随着矿业国际竞争压力的持续攀升，国内安全环保要求的不断加码，以及金属矿山企业生产难度和运营成本的持续提高，传统的产业技术与装备水平已无法满足高质量发展要求，亟需发展新一代地下金属矿智能开采技术与装备，推动适应智能开采、甚至无人开采新模式的工艺变革，提高金属矿山智能化作业水平，推动矿山企业数字化转型与高质量发展。
1 国内外发展现状
20世纪60年代以来，加拿大、瑞典、芬兰、澳大利亚等国外矿业发达国家，通过MAP系统计划、智能矿山（IM）、Grountecknik2000、2030可持续采矿与未来创新等计划大力推动自动化与智能采矿技术的发展，以一批大型矿山装备公司为代表的研发机构开发出一系列智能化程度较高的自动化采矿系统，如Sandvik公司的Automine、Caterpillar公司的MINEGEM、Atlas Copco公司的Scooptram Automation等，其技术成果在瑞典基律纳铁矿、澳大利亚北帕克斯矿、智利特尼恩特矿等知名矿业公司进行了成功应用，在自动化凿岩、铲运机遥控出矿、电机车无人驾驶等方面取得突破，大幅提升生产效率和安全水平。近年来，国外持续加大布局全区域无人化采矿技术的研发，尤其是在露天矿山领域，澳大利亚力拓公司推出“未来矿山”计划，计划在珀斯远程控制远在上千公里外的皮尔巴拉矿区15个矿山，目前已初步实现2个矿山主体采矿作业环节的现场无人化作业。
近年来，我国在工业互联网、人工智能、5G技术等新一代信息技术方向的不断加大投入，我国地下金属矿山开采正在向信息化、自动化、智能化方向快速发展，并取得了一系列科技成果。智能化作业已经成为了矿业行业未来发展方向，行业外企业也不断加入智能矿业领域，并不断涌现出新的典型应用。国内的中国黄金集团、山东黄金集团、紫金集团、金川集团、中铝集团、五矿集团等矿业企业纷纷开展智能矿山建设，山金红岭矿、海南铁矿、镜铁山矿、杏山铁矿、普朗铜矿、罗河铁矿、洛阳钼业公司等在采矿装备远程化控制等方面取了较大进展，尤其是，“十二五”、“十三五”期间，由矿冶科技集团有限公司（原北京矿冶研究总院）牵头组织实施的“863项目”地下金属矿智能开采技术和国家重点研发计划项目“地下金属矿规模化无人采矿关键技术研发与示范”，开发了智能铲运机、智能卡车、智能凿岩台车等系列化具有国际先进水平的智能采矿装备和地下精确定位与导航、泛在信息采集与无线通信、智能爆破、智能调度与控制、多装备协同作业等多项关键技术，大幅推进了我国智能采矿领域的技术发展，为后续矿山智能化相关技术与装备的规模化应用奠定了良好基础。
2 地下金属矿智能开采技术架构
地下金属矿智能开采技术是以智能开采共性关键技术为支撑、以智能化采矿装备与工作系统为载体，以智能化、无人化、高效化开采为目标的现代化矿山开采技术，整体发展趋势是开采工艺连续化、开采环境透明化、作业装备智能化、生产调度与控制协同化、安全作业无人化、集群控制规模化。地下金属矿智能开采技术架构如图1所示。
图1 地下金属矿智能开采技术架构
3 地下金属矿智能开采关键技术
我国地下金属矿智能化开采技术在向“信息化、自动化、智能化”方向快速发展，目前已形成了泛在信息采集与井下无线通信、精确定位与智能导航、装备智能控制、多装备协同控制、多区域安全控制等一系列自主先进技术，建立了我国地下金属矿智能开采技术体系。
3.1 地下金属矿泛在信息采集技术
地下金属矿工况条件恶劣，各类传感器数量多、协议不统一，泛在信息采集存在多源、异构、海量、采集困难等特点，需要高可靠性、高通用性的地下金属矿泛在信息采集技术为矿山智能化开采提供可靠的数据支撑。近年来，通过对泛在信息采集传输技术的研究，已建立了我国地下金属矿泛在信息采集传输控制协议的技术体系，形成了泛在信息采集传输控制协议，可全面兼容地下矿山各类常见的通信协议及数据接口，打破了传统装备间因物理接口互异及协议不兼容导致的数据交互瓶颈。
