摘要：随着地下金属矿山采掘工艺的不断发展和改进，无轨采掘工艺已经成为广泛应用的技术，为矿山的高效开采提供了有力支持。为了减少对环境的影响，采掘设备的电动化已经成为一个趋势，电动化可以降低排放，减少对矿山周边生态系统的破坏，并且有望提高工作效率。本文针对地下金属矿山采掘机械化及智能化展开研究，有助于提升矿山企业的可持续发展。

　　关键词：采掘机械装备；无轨采掘工艺；电动化；智能化

　　中国的改革开放政策为矿业行业带来了前所未有的机遇，外部开放和国内市场需求的增加，推动了中国矿业技术的不断升级和创新，这一发展趋势不仅体现在机械装备的性能和质量上，还表现在研发和生产效率的提升上。中国在地下金属矿山采矿领域的工程技术和设备制造方面，已经积累了丰富的经验和专业知识，这为行业的可持续发展打下了坚实的基础。随着人工智能技术的迅速发展，智能化在地下金属矿山的应用变得日益广泛。智能化采矿设备和自动化系统的引入，不仅提高了生产效率，还提高了采矿作业的安全性。智能技术的运用还有助于资源的更加高效利用，降低环境影响。

　　1无轨采掘工艺应用

　　无轨采掘工艺是一种在中国地下金属矿山广泛应用的采矿方法，它在提高矿产量方面取得了显著的成绩。然而，这一技术的快速发展伴随着大量无轨柴油采掘设备的广泛使用，带来了一系列环境和健康问题。无轨柴油采掘设备的使用导致了井下作业环境的恶化。这些设备产生的尾气和油烟排放，严重污染了地下矿山的空气质量。井下作业人员不得不在这样的环境中工作，长期接触这些有害物质可能对其健康造成不利影响。此外，无轨柴油采掘设备的排放也对地下矿山周围的生态环境造成了污染。这可能对附近的水资源和土壤产生负面影响，威胁到当地生态系统的平衡。为了解决这一问题，需要采取一系列措施来减轻无轨柴油采掘设备的污染影响。可以通过采用更清洁的燃料或技术来减少尾气和油烟排放。此外，应该加强对井下作业环境的监测，以确保工作者的健康得到有效保护。同时，还应该加强对矿山周边环境的监测，以减少对生态系统的破坏。

　　2采掘设备的配套

　　无轨采掘矿山的发展历程经历了从早期的主体工序重心到如今对辅助工序的全面关注。最初，无轨采掘矿山主要专注于主体工序，包括凿岩、出矿和矿渣的运输。这些工序是矿山生产的核心，直接影响产量和效益。然而，随着技术的不断发展，矿山产业也逐渐意识到辅助工序的重要性。辅助工序的无轨采掘设备成为矿山生产中不可或缺的一部分。装药台车、顶板管理台车、撬毛台车、锚杆台车以及砼支护设备等工具的引入，使矿山的生产变得更加高效和安全。装药台车用于爆破凿岩，顶板管理台车用于维护工作面的稳定，而砼支护设备则用于加强巷道结构，提高安全性。这些升级和配套措施不仅提高了工效，减少了作业人员的需求，还降低了人员的安全风险。随着矿山行业对安全的重视不断增加，采用无轨采掘设备成为一种趋势。与此同时，人工成本的不断上升也催生了矿山向采掘设备全面配套的方向迈进，以提高效益和降低成本。

