向现代化和机械化迈进.pdf

采 矿 1 . 向现代化和机械化迈进 谈我国有色金属采矿科技进步 近年来，随着科学技术的发展，通过大量的科研和科技攻关工作，我国 有色金属采矿科技水平有了很大提高，取得了许多具有世界先进水平的科技 成果和工程速度与效率纪录。 在露天开采方面，新的开采工艺，已在许多矿山获得推广应用。国产钻 机，如牙轮钻、潜孔钻等，已初步实现系列化，大区多排孔微差爆破以及控 制爆破技术已日趋成熟，新爆破器材已在矿山生产中获得应用。大型采装运 和辅助设备已研制成功，可以为年产 1 0 0 0 万吨的大型矿山进行装备配套。对 露天矿边坡稳定性已能够进行科学测试和分析，达到优化设计的目标，并能 对边坡实行有效的监测和加固。 目前我国有色金属矿山以地下开采为主，约占总采出矿山量的 7 0 ％。多 年来通过对地下采矿方法大规模实验研究，使传统的采矿方法开始向高效 率、高回采率和安全经济的方面发展。目前采用的采矿方法主要有留矿法、 空场法、充填法和崩落法。 井巷掘进方面已逐步实现了机械化作业，如竖井掘进目前已能够实行机 械化配套作业，创造了月成井 1 0 0 米的好成绩，平巷掘进在重点矿山也已基 本上实现了机械化作业。 虽然近年来我国采矿科技水平有了很大提高，但与世界先进水平以及国 民经济发展要求相比，还存在一定的差距。如何充分利用现代化科技成果， 实现采矿工艺现代化和全盘机械化，研究出高效率的采矿方法，进一步完善 各类井巷掘进的机械化作业线已成为我国有色金属采矿急待解决的问题。 2 . 薄窄矿脉怎样开采 谈薄窄矿脉矿山采掘机械化 近 1 0 年来，由于国际市场上金属供过于求，价格下跌，市场萧条，并且 世界上的大厚矿体日趋减少，许多采矿公司将注意力转向薄窄矿床，都以提 高劳动生产率，降低生产成本为核心制定生产经营计划，寻求新的工艺技术 与装备，强化开采，以适应新的市场形势需要，许多设备公司近年来研制了 一系列微型采掘设备，使薄窄矿脉矿山采掘机械化达到了一个新的高度。 采掘设备微型化、液压化、高效化、无轨化、动力电气化是近年来西方 国家薄窄矿脉矿山采掘机械化发展的总趋势，凿岩基本上使用微型液压凿岩 台车，出矿采用微型铲运机，劳动生产率得到了极大提高。 为适应薄窄矿脉机械化开采的要求，国外一些矿山、设备公司相继开发 研制、 使用了微型液压凿岩台车， 满足了生产的需要。 例如 南非 P r e s i d e n t ， S t e y n金矿使用的两台有轨液压凿岩台车，重量只有 4 5 0公斤，最小高度仅 8 5 0 毫米，装有支臂、推进器各两个，台车可在两个方向打与工作面成 7 0 的炮孔。该台车在南非金矿使用的 4 年期间，其月进尺始终超过了其他型号 的台车。 凿岩设备除上述微型化外，另一个发展趋势是把双臂液压台车改为单 臂，使凿岩成本大幅度降低。 最近，瑞典、加拿大及新西兰的一些矿山正在试验单机铰接式液压凿岩 台车，该台车可在 3 . 5 米4 . 7 米（宽高）的范围内凿岩，车宽仅 1 . 2 2 米， 整车重 7 吨，但可拆卸成 3 大部件（支臂加推进器、前桥、后桥），便于在 不同的工段间搬运。 微型液压凿岩台车在国外薄窄矿脉矿山已得到广泛应用，成为这类矿山 凿岩的主体设备。 国外薄窄矿脉矿山装运设备基本上实现了无轨化，使用微型铲运机出 矿。这些微型铲运机宽度仅 9 5 0 毫米，高度 1 . 8 5 米（操作者头部高度），长 约 4 米，斗容 0 . 4 立方米，装载 8 0 0 公斤，能在约 1 . 1 米宽的工作面内工作。 据秘鲁和加拿大薄窄矿脉矿山使用情况证明微型铲运机具有机动性好、生 产效率高、成本低的特点。此外，芬兰、美国、英国的一些矿山已使用了小 型井下自卸汽车，用于小断面巷道的运输。 装运设备微型化、无轨化、动力电气化是薄窄矿脉矿山装运设备发展总 的趋势。 我国大部分已开采的金、锡、铅、锌、钨等有色金属矿山均属薄窄矿脉 矿山，这类矿山数量占有色矿山数量的 8 0 ％。其开采难度逐年增大。而我国 这类矿山采掘机械化水平与国外相比，还有很大的差距，例如微型液压凿 岩台车在我国至今还是一个空白。因此，进一步提高我国薄窄矿脉矿山机械 化装备水平，实现采掘机械化，强化开采，提高生产率，是发展我国薄窄矿 脉矿山的一条有效途径。 3 . 油藏管理 一门先进的石油开采技术 2 1 世纪正向我们走来，石油工业的前景如何，是人们关心的话题，有人 预言，按目前速度，地球上的石油只够开采 2 0 ～3 0 年。