顧曉薇、顧清華
、胥孝川、王　青、範立軍、阮順領、韓瑞亮、江　鬆
、井石滾、李　華、付　強、劉戰陽、馬士博、徐森民

、胡智航

　　東北大學、西安建築科技大學

、本溪鋼鐵(集團)礦業有限責任公司
、洛陽欒川鉬業集團股份有限公司、成遠礦業開發股份有限公司
、河北鋼鐵集團礦山設計有限公司、河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司

　　露天開采是我國礦產資源開采的重要方式，為解決我國露天開采麵臨的生態環境損害嚴重、老齡化導致的采礦勞動力短缺、礦產資源綜合利用效率低、生(sheng)產(chan)開(kai)采(cai)智(zhi)能(neng)化(hua)程(cheng)度(du)低(di)等(deng)迫(po)切(qie)問(wen)題(ti)，變(bian)革(ge)露(lu)天(tian)礦(kuang)設(she)計(ji)優(you)化(hua)方(fang)法(fa)
，大(da)力(li)發(fa)展(zhan)露(lu)天(tian)智(zhi)能(neng)開(kai)采(cai)乃(nai)至(zhi)無(wu)人(ren)開(kai)采(cai)技(ji)術(shu)
，革(ge)新(xin)露(lu)天(tian)開(kai)采(cai)設(she)計(ji)及(ji)生(sheng)產(chan)模(mo)式(shi)

，實(shi)現(xian)（優化、低碳化和智能化）“三化”開采，是當前和未來我國礦業發展的必由之路。因此，項目自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：

　　（1）國內外以往的露天礦開采方案五大要素（最終境界、開采順序、生產能力、開采壽命
、設備配置）yizhicaiyongfenbuyouhuafangshi，jixianyouhuazuizhongjingjie，erhouyouhuakaicaijihua，zuihouweikaicaijihuapeizhishebei，wufashixianzhengtiyouhuacongerqiudequanjuzuiyoufangan。lutiankaicaicunzaikaicaifanganwudayaosuzhengtiyouhualilunhefangfaqueshi，wudayaosuxietongyouhuamoxinghesuanfakongbai。

　　（2）傳統露天礦開采方案優化並未考慮露天開采的環境損害
、生態保護成本、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成本，並將之“內生化”到開采方案的優化模型與算法之中。因此生態文明下綠色
、低碳露天開采方案設計理論和方法缺失；露天開采生態成本量化難，生態成本內生化設計優化方法空白。

　　（3）受低品位伴生資源分布不均、市場價格波動大

、邊(bian)際(ji)品(pin)位(wei)計(ji)算(suan)方(fang)法(fa)單(dan)一(yi)等(deng)因(yin)素(su)限(xian)製(zhi)，我(wo)國(guo)傳(chuan)統(tong)的(de)單(dan)一(yi)礦(kuang)種(zhong)采(cai)用(yong)固(gu)定(ding)邊(bian)際(ji)品(pin)位(wei)進(jin)行(xing)礦(kuang)體(ti)圈(quan)定(ding)
，無(wu)法(fa)根(gen)據(ju)市(shi)場(chang)變(bian)化(hua)對(dui)采(cai)礦(kuang)生(sheng)產(chan)進(jin)行(xing)動(dong)態(tai)調(tiao)整(zheng)，造(zao)成(cheng)大(da)量(liang)具(ju)有(you)經(jing)濟(ji)價(jia)值(zhi)的(de)低(di)品(pin)位(wei)伴(ban)生(sheng)資(zi)源(yuan)的(de)流(liu)失(shi)。如(ru)何(he)在(zai)品(pin)位(wei)-成本-價格約束下實現多礦種邊際品位優化是提高多礦種綜合利用率亟待解決的技術難題。

　　（4）傳統的露天礦運輸裝備及運輸工藝已不能滿足當前露天礦向智能化發展的實際需求，以綠色、安全
、環保的新能源純電動卡車為對象，礦區環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-卸智能控製技術完全空白，與之適應的金屬露天礦多工序多目標集群智能生產管控技術和係統等缺乏。

　　圍wei繞rao以yi上shang難nan點dian問wen題ti，在zai國guo家jia科ke技ji重zhong大da專zhuan項xiang等deng項xiang目mu支zhi持chi下xia
，通tong過guo產chan學xue研yan用yong多duo家jia單dan位wei聯lian合he
，充chong分fen發fa揮hui產chan學xue研yan校xiao企qi聯lian合he攻gong關guan優you勢shi，東dong北bei大da學xue和he西xi安an建jian築zhu科ke技ji大da學xue為wei礦kuang山shan企qi業ye聯lian合he提ti供gong技ji術shu及ji理li論lun支zhi撐cheng，洛luo鉬mu集ji團tuan、本鋼集團、河鋼集團、成遠礦業公司等為高校提供大、中
、小型各類露天礦33個作為工程應用基地。