　　3采掘设备电动化

　　采掘设备的动力驱动方式一直是工业领域的重要议题。传统的柴油驱动采掘设备在许多方面存在问题，其中之一是能耗问题。柴油发动机在采矿作业中需要大量燃料，导致高能耗。此外，柴油驱动设备的尾气排放也对环境造成污染，对环保产生不利影响。与之相比，电驱动采掘设备在能耗方面具有明显的优势。电动机功率的精确控制使其更高效，并且不会产生尾气排放，因此更环保。此外，电驱动设备发热量较低，减少了矿井内的温度升高问题，提高了工作条件的舒适性。然而，电驱动采掘设备的售价较高，主要是由于电池技术的成本。电池版采掘设备是一种解决电缆束缚问题的创新方案，它通过内置电池供电，减少了电缆的使用，提高了操作灵活性和安全性。此外，它对环保需求也有积极作用，因为它减少了尾气排放，降低了环境污染。尽管电池版采掘设备目前的价格较高，但随着电池技术的不断进步和成本的下降，其价格有望逐渐降低，使其更具竞争力。鉴于电动化的诸多优势和社会对环保需求的不断增加，可以预见电池版采掘设备在未来将得到广泛应用。

　　4采掘智能化

　　4.1智能采掘设备发展现状

　　当前，能够在现场成熟应用的采掘装备其智能化、自动化、信息化水平大致如下。

　　（1）掘进台车是矿山和隧道工程中常见的设备，用于在地下工作面进行岩石凿击和掘进作业。一般情况下，一旦人工支机在工作面定位完成，并且工作面的开孔条件适宜，掘进台车可以根据预先设计的图纸自动进行岩石凿击作业。这种自动操作的优点在于提高了工作效率、降低了人工操作风险以及确保了作业的精确性和一致性。然而，根据国内的实际使用情况，通常情况下仍然需要操作人员在现场进行值守，以干预和处理工作面可能出现的不适合自动凿击的情况。这是因为地下工作环境可能会受到多种因素的影响，如地质条件的变化、设备故障、岩石质地的不均匀性等。因此，操作人员的存在可以及时应对这些变化，确保工作面的安全和高效运行。操作人员的职责可能包括监控设备运行状况，调整和维护掘进台车，处理突发问题，以及根据需要调整凿岩方案。他们的专业知识和经验对于确保工作面准确凿岩和保障工作安全至关重要。

　　（2）出矿铲运机是矿山作业中的关键设备之一，它具备自动沿设定线路运行和自动卸矿的功能。然而，在铲装环节，仍然需要人工辅助，以确保卸矿至矿用卡车的车厢内均匀分布。这个过程需要操作人员的熟练技能和经验，以确保高效而安全的装卸作业。一个操作人员有能力远程操控多达3台铲运机，这提高了作业效率，使得同一操作人员可以同时管理多台设备。这在大型矿山作业中尤为重要，因为矿产的采集量通常相当大，需要高效的处理方法。矿用卡车也具备自动运行和装卸矿的能力，这进一步提高了矿山作业的效率和安全性。这些卡车可以在设定的线路上自动行驶，无需人工干预，从而降低了潜在的人为错误和风险。为了确保作业的安全性，铲运机和矿用卡车必须在设置了安全门的封闭区域内运行。这个区域应该相对独立，禁止人员和其他无关设备的闯入。一旦有人强行闯入，系统将立即停止运行，以保护操作人员和他人的安全。

　　（3）目前的采掘辅助设备在很大程度上依赖于人工干预，操作人员需要亲自参与设备的运行和控制。这对于一些危险或复杂的工作环境至关重要，因为操作人员可以根据具体情况做出实时的决策，确保工作的安全和效率。其次，自动化技术在采掘领域还没有达到完全自主运行的程度，尽管自动化系统在许多工业领域取得了显著的进展，但在采矿和采掘方面，仍然需要操作人员的干预和监督，这可能受限于技术的成熟度，特殊的地下环境挑战以及采掘过程的多样性等因素。

　　4.2采掘智能化需求

　　从《有色金属行业智能矿山建设指南》的发展角度来看，采掘智能化的目标是实现高度自动化和智能化，以提高生产效率、降低人为操作风险，同时确保矿山的安全和可持续性。在此背景下，可以更详细地讨论各主要工序环节的要求，以实现常规的、重复性的作业由采掘设备自动完成，减少操作人员的介入。