为了缓解石油的需求 和短缺构成的矛盾，各种最先进的科学技术必定用于石油勘探和开发中。由 于新发现的石油资源远远弥补不了老油田资源的迅速递减，并且发现大的新 油田的可能性也越来越小，导致人们更加重视老油田的石油开采由此便 产生了油藏管理的概念。 从本世纪 3 0 年代以来，油藏管理经历了不同的发展阶段。进入 9 0 年代， 人们对油藏管理进行了更加广泛的讨论。世界上许多学者都进行过论述，众 说纷纭，各有侧重，目前还没有形成一个统一的概念。 具体地说，油藏管理的概念含义是广泛的，可以从以下几个方面来理解 （1 ）油藏管理的主要内容涉及油藏的勘探开发全过程，不仅受到油藏自 身特点的影响，而且受到社会政治和经济环境的制约，受到当时的技术实际 水平和应用程度的限制。 （2 ）油藏管理主张把油藏的勘探开发作业看成是一项系统工程，要使油 藏得以有效地开发，必须有系统论的观点，即必须统揽全局，既要考虑到油 藏的类型、特性，又要考虑到油藏的整个勘探开发过程中的变化情况和社会 经济条件及现有的技术水平等。 （3 ）一个油田往往包括许多个油藏，油藏管理主张以每个油藏为一个独 立的开发单元。 （4 ）油藏管理要求从油藏发现开始直至最后开采结束，通过一系列的决 策和一系列的作业来认识、测试、开采、监测和评价油藏；要求在一定的管 理环境下，将地质研究、计算机技术、工艺技术、地球物理技术应用于油藏 系统。 （5 ）社会政治和经济环境、技术因素和油藏信息是油藏管理的基础。 综上所述，我们可以认为所谓油藏管理，就是在国家政治、经济允许 范围内，充分应用先进的科学技术，以最小的人力投入、最小的资本投资和 最低的作业成本，最大限度地提高油藏开发的经济效益。但是，我们怎样来 实现油藏管理呢 目前，人们普遍认为协同工作法是实现油藏管理的最佳方法，该方法强 调拥有一支由油藏地质和油藏工程相关的多学科专家组成的专家队伍，并且 这支队伍从油田发现直到废弃之日，自始至终在工作上密切进行合作。强调 各职能部门之间的相互协作，必须打破各部门间的界限，充分发挥统一指挥、 协同作战的优势。强调开展多学科综合研究，充分利用最新技术，切实保证 油田在开采期间实现最经济开采，不断延长油田开采期限。强调在进行油藏 管理的决策时，必须综合社会政治和经济环境、技术因素和油藏信息三者的 相互作用、相互联系。强调所有的油田开发和作业决策都应由熟悉整个生产 系统、油藏特性和动态关系的多学科专家队伍决策。强调油藏管理的多学科 专家队伍的每一个成员都要培养对整个生产系统负责的意识，不断具备油藏 工程、钻井工程、采油工程等多方面的基础知识，了解有关整个生产系统各 个环节的技术措施。强调在具体实施油藏管理总体方案时，建立一支由各学 科人员组成的专职联合小组，逐个地对老油田进行分析，确定进一步开发方 案。 总之，油藏管理的协同工作法最突出的特点是强调协同作战产生的整体 效益远远高于各部门之间努力工作所产生效益的总和，这也是协同工作法成 功的奥妙之所在。 油藏管理是优化提高石油采收率的基础，目前，已被誉为最先进的石油 开采技术。可以预言，在不久的将来油藏管理技术将成为开采石油资源最合 理的途径。 4 . 矿床地下开采顺序的新动向 谈上行阶段开采顺序 到目前为止，国内外矿床地下开采的矿山均采用自上而下即下行阶段开 采顺序。这种阶段开采顺序有很多优点矿山建设初期开拓工程量小，初期 基建投资少，投产早等。但长期的生产实践表明，下行阶段开采顺序存在一 些严重问题矿山投产后就立刻准备和进行扩建，扩建工程与生产往往发生 矛盾。在开采影响范围内，岩体易发生移动，地表出现裂隙、塌陷，破坏了 地形地貌和自然环境；重要的井巷工程和地表构筑物，均要布置在岩石崩落 带和安全带外，增加了基建工程量。 为了解决目前地下矿山普遍采用的下行开采顺序所存在的上述问题，有 关专家提出研究和应用上行阶段开采顺序，上行阶段开采顺序已成为矿床地 下开采顺序的新方向。 上行阶段开采顺序的原则是，根据矿体的具体特征，一次开拓到经济上 最优和技术可能的最大深度，在已开拓的最深水平进行采准和回采，同时， 在其上的 1 ～2 个水平开拓和采准。 上部阶段在围岩中掘进开拓和采准巷道产 出的废石，通过废石溜井下放到下阶段已回采结束的采空区，进行块石充填， 实现块石不出坑的构思。 