礦山測(cè)量數(shù)字化應(yīng)用問題探討

董應(yīng)文

（內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)有限公司 煤炭生產(chǎn)事業(yè)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

1 數(shù)字礦山及其戰(zhàn)略意義

所謂數(shù)字化礦山是采用現(xiàn)代信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和過程智能化控制技術(shù)等，在礦山企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的三維尺度范圍內(nèi)，對(duì)礦山生產(chǎn)、經(jīng)營與管理的各個(gè)環(huán)節(jié)與生產(chǎn)要素實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、模型化、可視化、集成化和科學(xué)化管理，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用要求，建立礦山規(guī)劃設(shè)計(jì)、礦山安全生產(chǎn)管理、礦山應(yīng)急救援指揮、礦山經(jīng)營管理、礦山辦公自動(dòng)化等應(yīng)用系統(tǒng)。 從而將企業(yè)的安全生產(chǎn)與經(jīng)營管理業(yè)務(wù)流程數(shù)字化并加工成新的信息資源，迅速準(zhǔn)確地提供給各層次的管理者及時(shí)掌握動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)中的一切信息，以做出有利于生產(chǎn)要素組合優(yōu)化的決策，使企業(yè)資源合理配置，從而使企業(yè)能夠適應(yīng)瞬息萬變的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，求得最大的經(jīng)濟(jì)效益。 特別是在礦山安全生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)、收集、分析、預(yù)警、決策等方面發(fā)揮重大作用。

2 數(shù)字礦山的特征和基本組成

基于DM 的定義，DM 應(yīng)具有以下六大特征∶以高速企業(yè)網(wǎng)為“路網(wǎng)”；以采礦CAD(MCAD)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、仿真(CS)、科學(xué)計(jì)算(SC)與可視化(VS)為“車輛”；以礦業(yè)數(shù)據(jù)和礦業(yè)應(yīng)用模型為“貨物”；以真三維地學(xué)模擬(3DGM)和數(shù)據(jù)挖掘?yàn)椤鞍b”；以多源異質(zhì)礦業(yè)數(shù)據(jù)采集與更新系統(tǒng)為“保障”和以礦山GIS(MGIS)為“調(diào)度”。 DM 的最終表現(xiàn)為礦山的高度信息化、自動(dòng)化和高效率，以至到無人采礦和遙控采礦。

DM 的基本組成可大致為采集系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、功能系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)和核心系統(tǒng)五部分。

2.1 采集系統(tǒng)

負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理,包括測(cè)量、勘探、傳感和文檔四類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；其關(guān)鍵是所有數(shù)據(jù)的數(shù)字化。

2.2 調(diào)度系統(tǒng)

指MGIS,負(fù)責(zé)提供拓?fù)浣⑴c維護(hù)、空間查詢與分析、制圖與輸出等GIS 基本功能,并進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問控制、開放接口和生產(chǎn)調(diào)度與指揮管理等。

2.3 功能系統(tǒng)

負(fù)責(zé)提供各類專業(yè)模擬與分析功能，包括MCAD、VM、MS、SC、AI和SV 等。

2.4 包裝系統(tǒng)

負(fù)責(zé)提供3D 空間建模工具、多源異質(zhì)礦山數(shù)據(jù)的空間融合環(huán)境和數(shù)據(jù)過濾、組合與封裝機(jī)制，包括3DGM 和數(shù)據(jù)挖掘工具。

2.5 核心系統(tǒng)

負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)和模型,決策分析與支持等。

可以看出，數(shù)字礦山的核心是數(shù)據(jù)。 與礦山相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)倉庫和屬性數(shù)據(jù)倉庫是DM 的基礎(chǔ)。地理空間數(shù)據(jù)倉庫用來管理海量的井上、下礦山地物的幾何信息、拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

3 礦山測(cè)量任務(wù)

礦山測(cè)量因具有一定的的特殊性和多學(xué)科交叉性，曾單獨(dú)為一個(gè)專業(yè)，它的發(fā)展和進(jìn)步與三個(gè)方面密切相關(guān)∶一是，采礦技術(shù)和礦業(yè)工程的發(fā)展及要求；二是，測(cè)繪科學(xué)技術(shù)與儀器設(shè)備的發(fā)展；三是，其它學(xué)科的發(fā)展與影響。礦山測(cè)量工作者擔(dān)負(fù)著礦山地面和地下三維空間的測(cè)量、定位與制圖，礦體幾何，儲(chǔ)量管理及開采監(jiān)督，開采沉陷觀測(cè)及開采損害防護(hù)等任務(wù)。 近十多年來,資源、環(huán)境、災(zāi)害和人口問題成為人類社會(huì)發(fā)展的四個(gè)重大問題。 國內(nèi)外資料表明，礦山測(cè)量工作者在礦區(qū)和工礦城市環(huán)境的動(dòng)態(tài)綜合監(jiān)測(cè)，環(huán)境評(píng)價(jià)，及礦區(qū)環(huán)境信息管理，礦區(qū)開采信息管理系統(tǒng),開采沉陷區(qū)綜合治理等方面做了大量的工作，起到了重要作用。

