数字矿山整体实施方案及其关键技术

王李管1,2,曾庆田1,贾明涛1

(1.中南大学资源与安全工程学院,　湖南长沙　410083;

2.长沙迪迈信息科技有限公司,　湖南长沙　410083)

摘　要:从国内数字矿山建设的现状出发,对数字矿山的基本特征进行了全面阐述,提出了国内数字矿山建设的基本目标和主要内容。在此基础上,详细介绍了资源与开采环境可视化建模与评价技术、矿山综合通讯技术、人员设备定位与生产过程控制技术、矿山开采环境与安全监控技术等数字矿山建设的关键技术。

关键词:数字矿山;矿山综合通讯;生产调度;虚拟现实

0　前　言

随着信息技术的飞速发展,国外矿业发达国家认识到,在依靠提高机械化水平来提高矿山的生产能力、效率和安全性的同时,必须利用信息技术改造传统矿山的生产和管理模式。为此,许多国家已制定了矿山信息化长远发展规划。加拿大从20世纪90年代初开始研究遥控采矿技术,目标是实现整个采矿过程的遥控操作,实现了从地面对地下矿山进行控制。加拿大已制订出一项拟在2050年实现的远景规划,即将加拿大北部边远地区的一个矿山改造为无人矿井,通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿。芬兰、瑞典等国家采矿业也实施了自己的智能采矿长期规划,内容涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等多方面。由于新技术的广泛应用与推广,国外矿山企业的信息化已经与其它行业站在了同一水平,实现了矿山生产过程的可视、可控、可调和高效率、高安全性与决策的科学化。

从1980年代中期起,计算机在我国矿山得到应用,经过学术界与工业界近20年的努力,取得了一定的进展,如报表、财务、绘图等已在计算机上完成;一些矿业公司和矿山企业建成了局域网;不同规模的管理信息系统的应用较普遍,并开始向更高层次升级。然而,从发挥的效用看,信息技术在我国矿山企业的应用十分有限,概括起来有以下主要特点。

(1)应用的广度和深度处于初级阶段。信息技术的应用主要停留在以企业财务、生产台帐、综合统计、报表生成为主的管理系统方面。在矿体圈定、矿量计算及生产计划等与矿山生产直接相关的领域,计算机主要用于模仿手工作业过程。

(2)缺乏系统的整体规划、功能单一、重复建设现象严重、信息资源共享难以实现。

(3)管理模式与信息技术的要求不相适应,应用所带来的效益甚微。从总体上讲,在资源管理数字化、技术装备智能化、过程控制自动化、生产调度可视化及生产管理科学化等方面,我国与发达国家相比还有相当大的差距,目前仍处于数字矿山建设的起步阶段。

1　矿山企业的基本特征

研究数字矿山的建设,必须首先掌握矿山企业的基本特征,进而才能提出数字矿山建设的总体解决方案。矿山企业一般具有以下特征。

(1)矿山是以自然资源开发利用为对象的生产企业。赋存于地壳浅层中的矿产资源,不仅其所赋存的地质环境非常复杂,而且其空间位置、形态、元素品位分布等均极富变化。由于资源分布的复杂性、不确定性,以及勘探工程控制程度的局限性,人们对资源的认识程度总是会随着开采的不断进行而逐渐深入。同时,随着市场价格和开采技术条件的变化,矿体的边界和形态也会随之变化,并需要及时变更和修正。

(2)与典型加工企业的工艺流程相比,矿山企业的生产工艺具有离散(即工艺不连续)和分散(即作业场所多)的特点,只有各工序之间协调运行,才能确保矿山安全、高效生产。由于工作场地多、工序

I SS N1671-2900 CN43-1347/T D 　　　　　　　　　　　　　　采矿技术　第6卷　第3期

M ining Technol ogy,Vol.6,No.3

　　　　　　　　　　　　　2006年9月

Sep.2006复杂,矿山生产要素具有动态特征,即除了少部分人员设备工作位置固定以外,大多数人员和设备的位置在生产过程中需不断变更。

(3)矿山生产环境恶劣、作业空间狭小。对地下矿山而言,由于通道狭长、电磁屏蔽性强、噪音大,正常通讯难以实现,导致生产过程控制十分困难。

(4)在矿山企业中,不仅生产系统内部存在大量的多源、异质信息流动,而且系统内部与外部环境之间也存在着信息的交换和流动。与其它工业企业相比,矿山企业的信息化、智能化、可视化、可控化工作更难实现。

