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建設智慧礦山 促進安全生產

——礦業創新技術進展之地面監測、無人機和礦山安全淺析

2020-5-28 12:12:58 來源:中國礦業報 作者:高曦 姜煥琴 張煒

推動礦業企業開展技術創新的重要因素之一就是安全,加快自動化采礦設備的發展,建設“智慧礦山”是近年來提高礦山安全性的重大舉措之一。

加強地面監測減少安全隱患

目前,用于露天礦山和地下礦山地面監測的3種主要工具是全球定位系統(GPS)、雷達和激光雷達(LiDAR)。雖然雷達技術早已用于活躍邊坡監測和邊坡坍塌檢測,但該技術經過改進和更新后,已成為當前領先的技術應用。

GroundProbe公司是全球領先的露天礦山和地下礦山地面監測解決方案供應商。目前,全向邊坡穩定雷達(SSR-Omni)是該公司最先進的系統,旨在通過超高速、全方位的掃描來檢測運動熱點,以最高分辨率覆蓋最廣闊的區域。巖土監測站(GMS)是該公司第二種基于激光的解決方案,可對面積廣闊的礦區進行長時間監測,監測時間可達數月至數年。該方案專門用于露天礦坑和植被茂密邊坡的背景監測,還可對尾礦壩、堆場和掘進巷道的變形進行檢測和測量。

2015年10月,力拓公司在澳大利亞的皮爾巴拉地區嘗試采用無人駕駛卡車。

總部位于意大利的IDS GeoRadar公司正推廣其可用于采礦和土木工程領域的邊坡監測干涉雷達。該設備的最大監測范圍為4500米,故可部署在安全可達的地點,而無需將人員和設備暴露在危險區域。IDS GeoRadar公司還在推廣其HYDRA-U地下遙感監測系統,旨在對即將發生的坍塌事故發出預警,以疏散處于危險中的人員和機械設備。此外,該公司還提供HYDRA-G系統,該系統旨在對建筑物、尾礦壩、巷(隧)道、采礦基礎設施和路塹邊坡的亞毫米級位移進行預警和實時測量。

探地雷達已廣泛應用于地下深部物體探測、公用設施制圖、道路與鐵路評估以及地質構造調查等領域。IDS GeoRadar公司是全球最大的探地雷達制造商之一,為各個行業提供了一系列探地雷達產品。南非Reutech Mining公司銷售的淺表層輪廓儀是一種可在掃描過程中即時反饋巖石結構的探地雷達,其輕巧并符合人體工學的設計專利,允許一名作業人員單手操作即可,就像使用油漆輥刷墻一樣。采集到的數據可通過無線網絡實時傳輸和處理,有助于識別如爆破致裂等巖石結構,并且有助于識別存在落石危險的區域。

加拿大泰克資源公司(Teck)在其位于美國阿拉斯加州的Red Dog鋅礦業務中,通過將不同顏色、大小如壘球的傳感球布置到爆破前的鉆孔中進行爆破監測。在爆破之后,可使用手持掃描儀來識別球的移動位置,利用數據繪制爆破過程中礦體移動過程的三維圖像。爆破監測系統由澳大利亞Blast Movement Technologies公司(BMT)提供。利用專門設計的BMM Explorer軟件計算每個爆破運動監控器的三維運動矢量,更新礦體邊界或挖掘高度,以及計算采收礦石的價值、稀釋度和分選誤差。據報道,爆破運動監測每年可為該公司節省650萬加元。

技術創新提高礦山安全水平

隨著科學技術的發展,無人機已成為包括礦業行業在內的許多行業中不可或缺的組成部分,而今后的應用將會更加廣泛。該技術仍處于發展初期,潛力巨大,不僅可用于露天礦山,也可應用于地下礦井作業。