　　本項目屬於采礦工程學科，金屬礦露天開采領域，重點解決我國金屬露天礦綠色低碳開采優化設計、低品位資源高效利用及無人智能開采的重大技術難題。項目曆經15年攻關，創立了集露天礦整體設計與生產係列優化算法、生態低碳化礦山優化設計技術

、低品位資源綜合利用和無人采礦裝備及智能生產管控技術為一體的露天礦低碳生態化設計及無人智能開采技術體係。主要內容如下：

　　（1）率先提出了露天礦整體設計與生產係列優化算法。首次提出露天礦的“最終境界、生產能力
、開采計劃
、開采壽命及開采設備配置”五大要素整體優化體係

，打破了傳統露天開采設計中先優化最終境界—後優化開采計劃—最後配置開采設備的分步優化方式，成功解決了五大要素的整體優化難題。應用後，礦山炸藥單耗平均節省4%以上
，破碎成本節約5%以上，電鏟效率提高5.4%以上，縮短平均運距1.53公裏以上，降低采剝生產成本10%以上。

　　（2）首(shou)創(chuang)了(le)綠(lv)色(se)低(di)碳(tan)的(de)生(sheng)態(tai)化(hua)礦(kuang)山(shan)優(you)化(hua)設(she)計(ji)技(ji)術(shu)體(ti)係(xi)。首(shou)次(ci)提(ti)出(chu)了(le)生(sheng)態(tai)成(cheng)本(ben)內(nei)生(sheng)化(hua)的(de)礦(kuang)山(shan)優(you)化(hua)設(she)計(ji)理(li)念(nian)
，填(tian)補(bu)了(le)傳(chuan)統(tong)礦(kuang)山(shan)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)不(bu)考(kao)慮(lv)生(sheng)態(tai)環(huan)境(jing)因(yin)素(su)的(de)空(kong)白(bai)，開(kai)展(zhan)了(le)礦(kuang)山(shan)生(sheng)態(tai)衝(chong)擊(ji)與(yu)生(sheng)態(tai)成(cheng)本(ben)量(liang)化(hua)的(de)係(xi)列(lie)研(yan)究(jiu)
，解(jie)決(jue)了(le)生(sheng)態(tai)成(cheng)本(ben)難(nan)以(yi)量(liang)化(hua)的(de)難(nan)題(ti)。應(ying)用(yong)後(hou)降(jiang)低(di)碳(tan)排(pai)放(fang)26%以上，減少土地直接占用和壓損40%以上
，降低生態成本30%以上。

　　（3）創(chuang)新(xin)提(ti)出(chu)了(le)低(di)品(pin)位(wei)伴(ban)生(sheng)資(zi)源(yuan)邊(bian)際(ji)品(pin)位(wei)優(you)化(hua)的(de)方(fang)法(fa)。確(que)立(li)了(le)貧(pin)礦(kuang)與(yu)低(di)品(pin)位(wei)伴(ban)生(sheng)資(zi)源(yuan)一(yi)體(ti)化(hua)開(kai)采(cai)全(quan)新(xin)的(de)工(gong)業(ye)指(zhi)標(biao)體(ti)係(xi)，研(yan)發(fa)了(le)多(duo)礦(kuang)種(zhong)邊(bian)際(ji)品(pin)位(wei)優(you)化(hua)技(ji)術(shu)和(he)多(duo)階(jie)段(duan)隨(sui)機(ji)規(gui)劃(hua)邊(bian)際(ji)優(you)化(hua)技(ji)術(shu)。應(ying)用(yong)後(hou)

，僅(jin)三(san)道(dao)莊(zhuang)礦(kuang)就(jiu)增(zeng)加(jia)可(ke)采(cai)資(zi)源(yuan)儲(chu)量(liang)2.4億噸，礦產資源綜合回采率達98.2%。