矿山企业的这些特征,使其决策、设计、生产计划、生产调度与过程控制、安全生产等各个方面均非常复杂。因此,数字矿山的建设必须从系统的角度出发,以企业的信息流为主线,以对生产要素和生产过程控制为目标,最终实现矿山企业效益最大化。2　数字矿山基本特征

2.1　概　述

数字矿山建设涵盖了矿山企业生产经营过程中,全面实现信息化、可视化、智能化、自动化和决策与管理科学化的全部内容(见图1)。由于矿山企业普遍具有生产对象(资源)的不确定性、生产过程的动态性,以及生产环境比较恶劣,因此,数字矿山既不是GI S概念的简单延伸,也不是一般加工企业ERP概念的简单复制,而是一个包含两者特征的崭新的概念。数字矿山概念的核心是指采用现代信息技术,数据库技术、传感器网络技术和过程智能化控制技术,在矿山企业生产活动的三维尺度范围内,对矿山生产、经营与管理的各个环节与生产要素,实现网络化、数字化、模型化、可视化、集成化和科学化管理,使矿山企业生产呈现安全、高效、低耗的局面

。

图1　数字矿山企业总体功能结构

2.2　数字矿山建设目标数字矿山的建设是一个庞大的复杂系统工程,

494采矿技术　　2006,6(3)　其长期目标是:针对矿山资源与开采环境以及生产过程控制的全过程,采用先进的数字信息技术,结合大型的智能化机械装备来代替传统的人工或机械操作,对矿山生产和管理进行控制,实现资源与开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化。

结合当今世界科技的发展水平及我国矿山现阶段的技术装备与管理水平,我国数字矿山的建设还要经历一个漫长的过程。因此,总体规划、分步实施是我国数字矿山建设的必经之路。目前,我国数字矿山建设的具体目标是:

(1)采用成熟的计算机软件系统,实现矿山资源、开采方案优化,设计、生产计划与开采环境的数字化、模型化与可视化。

(2)建立以光纤、泄漏电缆或无线通讯为主体的多媒体通讯网络,形成语音、视频与数据同网传输的网络体系,实现矿山数据的分布式共享。

(3)采用先进传感器网络技术,实现矿山生产过程、设备、安全与开采环境监控等数据的自动采集、智能分析与可视化处理。

(4)采用工业以太网、P LC智能控制及视频监视系统,实现对矿井提升、运输、通风、排水等系统及设备的智能化集中监控。

(5)采用先进的生产管理与控制系统,实现矿山生产人员与移动设备的定位和跟踪,以及生产过程智能化调度与控制,全面提升矿山的生产管理与决策的科学性。

数字矿山的最终表现为矿山的高度信息化、自动化、智能化与高效安全开采、直至无人采矿和遥控采矿模式。

2.3　数字矿山建设的技术基础

数字矿山建设是一个典型的多学科技术交叉的新领域:具有综合性、复杂性、系统性和前沿性,所涉及的学科技术领域非常广泛。全面运用空间信息理论(3S技术)、数字地质学、现代采矿理论、通讯理论、自动控制理论、监测监控理论、运筹学理论,以计算机模拟仿真、虚拟现实技术和通信技术为基础,并充分发挥遥控技术和自动控制技术,以及网络技术的优势共同形成一套系统的数字矿山建设的基础理论及技术。

2.4　数字矿山建设的基本内容

矿山系统是一个复杂的、动态的、开放的巨型系统,各部分之间互相影响、互相制约。对于这样的系统,只有快速、准确地了解各个系统的运行情况,并使各个子系统配套、一致,再在此基础上予以优化,才能实时、科学地做出决策,发挥数字矿山系统的最大能力和最佳效益。围绕数字矿山建设的具体目标,数字矿山建设的基本内容有:

(1)矿山海量、异质、时空数据库及分析和采矿设计软件系统;

(2)信息综合传输通讯系统;

(3)生产过程控制与调度系统;

(4)生产过程安全监控与预警系统;

(5)生产过程虚拟现实系统;

