完成人
顧曉薇、顧清華、胥孝川、王 青、范立軍、阮順領(lǐng)、韓瑞亮、江 松、井石滾、李 華、付 強、劉戰陽(yáng)、馬士博、徐森民、胡智航
完成單位
東北大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、本溪鋼鐵(集團)礦業(yè)有限責任公司、洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團股份有限公司、成遠礦業(yè)開(kāi)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(yíng)研山鐵礦有限公司
項目研究背景
露天開(kāi)采是我國礦產(chǎn)資源開(kāi)采的重要方式，為解決我國露天開(kāi)采面臨的生態(tài)環(huán)境損害嚴重、老齡化導致的采礦勞動(dòng)力短缺、礦產(chǎn)資源綜合利用效率低、生產(chǎn)開(kāi)采智能化程度低等迫切問(wèn)題，變革露天礦設計優(yōu)化方法，大力發(fā)展露天智能開(kāi)采乃至無(wú)人開(kāi)采技術(shù)，革新露天開(kāi)采設計及生產(chǎn)模式，實(shí)現（優(yōu)化、低碳化和智能化）“三化”開(kāi)采，是當前和未來(lái)我國礦業(yè)發(fā)展的必由之路。因此，項目自2006年10月開(kāi)始啟動(dòng)，圍繞金屬露天礦急需要解決的四大問(wèn)題入手：
?。?）國內外以往的露天礦開(kāi)采方案五大要素（最終境界、開(kāi)采順序、生產(chǎn)能力、開(kāi)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(kāi)采計劃，最后為開(kāi)采計劃配置設備，無(wú)法實(shí)現整體優(yōu)化從而求得全局最優(yōu)方案。露天開(kāi)采存在開(kāi)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。
?。?）傳統露天礦開(kāi)采方案優(yōu)化并未考慮露天開(kāi)采的環(huán)境損害、生態(tài)保護成本、碳排放與露天礦開(kāi)采之間的矛盾，無(wú)法量化露天開(kāi)采的生態(tài)成本，并將之“內生化”到開(kāi)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(kāi)采方案設計理論和方法缺失；露天開(kāi)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。
?。?）受低品位伴生資源分布不均、市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)大、邊際品位計算方法單一等因素限制，我國傳統的單一礦種采用固定邊際品位進(jìn)行礦體圈定，無(wú)法根據市場(chǎng)變化對采礦生產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，造成大量具有經(jīng)濟價(jià)值的低品位伴生資源的流失。如何在品位-成本-價(jià)格約束下實(shí)現多礦種邊際品位優(yōu)化是提高多礦種綜合利用率亟待解決的技術(shù)難題。
?。?）傳統的露天礦運輸裝備及運輸工藝已不能滿(mǎn)足當前露天礦向智能化發(fā)展的實(shí)際需求，以綠色、安全、環(huán)保的新能源純電動(dòng)卡車(chē)為對象，礦區環(huán)境下的無(wú)人駕駛卡車(chē)和5G通信下新能源無(wú)人礦卡自主裝-運-卸智能控制技術(shù)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(chǎn)管控技術(shù)和系統等缺乏。
圍繞以上難點(diǎn)問(wèn)題，在國家科技重大專(zhuān)項等項目支持下，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研用多家單位聯(lián)合，充分發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研校企聯(lián)合攻關(guān)優(yōu)勢，東北大學(xué)和西安建筑科技大學(xué)為礦山企業(yè)聯(lián)合提供技術(shù)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(lèi)露天礦33個(gè)作為工程應用基地。
項目研究?jì)热菁疤厣?/b>
本項目屬于采礦工程學(xué)科，金屬礦露天開(kāi)采領(lǐng)域，重點(diǎn)解決我國金屬露天礦綠色低碳開(kāi)采優(yōu)化設計、低品位資源高效利用及無(wú)人智能開(kāi)采的重大技術(shù)難題。項目歷經(jīng)15年攻關(guān)，創(chuàng )立了集露天礦整體設計與生產(chǎn)系列優(yōu)化算法、生態(tài)低碳化礦山優(yōu)化設計技術(shù)、低品位資源綜合利用和無(wú)人采礦裝備及智能生產(chǎn)管控技術(shù)為一體的露天礦低碳生態(tài)化設計及無(wú)人智能開(kāi)采技術(shù)體系。主要內容如下：
?。?）率先提出了露天礦整體設計與生產(chǎn)系列優(yōu)化算法。首次提出露天礦的“最終境界、生產(chǎn)能力、開(kāi)采計劃、開(kāi)采壽命及開(kāi)采設備配置”五大要素整體優(yōu)化體系，打破了傳統露天開(kāi)采設計中先優(yōu)化最終境界—后優(yōu)化開(kāi)采計劃—最后配置開(kāi)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省4%以上，破碎成本節約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(chǎn)成本10%以上。
?。?）首創(chuàng )了綠色低碳的生態(tài)化礦山優(yōu)化設計技術(shù)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，填補了傳統礦山設計方法不考慮生態(tài)環(huán)境因素的空白，開(kāi)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。