目前,無人機主要用于區域勘探、地形測繪、堆場庫存體積盤點、鉆爆設計、設備和礦區(安全)檢查以及巖土工程監測和建模。

必和必拓(BHP)自2014年以來一直在使用無人機,并且一直在試驗無人機搭載軍用級攝像機,以獲得礦區的實時航拍影像和三維地圖,在其位于澳大利亞昆士蘭州的一些煤礦中,無人機用于爆破前的現場清理以及爆破后的煙霧追蹤。必和必拓還使用無人機監視礦區交通、道路狀況和潛在風險以改善道路安全。維護團隊在其位于南澳大利亞州的Olympic Dam礦中,使用無人機來幫助檢查塔吊、高塔和高層建筑的屋頂,以避免人員高處作業。該公司目前正在測試專門改裝的無人機來進行礦產資源調查。

據報道,巴里克黃金集團(Barrick Gold)自2012年以來一直在其數個礦區使用無人機,從體積測量到環境管理再到施工監測等無所不包。哈薩克斯坦金屬集團(KAZ Minerals)的測量人員在其國內的礦區中使用了Q-200 Surveyor Pro固定翼無人機、大疆Phantom 4無人機,以及俄羅斯制造的Geoscan無人機。這些無人機極大提高了大地測量工作的效率、工作的準確性,以及礦區開發的效率。

無人機在礦產資源勘查中的第一階段應用是測繪,然后可以使用無人機獲取地球物理數據。加拿大先鋒航空測量公司(Pioneer Aerial Surveys)提供了一種支持無人機的航磁傳感器系統,加拿大MWH地質調查公司(MWH Geo-Surveys)通過其無人機航磁系統可提供高分辨率數據。GEM Systems公司是該領域的另一家競爭者,其GEM DRONEmag產品是專為無人機地磁測量而開發的量子磁力儀。芬蘭Radai公司同樣提供包括磁法勘查在內的無人機地球物理勘查和遙感勘查服務。

高光譜傳感器已成為遙感領域廣泛應用的關鍵工具,現已廣泛用于地質與礦產資源填圖和勘探中。在過去的幾年里,已開發出用于無人機的輕型高光譜成像(HSI)傳感器。

另一項尚處于早期勘探開發階段的技術是使用無人機通過隨機采樣或反向循環鉆井從現場獲取土壤樣本。

采礦作業越來越多地使用無人機執行定期的現場調查,以記錄其整個作業過程。相比使用傳統方法需要數天時間,使用無人機僅需數小時即可完成。無人機可以采用攝影測量或激光雷達系統采集數據,并且將這些數據導入企業的礦山規劃軟件中,從而生成隨時間變化的可視化虛擬副本。礦業企業還能夠依據這些數據來分析大量的土壤、植被、地表水文學和地下水信息,以用于監測和復墾。

在地下礦山中,由于無法獲取GPS信號,地下無人機使用SLAM(實時定位和地圖創建)系統保障無人機的穩定飛行,開展地下礦山測繪和監測。一家礦業企業使用Inkonova公司開發的可手動操作的基于SLAM技術的無人機TILT Ranger,對其位于馬里的一座地下礦山進行了測繪。與此同時,澳大利亞Emesent公司也在其搭載了Hovermap技術的無人機上使用了基于SLAM技術的三維激光雷達地圖,可以部署在具有危險性的無GPS的環境中采集三維數據和其他數據,而無需將人員送往有潛在風險的區域。該類無人機還可搭載RGB彩色熱成像儀、氣體傳感器和輻射傳感器等,以采集各種類型的有用數據,獲取的數據可疊加在三維激光雷達數據上進行可視化分析。三維測量數據可用于調整和設計爆破后的采場形狀,監控掘進開采進度,以及分析巖石結構來確定底面穩定性,也可以用于測繪地面礦區資產。

利用無人機從露天礦山采集數據,可以非常精確地生成礦山正射影像、三維模型和高密度點云。從地質和巖土工程技術的角度來看,很可能從中提取出礦物學和巖性數據以及結構和地貌數據。這些數據可用于礦山規劃、邊坡監控、以及品位控制。

