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我国大型露天铁矿装备技术现状及发展前瞻

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 293次

李建华

(首钢矿业公司,迁安 064404)

  本文介绍了露天铁矿采矿生产工艺和国内大型露天矿山装备现状,以国内外装备水平相对较高的矿山实例为借鉴,论述了装备水平的提高对矿山发展所产生的积极作用;并结合实例,阐述了我国露天矿山今后自动化采矿技术发展特点及趋势。

关键词 露天采矿生产工艺   露天矿山装备   自动化采矿

Abstract: This paper introduces the open iron ore mining production technology and the domestic current situation of the large open-air mining equipment, takes the relatively higher level of mine equipment as examples. The high level of equipment acts a positive role for mine development. The characteristics and trend of development of the automation mining technology in the open-pit mine in our country are expounded which combined with case studies.

Key words: Open-pit mining manufacturing technique, open-pit mine equipment, Automation mining

0 前言

采矿工业是国民经济重要的组成部分,采矿装备水平的高低直接决定了露天矿山生产能力和盈利水平,随着科学技术尤其是自动化控制技术的发展,露天矿山装备水平得以逐步提高,具备了一定的规模和水准,涌现出了太重、首钢重汽、北方重汽、徐重、中联、三一等一批优秀的重型装备制造企业,已能制造适应现代化采矿技术需要的矿山装备,并配套应用于生产能力在1000万吨及以上的露天矿山。

矿山装备的选型是由矿山生产能力和生产工艺决定的,如何实现低风险、低投入、高效率和高回报是矿山经营生产研究的出发点。科学技术是第一生产力,矿山发展水平每一次质的飞跃,归根结底都是采矿技术理念的升华和装备技术水平的进步。

1 露天矿山采矿生产工艺

一般来讲露天矿山生产有四大工艺:穿爆、采掘、运输和排岩。穿爆即穿孔爆破,一般来讲利用钻机穿出炮孔形成爆区,并组织对爆区实施爆破设计施工的过程称为穿爆,是露天矿山生产第一道工序。采掘工艺即利用电铲、勾机等挖掘设备将矿岩装载至运输设备的过程。运输工艺即根据需要,将矿岩分类利用矿车、胶带等设备输送至不同点位的过程。排岩工艺即利用推土机-矿车推排、胶带运输排土等形式将岩石输送至排土场的过程。

随着大型露天矿山逐步进入深凹露天开采,原有的山坡汽车等运输方式以不能满足开铲强度、采矿效率和经济性的需要,于是出现了包括以移动式破碎站和胶带运输为主体的间断—连续运输工艺。国外金属矿山已建成该工艺系统达30多套,国内比如鞍钢齐大山铁矿、南芬露天矿、首钢水厂铁矿等均建成了排岩机胶带运输系统,在发挥系统优越性的同时,引进大型采装和运输设备予以配套取得了较好的运营效果。再比如辽宁首钢硼铁有限责任公司的降段竖井破碎硐室2.8km胶带平硐运输系统将硼铁矿与选矿厂联接,是采矿生产工艺观念上的延伸,更是对企业整体化经营和矿山采选冶炼一体化理念的一个经典诠释。

2国内大型露天矿山装备技术现状

按照采矿生产工艺的划分,露天矿山装备可分为穿孔设备、爆破设备、采掘设备、运输设备、排岩工艺设备和辅助设备。国内很多的大型露天铁矿采用进口或国产的现代装备,如牙轮钻机、炸药混装车、大斗容挖掘机、电动轮汽车、胶带运输机及大功率推土机等设备,组成成套的装备作业系统,采矿效率较高。

2.1 穿孔设备

大型露天矿山常用穿孔设备为孔径250mm、310mm牙轮钻机,同时辅以孔径为150mm、200mm的边坡钻机实施对露天矿固定边帮的穿孔作业。

2.2 爆破设备

穿爆作为露天矿山生产的第一道工序,爆破质量的高低直接决定着后续工艺成本的高低。从装备角度来讲,国内的爆破设备主要有铵油炸药混装车、乳化炸药混装车、自动填渣机,以首钢水厂铁矿为例,铵油炸药混装车和自动填渣机的应用已经十分成熟,对比人工装药节省了时间,降低了人力消耗。对于露天矿山水孔来讲必须使用乳化炸药等具有防水性能的炸药,乳化炸药混装车实现低温敏化是技术的关键,现在国内部分制造企业已经将其成功研发并实现量产,比如北京北方诺信科技公司研制生产的BCRH系列乳化炸药现场混装车。

2.3 采掘设备

国内大型露天矿山常用的采掘设备为挖掘机,分电动和液压两种,按铲装方式分正铲和反铲,河北矿业司家营铁矿装备了斗容16.8m³ 的RH-170液压铲,目前国内大型矿山装备最多的挖掘机为电动挖掘机,其中太重生产的WK-4和WK-10立电铲应用最为普遍。

