浅议：石材矿山机械业未来的发展趋势
摘要：矿山机械的技术水平与装备能力，是衡量一个国家工业实力的重要标志。本文简要介绍了矿山机械的分类和在国民经济建设中作用，提出面向经济建设的市场驱动、计算机技术和信息技术等多学科综合集成的支持以及人类与自然的和谐发展是矿山机械制造业发展的动力，论述了矿山机械的发展趋势是数字化、智能化、生态化和宜人化。
1、引言
矿山机械主要面向能源、交通和原材料基础工业部门服务，主要任务是为煤炭、钢铁、有色金属、化工、建材和核工业等部门的矿山开采和原材料的深加工，以及为铁路、公路、水电等大型工程的施工 先进、高效的技术装备。矿山机械是机械工业中一个品种繁多、设备结构复杂、需求量大、使用面广的机械行业。矿山机械按其用途大致可分为采掘设备、提升设备、窄轨运输设备、破碎粉磨设备、矿用筛分设备、洗选设备和焙烧设备等7大类，30小类，700多个品种和数千种规格。
矿山机械在经济建设、科技进步和社会发展中占有十分重要的地位和作用，属于国民经济的支柱行业。矿山机械制造业是国家建立独立工业体系的基础，也是衡量一个国家工业实力的重要标志。根据国家重点支持能源、交通和原材料等基础工业发展的产业政策，矿山机械作为这些基础工业的支柱应优先得到国家的重点支持，以得到进一步发展和提高，为煤炭、金属和非金属矿山的开发 更多的具有国际先进水平的优质、高效设备，满足国民经济发展对能源和原材料的需要。
改革开放30年来，我国矿山机械制造业经历了引进消化吸收国外先进技术、合作设计和合制造、自主设计的发展道路，特别是在实施《国务院关于加快振兴装备制造业若干意见》的推动下，矿山机械制造业基本实现了两大转变，一是产品开发由仿制型向自主创新型转变；二是经济运行由粗放型向效益型转变。2000年以来，在国内基础工业和基础建设大发展的拉动下，矿山机械产品市场需求旺盛，工业总产值和销售额年增长速度稳定在32%~40%。市场需求在带动矿山机械制造业经济增长的同时，更促进了整个行业的技术进步，涌现了一批具有自主知识产权的重大新产品，如北方重工研制了∮11m水泥平衡盾构和9.8km大型平面转弯带式输送机，中信重工研制了8.8×4.8半自磨机和6.2×9.5m溢流型球磨机，并与2008年中标澳大利亚SINO铁矿6组12台世界最大的12.2×10.9m半自磨机和7.9×13.6溢流型球磨机，太原重型机械集团研制了35m3和55m3大型矿用挖掘机和1800kW~2040kW大功率厚煤矿层采煤机，上海建设路桥研制了6m电液控制液压支架等。上述重大新产品的成功研制，为国民经济建设做出了积极贡献，同时缩小了与先进国家的差距，提升了参与国际竞争的能力，我国矿山机械行业在国际矿山工程建设中正在发挥越来越大的作用。
矿山机械的发展一人类的技术进步、现代科学技术和整体工业水平息息相关，特别是与机械工程科学和采矿学科的发展紧密相连。现代科学技术前沿具有明显的时域、领域和动态特性。信息科学、材料科学、生命科学、纳米科学、管理科学和制造科学是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界。不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚焦，经济的发展和社会的进步对矿山机械产生新的要求和期望。机械工程科学发展的总趋势将是数字化、智能化、精密化、微型化、生命化和生态化。矿山机械作为机械工程学科的一个分支，也遵循这个发展的总趋势。同时，结合矿山行业的特点，其发展趋向是数字化、智能化、生态化和宜人化。矿山机械制造业应不断融入人类在各领域的优秀成果，面向国家经济建设重大需求，以科学发展观为指导，实现可持续发展。
