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(qiáng)、劉戰(zhàn)陽、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(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司、洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司、成遠(yuǎn)礦業(yè)開發(fā)股份有限公司、河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司、河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司
項(xiàng)目研究背景
露天開采是我國礦產(chǎn)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(yán)重、老齡化導(dǎo)致的采礦勞動力短缺、礦產(chǎn)資源綜合利用效率低、生產(chǎn)開采智能化程度低等迫切問題，變革露天礦設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，大力發(fā)展露天智能開采乃至無人開采技術(shù)，革新露天開采設(shè)計(jì)及生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)（優(yōu)化、低碳化和智能化）“三化”開采，是當(dāng)前和未來我國礦業(yè)發(fā)展的必由之路。因此，項(xiàng)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：
?。?）國內(nèi)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(chǎn)能力、開采壽命、設(shè)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(jì)劃，最后為開采計(jì)劃配置設(shè)備，無法實(shí)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。
?。?）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(hù)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(nèi)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(shè)計(jì)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(nèi)生化設(shè)計(jì)優(yōu)化方法空白。
?。?）受低品位伴生資源分布不均、市場價格波動大、邊際品位計(jì)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(jìn)行礦體圈定，無法根據(jù)市場變化對采礦生產(chǎn)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，造成大量具有經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shù)難題。
?。?）傳統(tǒng)的露天礦運(yùn)輸裝備及運(yùn)輸工藝已不能滿足當(dāng)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(yùn)-卸智能控制技術(shù)完全空白，與之適應(yīng)的金屬露天礦多工序多目標(biāo)集群智能生產(chǎn)管控技術(shù)和系統(tǒng)等缺乏。
圍繞以上難點(diǎn)問題，在國家科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目支持下，通過產(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(tuán)、本鋼集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、成遠(yuǎn)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(yīng)用基地。
項(xiàng)目研究內(nèi)容及特色
本項(xiàng)目屬于采礦工程學(xué)科，金屬礦露天開采領(lǐng)域，重點(diǎn)解決我國金屬露天礦綠色低碳開采優(yōu)化設(shè)計(jì)、低品位資源高效利用及無人智能開采的重大技術(shù)難題。項(xiàng)目歷經(jīng)15年攻關(guān)，創(chuàng)立了集露天礦整體設(shè)計(jì)與生產(chǎn)系列優(yōu)化算法、生態(tài)低碳化礦山優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、低品位資源綜合利用和無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(shè)計(jì)及無人智能開采技術(shù)體系。主要內(nèi)容如下：
?。?）率先提出了露天礦整體設(shè)計(jì)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、開采計(jì)劃、開采壽命及開采設(shè)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(shè)計(jì)中先優(yōu)化最終境界—后優(yōu)化開采計(jì)劃—最后配置開采設(shè)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(yīng)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(yùn)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(shè)計(jì)技術(shù)體系。首次提出了生態(tài)成本內(nèi)生化的礦山優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，填補(bǔ)了傳統(tǒng)礦山設(shè)計(jì)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(yīng)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采全新的工業(yè)指標(biāo)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(jī)規(guī)劃邊際優(yōu)化技術(shù)。應(yīng)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(dá)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(shù)體系。依據(jù)整體設(shè)計(jì)—生態(tài)優(yōu)化—智能生產(chǎn)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(diào)度技術(shù)，攻克了無人礦卡集群編隊(duì)智能調(diào)度的難題。應(yīng)用后，累計(jì)減少低品位資源的排放1.5億噸，運(yùn)輸效率提升15%以上，綜合運(yùn)輸成本降低約50%以上。
項(xiàng)目推廣應(yīng)用情況
?。?）建立的礦山生態(tài)沖擊量化模型和生態(tài)成本計(jì)算模型，跨行業(yè)并被應(yīng)用到廢車、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(jié)約與綜合利用先進(jìn)適用技術(shù)推廣目錄”。
?。?）應(yīng)用該項(xiàng)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ACA-BP算法的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷方法”實(shí)現(xiàn)發(fā)明專利成果轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)軟件著作權(quán)轉(zhuǎn)化408.018萬元；“露天礦數(shù)字化采礦生產(chǎn)管理集成系統(tǒng)V1.0”實(shí)現(xiàn)軟件著作權(quán)轉(zhuǎn)化102.3萬元；“一種露天礦山車輛智能調(diào)度終斷”實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)新型專利成果轉(zhuǎn)化209.822萬元。
?。?）項(xiàng)目主要完成人先后應(yīng)澳大利亞采礦和冶金學(xué)會、世界采礦大會國際組委會以及國際礦業(yè)教授學(xué)會等邀請參加國內(nèi)外礦業(yè)類學(xué)術(shù)會議，研究成果先后做大會特邀/主題報告33次，在國內(nèi)外引起巨大反響。
?。?）智能調(diào)度管控平臺先后在水電八局、馬鋼集團(tuán)等28家礦山企業(yè)推廣應(yīng)用。
?。?）礦山生態(tài)沖擊量化和生態(tài)成本計(jì)算編寫到《中國大百科全書》。
?。?）礦山生態(tài)化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法編寫到《采礦手冊》。
?。?）基于建立的低碳生態(tài)化開采理論，與新疆大學(xué)、北京礦冶科技集團(tuán)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(shù)”，解決新疆大批大型露天礦生態(tài)化開采關(guān)鍵技術(shù)問題。
?。?0）整體優(yōu)化理論與方法編寫到本科生教材《采礦學(xué)》（第3版）《金屬礦床露天開采》。
?。?1）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(shí)驗(yàn)建設(shè)《露天礦開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，上線國家實(shí)驗(yàn)空間平臺，使用人數(shù)超過11萬，獲批“國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”一流課程。
項(xiàng)目成果及達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)
（1）解決了露天礦多要素單獨(dú)優(yōu)化難以得到全局最優(yōu)解問題，降低采剝生產(chǎn)成本10%以上，使礦山整體經(jīng)濟(jì)效益提高20%以上。
?。?）實(shí)現(xiàn)了開采方案動態(tài)優(yōu)化，應(yīng)用于國內(nèi)8個礦山，改善了礦巖爆破質(zhì)量，鏟運(yùn)設(shè)備作業(yè)效率提高了5.4%以上，平均減少了廢石運(yùn)輸距離1.53公里以上，實(shí)現(xiàn)內(nèi)排量1.02億噸。
?。?）解決了沒有最終境界無法計(jì)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?fù)p毀面積40%以上。
?。?）實(shí)現(xiàn)了露天礦生態(tài)低碳整體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，使碳排放降低26%以上。
?。?）大大降低了資源開采所產(chǎn)生的生態(tài)沖擊，降低土地?fù)p毀和能耗排放的生態(tài)成本30%以上。
?。?）解決了礦用電動無人駕駛動力不足、短程運(yùn)輸效率低等難題，大幅提高了短距離裝卸效率，應(yīng)用后車輛運(yùn)輸效率提升22%，大大減少了司機(jī)等勞動力成本，綜合運(yùn)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(yán)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%。
?。?）實(shí)現(xiàn)了多臺無人駕駛車輛自主集群智能調(diào)度，設(shè)備綜合利用率大幅提升，運(yùn)輸效率提升22%。
研究成果授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)，實(shí)用新型專利9項(xiàng)，軟件著作權(quán)59項(xiàng)，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，開發(fā)國家級露天開采虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺1個，發(fā)表論文191篇，出版學(xué)術(shù)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(yīng)用，近三年實(shí)現(xiàn)新增銷售額58.20億元，新增利潤25.89億元。