由于从很大深度上开始回采，回采后的采空区又及时进行充填，完全可 以避免岩体发生大规模的移动和整体破坏，地表的破坏和塌陷可能性也极 小，某些井巷工程可以靠近矿体布置，从而显著地节省基建工程量和采准工 程量。 采用上行阶段开采顺序，不仅能节省基建和废石运输费用，还有利于实 现高强度化开采和集中作业，充分发挥大型设备高效率的威力，从而提高矿 石生产能力，改善矿石回收指标和降低采矿成本。 目前，上行阶段开采顺序已引起了世界矿业专家的普遍关注，如原苏联 加伊铜矿业在进行上行阶段开采顺序的工业试验；乌克兰金属矿山科学院也 正在积极研究上行开采顺序。我国华铜铜矿应用上行阶段开采顺序，已初见 成效。 5 . 选矿厂的未来 谈在地下设置选矿厂的新工艺系统 随着科学技术的迅速发展，矿山生产和建设的决策也相应地发生了重大 变化。目前，矿山环境保护工作已提到需急迫解决的问题，而矿床地下开采 环保的重点，是减少或取消尾矿库和废石场的危害。于地下设置选矿厂，实 现利用部分旧硐室或采空区，就地加工，将精矿粉用管道输送至地表，产出 的尾矿充填于井下采空区，这样，就可以取消地面的尾矿库和选矿厂的建设 和经营，同时，还可以使矿山基建的井巷工程量大为降低，明显简化生产环 节，并彻底取消地表尾矿库和废石场两大污染源，从根本上改变矿山环境， 保持矿山自然环境的生态平衡。 目前，国内、外地下矿山大都采用地表选矿场加工矿石的传统工艺流程。 矿山于井下开采的矿石，要运输、提升到地表，再运输送到选矿厂。随着开 采深度的增加，矿石品位逐渐降低，矿石产量又不断扩大，井下运输和提升 矿石量越来越大，生产条件也益发困难。开采出的矿石中有用成分很少（铁 矿石只有 3 0 ～5 0 ％，而黄金矿石则只有百万分之 3 ～1 0 ），矿石大部分或绝 大部分是脉石。显然，这种传统的工艺流程存在下列一些问题井下运输、 提升、地表运输矿石费用大，使采矿成本提高，选矿厂加工成本提高；尾矿 库的扩建和维护费用增大，造成矿山环境的两大污染源；当井下采空区需充 填处理时，还要重建尾矿管道充填系统，费用也相当可观。 由于地面选矿厂存在的上述问题，为了形成生态净化的采矿生产环境， 从未来扩大生产发展以及整个系统经济分析，在地下设置选矿厂的新工艺系 统，已成为世界各国采矿业迫切研究的重大课题。有关专家经过研究证明， 地面和地下选矿厂的精矿成本基本相等，而地下选矿厂在地面不设选矿厂和 尾矿库，经济效益是显著的。 目前，世界上一些国家如秘鲁、意大利和加拿大的不列颠哥伦比亚省等， 在地下建立了选矿厂的全部系统；瑞典、加拿大、美国等在井下对矿石进行 初加工。这些国家成功的实践表明，在地下设置选矿厂的新工艺流程在技术 上是可行的、可靠的，经济上是合理的。 在地下设置选矿厂，形成地下矿山整套新的工艺系统，实现废石不出坑， 废石和尾矿就地充填采空区，可以有效地控制岩体移动和地表塌陷，取消地 面尾矿库和废石场这两大矿山污染源，根本地改变矿山环境，保持自然环境 的生态平衡，简化矿山生产环节，改变矿山开拓系统，减少井巷工程量，最 终降低采矿和加工成本，使矿山获得良好的经济效益。 6 . 遥控采矿成为现实 谈遥控地下采矿技术的发展 随着科学的发展，各种高新技术的不断涌现，地下采矿设备实现遥控这 一构想，已经发展到了不再是空谈的地步。过去人们只是谈论地下采矿设备 的遥控问题，但是，近年来，关于地下采矿设备遥控问题的有些事情已在付 诸实施了。 近年来，计算机技术、信息和通讯技术、控制技术等的迅速发展及应用 极大地推动了采矿工业的进步。在这些技术进步的推动下，为了减轻成本增 高的压力以及出于对安全的关注，有许多公司正在研究或者正在将遥控技术 用于矿山生产。虽然这种新事物目前产生的影响并不太明显，但其潜力是巨 大的。现有的遥控采矿设备和技术研究项目包括从日常采矿作业诸如凿岩、 炮孔装药及爆破作业的机械化与自动化到通过数据通信从世界的另一端对复 杂的地下采矿设备进行遥控与故障处理。 开发遥控采矿技术的最终目的是对每一座高度自动化的地下矿或露天 矿实现实时控制。这是目前正在进行的多项研究工作的一个共同主题。其中 最具雄心的一个项目是 “智能采矿技术计划” （I n t e l l i g e n t M i n e T e c h n o l o g y P r o g r a m ）。这是芬兰各矿山设备制造厂家、赫尔辛基工业大学岩石工程试验 研究所与芬兰技术开发中心（T E K E S ）共同参与的一项合作研究开发计划，耗 资 1 2 0 0 万美元，包括 2 8 个研究开发项目，旨在研究开发新设备与新系统， 提高自动化水平，以促进采矿生产效率的增长。 