2、矿山机械发展的动务机制
2.1市场竞争驱动
我国矿山机械的整体水平与国际先进水平相比尚有差距。在迈向矿山机械制造强国的征途中，机遇和挑战并存。产品设计是制造业的灵魂，产品的结构、功能、质量、成本、交货时间及可制造性、可维修性、报废后处理以及人、机和环境关系等，原则上都是在产品设计阶段决定的。产品的创新设计能力已成为决定企业在全球化竞争中地位的首要因素。
矿山机械是技术含量和集成化很高的装备，新设备的开发中不断将人类在各领域成果融合进来，随着材料科学、制造工艺、信息技术、计算机技术的进步，每一轮产品都有新的技术注入，零部件的更新周期越来越短、新设备换代越来越快，尤其是大型矿山机械的开发，无成熟的经验可借鉴，而又不允许设计中出现任何失误，因此必须借助多学科技术的融合，提高设计效率和设计质量，提升企业自主创新能力和市场竞争力。矿山机械和计算机技术、网络技术综合的基础上形成了数字化发展趋势。
2.2经济建设的需要
随着社会进步和国民经济的发展，人类对资源和能源的需求量越来越大，而我国是一个资源相对贫乏的国家。随着资源的开发，开采深度逐渐增加，由陆地向海洋延伸，资源开采条件日益恶化，安全开采的形势日趋严重；我国的煤炭开采深度已达到1000m，金属矿的浓度达到1380m，矿床开采深度增加，地下水、瓦斯、高地应力、地质构造使资源开采难度大大增加。
自动化无人工作面开采是井下或危险环境采矿的发展方向，也是保障工作面安全开采的有效途径。综合运用采矿学、自动化技术、通讯技术、计算机科学与技术等，进行自动化无人工作面开采的基础理论研究和开发新技术、新装备，使矿山机械将向着机器人化和智能化方向发展。
海底蕴藏着多种战略性金属矿产资源，实现海洋矿产资源的高效安全开采，为保障国家的海洋权益和国民经济发展 技术支持，社会可持续发展 保障。实现海底采矿，需要开发深海缆控无人潜器、无人无缆自制深潜器等智能化采矿机械装备。
2.3面向自然环境和谐发展的需要
我国“十一五”规划纲要中指出，要建设资源节约型、环境友好型社会，重点发展循环经济，坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化原则，在资源开采、生产消耗、废物产生、消费等环节，逐步建立全社会的资源循环利用体系；要节约能源、节约用水、节约土地、节约材料、加强资源综合利用强化促进节约等政策。机械制造业要从单纯追求规模与效益的模式转向建设4R（Reduce:减量化，Reuse:再利，Recycle:再循环，Remanufacture：再制造）的循环经济方向。
面向自然环境实现和谐发展，要求矿山机械“生态化”，借助各种先进技术对制造模式、制造资源、制造工艺制造组织进行不断创新，使产品在整个生命周期内不产生环境污染或环境污染最小化，资源利用率最高，能源消耗最低，最终实现企业经济效益与社会效益的协调化。高效、零污染的燃料电池矿山机械具有很好的发展前景。
地热作为绿色的、可再生的资源，被世界各国确定为维系社会可持续发展的新能源，在地热资源丰富的发达国家已得到较好的利用，开发地壳热能资源和对固体废物资源化处理为矿山机械拓展了服务领域。
矿山机械在计算机技术、网络技术等多学科综合集成的支持下，面向经济建设，在市场需求的驱动下，在人类与自然界的和谐发展中，矿山机械已经向着数字化、智能化、生态化和宜人化方向发展。
3、机械发展方面
3.1数字化
3.1.1矿山机械产品开发数字化