　　（4）首次研發了基於5G的露天礦無人采礦及智能管控集成技術體係。依據整體設計—生態優化—智(zhi)能(neng)生(sheng)產(chan)的(de)總(zong)體(ti)思(si)路(lu)
，研(yan)發(fa)了(le)露(lu)天(tian)礦(kuang)區(qu)道(dao)路(lu)條(tiao)件(jian)下(xia)新(xin)能(neng)源(yuan)純(chun)電(dian)動(dong)礦(kuang)用(yong)無(wu)人(ren)駕(jia)駛(shi)和(he)智(zhi)能(neng)調(tiao)度(du)技(ji)術(shu)，攻(gong)克(ke)了(le)無(wu)人(ren)礦(kuang)卡(ka)集(ji)群(qun)編(bian)隊(dui)智(zhi)能(neng)調(tiao)度(du)的(de)難(nan)題(ti)。應(ying)用(yong)後(hou)
，累(lei)計(ji)減(jian)少(shao)低(di)品(pin)位(wei)資(zi)源(yuan)的(de)排(pai)放(fang)1.5億噸，運輸效率提升15%以上，綜合運輸成本降低約50%以上。

　　（1）建立的礦山生態衝擊量化模型和生態成本計算模型，跨行業並被應用到廢車
、廢鉛回收行業的生態占用評估。

　　（2）“低品位伴生資源綜合利用技術”入選“自然資源部礦產資源節約與綜合利用先進適用技術推廣目錄”。

　　（3）應用該項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範工程。

　　（4）“一種基於ACA-BP算法的挖掘機液壓係統的故障診斷方法”實現發明專利成果轉化300.18萬元；“基於穀歌地圖的無人駕駛監控係統[簡稱:基於穀歌地圖的無人駕駛係統]V1.0”實現軟件著作權轉化408.018萬元；“露天礦數字化采礦生產管理集成係統V1.0”實現軟件著作權轉化102.3萬元
；“一種露天礦山車輛智能調度終斷”實現實驗新型專利成果轉化209.822萬元。

　　（5）項目主要完成人先後應澳大利亞采礦和冶金學會
、世界采礦大會國際組委會以及國際礦業教授學會等邀請參加國內外礦業類學術會議
，研究成果先後做大會特邀/主題報告33次，在國內外引起巨大反響。

　　（6）智能調度管控平台先後在水電八局
、馬鋼集團等28家礦山企業推廣應用。

　　（7）礦山生態衝擊量化和生態成本計算編寫到《中國大百科全書》。

　　（8）礦山生態化優化設計方法編寫到《采礦手冊》。

　　（9）基於建立的低碳生態化開采理論
，與新疆大學

、北京礦冶科技集團有限公司聯合申報並獲批國家聯合基金“新疆大型露天礦綠色安全高效開采技術”，解決新疆大批大型露天礦生態化開采關鍵技術問題。

　　（10）整體優化理論與方法編寫到本科生教材《采礦學》（第3版）《金屬礦床露天開采》。

　　（11）基於研發的露天礦優化軟件係統
，完成國家虛擬仿真實驗建設《露天礦開采虛擬仿真實驗》，上線國家實驗空間平台

，使用人數超過11萬，獲批“國家級虛擬仿真實驗教學”一流課程。

　　（1）解決了露天礦多要素單獨優化難以得到全局最優解問題，降低采剝生產成本10%以上
，使礦山整體經濟效益提高20%以上。

　　（2）實現了開采方案動態優化，應用於國內8個礦山，改善了礦岩爆破質量，鏟運設備作業效率提高了5.4%以上，平均減少了廢石運輸距離1.53公裏以上，實現內排量1.02億噸。

　　（3）解決了沒有最終境界無法計算生態成本，而生態成本又反過來影響最終境界的矛盾
，減少土地損毀麵積40%以上。

　　（4）實現了露天礦生態低碳整體方案優化設計
，使碳排放降低26%以上。

　　（5）大大降低了資源開采所產生的生態衝擊
，降低土地損毀和能耗排放的生態成本30%以上。

　　（6）解決了礦用電動無人駕駛動力不足
、短程運輸效率低等難題，大幅提高了短距離裝卸效率，應用後車輛運輸效率提升22%，大大減少了司機等勞動力成本，綜合運輸成本降低約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，減少剝離岩石1.45億噸，減少排土場占用麵積0.68億m3，通過爆破優化嚴格控製了爆破引起的礦岩混合率，多礦種品位波動率由原來的8.35%降低到3.62%。

　　（8）實現了多台無人駕駛車輛自主集群智能調度
，設備綜合利用率大幅提升，運輸效率提升22%。

　　研究成果授權發明專利8項，實用新型專利9項

，軟件著作權59項，製定行業標準2項
，開發國家級露天開采虛擬仿真實驗平台1個，發表論文191篇

，出版學術著作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用，近三年實現新增銷售額58.20億元
，新增利潤25.89億元。