对一座自动化矿山的各项机械化作业实现过程控制的关键包含以下三大 方面的内容 （1 ）矿石储量与产量的实时管理，需要有完善的数据采集、传递、处理 与使用系统。除了实时控制所需的大容量计算机外，智能型矿山还需要有可 靠的机动设备和人员调配系统、矿井内部通信和矿井与地面通信系统以及高 速双向数据传输系统。 （2 ）采矿设备操作与导向自动化以及相关系统。 （3 ）采矿工艺过程各工序的自动化从一座全自动化矿井的方案设计到 全机械化与自动化巷道掘进、生产凿岩、装载、提升和破碎以及地压控制设 备。 目前，要把这些项目全部结合在一起还是一个有待解决的大难题，但是， 其中有些单项如自动化凿岩台车、遥控天井钻机、遥控装药机、计算机辅助 矿井通风自动控制系统等正在以不断加快的速度投入使用。这些新技术的应 用极大地提高了采矿自动化水平，显著的促进了采矿生产效率的增长。 7 . 凿岩技术新成员 自动化凿岩台车等采矿自动化设备漫谈 8 0 年代以来，随着全球高、新技术研究热的兴起，机械工业取得了重大 进展，为采矿工业向机械化和自动化方向发展提供了新的机遇。如何降低矿 山生产成本，提高生产效率被世界各国采矿工业普遍视为是关系采矿工业发 展的一个首要问题。随着科技的进步，采矿设备实现自动化被一致认为是降 低矿山生产成本、提高生产效率的关键环节。因而，采矿设备自动化已成为 世界各国采矿业竞相研究开发的一个重要课题。 近年来，采矿设备自动化已取得了重要进展，例如自动化凿岩台车、 遥控装药机、遥控铲运车等都已投入应用，并取得了良好的效益。如芬兰坦 罗克公司研制的 D a t a S o l o 型自动化凿岩台车在使用时，司机对好孔位开钻 后便可以走开，凿岩台车能自动钻到预先规定的深度，然后能自动退出整组 钻杆、卸下每节钻杆并放回钻杆架上，使用 D a t a S o l o型无人凿岩台车时， 在司机进餐时间内至少可自动钻出一个炮孔，而在司机换班时又能钻出一个 炮孔，这使每班总钻进米数增加了约三分之一。实现自动化不仅减少了操作 时的人工劳动，提高了安全性，而且减少了因司机换班间休和进餐所造成的 总停机时间，提高了生产效率。 分段崩落法、分段采矿法等各种大规模采矿方法的推广应用，进一步促 进了凿岩设备机械化、自动化水平的提高。由于采用深孔爆破，于是炮孔越 来越深、钻杆和钻管越来越重，还需要机械辅助接长和拆卸钻杆。因此，凿 岩台车人工定位、炮孔开眼、更换钻杆以及保持一组钻杆拧紧所需的扭力等 这一连串耗费体力的操作工序，对于自动化系统来说，都已成为颇具吸引力 的研究对象。例如阿特拉斯科普柯（A t l a s C o p c o ）公司的 R H S 系统把机械 化接杆器和遥控操作盘二者结合起来可使司机离开工作面，免受炮孔冲洗水 与钻屑的喷溅。将 R H S系统同 B A R 1 7型凿岩自动控制装置组装在 S i m b a 型深孔凿岩台车上实现了无人看管的自动化凿岩，采用无人凿岩方式，大大 提高了实际凿岩时间的比例，遥控操作把司机从繁重的体力劳动中解脱出 来，提高了凿岩效率。 凿岩台车自动控制能保证炮孔位置更加准确，从而可最大限度地提高爆 破效率。此外，应用计算机控制的激光导向系统可以使凿岩台车不需要在工 作面上做导向标志，可以缩短凿岩机定位与凿岩作业循环时间。从而可以大 大提高生产效率。 除自动化凿岩台车外，其他采矿设备也在向自动化方向飞速发展，例如 尼特罗诺贝尔（N i t r o N o b e l ）公司已研制成功的 R o c m e c 2 0 0 0型遥控装 药机，该机结构十分完善，司机坐在司机室内便可完成炮孔装药作业，减少 了司机受到伤害的危险，消除了人工装药这类费力的体力劳动，通常需两名 工人搬运的沉重的装药软管，使用该机后可省去一人，而且还能大大减少一 组炮孔所需的装药时间。 我国采矿自动化技术近年来也取得了令人瞩目的成果，如山东省衮州矿 务局研制的自动气控挡车器，达到国内外先进水平，是目前国内外先进的斜 巷防跑车装置。近年来，该局在工况监测、轨道运输、胶带运输、通讯、大 型设备、提升系统等各方面研究和推广了许多先进的科技成果，使衮州矿区 的煤矿自动化水平提高到了一个新的水平，促进了生产，保障了安全，加快 了现代化建设的步伐。 