冶金科技獎一等獎 | 露天開采低碳生態(tài)化設計及無人智能采礦關鍵技術與應用

　　顧曉薇、顧清華、胥孝川、王　青、范立軍、阮順領、韓瑞亮、江　松、井石滾、李　華、付　強、劉戰(zhàn)陽、馬士博、徐森民、胡智航

　　東北大學、西安建筑科技大學、本溪鋼鐵(集團)礦業(yè)有限責任公司、洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司、成遠礦業(yè)開發(fā)股份有限公司、河北鋼鐵集團礦山設計有限公司、河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司

　　露天開采是我國礦產資源開采的重要方式，為解決我國露天開采面臨的生態(tài)環(huán)境損害嚴重、老齡化導致的采礦勞動力短缺、礦產資源綜合利用效率低、生產開采智能化程度低等迫切問題，變革露天礦設計優(yōu)化方法，大力發(fā)展露天智能開采乃至無人開采技術，革新露天開采設計及生產模式，實現(xiàn)（優(yōu)化、低碳化和智能化）“三化”開采，是當前和未來我國礦業(yè)發(fā)展的必由之路。因此，項目自2006年10月開始啟動，圍繞金屬露天礦急需要解決的四大問題入手：

　　（1）國內外以往的露天礦開采方案五大要素（最終境界、開采順序、生產能力、開采壽命、設備配置）一直采用分步優(yōu)化方式，即先優(yōu)化最終境界，而后優(yōu)化開采計劃，最后為開采計劃配置設備，無法實現(xiàn)整體優(yōu)化從而求得全局最優(yōu)方案。露天開采存在開采方案五大要素整體優(yōu)化理論和方法缺失，五大要素協(xié)同優(yōu)化模型和算法空白。

　�。�2）傳統(tǒng)露天礦開采方案優(yōu)化并未考慮露天開采的環(huán)境損害、生態(tài)保護成本、碳排放與露天礦開采之間的矛盾，無法量化露天開采的生態(tài)成本，并將之“內生化”到開采方案的優(yōu)化模型與算法之中。因此生態(tài)文明下綠色、低碳露天開采方案設計理論和方法缺失；露天開采生態(tài)成本量化難，生態(tài)成本內生化設計優(yōu)化方法空白。

　　（3）受低品位伴生資源分布不均、市場價格波動大、邊際品位計算方法單一等因素限制，我國傳統(tǒng)的單一礦種采用固定邊際品位進行礦體圈定，無法根據(jù)市場變化對采礦生產進行動態(tài)調整，造成大量具有經濟價值的低品位伴生資源的流失。如何在品位-成本-價格約束下實現(xiàn)多礦種邊際品位優(yōu)化是提高多礦種綜合利用率亟待解決的技術難題。

　�。�4）傳統(tǒng)的露天礦運輸裝備及運輸工藝已不能滿足當前露天礦向智能化發(fā)展的實際需求，以綠色、安全、環(huán)保的新能源純電動卡車為對象，礦區(qū)環(huán)境下的無人駕駛卡車和5G通信下新能源無人礦卡自主裝-運-卸智能控制技術完全空白，與之適應的金屬露天礦多工序多目標集群智能生產管控技術和系統(tǒng)等缺乏。

　　圍繞以上難點問題，在國家科技重大專項等項目支持下，通過產學研用多家單位聯(lián)合，充分發(fā)揮產學研校企聯(lián)合攻關優(yōu)勢，東北大學和西安建筑科技大學為礦山企業(yè)聯(lián)合提供技術及理論支撐，洛鉬集團、本鋼集團、河鋼集團、成遠礦業(yè)公司等為高校提供大、中、小型各類露天礦33個作為工程應用基地。

　　本項目屬于采礦工程學科，金屬礦露天開采領域，重點解決我國金屬露天礦綠色低碳開采優(yōu)化設計、低品位資源高效利用及無人智能開采的重大技術難題。項目歷經15年攻關，創(chuàng)立了集露天礦整體設計與生產系列優(yōu)化算法、生態(tài)低碳化礦山優(yōu)化設計技術、低品位資源綜合利用和無人采礦裝備及智能生產管控技術為一體的露天礦低碳生態(tài)化設計及無人智能開采技術體系。主要內容如下：

　�。�1）率先提出了露天礦整體設計與生產系列優(yōu)化算法。首次提出露天礦的“最終境界、生產能力、開采計劃、開采壽命及開采設備配置”五大要素整體優(yōu)化體系，打破了傳統(tǒng)露天開采設計中先優(yōu)化最終境界—后優(yōu)化開采計劃—最后配置開采設備的分步優(yōu)化方式，成功解決了五大要素的整體優(yōu)化難題。應用后，礦山炸藥單耗平均節(jié)省4%以上，破碎成本節(jié)約5%以上，電鏟效率提高5.4%以上，縮短平均運距1.53公里以上，降低采剝生產成本10%以上。

　�。�2）首創(chuàng)了綠色低碳的生態(tài)化礦山優(yōu)化設計技術體系。首次提出了生態(tài)成本內生化的礦山優(yōu)化設計理念，填補了傳統(tǒng)礦山設計方法不考慮生態(tài)環(huán)境因素的空白，開展了礦山生態(tài)沖擊與生態(tài)成本量化的系列研究，解決了生態(tài)成本難以量化的難題。應用后降低碳排放26%以上，減少土地直接占用和壓損40%以上，降低生態(tài)成本30%以上。

