何避免与运输卡车发生碰撞等挑战。由于铲斗与矿坑介质相互作用的复杂性，开发在性能方面优于或等同于专业驾驶员的自动化装载功能是非常困难的。值得一提的是，近年来用于铲斗的矿石感应技术取得很大发展。2017年，加拿大泰克资源公司与MineSense公司合作，在其位于不列颠哥伦比亚省的Highland Valley铜矿对安装在铲斗上的“铲车感应”技术进行了第一次全面试验。将传感器安装在铲斗上，利用X射线来区分废石和有价值的矿石，通过传感器结合对实时数据的分析，可以确定装载的物料是送入磨机处理还是作为废石进行处理，从而提高了磨机的产能，减少了能耗，降低了用水量。在另一个由西澳矿业研究所（MRIWA）提供资金支持的项目中，昆士兰大学正与位于布里斯班的PlotLogic公司合作，利用高光谱成像技术来识别开挖点处金矿石和铁矿石废石的边界，进而提高了对矿体识别的精度，使精确的矿体填图纳入日常工作流程成为可能，有利于增加采收率，减少矿石贫化，加强采矿规划等。
地下采矿装备自动化水平逐步提高
实现地下采矿装备自动化，提高装备产能，改善作业人员工作环境，提高工作效率，不断推进矿山现代化进程，成为全球矿业企业的一项重要工作。
提高地下矿山自动化程度的一个重要因素是通信基础设施的改善，目前除少数矿山使用自动化运输系统卡车外，大多数地下矿山采用了铲运车进行装载点到卸载点的短周期装载、运输和卸载作业。自动铲运车在地下矿山中的应用不及在露天矿山的应用，其主要障碍之一是该装备无法替代人工来判断铲斗是否装满，因此通常采用半自动化装备进行装载，采用全自动化装备进行运输和卸载。
在地下采矿装备的自动化方面，目前领先的原始装备制造商包括山特维克集团、安百拓、卡特彼勒、小松和宝长年。山特维克集团是全球领先的矿业和建筑业装备、工具、服务和技术解决方案供应商，业务范围包括凿岩、破岩、破碎和筛选、装载、运输、掘进、采石和爆破，并且在芬兰Tampere运营着一个试验用矿山。安百拓是采矿和岩石开挖装备的主要供应商。2018年6月，安百拓从阿特拉斯·科普柯剥离出来，通过一系列的收购和合作在自动化装备市场的地位不断增强，包括入股Mobilaris软件解决方案公司、与瑞典国防和安全公司萨博（Saab）及其子公司和Combitech技术咨询公司签订合作意向书、获得自动化解决方案公司子公司ASI矿业34%的权益等，目的是为了扩大ASI矿业自动化采矿平台的规模，使安百拓能够获得全球范围内的服务和支持渠道。卡特彼勒为地下采矿提供了一个广泛的产品系列，包括用于硬岩开采的钻机、装载机和卡车，以及用于长臂开采的定制化系统和房柱式开采的精密工程产品。小松通过2017年收购的全球最大的地下机械制造商久益环球销售地下采矿装备，提供了一系列硬岩采矿装备，包括液压凿岩台车、井内凿岩台车、架式凿岩机、装载机和矿用卡车。此外，小松还提供了全系列的天井钻具和爆破孔钻具。宝长年是一家领先的钻井服务提供商，除为采矿和钻井企业提供钻进装备等，还涉及售后服务、能源、矿山脱水、油砂勘探、采矿钻进和井下仪器仪表，以及地下取心和采矿凿岩台车等装备。
目前，自动化程度最高的地下矿山之一是雷索卢特矿业公司位于马里的Syama金矿。该矿山于2018年12月投产，是联合山特维克集团矿山工程机械公司设计建设的，整个矿山的地下都安装了高容量的光纤系统，这将使每项作业流程都能接入到复杂的移动设备监测和引导系统，进而提高矿山的安全性和产能。山特维克集团向该矿山交付了其用于规划、分析、流程优化和自动化的系统，包括AutoMine系统以及由TH663i型自动卡车、LH621型自动装载机、DL421型自动钻机和电动铲运车组成的完整车队。该矿山还使用了山特维克集团的OptiMine三维矿山可视化系统，可以直接在办公室建立矿山布局的三维模型，进一步提高了矿山现代管理水平。
就地下钻掘的各种工作循环和操作而言，不同原始装备制造商的自动化程度各异，最先进的自动钻掘凿岩装备已经使许多地下矿山和承包商能够在换班、爆破和通风时实现自动钻掘等。尽管这些钻掘装备具有很多优点，但是在没有作业人员的情况下，在钻孔数量上还是有一些限制，如钻头寿命等因素限制了在特定岩石条件下的钻孔数量，从而影响生产。