8 . “运筹帷幄、决胜千里”的新装置 谈设备远程控制 随着计算机技术、控制技术、通信技术等高新技术向采矿工业的不断渗 透，由凿岩、爆破等机械化和自动化的采矿作业向通过数据通信从地面对地 下采矿设备的机械化作业进行遥控和故障处理已成为采矿工业的重要发展趋 势。 目前，采矿设备远程控制技术已在世界上一些矿山公司取得了重要进 展。例如，1 9 9 1 年 5 月，罗宾斯（R o b b i n s ）公司与芒特艾萨（M t I s a ）矿 山公司共同进行了一次测定遥控天井钻进是否受地理位置限制的试验。试验 时，罗宾斯公司西雅图办事处的工程师们通过计算机同位于北澳大利亚的芒 特艾萨公司希尔顿（H i l t o n ）矿井下的罗宾斯天井钻机联通。虽因两地之间 电话线路质量不佳而使数据传输受到限制，但是罗宾斯公司的试验小组仍能 控制安装在井下 1 0 0 0米深度处工作的 6 3 R M - H - 1 3 3 0型天井钻机上的 R o b b o m a t i c 2 0 0 0型可编程控制器（P L C ），西雅图办事处的工程师仍可通过 计算机通信停止和启动该可编程控制器并能输入一个新的 P L C 程序。试验结 果证明，这项技术是可行的，并且可以为安装在世界任何地点的罗宾斯天井 钻机上的可编程控制器进行远程编程和调制。 芒特艾萨矿山公司还一直积极研究开发利用遥控装运设备，目前，该公 司的每个矿都使用了遥控铲运机， 而且正在研究最终在艾萨矿的全部 5 0 吨级 的电动汽车上加装遥控装置的可能性。据该公司声称，其下一步的目标是实 现完全自动化行驶和装卸。 世界上其他一些地方的矿山公司也正在积极开发和利用远程控制技术， 如在美国的联合矿冶公司、霍姆斯特克矿山公司等已普遍使用遥控式柴油铲 运机；在霍姆斯特克矿以及美国锌公司的巴尔马特矿已成功地安装了列车装 载遥控系统。遥控装载设备的应用大大降低了人工成本，保障了作业安全。 信号传输与接收的准确性和安全性是保证遥控作业正常进行的先决条 件，因此，信号安全系统是远程控制技术研究的一个重要课题。最近，穆格 （M o o g ）公司研制出一种采用了学习方式的信号安全系统，这种系统的传输 模块和接收模块可以互相学习彼此的 I D （标识符）编码，而且拒绝响应含有 任何其他标识符编码的信号。开始使用时，这种成对的装置先用电缆接通， 互相交换标识字符。完成此过程后，连接电缆便可取掉，设备就能按正常遥 控方式进行操作。该系统采用非易失性存储器存储数据，即使从该遥控装置 上取出电源，学习过程也是不能重复的。另外增加的一道安全级可禁止任何 人非故意地强使两种非同类设备学习彼此的标识符编码。采用循环冗余校 验，可以在传递出控制信息之前验证信息的发送地址与信息内容是否准确无 误，大大减小了传输错误的概率，提高了信号的安全性。 9 . 激光向导 O p t i T r a k 井下车辆激光导向系统漫谈 激光是二十世纪以来包括原子能、计算机、半导体等在内的几项重大发 明之一，激光的出现对光学技术发展的影响是极其深刻的。许多以往光学技 术办不到的事情，现在能办到了；过去能办到的，引用激光之后，效果和精 度得到成倍甚至几十倍、几百倍的提高。譬如以往高空投弹的命中半径大 约百米左右，装有寻找目标装置的激光炸弹命中半径可提高到几米，实际上 是百发百中；坦克大炮配上激光测距仪，测距精度达 1 米，而且测得快（千 分之一秒），容易控制；用作导向的激光陀螺，原理上完全不同于机械转动 陀螺，没有转动部件，精度高，寿命长。总之，激光的出现对光学及许多其 他科学技术领域都产生了富有深远意义的巨大影响。 目前，在采矿工业中，激光已成功地应用于井下车辆导向系统，如加拿 大安大略省北湾市的明特罗尼克斯系统公司（M i n t r o n i c s S y s t e m s C o r p o f N o r t h B a y ）研制的 O p t i T r a k 激光导向系统已在几座矿井中实现了汽车和 铲运机的自动化操纵。该系统可使车辆借助配置在车头和车尾的激光器扫描 装在巷道顶板上的基准导向板来导向运行。例如，车辆循着这条基准导向板 根据装在导向板附近的反射条形码便可完成各项作业，如卸载、变速或检查 制动器。加拿大国际镍公司（I n e o ）一台 W a g n e r S i 8 S c o o p t r a m型铲运 机上安装的一套 O p t i T r a k 系统采用了电视摄像机， 可使司机遥控车辆装载 并且将车辆调度到靠近基准导向板，然后使车辆开始自动运行。 