　�。�3）創(chuàng)新提出了低品位伴生資源邊際品位優(yōu)化的方法。確立了貧礦與低品位伴生資源一體化開采全新的工業(yè)指標體系，研發(fā)了多礦種邊際品位優(yōu)化技術和多階段隨機規(guī)劃邊際優(yōu)化技術。應用后，僅三道莊礦就增加可采資源儲量2.4億噸，礦產資源綜合回采率達98.2%。

　�。�4）首次研發(fā)了基于5G的露天礦無人采礦及智能管控集成技術體系。依據(jù)整體設計—生態(tài)優(yōu)化—智能生產的總體思路，研發(fā)了露天礦區(qū)道路條件下新能源純電動礦用無人駕駛和智能調度技術，攻克了無人礦卡集群編隊智能調度的難題。應用后，累計減少低品位資源的排放1.5億噸，運輸效率提升15%以上，綜合運輸成本降低約50%以上。

　�。�1）建立的礦山生態(tài)沖擊量化模型和生態(tài)成本計算模型，跨行業(yè)并被應用到廢車、廢鉛回收行業(yè)的生態(tài)占用評估。

　�。�2）“低品位伴生資源綜合利用技術”入選“自然資源部礦產資源節(jié)約與綜合利用先進適用技術推廣目錄”。

　�。�3）應用該項目成果的三道莊露天礦貧礦與低品位鉬鎢礦綜合利用工程被自然資源部確定為示范工程。

　　（4）“一種基于ACA-BP算法的挖掘機液壓系統(tǒng)的故障診斷方法”實現(xiàn)發(fā)明專利成果轉化300.18萬元；“基于谷歌地圖的無人駕駛監(jiān)控系統(tǒng)[簡稱:基于谷歌地圖的無人駕駛系統(tǒng)]V1.0”實現(xiàn)軟件著作權轉化408.018萬元；“露天礦數(shù)字化采礦生產管理集成系統(tǒng)V1.0”實現(xiàn)軟件著作權轉化102.3萬元；“一種露天礦山車輛智能調度終斷”實現(xiàn)實驗新型專利成果轉化209.822萬元。

　�。�5）項目主要完成人先后應澳大利亞采礦和冶金學會、世界采礦大會國際組委會以及國際礦業(yè)教授學會等邀請參加國內外礦業(yè)類學術會議，研究成果先后做大會特邀/主題報告33次，在國內外引起巨大反響。

　　（6）智能調度管控平臺先后在水電八局、馬鋼集團等28家礦山企業(yè)推廣應用。

　�。�7）礦山生態(tài)沖擊量化和生態(tài)成本計算編寫到《中國大百科全書》。

　�。�8）礦山生態(tài)化優(yōu)化設計方法編寫到《采礦手冊》。

　�。�9）基于建立的低碳生態(tài)化開采理論，與新疆大學、北京礦冶科技集團有限公司聯(lián)合申報并獲批國家聯(lián)合基金“新疆大型露天礦綠色安全高效開采技術”，解決新疆大批大型露天礦生態(tài)化開采關鍵技術問題。

　�。�10）整體優(yōu)化理論與方法編寫到本科生教材《采礦學》（第3版）《金屬礦床露天開采》。

　�。�11）基于研發(fā)的露天礦優(yōu)化軟件系統(tǒng)，完成國家虛擬仿真實驗建設《露天礦開采虛擬仿真實驗》，上線國家實驗空間平臺，使用人數(shù)超過11萬，獲批“國家級虛擬仿真實驗教學”一流課程。

　　（1）解決了露天礦多要素單獨優(yōu)化難以得到全局最優(yōu)解問題，降低采剝生產成本10%以上，使礦山整體經濟效益提高20%以上。

　　（2）實現(xiàn)了開采方案動態(tài)優(yōu)化，應用于國內8個礦山，改善了礦巖爆破質量，鏟運設備作業(yè)效率提高了5.4%以上，平均減少了廢石運輸距離1.53公里以上，實現(xiàn)內排量1.02億噸。

　�。�3）解決了沒有最終境界無法計算生態(tài)成本，而生態(tài)成本又反過來影響最終境界的矛盾，減少土地損毀面積40%以上。

　�。�4）實現(xiàn)了露天礦生態(tài)低碳整體方案優(yōu)化設計，使碳排放降低26%以上。

　�。�5）大大降低了資源開采所產生的生態(tài)沖擊，降低土地損毀和能耗排放的生態(tài)成本30%以上。

　�。�6）解決了礦用電動無人駕駛動力不足、短程運輸效率低等難題，大幅提高了短距離裝卸效率，應用后車輛運輸效率提升22%，大大減少了司機等勞動力成本，綜合運輸成本降低約50%以上。

　�。�7）僅三道莊礦就多利用貧礦及低品位伴生礦石量2.4億噸，減少剝離巖石1.45億噸，減少排土場占用面積0.68億m3，通過爆破優(yōu)化嚴格控制了爆破引起的礦巖混合率，多礦種品位波動率由原來的8.35%降低到3.62%。

　�。�8）實現(xiàn)了多臺無人駕駛車輛自主集群智能調度，設備綜合利用率大幅提升，運輸效率提升22%。

　　研究成果授權發(fā)明專利8項，實用新型專利9項，軟件著作權59項，制定行業(yè)標準2項，開發(fā)國家級露天開采虛擬仿真實驗平臺1個，發(fā)表論文191篇，出版學術著作9部。成果目前已在南芬露天礦、司家營鐵礦、三道莊露天礦等得到推廣應用，近三年實現(xiàn)新增銷售額58.20億元，新增利潤25.89億元。