　　4.2.1凿岩

　　采矿和掘进是矿山工作中的关键环节，而现代技术已经实现了许多自动化的创新，以提高效率、安全性和精确性。其中，浅孔凿岩和深孔凿岩以及掘进中的浅孔凿岩是不可或缺的操作，首先，凿岩台车的出现使得工作面的条件评估变得更加智能化，它能够实时监测工作面的地质和环境条件，根据不同情况调整作业方案，确保安全和高效的凿岩操作。自动移机支机进一步提高了工作效率。这些支架能够根据需要自动调整位置，确保矿工能够在最佳位置工作，减轻了矿工的体力劳动。此外，自动化技术还包括自动炮孔设计和自动凿岩，这些系统能够根据地质条件和挖掘要求进行智能规划，减少了人为错误的风险，同时提高了凿岩的准确性和效率。

　　4.2.2出矿

　　铲运机在出矿作业中扮演着至关重要的角色。它不仅能够高效地进行矿石的铲装，还能在运输过程中确保矿石的安全和高效卸载。这一智能设备不仅提高了作业效率，还减少了人力成本和潜在的操作风险。一项关键功能是智能识别技术，它使铲运机能够自动识别矿石的类型和形状。这有助于优化铲装动作，确保最佳的装载效率，并减少浪费。同时，铲运机还能监控路面情况，检测并处理运输途中掉落的岩块，从而维护路面的安全和耐久性。与无人驾驶运输卡车的协同工作也是铲运机的一大亮点。这种协作确保了矿石均匀装载到运输车内，从而提高了整个运输过程的效率。如果出现超限大块，铲运机能够及时识别并处理，或者将信息传递给碎石设备，以便后续处理。这种无缝的协作使出矿作业更加流畅和可控。

　　4.2.3出渣

　　铲运机的自动出渣作业是一项革命性的技术，一自动化系统旨在有效地处理已经爆破的岩石，从而提高采矿作业的效率和安全性。首先，铲运机的自动化能力使其能够迅速响应爆破后的场景，一旦岩石块落下，铲运机会自动进入行动，将这些岩石铲装到其设备中。这消除了需要大量人力劳动的传统采矿方式，大大减少了采矿过程中的人为风险。随后，这些铲装的岩石被运输到配套的无人驾驶运输车内或溜井内，这个步骤确保了岩石的高效运输，减少了时间浪费和资源浪费。而无人驾驶运输车的使用还可以提高整个采矿过程的精确度，因为它们可以准确遵循预定的路径，避免了人为误差。铲运机的自动化系统还可以与其他采矿环节无缝集成，确保整个采矿过程的协调和高效，岩石的出渣、运输和卸载都可以在不同阶段之间实现无缝的数据交换和通信。这种紧密的协作可以大大提高生产效率，减少停工时间，从而增加采矿业的盈利能力。

　　4.2.4天井施工

　　天井钻机在地下工程中的自动化施工过程是一项高效且复杂的工程，天井钻机必须进行精确的定位，以确保施工的准确性和安全性，包括采用先进的定位技术，如全球定位系统（GPS）和激光测距，以确保钻机准确进入目标位置。一旦定位完成，钻进作业开始。在这个阶段，钻机会利用中导孔来引导钻头前进，同时智能扫描设备负责对井下空间进行数字化描述。这些设备使用先进的激光扫描和图像识别技术，以分析岩石条件、岩性、构造和节理裂隙等关键参数，对于确定钻进策略和确保施工的安全性至关重要。

　　在钻进过程中，如遇到浮石或岩稳固性不佳时，反井扩刷技术会派上用场，以确保井壁的稳固性。此外，钻杆的更换也可能是必要的，以确保施工的连续性和效率。为了实现多机联合作业，所有相关人员和设备需要实时定位、通讯和共享信息，有助于协调各个部分，减少交叉干扰，提高施工效率。同时，配合作业需要统一指挥调度，由集控中心来协调各个工作站点和设备的工作，确保整个工程的顺利进行。最后，为了保证施工质量和安全，作业参数需要不断进行优化调整，这可以通过三维立体模型数据的分析和反馈来实现，以及采用喷砼支护、锚杆支护和凿岩等技术来确保井壁的稳固性和减少跨塌风险。