O p t i T r a k 激光导向系统正如该公司指出的那样，其功能已经超过了遥 控，当车辆在装载和调度时，除非出了机械故障，一切操作均无须人工插手。 O p t i T r a k 系统还具有三级安全保护用于保护设备和工人。第一级安全 保护是出入自动化运输作业区由标志信号和声响信号进行控制。第二级安全 保护是便携式红外线信号器，工人进入自动化运输作业区时要随身携带。当 一辆运行的车辆进入距工人约 4 5 m 的范围内时，红外线信号器便发出信号令 该车辆停驶。第三级安全保护是装在全自动化车辆上和带在矿工头盔上的收 发机。这种装置自动操作，当任何一辆装有收发机的车辆进入距另一部收发 机约 1 5 m 的范围时，它便能够检测出来并立即使该车辆停驶，防止工人与车 辆发生碰撞事故。 采用自动化系统来提高运输效率的潜力是巨大的，而激光导向系统在井 下车辆上的应用，对自动化运输系统来说，可谓是如虎添翼。井下车辆激光 导向系统的开发在世界各国采矿业都有着广阔的发展前景和巨大的市场，它 的应用对于提高矿山自动化水平和采矿生产效率必将产生巨大的促进作用。 1 0 . 机器大夫，妙手回春 谈采矿机械的工况监测和故障诊断的 “油磨屑”综合分析监测技术 井下采煤机械的可靠性对煤炭的产量、生产效率有举足轻重的影响，加 强对矿山设备特别是长臂采煤机械的工况监测和故障诊断是保证煤炭生产持 续、稳定发展的关键。由于井下生产条件异常恶劣，在潮湿、阴暗的地下作 业，除有大量的粉尘和煤尘污染外，还伴随着强烈的撞击和振动，因而对井 下低速、重载的行走设备安装在线仪器或传感器很困难，同时还要求这些仪 器是防爆型的或本安型的，所以一般机械常用的振动监测仪器在这种工况 下，使用效果很不理想。从国内外的发展来看，目前对采煤设备的工况监测 和失效预报，以“油磨屑”的综合分析监测为主。 我国对采煤机械的工况监测和故障诊断工作已开展了几年，已逐步提高 了对“状态维修”的认识。目前，大同、开滦、潞安、衮州、汾西等近三十 个局矿已配备了“油磨屑”分析仪器。 油磨屑分析方法主要是指对机械设备润滑油和液压油的粘度、水分等 理化性能指标及对油中所含磨屑的监测分析方法，后者也称铁谱分析方法。 铁谱分析的核心是利用铁谱仪，将油内的铁磁性磨损颗粒与油液及杂质分离 开来，并按一定规则沉积在玻璃基片上（制成谱片），然后，对磨屑进行定 性和定量的铁谱分析。 定性铁谱分析主要是从磨损颗粒的形状、大小、颜色来判断磨损的形式、 严重程度和磨屑的材质。大小磨屑数量的比值是反映机械设备零部件磨损状 况的重要指标，对这些值的测量就是铁谱分析的主要内容，所依靠的主要仪 器有光密度计和颗粒定量仪。 光密度计是通过测量谱片上颗粒的遮光量来间接地反映谱片上颗粒的数 量，由于铁磁性颗粒按尺寸在谱片上有各自的重点沉积区域，所以测量这些 特定的区域，就可得到谱片上相应尺寸范围的颗粒数量，由这些值可以计算 出磨损度烈度指数“I s ”，它的大小反映了机械设备零部件的磨损剧烈程度。 颗粒定量仪是采用电磁法来测量试样的铁磁物质含量，来判断设备零部件的 磨损剧烈程度。 统计数字表明，采煤机相当一部分机械故障是由于润滑不良造成的，所 以，进行“油磨屑”的综合分析监测，是保证机械设备处于良好润滑状态 必不可少的手段。 此外，“油磨屑”分析方法对于实现油脂的科学化管理和完善机械系 统的设计也有着重要意义。 在煤炭生产中，对采煤生产设备实行“油磨屑”分析的多种测试手段 的综合诊断，对于确保采煤机械健康诊断的确诊率，实行工况监测和预测维 修是行之有效的重要手段，具有显著的经济效益。目前，我国在“油磨屑” 综合分析监测技术方面已取得了重要成果，例如中国矿业大学研制的包括 K T P 型旋转式铁谱仪、光密度测定仪、K L D 1 型颗粒定量仪等的“油磨屑” 分析系列仪器，已在生产实践中发挥了重大作用，取得了显著的经济效益。 1 1 . 向岩巷进军 谈煤巷掘进设备的发展 纵观国际上煤巷掘进机的发展历程，机型可分为 4代4 0年代末至 6 0 年代中期为第一代，从无到有逐步形成了切割、装运、行走为一体的结构雏 形机，用于软煤掘进，机重 1 5 吨。6 0 年代中期到 7 0 年代末为第二代机型的 发展期，机型趋于成熟，适应范围扩大，部分大断面机型能过断层，有切割 夹矸的能力，能切割抗压强度 6 0 M P a以下的岩层，机重 2 0 ～4 0吨。