目前,許多礦業企業正在通過定期使用無人機來準確地計算庫存體積,以優化其庫存管理,如使用極高精度的地形測繪技術來生成高準確度的三維庫存模型,該模型可用于估算庫存體積。除了提高效率外,還可以避免人員進入潛在風險區域,從而提高安全性。

英美資源集團(Anglo American)一直在使用一支由10架無人機組成的編隊來監測其南非Kumba鐵礦的工作進度和庫存情況。

利用無人機拍攝視頻和圖像,可以安全且低成本地執行定期檢查?梢院芊奖愕貙φ麄礦區和特種設備進行例行檢查,并且可以對該區域進行安全監測,不僅包括礦山和工廠,還包括尾礦壩和其他偏遠區域。通過設備的不間斷作業,可以節省大量成本,并且無需人員直接接觸設備,從而提高安全性。尾礦壩定期監測是很重要的一項內容。無人機技術咨詢公司skymineUAV表示,當出現徑流異常、融雪或降雨等使尾礦壩遭受較強沖擊的狀況時,可通過預編程的自動駕駛無人機對尾礦壩進行頻繁的飛行監測。由于監測和數據處理是自動進行的,所以漏過或遺忘的可能性大大降低,從而解決了資源不足和連續監測問題。

通過無人機獲取的數據可在開始鉆孔之前對鉆孔巖面進行測量和拍照。在裝入炸藥前,工程人員可以使用鉆孔布置的地理參考圖像來確認鉆孔是否位于正確的位置。爆破后的圖像和視頻有助于分析破巖過程。此外,通過無人機生成的露天礦山數字模型使工程人員和地質學家能夠優化爆破設計,并且精確地對整個礦區的礦石品位差異進行控制和記錄。

未來的礦山運營將使用自動駕駛無人機,與礦區的其他主動式人工智能系統相互集成。美國Kespry公司提供了一款自動駕駛無人機并配套了云基軟件系統,可用于堆場庫存、礦山規劃、儲量勘探、儲量填圖以及礦區測量,使客戶能夠輕松獲取、查看、分析以及共享數據。瑞士ABB集團與Kespry公司合作,為其礦物加工行業的客戶提供整體航測信息解決方案。

技術創新提高礦山安全水平

開展技術創新的重要推動因素和成果之一就是安全性的提高。自動化采礦設備的發展可能是近年來提高礦山安全性的重大舉措之一。小松(Komatsu)2018年底的一份報告中指出,在自動駕駛汽車開始運行的10年里沒有發生過任何嚴重的人員傷亡事故。自動化系統有效避免了作業人員直接駕駛卡車,從而消除了駕駛過程中可能的粉塵、噪聲、振動和身體傷害等。

由于面臨各種巖土工程和環境問題,地下礦山的健康和安全風險更高。與露天采礦一樣,開展地下采礦自動化的目的是提高設備的產能并更好地保障作業人員的安全。除了將作業人員從危險的采礦區撤離外,隨著可穿戴技術的發展,正在引進新技術以保護仍在采礦環境中作業的工人。同時,虛擬現實技術(VR)作為一種行業工具,正用于在安全環境中模擬工作場所,以對工人進行培訓和教育。

礦業企業現在能夠利用可穿戴技術來監控工作場所內作業人員的安全和健康。近年來,礦業行業已開展了可穿戴設備的一些應用,以支持生產過程控制、健康和安全管理以及環境質量監控?纱┐髟O備可以根據其功能、外觀、與人體的接觸程度,以及其他參數進行分類,一般可分為智能服裝、智能眼鏡、可穿戴攝像頭、可穿戴傳感器和醫療設備,以及智能手表?纱┐髟O備中使用了各種類型的傳感器,這取決于預期的用途。