(6)生产信息及办公自动化管理系统。

3　数字矿山建设关键技术

数字矿山建设是一个复杂的系统工程,从实现上来看它是一个目标、一个方向而不是一项具体的任务和工作,所以数字矿山建设不可能一蹴而就,需要一大批科技工作者和工程技术人员分步骤、有计划的不断努力才能实现。基于数字矿山建设的目标和主要内容,对现代先进技术进行集成创新,完成以下关键技术的攻关和完善,完全能够为不同的矿山企业量身定做出符合企业实际的数字矿山建设总体技术方案。

3.1　资源与开采环境可视化建模与评价技术

资源及开采环境可视化建模与评价主要实现两个方面的目标:一是资源评价,主要采用可视化建模方法和虚拟现实技术完成矿床模型的建立,用以表征矿床有用元素的空间分布情况和对资源状况进行科学合理的评价;二是开采环境评价,通过建模技术全面掌握矿床和岩层分布、岩体质量、构造特征、已有井下工程的分布状态等影响矿床开采的技术条件和关键工程指标。

资源及开采环境可视化模型是数字矿山建设的基础,只有完全掌握了矿床及井下开采环境情况,才能够为数字矿山的建设提供基础平台,数字矿山建设后续的通讯系统、生产调度及人员设备定位、生产过程安全监控与预警系统、生产过程虚拟现实系统都需要以此为基础平台进行设计开发和系统运行。

资源及开采环境可视化建模采用TI N(不规则三角网)技术产生数字地形表面模型和地质体(包括床体、岩层及断层)实体线框模型,同时采用变块技术建立矿床资源评价块段模型。最终采用地质统计学方法对块段模型进行估值,得出既有结构性又

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　王李管,等:　数字矿山整体实施方案及其关键技术

具有随机性的复杂地质体的空间分布及品位和开采环境综合评价技术成果,并在此基础上进行开采方案优化与设计。

目前,实现这一功能的软件主要有两种:一种是地理信息系统专业软件,如MAPGI S 、MGI S 、Geo Map 等;一种是以地质和采矿为主的可视化矿山工程软件,如Data m ine 、Sur pac 、M icr om ine 、M inesight 等。这

两种软件都有各自的优势和不足,地理信息系统软

件技术能够较好的模拟和表现矿床的地质体外部特征,但是在储量空间分布估值和三维可视化采矿设计方面功能不完善;数字矿山工程软件在模型模拟方面不是很突出,但在储量空间分布估值和采矿设计方面提供了强大的工具。图2、图3为三维可视化资源及开采环境建模结果

。

图2　

资源及开采环境评价实体模型

图3　三维可视化采矿设计

3.2　矿山井下/井上综合通讯技术

矿山井下智能化开采的目的是为了实现矿山最

优经济生产,而在条件发生变化时维持最优产值是个连续优化过程,在此过程中必须考虑到各个相关因素。矿山井下实时、动态、海量数据的传输要求必须构建井下信息高速公路。矿山井下/井上综合通讯同一网络能够同时传输语音、图像、数据等各种信息,使语音、视频、数据三网合一,图4为综合通讯系统结构图。

适宜于井下/井上综合通讯系统的成熟通讯技术有:基于泄露通讯机制的井下/井上综合通讯技术;基于光纤的有线综合通讯技术;基于I EEE802.11.b 通讯协议的无线综合通讯技术等。数字矿山在实际建设中,可以根据矿山企业的实际和需求情况,选择适合矿山企业需求的综合通讯系统。

基于I EEE802.11.b 通讯协议的无线综合通讯手段,能够为井下/井上综合通讯系统的创建提供关键技术,矿山井下/井上综合通讯系统将建成井下无线通讯的有结构网络,即无线工作站(如电脑、手机、摄象机等等)无线方式接WAP:W irless Access Point (无线接入点),无线接入点(WAP )之间用线缆连接,构成有线网,而在井上采用线缆或光纤直接与矿山的局域网(LAN )系统连接,从而形成一个功能完善的井下/井上综合通讯系统平台。