8 0年代 始末为第三代机型的发展期，半煤岩掘进机开始成熟，煤巷掘进机功能齐全， 可靠性大幅度提高，重机型大量涌现，机重达 5 0吨左右，能切割抗压强度 8 0 ～1 0 0 M P a 的岩石。8 0 年代末到 9 0 年代初期，第四代机型向岩巷进军，重 机型增加，机重 7 0 吨以上，能切割抗压强度 1 0 0 M P a 以上的岩石，且具有故 障诊断、工况监测和自动控制功能，德国生产的 E 2 5 0 W A V 3 0 0 型，奥地利生 产的 A M 8 5 、A M 1 0 5 型等掘进机为代表机型。出现了切割、装运和支护平行作 业的采掘锚综合机组，掘进速度大幅度提高，奥地利的 A B M 2 0 、英国的 K B Ⅱ 等为代表机型。 目前， 国外煤巷掘进机已广泛用于煤矿的抗压强度 1 0 0 M P a 以下的煤巷掘 进，并扩大到岩巷，使综掘机械化程度不断提高。据 1 9 9 0 年统计表明，前苏 联已使用 2 3 0 0 余台，综掘程度达 4 0 ％；英国使用 6 0 0 余台，综掘程度达 7 7 ％；德国使用 1 6 0 余台，综掘程度达 3 7 ％。这些国家掘进机开机率达 3 0 ％～ 5 0 ％。 煤巷掘进机分为两大类一类为悬臂式掘进机，量大面广，适应范围大， 切割硬度高，但掘进、支护不能平行作业。这类掘进机在各国已形成系列化。 另一类是在连续采煤机的基础上发展起来的采掘锚综合机组，用于煤巷快速 掘进，较好地解决了掘进和锚杆支护平行作业问题。采掘锚综合机组问世仅 5年，已引起了人们的高度重视，目前，投入商业运行的有美国久益公司的 1 2 C M 2 0 型、奥地利阿尔卑尼公司的 A B M 2 0型、德国保拉特公司的 E 2 3 0型、 英国安德森公司的 K B Ⅱ型、R H 4 5 型等 5 种机型。 随着煤炭工业的发展，新的技术、新的理论的应用，煤巷掘进设备正以 不断加快的速度向前发展。 其发展趋势可以概括如下； （1 ）适应范围扩大。专家预测，到本世纪末， 悬臂式掘进机可完成巷道总量的 8 0 ％以上。（2 ）可靠性不断提高，使机器 能在井下连续正常工作 3 ～4 年不大修。（3 ）增加截割力和机重，提高工作 稳定性。 （4 ）实现机电一体化，包括操作自动控制和掘进机的工况监测及故 障诊断。（5 ）高压水射流技术的应用。（6 ）发展采掘锚综合机组，解决掘 进和支护平行作业问题。（7 ）加强综合配套能力。（8 ）研制试验手段更趋 完善。 我国煤巷掘进设备的开发虽然与世界先进水平相比还存在一定的差距， 但近几年来，也取得了重大进展，例如煤炭科学研究总院太原分院、上海分 院和唐山分院已先后研制出 8 种机型，装备了检测装置，已开始制定煤巷掘 进机标准，对截齿、切割参数和高压水射流进行研究。目前正在研制功率 1 6 0 K W ，机重 5 0 吨，能切割煤岩抗压强度 8 0 M P a 的掘进机。 1 2 . 采矿工业的福音 谈无人采煤技术 无人工作面采煤简称无人采煤，即工人不在工作面工作，而是在巷道和 安全地点操纵和控制工作面的机械设备，完成采煤、运煤、顶板管理和采空 区处理等工序。无人采煤技术的应用给采矿工业带来了福音，这种方法需要 人员少，劳动效率高，可以达到安全、高产、低耗、高效的多目标效果。 无人采煤是当今世界上公认的煤炭生产先进方法之一，世界各主要产煤 国都相当重视，并且投入了大批的人力和财力从事这项科学研究工作。原苏 联、美、英、德等国都相继无人开采样机的研究和井下实验，对各种条件下， 人开采方法进行了研究，并实施了回采工艺实验，已有了许多成熟的经验。 无人采煤方法种类很多，通常把开采过程中改变煤的聚集状态的开采方 法，如煤的地下气化、地下液化、页岩的地下分馏等称之为化学方法开采； 不改变煤的聚集状态的开采称为机械方法开采。 机械化无人采煤方法有很多种类，例如螺旋钻机无人采煤、刮刨机无 人采煤、刮刨机螺旋钻机联合无人采煤、长壁综采无人采煤等。螺旋钻 机无人采煤是比较成熟的方法之一，它广泛地用于开采缓倾斜薄和极薄的煤 层。 无人采煤为那些用综合机械化很难或根本无法开采的薄和极薄煤层找到 了一个很好的开采途径，提高了人类开发地下资源的能力，它所带来的技术 经济效益和综合社会效益是其它采煤方法所不能比拟的。特别是在开采矿山 压力大、有冲击地压及有煤和瓦斯突出的煤层时，其优越性更为突出。 