随着科技的进步和矿山高效化运营的需要,采掘设备也在朝着大型化发展,以太重生产的斗容55立的WK-55电铲为例,该设备高22米,总重量1400吨,设计年生产能力1200万立方米,可与300吨以上的矿用汽车配套使用。

2.4 运输设备

矿山运输按方式的不同,一般分为铁路、公路和胶带机运输三类,分别采用火车、矿车、胶带等运输装备。随着采矿理念的革新和技术水平的提高,单一的运输方式已不能满足采矿效率和成本的需要;于是出现了包括以移动式破碎站和胶带运输机为主体的间断—连续运输工艺,并得到推广,其中以汽车—胶带运输机运输工艺的应用最为普遍。间断—连续运输系统不仅技术可行、经济合理,而且有良好的节能、环保特点。尤其是大型矿用汽车、可移式破碎站和大倾角胶带输送机的使用,可以实现从间断环节到连续环节的最佳配套[1]

以国内应用最多的矿车运输为例,也在朝着大型化发展,比如首钢重型汽车制造厂生产的170t的电动轮汽车已在首钢水厂铁矿投入使用。

2.5 排岩工艺设备

按照运输方式的不同,矿车运输的露天矿多采用推土机推排,铁路运输多通过挖掘机和排土犁排土。胶带运输机排土与以上两种排岩工艺有所不同,具有爬坡能力大、排岩效率高、运输成本低的优点,可实现矿山连续化与自动化开采。胶带运输机排岩实现了运输与排岩的一体化,工人劳动强度小,劳产率高,其成本是矿车车运输成本的30%~50% [2]。不足之处是一次性投资较大,随开采深度的下降,破碎站要随之进行迁移。

2.6 矿山辅助设备

应用于矿山的辅助设备主要有炸药混装车、抽水车、平路机、铲运机、推土机、洒水车、天车吊、汽车吊、叉车等。

3 现代科技在露天矿山装备中的应用

科学技术是第一生产力,科技在改变我们日常生活的同时,也在影响和改变着矿山传统的作业模式。露天矿山在一些技术开发上已取得有效的进展,当今露天开采的技术水平,是采用高台阶、大区微差爆破、大型电铲、大吨位汽车、高效旋回破碎机和大倾角胶带运输机,以及在开采过程中实现了计算机管理和大量应用模拟技术,使露天矿成为无人矿山或少人矿山已为期不远了[1]

3.1 矿用装备大型化

目前国内大型露天铁矿装备正在朝着大型化发展,大型化的装备可以实现采矿生产和人力资源的高效化。相对于开采工艺简单的露天矿山,降低成本的主要环节除了爆破工艺的革新以及间断-连续运输等采矿工艺的应用外,矿山装备的大型化是现代化矿山的发展趋势。大孔径的穿孔可实现高段面、大孔网的爆破,大斗容电铲和大吨位的矿用汽车可实现生产的高效化。矿山规模大型化,客户选用的设备相应大型化,高效耐用的矿山工艺设备会帮助矿山客户进一步提高劳动生产率。这既符合现代矿山发展的趋势,也是科技发展推动的结果。

3.2 GPS远程监控系统的应用

近些年来随着远程监控技术的发展及对国外矿山生产的借鉴,GPS远程监控系统越来越多地应用于国内露天矿山。以首钢大石河铁矿孟家沟工程队的矿车自动卡调系统为例,实现了钻机、电铲、矿车、工程机械等设备的实时定位,可根据生产效率需要实施矿车运行线路优化及自动调度,同时配合使用采场内的监控设备,实现了采矿生产调度系统的自动化。国外先进矿山GPS自动调车系统应用的很多,如今GPS远程监控系统越来越多地被国内大型矿山所应用,比如首钢、鞍钢、包钢等国内的一些大型露天铁矿都应用了GPS矿车自动卡调系统,实现了矿山装备的远程监控。

3.3自动化及远程控制技术

以乳化炸药混装车为例,实现了乳化炸药低温敏化和现场连续装药,半自动化装药技术大大提高了装药效率,节省了人工。乳化及铵油炸药混装车只是矿山自动化技术的产物之一,随科技的进步,国内露天矿山自动化水平也逐步提高,GPS装备定位、交直流电动轮动力驱动、实用的装载量计量监测、先进的电子监控等系统被越来越多的矿山广泛使用。

 3.4 矿山一体化理念

规模大型化和生产高效化是矿山发展追求的总体目标,目前国内绝大部分高品质或开采工艺相对简单的矿山已经被各企业瓜分,开采技术条件复杂的矿山将面临开发和运营成本的大幅度增加。以核算成本为例,以前不少大中型矿山用户更多关注的是初期购买成本和小时运行成本,而忽略了在相同的作业时间里,高效专业的大型矿用卡车所能创造的高产量和更低的采矿运输综合成本,即吨成本。事实上,吨成本对于矿山的运营是个非常重要的考核指标。它兼顾产量和成本的考虑,是全球成熟矿业企业选购采矿设备和管理的重要考虑因素。广义上的吨成本是将矿山企业整个运营工序权衡得来的,比如涉及到采选冶炼的矿山企业,企业一体化理念应用到整个企业的经营生产中,则意味着将对矿山装备及经营生产环节的成本逐一考量,权衡和选择的标准是企业运营整体吨成本的最小化。我们前面提到的辽宁首钢硼铁有限责任公司,采选工艺联接、磁选、浮选、重选工艺的运用上均有独到之处,从硼铁矿装备的选型及后续工艺及装备的衔接,很好地践行了矿山一体化理念。