?。?）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(kāi)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(shù)和多階段隨機規劃邊際優(yōu)化技術(shù)。應用后，僅三道莊礦就增加可采資源儲量2.4億噸，礦產(chǎn)資源綜合回采率達98.2%。
?。?）首次研發(fā)了基于5G的露天礦無(wú)人采礦及智能管控集成技術(shù)體系。依據整體設計—生態(tài)優(yōu)化—智能生產(chǎn)的總體思路，研發(fā)了露天礦區道路條件下新能源純電動(dòng)礦用無(wú)人駕駛和智能調度技術(shù)，攻克了無(wú)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。
項目推廣應用情況
?。?）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(chē)、廢鉛回收行業(yè)的生態(tài)占用評估。
?。?）“低品位伴生資源綜合利用技術(shù)”入選“自然資源部礦產(chǎn)資源節約與綜合利用先進(jìn)適用技術(shù)推廣目錄”。
?。?）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。
?。?）“一種基于A(yíng)CA-BP算法的挖掘機液壓系統的故障診斷方法”實(shí)現發(fā)明專(zhuān)利成果轉化300.18萬(wàn)元；“基于谷歌地圖的無(wú)人駕駛監控系統[簡(jiǎn)稱(chēng):基于谷歌地圖的無(wú)人駕駛系統]V1.0”實(shí)現軟件著(zhù)作權轉化408.018萬(wàn)元；“露天礦數字化采礦生產(chǎn)管理集成系統V1.0”實(shí)現軟件著(zhù)作權轉化102.3萬(wàn)元；“一種露天礦山車(chē)輛智能調度終斷”實(shí)現實(shí)驗新型專(zhuān)利成果轉化209.822萬(wàn)元。
?。?）項目主要完成人先后應澳大利亞采礦和冶金學(xué)會(huì )、世界采礦大會(huì )國際組委會(huì )以及國際礦業(yè)教授學(xué)會(huì )等邀請參加國內外礦業(yè)類(lèi)學(xué)術(shù)會(huì )議，研究成果先后做大會(huì )特邀/主題報告33次，在國內外引起巨大反響。
?。?）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。
?。?）礦山生態(tài)沖擊量化和生態(tài)成本計算編寫(xiě)到《中國大百科全書(shū)》。
?。?）礦山生態(tài)化優(yōu)化設計方法編寫(xiě)到《采礦手冊》。
?。?）基于建立的低碳生態(tài)化開(kāi)采理論，與新疆大學(xué)、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(kāi)采技術(shù)”，解決新疆大批大型露天礦生態(tài)化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
?。?0）整體優(yōu)化理論與方法編寫(xiě)到本科生教材《采礦學(xué)》（第3版）《金屬礦床露天開(kāi)采》。
?。?1）基于研發(fā)的露天礦優(yōu)化軟件系統，完成國家虛擬仿真實(shí)驗建設《露天礦開(kāi)采虛擬仿真實(shí)驗》，上線(xiàn)國家實(shí)驗空間平臺，使用人數超過(guò)11萬(wàn)，獲批“國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)”一流課程。
項目成果及達到的技術(shù)指標
?。?）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(wèn)題，降低采剝生產(chǎn)成本10%以上，使礦山整體經(jīng)濟效益提高20%以上。
?。?）實(shí)現了開(kāi)采方案動(dòng)態(tài)優(yōu)化，應用于國內8個(gè)礦山，改善了礦巖爆破質(zhì)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(shí)現內排量1.02億噸。
?。?）解決了沒(méi)有最終境界無(wú)法計算生態(tài)成本，而生態(tài)成本又反過(guò)來(lái)影響最終境界的矛盾，減少土地損毀面積40%以上。
?。?）實(shí)現了露天礦生態(tài)低碳整體方案優(yōu)化設計，使碳排放降低26%以上。
?。?）大大降低了資源開(kāi)采所產(chǎn)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。
?。?）解決了礦用電動(dòng)無(wú)人駕駛動(dòng)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(chē)輛運輸效率提升22%，大大減少了司機等勞動(dòng)力成本，綜合運輸成本降低約50%以上。
?。?）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(chǎng)占用面積0.68億m3，通過(guò)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(dòng)率由原來(lái)的8.35%降低到3.62%。
?。?）實(shí)現了多臺無(wú)人駕駛車(chē)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(zhuān)利8項，實(shí)用新型專(zhuān)利9項，軟件著(zhù)作權59項，制定行業(yè)標準2項，開(kāi)發(fā)國家級露天開(kāi)采虛擬仿真實(shí)驗平臺1個(gè)，發(fā)表論文191篇，出版學(xué)術(shù)著(zhù)作9部。成果目前已在南芬露天礦、司家營(yíng)鐵礦、三道莊露天礦等得到推廣應用，近三年實(shí)現新增銷(xiāo)售額58.20億元，新增利潤25.89億元。