长期以来，无论是露天还是地下的自动化采矿装备都主要依靠柴油发动机驱动，会排放大量废气。虽然目前电动铲运车已在地下矿山中得到应用，但除了少部分使用传统电池外，大多数还是通过电缆连接，不但使用范围有限，而且还面临其他作业上的挑战。如今，在电池技术的新发展及带有电动传动系统的混合动力装备的推动下，制造电池驱动装备的呼声越来越高，从而在实现低排放或零排放、低噪音、低热量的同时，减少对昂贵的通风和制冷系统的需要。
自动化运输系统成未来发展趋势
GPS定位和导航技术的改进、传感器和探测器（特别是雷达和激光雷达）的发展、计算能力和车载监控的改进、更快和更可靠的网络与互联网连接，及有效和准确的算法与软件开发，促进了自动化运输系统的发展。
建设自动化运输系统的成本很大，包括固定成本和变动成本。固定成本主要用于场地建设安装、车载部件、辅助装备和相关人员配置；变动成本取决于自动化运输系统中配置的车辆数量。由于运营自动化卡车运输系统的固定成本较高且发达国家熟练工人短缺和劳动力成本较高，该技术首先应用于大型矿山的作业。2008年，小松为智利国家铜业公司的Gabriela Mistral铜矿部署了第一套自动化运输系统，而卡特彼勒则于2011年在必和必拓位于美国新墨西哥州的Navahoe煤矿开始了第一次实地测试。此后，卡特彼勒为必和必拓、福特斯库金属集团、淡水河谷等矿业巨头旗下的铁矿安装或改造了总计100台以上的自动化卡车运输系统，而小松则为力拓集团旗下的铁矿、加拿大森科能源公司的油砂矿安装了自动化运输系统，目前在全球运行着130多台自动驾驶卡车，大大提高了矿山自动化水平。
与传统人工运输方式相比，自动化卡车运输系统可以带来巨大的经济效益。相关信息表明，卡特彼勒、福特斯库金属集团、小松和力拓集团给出的产能提高率分别为15%~20%、30%、15%和15%。在2017年8月发表的一篇文献中，科罗拉多矿业学院提出自动驾驶矿用卡车带来的效益包括6个方面：90%的预期可用性；产能提高15%~20%；运营成本节省30%；燃料消耗减少5%~70%；轮胎损耗减少7%；维护成本减少17%。
矿用自动化运输系统需要将增加的资本支出同节省的运营成本与较难量化的安全效益进行比较。一般而言，最初的场地建设成本最高可达2000万美元，矿用卡车上的自动部件安装成本因供应商而异，最高可达100万美元。澳大利亚矿业技术集团（MTGA）参与了澳大利亚Pilbara地区大多数自动化运输项目的建设，检验了自动化运输系统在中等规模矿区中进行应用的理论可行性，在2016年的一篇文献中对自动化运输系统的运营成本效益进行了简化分析：假设一个矿区拥有10台载重180吨的卡车和14台辅助车辆被纳入到自动化运输系统中，则将运输车队和相关基础设施改造成自动化运输系统的成本为1850万澳元，而每年节省的人力成本为270万澳元，节省的轮胎成本为120万澳元，增加的生产价值为2250万澳元，在忽略节省的维护成本的情况下净效益可达820万澳元，其中85%的成本节约来自于产能的提高。但由于自动化运输系统的高门槛，该系统仅用于大型露天矿。2018年2月，惠特尔咨询公司针对澳大利亚矿业技术集团计划实施的一项净现值为4.79亿澳元的新露天采矿业务采用自动化运输系统进行了财务模型评估。该评估不仅考虑了使用自动化运输系统节省的运营成本，还考虑了对矿坑进行重新设计的相关情况等。评估报告称，在对自动化运输系统投入2100万澳元资本成本以后，对成本的削减总计可达7300万澳元，使矿山的净现值提高到5.51亿澳元，增幅为15%，节省了变动成本、固定成本和潜在的资本成本。
自动化运输系统不仅可以提高卡车产能，还可以优化矿区的安全、运营和资本成本，大大提高了企业经营能力和水平。但自动化运输系统是一种部件和技术构成都比较复杂的系统，不仅需要大量相关装备的资本支出，更需要通过观念改变、规划设置以及现代化的管理等才能使系统达到最佳运行状态，促使其得到广泛应用。
同时，随着技术的不断发展，自动化铁路运输系统成为矿山关注的重点，其可以消除人工操作造成的可变性和潜在错误，提高产能和安全生产系数。必和必拓和力拓集团均已在澳大利亚Pilbara地区的铁矿石矿区测试了自动化铁路运输系统。2018年7月，力拓集团在首次使用全自动驾驶机车完成长途运输后，于2018年底在西澳启用了其首个无人驾驶铁路网“AutoHaul”，造价为9.4亿澳元，这对整个矿业行业而言是一个巨大的进步。
作者：中国地质调查局国际矿业研究中心、中国地质调查局地学文献中心 高曦 姜焕琴 张炜
来源：中国矿业报
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