3.2 地下金属矿井下无线通信技术
随着智能化装备越来越多的应用，井下通信传输面临带宽更大、时延更低、切换速度更快等需求。目前，已形成了分布式多层次复合网络架构，攻克了井下装备行驶中自主对等通信、基站快速切换及冗余传输技术难题，实现了井下无线网络无盲区覆盖、高速率传输和高可靠通信。相关科研机构与矿山企业正进一步拓展5G+、WiFi6、物联网、边缘计算等先进技术与矿山现场的融合应用，为井下采矿装备的智能行驶和智能作业提供更加快速、高效、可靠的数据高速公路。分布式多层次复合网络架构如图2所示。
图2 分布式多层次复合网络架构
3.3 井下高精度定位与智能导航技术
井下高精度定位与智能导航技术为智能装备井下行驶、管理系统智能调度等系统提供位置与导航信息，是智能化作业与调度的关键支撑技术。目前，基于激光扫描测量、航迹推测、UWB定位、信标修正等多元信息融合的精确定位技术及基于路径规划与路径跟踪的导航技术，已通过实践证明可有效支撑地下金属矿无轨装备的高精度定位和自主导航，基于激光雷达、IMU、视觉等技术融合的井下定位与导航技术也在不断研究发展。
3.4 地下装备智能控制技术
通过多种采矿装备的自动化与智能化改造，我国已积累形成了一批具有自主知识产权的先进地下装备智能控制技术，如基于位置信息的车辆自主精确制动技术、具有矿车精确对准功能的远程装矿、自动卸矿技术、障碍物检测、铲运机精准自动卸载技术等，还有一批关键技术处于突破阶段，例如可提高炮孔识别效率的智能混装车炮孔图像快速处理、铲运机料堆识别、自动铲取轨迹优化等技术。
3.5 地下金属矿多装备协同控制技术
我国地下金属矿已实现了多种单体设备的自动化、智能化控制，多装备协同控制技术处于突破阶段。目前，基于凿岩台车、装药车、铲运机、破碎机、矿用卡车、有轨电机车等典型智能作业装备的运动学、动力学模型，已建立了车速等控制变量与生产效率等控制目标间的非线性映射关系，并结合各装备约束条件，形成了高度自优化与自协调控制的多装备实时协同优化控制模型与控制策略。
3.6 井下无人采矿作业多区域安全控制技术
地下金属矿采场、装备数量众多，面向多区域的安全控制是矿山智能化开采的必要支撑技术。我国地下金属矿山目前已基于无人作业安全区域规划、精确定位、移动闭塞联锁及防碰撞控制等技术，并结合井下巷道条件、装备动力条件、路径规划、错车避让等多种因素，建立了区域安全调度模型与信号调度系统，实现了地下智能装备在作业过程中的多区域安全指挥与监控。
3.7 无人采矿生产运营一体化集控平台技术
地下金属矿山现有管理系统多处于离散化状态，数据孤岛、数据资源浪费等现象严重，需要生产运营一体化集控平台对地下金属矿生产规划、排产计划、采矿设计、运营调度等整个生产过程进行集中管控与调度。目前，相关研究团队已构建了面向生产连续化开采的信息模型，形成了适应连续作业模式的采矿生产任务与作业设备高效协同生产作业计划以及生产任务自动分发方法，并应用短间隔控制理论、协同控制、深度学习等技术，建立了立体、连续、闭环的计划控制体系，研究了集设计、规划、运营和评价于一体的无人采矿生产运营集控平台技术，正在攻克矿山生产计划、凿岩作业、爆破作业、铲装运输、溜井破碎、集中运输等生产工序的高效协同作业、集成管控与智能调度，全面支撑无人采矿新生产模式。
4 地下金属矿智能开采装备