4 现代化露天矿山发展趋势

随着科技的进步,21世纪的现代化矿山应具备全新的采矿理念,以构建数字化与智能化矿山为发展方向,实现高度现代化的自动化无人采矿。为适应现代化采矿技术的需要,国内大型露天矿山正向大型化、智能化及自动化的方向发展,这就意味着今后我国露天采矿设备的发展趋势也必将是大型化、高效化和自动化。

5 自动化采矿对矿山装备提出的新要求

    大型露天矿山的自动化采矿对装备提出了新的要求,这就要求采矿装备不仅仅是大型化和高效化,更重要的是能够实现高度自动化,高度自动化意味着与传统人力资源配置型矿山的管理思路发生了很大的改变:一方面通过计算机模拟及机器人技术实现由人力向电脑控制的转化,进而实现远程操控和自动控制,使装备无人化成为可能;另一方面通过GISGPS、红外制导等先进技术在矿山装备中的应用,将矿山技术管理水平向更加精细型转化。自动化采矿要求矿山装备具有较高的科技含量和多种技术的融合性,同时也对采矿工人的素质提出了更高的要求,这也必将为矿山发展带来革命性的变化。

6 露天矿山装备技术发展前瞻

矿山用户对高效和自动化采矿的需求,以及科技的进步为装备技术水平的发展提供了支持,也为露天矿山装备技术的发展指出发展的方向。

6.1 矿山装备向可视化、数字化方向发展

矿山开采手段的现代化意味着矿山装备的可视化,通过对装备和采场生产过程的监控,可以实现对整个矿山开采系统的可视化,这是通过信息定位、双向通讯视频传输和自动化信息采集技术的应用来实现的。

矿山生产的数字化意味着矿山装备和信息采集的数字化,通过对音频、视频、GPSGISVR(虚拟仿真技术)等信息的自动化的采集,经过计算机的分步及综合运算,反馈到局域网中的生产经营管理信息系统,为矿山经营者提供数据参考。

6.2 矿山装备向远程操控方向发展

自动化和机器人技术的应用和进步,将矿山装备实现远程操控变成现实;现在国内外已有矿山部分装备运行系统实现了远程操控,比如首钢矿业公司杏山铁矿的“-180水平20T电机车地面集中远程控制运行、放矿机远程控制放矿系统”,实现了井下矿山的远程操控,国内露天矿山的远程操控技术随着科技的进步也必将有新的进展。

井下矿山能够实现远程操控,露天矿山的远程操控也必将可以实现。以首钢水厂铁矿正在研究的GPS技术实施露天矿钻机布孔为例,以往都是爆破技术员现场布孔,一旦实现GPS的精确定位,技术员就可以根据地质情况及以往穿爆经验,通过计算机在Surpac电子图上预设钻机的孔网参数,并通过信息传输系统将钻孔坐标传输到钻机上,钻机通过定位技术实现精确穿孔,从而可实现布孔的远程操作。

远程操控是现代化露天矿山的一个发展趋势,AI(人工智能技术)、自动化和机器人技术的协调发展,必为露天矿山装备向远程操控方向发展提供有力的技术支撑。

6.3 矿山装备向无人化方向发展

从国民经济发展水平和安全角度来讲,相对于其它行业,矿山企业仍然属于高危行业范畴;因此如何实现高度的自动化采矿,以减少人力资源投入是科技工作者和矿山企业经营者需要面对的问题。以国外矿山为例,美国已成功地开发出一个大范围的采矿调度系统,它是采用计算机、无线数据通讯、调度优化以及全球卫星定位系统(GPS)技术,对露天矿生产的进行实时控制与管理。

无人化作为矿山装备技术发展的一个趋势,随着国内装备制造技术的发展和我国矿山管理理念的进步,少人或无人矿山必将成为现实。

7 结束语

随着国家经济实力的提升,现代化的露天矿山不仅需要矿山工作者管理理念的不断革新,更需要高效自动化的矿山装备作为支撑,创建一流的矿山企业的夙愿必将推动我国露天矿山装备技术不断向前发展。

 

参考文献

[1]  杨鹏 蔡嗣经.高等硬岩采矿学[M]. 北京:冶金工业出版社,2010:61-6466-68

[2]  李宝祥.金属矿床露天开采[M]. 北京:冶金工业出版社,1992:120

 

作者简介:李建华,男,1982年生人,河北辛集人,工学学士,在职研究生学历,矿山工程师,现在首钢矿业公司大石河铁矿工作。

 

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