目前矿山机械产品的开发呈现数字化、并行化、集成化和知识化的趋势。其中数字已成为实现快速创新开发的核心技术。产品开发数字化的基本构思是利用数字对产品开发过程中的各种信息，包括图形、数据、知识、技能等，进行定量表达、存储、处和控制，从而实现以快速市场响应和创新开发为目标的全局优化运算。除传统的CAD/CAE/CAPP/CAM等计算机辅助设计与制造技术外，支持快速产品开发的数字化技术还包括数字建模与仿真、数字样机与虚拟制造、基于知识的设计技术和设计仓库、基于网络的产品协同设计等。
产品开发数字化的一个重要特征是产品开发和产品性能的可预测性。制造过程数字仿真的目的是借助于建筑在物理学和数学基础上的计算模型、计算机预演等手段，揭示制造工艺过程的本质，获得知识及进行制造工艺装备的自主设计，实现对产品制造、装配乃至产品整个生命周期过程的预测和优化控制能力。主要内容包括：1）设计过程仿真，包括外形仿真、装配仿真、运动学仿真、动力学仿真和多学科集成仿真等；2）加工过程仿真，包括切削过程仿真、焊接过程仿真、冲压过程仿真和铸造过程仿真等；3）生产过程仿真，通过建立制造系统的静态模型和动态模型，精确预测技术可行性、加工成本、工艺质量和生产周期。
3.1.2企业协作数字化
以因特网为代表的网络技术，使设计制造各个环节的信息与知识在数字化描述的基础上得到流通与集成，从而使异地的、不同企业的资源可以共享，使企业组织的组元化、分布化和扁平化成为可能，为用户介入生产、供应链与制造企业共同保证产品供货期和质量 了条件。大型矿山机械设备具有技术含量高、投资额大、批量少、工作环境恶劣及研制试验周期长等特点，其开发适合采用全球分布式网络化协作模式，能够快速响应市场需求，实现资源的全球最优配置，通过虚拟价值链，快速满足顾客价值最大化的根本需求。未来矿山机械制造系统不再是单个企业与长期合作的有限供应商的稳态组合，而是无国界的、多企业的、短期的最优的动态系统。
3.1.3矿山数字化
近年来，地理信息系统在许多矿山得到迅速发展，它将地质勘探数据、测量数据、地质矿床模型、全矿巷道分布、地面各种建筑设计和总图布置综合在一起，以三维立体形式表现矿山内矿床、巷道和建筑间的相互关系，一目了然地表面矿山的空间组成和结构，构成了“数字化矿山”的基础。海量数据的存贮技术、数据挖掘技术、多维可视化与虚拟现实技术以及光纤维通信技术和宽带计算机网络技术，各种新型采掘设备、选冶设备及相关控制管理系统为数字矿山建设 了强大的技术支持。数字化矿山的功能包括：1）生产管理。各种数据的采集、生成，实现了物流、资金流、人员流等实时动态查询，方便了管理层的科学决策；结合全球定位系统，实现车辆的调度、设备作业定位导向、地面的工程测量等。2）生产监测控制管理包括产品质量实时监控，电铲有效载荷称量、铲斗装载精确定位检测；设备的运行状况诊断；能源消耗的分析；露天边坡体形变、滑塌位移监测和排土场灾害防治和控制等。
露天矿运输作业成本约占总成本60%，大型露天矿中电铲和汽车调度是矿山管理的重要内容，通过GPS卫星定位和多频道无线电通信，实现车-铲-调度室之间的信息传递。在软件上采用线性规划加动态规划的自动调度模式。首先在每班作业前用线性规划做出总体安排，然后随作业的进展在线及时地用动态规划予以修正，美国Modular公司着名的DISPATCH软件就是典型的示例，提高矿山企业的生产效率。
数字化给矿山描绘了新的远景，挖掘整合企业的信息资源，实现露天采矿工业流程的再造，完成矿床地质环境建模、生产计划制定执行、生产调度、产品质量监控、设备状况诊断、人员调配、物流、资金流以及工程灾害预警、局域环境监测、特殊工况条件下专家评估决策等子系统的构建、融合，使整个企业成为一个完整、流畅的管理系统，
3.2智能化
3.2.1地下矿产资源自动化开采
信息技术的进步，推动无人采矿技术从现行的、以传统采矿工艺自动化为核心的自动采矿或遥控采矿，向以先进传感器及检测监控系统、智能采矿设备、高速数字通信网络、新型采矿工艺过程等集成化为主要技术特征的“无人矿山”发展。