德勤咨詢公司(Deloitte)、加拿大Vandrico解決方案公司和美國Cortex Design公司共同開發了一款名為Smart Helmet Clip的智能頭盔配件。這種新型可穿戴設備重量輕,可以固定在礦工頭盔的后部或前部,內置有用于檢測空氣中有害氣體水平的傳感器、輻射傳感器、溫度和濕度傳感器,以及其他根據礦山類型而定的傳感器。除了為緊急情況提供黃色到紅色的警報系統外,頭盔還可以輔助管理人員與礦工之間的通信。Smart Helmet Clip配有車載GPS、加速度計和陀螺儀,可跟蹤礦工的移動,或者在發生事故時對沒有移動的礦工進行定位。

Jannatec Technolgies公司開發了其第一代ENSO智能頭盔,可提供許多定制化功能,包括GPS、電話、LED、攝像頭和防撞系統,以幫助其按照規章作業并確保工人安全。

Hexagon Mining公司推出了HxGN礦山個人警報(Personal Alert)裝置,這是一種給現場人員佩戴的避險設備,可確保對周圍重型設備360o全方位識別;防撞系統可計算車輛的位置、行進方向和路徑,而Personal Alert裝置的精密測量技術可確定步行人員的距離和位置。Hexagon Mining公司是一家數字解決方案供應商,可以創建自動化智能連接的生態系統。

紐蒙特礦業公司(Newmont Mining)的一個試點項目包括聯網工人技術,該技術可以分析卡車司機的面部表情,并且在駕駛員分心走神或昏昏欲睡時發出聲音振動警報。該公司還推出了類似于Fitbit公司的可穿戴設備Smartband,可以持續監測員工的睡眠質量和持續時間。駕駛員可借此了解自己出現疲勞或分心的特殊征兆,以及生活習慣的改變如何減少疲勞和改善長期健康。該試驗獲得了成功,疲勞和分心事件分別下降了87%和68%。

虛擬現實和增強現實技術正迅速成為礦業行業的有效工具。虛擬現實技術的主要用途之一是安全和培訓,但是也可以幫助企業和利益相關方更好地理解擬開展的項目以及相關的復墾和環境影響緩解措施。此外,該技術正在幫助完善礦山規劃,從產能到環保措施,以及為礦山復墾規劃提供支撐。

泰克資源公司已與LlamaZOO Interactive公司合作,后者為前者項目的礦山規劃和社區參與創建虛擬孿生系統。虛擬現實技術使人們無需親赴現場就可以感受身臨其境的體驗,并且使他們能夠“看到”擬建礦山的情況。在虛擬之旅中,用戶可以在礦區上空俯瞰所占用的土地、地質模型、現有和規劃的設施、需要建設的基礎設施及其規模,以及礦區和周邊地區的地形。用戶還可以在虛擬游覽期間提前觀摩礦山開發的不同階段,包括關閉后和復墾后的景觀。同時,在虛擬空間中也可以全方位地觀看礦體的三維模型。

Barminco公司與技術專家合作,開發了便攜式交互虛擬現實培訓系統,以輔助提高對危險的認識和“新手入門”培訓。除了介紹該公司的安全流程外,該交互式虛擬現實技術培訓工具還使用戶能夠真實地體驗地下環境。該技術以真實的第一視角使受訓人員感受危險環境。Barminco公司是涉足從礦山開發到生產的機械化硬巖地下采礦服務的國際化供應商。

Sentient公司是一家位于澳大利亞珀斯的軟件開發公司,為礦業和資源行業的客戶提供功能強大的沉浸式三維可視化、過程控制和自動化解決方案,包括培訓和模擬、基于三維動畫和導覽圖的交流和推廣、以及實時數據可視化!

(作者單位:中國地質調查局國際礦業研究中心、中國地質調查局地學文獻中心)

資料來源:RFC Ambrian. Report 4 - Ground Monitoring, Drones, and Mine Safety. 2019.8.

網站編輯:宮莉

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