我国是世界产煤大国之一，其中薄煤层的储量占总储量的 1 7 . 8 6 ％，而 产量只占总产量的 1 0 . 4 ％，长期以来，由于薄煤层的开采困难、效率低、工 作环境差，所以薄煤层的开采、配采问题已成为一个全局性的迫在眉睫的现 实问题。研究薄和极薄煤层的开采新工艺、新方法和新设备，最大限度地开 发地下有限的宝贵资源已成为一个带有战略性的新课题。 无人工作面采煤是解决薄和极薄煤层开采的一个很好途径。目前，机械 化无人采煤在我国还是一个空白，但我们相信，随着我国科技水平的进步， 在广大科技工作者的努力下，我国的无人采煤技术必将会有一个零的突破， 有一个大的发展。 1 3 . 生物给我们的启示 谈地下采矿方法合理识别的人工 神经网络系统 地下采矿方法的合理选择，历来是矿山设计和生产中的一个重要课题。 由于地质特征和矿床赋存条件极其复杂多变，很难建立完全等效的数学方程 来描述各种地质因素与采矿方法之间的关系。所以至今采矿方法选择仍主要 依赖于设计人员的经验和大脑思维。不完善的知识和矿床地质特征信息的缺 乏，使采矿工程师很难获得优化的结果。近年来，不少专家从不同角度探讨 了多目标决策、价值工程、模糊数学、专家系统等应用于采矿方法选择的可 行性。东北大学将人工神经元网络引入采矿领域，开发了地下采矿方法合理 识别的人工神经元网络系统，为采矿科学的决策提供了一条新的、更有效的 途径。 人工神经元网络是 8 0 年代末迅速发展起来的一个国际前沿科研领域。 人 工神经元网络是试图模仿生物神经系统的工作而建立的一种信息处理系统， 由大量简单元件广泛相互连接而成的复杂网络。具有高度非线性、自学习、 动态处理、联想记忆、容错性等特征。人工神经元网络在输入数据含有噪声 的情况下也能较好地工作。人工神经元网络的这些特征正是其他方法所不具 备的，因而它特别适合于采矿方法选择这样复杂的问题。 用人工神经元网络合理识别地下采矿方法，即建立一个基于神经网络的 自适应模式识别系统，在这个识别系统中，识别工作分三步进行 （1 ）从积累的大量采矿工程实例中选择代表性强的作为网络学习样本， 通过网络自学习建立各种矿床地质特征采矿方法模式对。 （2 ）待识别的矿床地质特征数据经预处理，作为训练的网络的输入数 据，利用学得的知识和训练的网络结构进行模式匹配，识别出合理的采矿方 法及该采矿方法的主要技术经济指标和材料消耗。 （3 ）模式求精，即随着采矿工程实践的不断深入，将新的工程实例加入 到网络的学习样本库中，让网络连续学习，使模式得到求精和增广。 用人工神经元网络实现采矿方法的合理识别，可以对采矿工程师的模式 识别活动进行有效的模拟，可快速地实现递归过程。还可以激励我们创造性 地发现新方法。该方法可以尽可能多的把各种定性定量的矿床地质特征因素 作为变量加以输入，输入数据可以是含有噪声的、残缺不全的，因而其识别 结果精度高，适应性强。从工程实例中学习采矿方法选择的知识，不仅使采 矿工程师的长期的工程实践经验得以应用和发展，而且解决了建立采矿方法 专家系统时的知识获取“瓶颈”的问题。 应用人工神经元网络识别合理的地下采矿方法是地下采矿方法合理选择 的一种崭新的方法，它的推广和应用必将给采矿工业带来巨大的技术经济效 益。 1 4 . 采矿工业的新专家 露天采矿专家系统漫话 人工智能是本世纪三大科技成就之一，被誉为下一世纪的带头学科，作 为人工智能三大研究方向之一的专家系统技术，近年来从人工智能领域脱颖 而出，形成了一条独特的体系，正在对包括采矿领域在内的各个领域产生巨 大的经济效益和社会效益。 专家系统是以人工智能技术为基础，结合专家特定领域知识，采用计算 机模拟专家思维过程，并运用系统工程的方法解决实际问题的一门新兴技 术。7 0 年代以来，几个实用的专家系统已在医疗诊断、地质勘探、化学分析 等领域取得了引人注目的成果。近几年来，在露天采矿领域也开始重视并研 究专家系统技术的应用，并有不少研究成果问世。 英国诺丁汉大学采矿系研制出用于露天矿设备选择、开采方法确定的 M I N D E R 专家系统。它主要用于吊斗铲倒堆工艺和液压铲开采工艺的设备及开 采方法选择。 西安冶金建筑学院研制出用于露天矿开拓运输决策的模糊专家系统，简 称 D H （D e v e l o p m e n t a n d H a u l a g e ）系统，该系统综合运用了专家系统原理、 模糊数学和 C A D 技术。主要用于完成露天采矿开拓