煤矿开采实现综采工作面液压支架操作自动化。该技术将液压支架的降架、升架、推移首部输送机、拉后部输送机、收伸侧护板、喷雾洒水及放顶煤等动作由原来的手工操作改为电液自动控制、程序化操作，可以有效地减少工作面工人数量，最终实现井下无人开采自动化工作面。目前，液压支架电液控制技术已经成熟。美国、澳大利亚和德国的液压支架普遍使用了电液控制系统。自20世纪80年代中后期开始，加拿大Noranda技术中心为金属矿床地下开采研制了多种自动化设备，包括LHD铲运机和卡车的光学导航系统、遥控辅助装载系统、自动行走系统等。这些技术及系统在推广应用中取得了理想效果。Noranda的自动采矿技术及系统可以在不同的采矿条件下独立运用，也可以用于中央集群多车遥控系统，较好地适应了多个矿山开采、不同生产规模和复杂矿体条件的实际需要。
地下自动采矿需要研究与开发相应的先进传感技术及检测监控技术、开发智能化操作软件，通信系统向国际标准现场总线靠拢等。井下环境要素如温度、湿度、空气组分、采场地压、巷道围岩变形等变量的检测监控技术、矿炭爆堆的块度及其分布、有用矿物品位及其分布等参数的实时分析技术、基于井下环境，空间距离识别、定位及导航技术，诸如埋线导航系统、无源光导系统、有源光导系统、墙壁跟踪系统、惯性导航技术及装备，使智能采矿设备具有视觉、力觉、感觉等功能，能感知环境变化，做出反应，具有自适应能力。
3.2.2海底矿产资源开采遥控及无人操纵
占地球表面71%的海洋洋底蕴藏着极其丰富的矿产资源，主要包括镍、钴、锰、金、银、铝等矿产资源。深海资源开采技术是指将深海底赋存的多金属结核、钴结核、多金属硫化矿从海底采集并输送到水面的相关技术。目前只有多金属结核的开采技术已基本形成了具有商业开采应用前景的技术原型，主要内容包括海底电视系统、声呐系统、传感器与数据传输系统、不同赋存状态海底矿产资源的采集方法和机构、极稀软底和极复杂地形海底作业装备的行走与控制技术、海洋风、浪、流作用下矿物结核长距离管道输送技术、海洋采矿装备的升降补偿技术和整体系统联动控制技术等。
海底资源开采机械能够远距离操纵和无人驾驶，人在机器工作环境以外，通过人眼直接观察或借助摄相机观察机器人工作远距离遥控操作者本身在控制室内遥控操纵，系统应具有临场感效果，让操作者身临共境地进行操作，除要求从机器反馈回声音信号外，还要求在操作上有图形显示能力，将在机器上采集的有关机器完好情况和工作性能的信息传输到操作员工作站。在采矿机器人利用多种传感器的信息，动态实时地感和作业环境，并自主作业方面，有很多问题还有待研究。
3.2.3机械结构健康自检测及健康自诊断
传统的机械结构没有生命、没有智能，不能感知外界作用和内部损伤，不能做出适当响应保护自己使结构处于最佳状态，因此外部载荷及环境的变化，以及自然及人为因素的影响，将会使结构性能下降乃至破坏，使人民生命财产受到严重威胁。为了保障结构的安全，设计者往往采用保守设计，增大结构尺寸与质量，从而增加消耗，降低结构的有效载荷，增加人力、财力和资源的消耗。随着信息工作与材料科学技术的发展，科学家和工程师们从生物体进化的学习与思考中受到启示，提出了力图从根本上解决工程结构在全生命周期内的安全，全面提高结构性能的新思路，引入智能结构和系统的概念。智能结构以生物界的方式感知结构的状态和外部环境，并及时做出判断、响应和自适应。
矿山机械的结构健康直接影响矿山安全生产和矿工生命安全，矿山机械结构自检测及自诊断系统采用集成传感器、控制器及执行器为一体的智能结构，赋予结构健康自诊断、环境自适应，以及损伤自修复等某些智能功能与生命特征，达到增强结构安全，减轻质量，降低能耗，提高性能的目的，是未来重大矿山机械产品在线监测的方向。