井下通讯中语音和视频信息采用基于I EEE802.11.b 通讯协议的无线局域网方式进行传输,信息发送端将信息以无线电波的方式传输到WAP (无线接入点)后,进入到有结构网络中进行传输。井下的数据信息(如各种控制设备的传感器信息)可以通过无线的方式在井下进行传输,固定设备和移动范围比较小的设备的数据信息传输则可以以线缆的方式直接与WAP 相连,通常一个WAP 上可以与30到60台无线和有线设备进行通讯。WAP 信号覆盖范围可达200～300m ,WAP 之间间距达到600m 仍然可以有连续信号覆盖。3.3　生产调度与过程控制技术

生产调度与过程控制建立在综合通讯系统平台上,以实现对人员设备跟踪定位、设备运行状态控制(见图5)以及视频监视系统和虚拟现实系统,实现对采矿生产调度与过程控制,这是数字矿山建设的高级阶段,只有建立了功能完善的生产调度与过程控制系统才可能实现危险作业场所遥控采矿和无人采矿。

矿山各种数据使用不同种类的传感器进行采集,采用工业以太网、P LC 智能控制及视频监视系统,实现对矿井提升、运输、通风、排水、矿物加工过程等系统及设备的智能化集中监控。人员设备跟踪与定位采用信标器(tag )和读标器(tag reader )。信

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94采矿技术　　2006,6(3)　

标器用于传送携带者I D 号码,而读标器主要用于记录这些I D 号码,并将数据传送到数据中心。定位跟踪软件系统存储所有的记录情况和实时位

置,并对信息进行分类、过滤、搜索和报告生成

。

图4　矿山井下/

井上综合通讯系统拓扑结构

图5　矿山设备运行状态监控

3.4　矿山综合安全监控系统及开采环境监测技术

矿山井下生产过程中,主要的危害有岩体破坏、

有毒有害气体、火灾等。因此,必须建立起有效的综合安全监控与预警系统(见图6)

。

图6　矿山综合安全监控系统

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地压灾害是矿山开采中的主要灾害之一,微震是矿岩变形、裂纹开裂及扩展过程的伴生现象,它与矿岩的力学行为有着密切的相关性,因而信号中包含了大量的关于围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程的有用信息,通过精密的仪器检测、分析,可以推断矿岩的力学行为,估测矿岩是否在发生破坏。微震事件的位置及强度反映了岩体内发生的变形或破坏的位置及其强度。因此,建立微震系统不仅能够起到监测灾害的目标,还能起到预警的作用。微震系统在众多领域获得了广泛应用,国内外许多矿山已经或开始建立微震监测系统。基于微震的安全监测及预警系统采用网络化结构,通过在监测区域外围布置微震探头,构成监测网络,数据传输采用泄漏电缆、普通的双绞线或光纤。

4　结　语

矿业在国民经济建设中占有重要地位,随着经济的高速发展和工业化进程的快速推进,中国对矿产资源的消费将持续呈现快速增长态势,将长期保持旺盛的需求。但是,中国矿产资源所面临的资源短缺,供应乏力的严峻形势,目前已经成为发展工业的瓶颈,如果这种势头继续发展下去,势必对国民经济的可持续发展产生深刻影响。因此,客观的实事求是的评价资源现状,充分合理的利用和保护资源,以建设数字矿山来改变和确保矿产资源长期稳定供给是中国矿业走可持续发展的必由之路。

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(收稿日期:2006-05-30)

作者简介:王李管(19-),男,教授,博士生导师,总经理,日本秋田大学地球工学博士,主要从事数字矿山建设、工程模型与可视化分析技术等领域的研究和教学工作。

　　(上接第492页)

以不同的颜色或不同的图形填充方式来描述现实对象,可以使数据管理维护层次清晰,简洁直观。

(4)信息的更新与修改。矿区土地信息是动态变化的,系统可以进行图形信息与属性信息的修改。

(5)模型分析。对土地破坏预测与土地复垦适宜性评价所涉及的数据进行建库,根据建立的模型进行土地破坏预测与土地复垦适宜性评价分析。

3　结束语

对地理信息系统GI S在矿山土地管理的应用方面作了一些探讨。矿山土地管理信息系统的空间数据库采用E-R模型构其概念模型,进而对数据进行有效的组织与管理,实现矿山的地籍管理,复垦与待复垦土地资源管理等,从而推动矿山可持续发展,促进社会、经济、生态的可持续发展。

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(收稿日期:2006-03-13)

4采矿技术　　2006,6(3)