近年来，新一代信息技术快速发展，我国地下金属矿智能开采装备技术水平也得到了长足的进步，已研发设计出一批具有国际领先水平的智能化采矿装备，如地下智能铲运机、地下智能矿用卡车、智能凿岩台车、智能装药车等，基本实现了远程遥控作业及部分环节的自主作业。
4.1 地下智能铲运机
以井下智能通信、井下精确定位与智能导航及智能调度控制等技术为支撑的地下智能铲运机已经具备了远程遥控铲装、自动称重计量、巷道环境及设备状态感知、巷道内智能行驶等功能。2015年，三山岛金矿西山分矿-810 m中段搭建了国内首个具有自主知识产权的智能采矿系统，实现了井下铲运机远程遥控、自主行驶等智能化作业。目前，相关科研单位正在攻关铲运机自主铲装等关键性问题，为铲运机实现全流程自主作业奠定技术基础。智能铲运机自主行驶如图3所示。
图3 智能铲运机远程控制自主行驶
4.2 地下智能矿用汽车
地下智能矿用汽车（图4）是井下运输的重要支撑设备。目前我国已研发出35 t交流电传动智能矿用汽车，采用双动力电传动全轮驱动技术，实现了视距遥控、远程遥控及自主行驶等模式，实现了电动化、网联化和智能化，并在山东黄金矿业股份有限公司进行了工业试验，实现了巷道空间检测、智能辅助驾驶、遥控和自主运行功能。
图4 地下智能矿用汽车
4.3 地下智能装药车
地下智能装药车是地下金属矿爆破作业的关键设备。在多自由度工作臂、智能送管、物料储存与输送、智能寻孔、智能控制和动态监控等智能作业系统的研制基础上，地下智能乳化炸药混装车（图5）已实现了智能寻孔、智能送管、电液比例负载敏感控制、自主行驶等关键功能，并在首钢集团、酒钢集团等推广应用。目前，科研团队正在进一步通过研究装药机构控制技术与装药过程控制技术，攻关起爆弹自动装填技术，为我国地下智能装药车完全智能自主化作业提供技术支撑。地下智能乳化炸药混装车自主作业控制技术试验如图6所示。
图5 地下智能乳化炸药混装车、图6 地下智能乳化炸药混装车自主作业控制技术试验
4.4 智能中深孔全液压凿岩台车
智能中深孔全液压凿岩台车（图7）是地下金属矿生产的主要设备之一，是以PLC群底层控制系统为支撑的高度智能化柔性化装备，其智能化功能主要体现在具备智能开孔、智能凿岩、智能防卡、包容寻优、频率匹配、岩石特性采集、自动接卸杆和异常工况处理等，可实现在无人干预下自主完成整个凿岩作业的高智能化控制，显著提高凿岩效率。
（a）智能中深孔全液压凿岩台车、（b）智能中深孔全液压凿岩台车智能作业
4.5 地下高气压智能潜孔钻机
地下高气压智能潜孔钻机（图8）是我国地下金属矿潜孔凿岩的重要设备之一，主要由工作机构、变位机构、车架底盘、控制系统、风水系统、电气系统、液压系统及机罩等部分组成。在设备行走导航与炮孔定位技术、潜孔凿岩参数自动匹配及智能控制技术、自动防卡纠偏技术、多钻杆存储及智能化机械手技术、钻机智能控制与通信技术等技术研究基础上开发形成的地下高气压智能潜孔钻机，已实现自主行驶、全自动接卸杆、凿岩参数自动匹配、随钻参数自动采集、凿岩偏斜率自动控制、自动防卡杆等多项智能控制功能。
图8 地下高气压智能潜孔钻机
5 关于“十四五”发展的思考
随着浅部及易采矿产资源的日益减少，我国金属矿山响应“向地球深部进军”的国家号召，开采深度不断增加，矿山现场工况条件进一步恶劣，对各种矿山智能化装备与智能化开采技术的需求也更加迫切。笔者认为，“十四五”期间，我国地下金属矿智能开采领域需要攻克开采连续化、无人装备作业集群化难题，形成面向地下金属矿山的先进生产工艺，重点围绕矿产开发利用领域信息感知、数据传输、控制决策技术与理论及基于新一代信息技术的全流程数字化、智能化、协同化运行重大科学问题，突破超深井、高海拔、滨海等极端开采条件矿产资源智能化开采技术，形成典型应用，推动矿产开发利用领域的高质量发展。