3.3生态化
3.3.1矿山机械绿色设计
矿山机械是消耗资源的大户、污染的源头。面对日趋严峻的资源和环境约束，紧密围绕4R的产品全生命周期设计和管理是降低能耗、污染，实现可持续发展战略的重要手段。具体措施为：（1）采用长寿命、低能耗及减轻重量的设计原则。延长产品寿命，可减少机械的生产量和降低其报废量；降低产品能耗，可减少对环境的污染；而轻量化和高效率可减少材料和资源的消耗。（2）尽量采用低环境负荷材料，尽可能不使用氟利昂（空调）、含氯橡胶、树脂及石棉等有害材料。使废弃零、部件处理的污染最小化及综合成本最优化，矿山机械产品在设计初始阶段就要考虑报废件处理简单、费用低和污染小，零、部件要解体方便、破碎容易，能焚烧处理或可作为燃料回收等问题；（3）采用能再生利用的材料和资源，特别是结构件的设计应尽可能采用比较容易装配和分解的大模块化结构和无毒材料，提高机械材料的再生率；（4）降低整机的振动与噪声，减轻对周围环境的污染。
3.3.2燃料电池矿山机械
燃料电池是一种将蓄藏在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。由含催化剂的阳极、阴极和导电的电解质组成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阳极还原。电子从阳极通过外部负载流向阴极，构成电路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与普通电池的不同在于，它工作时需要不断地向电池内输入燃料和氧化剂，通过化学反应而生成水，并释放出能。只要保持燃料供应，燃料电池就会不断工作，不断向负载供电。
燃料电池具有高效、清洁、运行安静、能量密度高的优点。美国和加拿大的一些采矿公司近年来开展了将燃料电池用于地下采矿车辆的研究。Wagner公司与加拿大INCO公司把EST-6电动地下装载机改成燃料电池地下装载机的试验。Caterpillar公司将R1300型柴油地下装载机改造成氢燃料电池-电池混合动力装载机，装机功率减少近一半，短时最大输出功率高于传统载机，实现节能和零污染。
3.3.3地热资源开采技术及装备
据科学家估计，全世界地壳10km以内的高温岩体地热资源量是全世界化石能源的100~1000倍，与太阳能、风能相比，高温岩体地热能更为集中，便于开发和利用。地热资源，尤其是高温岩体地热资源的开发在发达国家得到了迅速的发展。美国洛斯拉莫斯国家实验室最早提出了具有商业价值的高温岩体地热开发计划，并于1984年在墨西哥州的FentonHill休眠火山建成了成了世界上第一座高温岩体地热发电站（装机容量10MW）。随后，日本、英国和法国都进行了工业性试验研究，到1996年，日本地热发电装机容量达50万kW,美国超过200kW。美国、日本和英国等国家对高温岩体地热开发系统与循环井运行规律、环境评价、出力一寿命等多方面进行了研究，保障高温岩体地热开发系统的正常高效运行。
中国有极丰富的高温岩体地热资源，西南部受印度洋板块的挤压作用，东南部受菲律宾板块的挤压作用，东部受太平洋板块的挤压作用，地质活动强烈，有优越的开发条件。高温岩体地热开发需要高效率的破岩装备、钻井温度、压力和流量的实时测试技术与装备、高温岩体地热开采成套技术与装备等。具有自主知识产权的高温岩体地热开采成套技术与装备将为矿山机械行业 新的发展空间。
3.4固体废弃物处理装备
未来30年全球在信息技术、环境、能源、制造业等领域将出现“十大新兴技术”，“固体废弃物处理技术”被列在第二位。国家科技部强调，固体废弃物的处理要无害化、减量化、资源化。