　　4.3实现采掘智能化需求的关键技术

　　4.3.1精确定位

　　无论是在矿山、建筑工地还是其他采矿或凿岩场景，精确定位都是实现自动化作业的前提。特别是对于凿岩设备，精确定位不可或缺。它允许设备感知自身的精确位置，以便按照炮孔设计图进行凿岩，确保凿岩精度达到最大程度。在采矿工程中，炮孔的设计图通常精确规划，以确保在爆破或凿岩过程中能够达到预期的效果。要实现这一目标，采掘设备需要精确定位，以准确地将凿岩工具定位到正确的位置。这样，不仅能提高生产效率，还能减少资源浪费和环境影响。

　　此外，采矿现场通常充满了各种设备和机械，它们在工作时需要避让障碍物和其他设备，以确保安全操作。精确定位在这方面也发挥了关键作用。通过实时监测设备的位置数据，可以进行安全避让决策，降低事故风险。

　　4.3.2作业环境智能识别

　　作业环境智能识别在采掘设备自动作业中，其能够清晰地辨别各种作业对象和环境元素，从而能够进行准确的分析、判断和操作，确保作业的高效性和安全性。首先，作业环境智能识别涵盖了各种关键作业对象，其中，爆堆是指需要爆破或挖掘的岩石或土壤堆，其特性和状态会影响到采掘设备的作业策略。运行线路则指的是设备需要遵循的路径，包括避开障碍物和确保安全通行。卸渣矿点是物料卸载的地点，凿岩工作面、装药工作面、撬毛工作面、锚杆支护工作面和喷砼支护工作面代表了不同类型的采矿工作面，每个工作面都有其独特的要求和挑战。还有需要破碎的大块和需要维护的路面，这些都是作业环境中需要考虑的关键因素。作业环境智能识别的目的在于为采掘设备提供必要的信息，以便它们可以做出正确的决策。通过传感器和数据处理技术，设备可以收集并分析环境信息，如地质结构、物料特性、障碍物位置等，从而确定最佳的作业策略。这包括识别爆堆的类型和稳定性，找到安全的运行线路，了解卸渣矿点的位置和状态，评估工作面的硬度和稳定性，并检测需要破碎或维护的区域。

　　4.3.3网络全面覆盖及信息及时传输

　　在采矿领域，采掘工作面的爆破作业是一项关键的任务，但它往往会对设备设施产生冲击。为了确保采矿作业的高效性和安全性，需要采取一系列措施来提高工作面的操作环境。首先，为了应对爆破作业所带来的冲击，必须实现网络全面覆盖。因此采矿人员可以随时随地获取关键信息，以确保作业安全。这一目标可以通过使用自动移动设备来实现，这些设备可以在采矿工作面上快速部署，建立强大的通信基础设施。其次，采掘设备的运行安全是至关重要的。为了实现这一目标，信息传输必须具备低时延和大流量的性能。低时延确保了采矿人员可以迅速响应突发事件，而大流量则能够传输大量的监控和控制数据。在这一方面，5G通讯技术的应用尤为重要，因为它提供了卓越的性能，可满足采矿设备的智能化通讯需求。

　　5结语

　　综上所述，我国地下金属矿山一直以来都是重要的资源开发领域，为了提高采矿效率、减少人员伤亡风险，以及降低环境影响，地下采矿工艺一直在不断发展和创新。无轨采掘工艺在我国地下金属矿山中已经取得了重大进展，它采用了无轨机器人和自动导航技术，以取代传统的有轨采掘设备，为矿山行业带来了巨大的变革。