（1）矿渣处理装备。矿渣是高炉炼铁、炼钢过程中生产的必然产物，如每炼1吨钢约产生12%~14%的钢渣，目前钢渣利用率约10%。大部分的钢渣堆弃造成金属和钢渣资源的浪费，污染环境，破坏生态景观，占用土地，不符合循环经济和可持续发展的基本国策。国家“十一五”计划下达了冶炼渣综合利用率达到86%的指标，使得钢铁企业目前面临钢渣“零排放”的紧迫任务。钢渣的破碎和粉磨需要带有液压保护的颚式破碎机和辊磨机，钢渣破碎后可以实现钢渣中金属全部回收；使用钢渣代替石灰石焙烧水泥熟料，实现钢渣的资源化利用等。金刚渣的破碎和粉磨装备的发展有着较好的发展前景，将直接推动矿渣资源的回收再利用。
（2）废钢处理装备。废钢铁为钢铁生产中唯一能替代铁矿石的原料，最大限度地开发应用废钢铁资源是钢铁工业实现节能减排、清洁生产、循环经济、缓解铁矿石资源危机的重要途径。我国目前废钢循环利用率为19.9%，远低于世界平均水平的48.3%。国外废钢处理产业发展的趋势是以废钢破碎分选处理为龙头，利用环保、机电一体化等高新技术，研究并开发新型废钢铁综合处理技术，形成新的环保高科技产业及新的经济增长点。通常，废钢处理需要破碎钢片入炉，再改善回收钢品质。废钢破碎机主要有两种，即碎屑机和破碎机。破碎机有锤击式、轧辊式和刀刃式几种。废钢处理是目前国家重点解决和大力支持的节能减排项目，因此，废钢破碎机具有较好的应用发展前景。
3.4宜人化
矿山机械在产品设计中贯彻“以人为本”的原则，考虑人、机和环境的协调，采取必要的技术措施进行安全性设计，改善作业环境，降低振动与噪声，提高操纵者舒适性。
3.4.1安全性
矿山机械的安全性是矿山安全生产与工作人员生命安全的保证。矿山机械的安全特性应从两方面进行描述，一是矿山机械的安全功能，另一是相应安全功能的可靠性。不论是在含煤尘和易燃、易爆气体的煤矿井下或井口，还是在各种金属、非金属矿山，只有矿山机械具有齐全的安全功能与较高的安全可靠性，才能确保矿山生产正常进行，避免安全事故的发生。各种矿山机械的安全功能因工作环境不同而不尽相同，就煤矿井下使用的提升机而言，其安全功能主要有防爆、超速及过卷保护、过载过压保护、防坠保护等。矿山车辆安装防倾翻防落物保持结构，并具工作状态监测和计算机控制的安全功能，避免误操作。
3.4.2舒适性
运用人机工程学设计原理，改善司机的工作环境，注重驾驶员与操作界面的协调，缓解疲劳，提高作业效率。采用省力便捷的电子化控制技术，只需通过很少量的手臂的动作就可以精确地操纵负载，用手指尖就可以操作所有重要的操作部件，减轻了司机的负担。驾驶室采用隔热、隔音全封闭结构，座椅采用可调节的油气悬架系统，引入电子监控仪表盘，声光信号报警等人性化的设计理念，为操纵人员创造安全舒适的作业环境。
3.4.3外观造型
注重矿山机械外观美学和机体本身的流线型设计，达到机械与环境的和谐，给人以视觉上的美感。矿山机械的造型不是单纯的能上能外观形式，而是功能、材料、结构、人机关系以及生产工艺等因素的综合表现。在进行造型设计时，一方面需要运用艺术手段和美学法则，使得采用了现代技术的产品具有符合人们审美要求的造型美感；另一方面为了有效的发挥产品的功能，产品的结构和形态又必须更加合理化。
21世纪的中国已经成为矿山机械制造大国而让世人瞩目，然而我们并不是矿山机械制造强国，我国制造的有自主知识产权的矿山机械高端产品至今并不多。通过自主创新，发展数字化、智能化、生态化与宜人化矿山机械，实现重大装备，高端成套，为我国的经济建设和社会发展做出更大贡献。
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