目前， 以3S 為主導(dǎo)的空間信息技術(shù)將逐漸應(yīng)用于礦山測(cè)量及礦山建設(shè)與生產(chǎn)中；對(duì)現(xiàn)代化采礦工業(yè)起到優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)和輔助決策的作用。 現(xiàn)代礦山測(cè)量的主要任務(wù)可概括為∶在礦山勘測(cè)、設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)運(yùn)營階段，對(duì)礦區(qū)地面和地下空間資源(以礦產(chǎn)資源和土地資源為主)和環(huán)境信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理、顯示、分析、利用，為合理有效的開發(fā)資源、保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境、治理環(huán)境服務(wù)，為工礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

4 主要研究內(nèi)容與目標(biāo)

在數(shù)字礦山建設(shè)中,就礦山測(cè)量而言,除常規(guī)的礦井建設(shè)、生產(chǎn)中的測(cè)量任務(wù)之外,應(yīng)特別重視以下的研究∶礦圖數(shù)字化與數(shù)字化成圖—自動(dòng)化礦山地學(xué)信息采集系統(tǒng)；礦山開采環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)與治理—礦山開采環(huán)境四維動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)；GIS 和GPS(全球定位系統(tǒng))結(jié)合及其在礦山開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理中的應(yīng)用—礦山開采環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；礦山環(huán)境信息系統(tǒng)的質(zhì)量模型及其精度不確定性處理—礦山開采環(huán)境信息系統(tǒng)的誤差分析系統(tǒng)。

4.1 礦圖數(shù)字化和數(shù)字化成圖—自動(dòng)化礦山地學(xué)信息系統(tǒng)

礦圖數(shù)字化和數(shù)字化成圖將成為礦山GIS 數(shù)據(jù)采集的基本手段。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化是降低礦山GIS 成本的重要途徑。綜合利用不同的數(shù)據(jù)源(井上下測(cè)量、數(shù)字化礦圖、地勘信息、航測(cè)遙感信息等)、建立適合礦山各類應(yīng)用的基礎(chǔ)地理空間信息數(shù)據(jù)庫及分層信息(包括設(shè)備位置及屬性信息)，建立好礦山地學(xué)信息系統(tǒng)。 同時(shí)注重模式識(shí)別和專家系統(tǒng)理論。 研究的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦圖數(shù)據(jù)采集、識(shí)別和處理的自動(dòng)化。

4.2 礦山開采環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)與治理—礦山開采環(huán)境四維動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)

礦山開采環(huán)境綜合評(píng)價(jià)與治理不僅包括傳統(tǒng)的開采沉陷預(yù)測(cè)與安全開采方案評(píng)估，礦區(qū)塌陷區(qū)綜合治理與動(dòng)態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)、礦區(qū)土地管理與區(qū)域規(guī)劃等內(nèi)容,更重要的是采用GIS 技術(shù)手段。 針對(duì)礦山開采空間狀態(tài)是隨時(shí)間和生產(chǎn)發(fā)展而變化的特點(diǎn)，在現(xiàn)有GIS 數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上， 研究適用于礦山開采環(huán)境的空間和時(shí)間綜合四維數(shù)據(jù)模型，建立有效的礦山地理信息系統(tǒng)。 該系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo)∶

1）實(shí)現(xiàn)各類地質(zhì)采礦條件下開采沉陷的四維動(dòng)態(tài)模擬，為礦山開采沉陷的綜合治理(建筑物保護(hù)、安全開采方案、保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)，采動(dòng)滑坡治理等)提供依據(jù)；

2）實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生產(chǎn)管理的動(dòng)態(tài)模擬，為主管部門提供決策咨詢；

3）實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地資源(地面覆蓋物、地下管道工程、塌陷區(qū)生態(tài)復(fù)墾)自動(dòng)化管理，為礦區(qū)開采環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)與治理提供依據(jù)。

4.3 GPS 和GIS 結(jié)合及其在礦山開采環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用—礦山開采環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

GPS 定位技術(shù)是美國自20 世紀(jì)70 年代初期開始研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。 目前，我國已開始應(yīng)用GPS 定位技術(shù)。 對(duì)于礦山開采環(huán)境研究而言， 主要是采用GPS 定位技術(shù)采集地面動(dòng)態(tài)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并采用GIS 進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和空間分析，從而獲得所需信息。最終達(dá)到直接采用GPS 技術(shù)對(duì)GIS 作實(shí)時(shí)更新， 建立礦山開采環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

隨著礦山生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，礦山測(cè)量向工程型轉(zhuǎn)化是礦山測(cè)量事業(yè)發(fā)展的必然。即礦山測(cè)量職能除著重現(xiàn)代測(cè)繪儀器在礦山生產(chǎn)中的研究應(yīng)用外,將由單一純工程服務(wù)型向工程服務(wù)決策型轉(zhuǎn)化，礦山測(cè)量工作者的素質(zhì)應(yīng)由專門人才向一專多能及工程型擴(kuò)展。 礦區(qū)經(jīng)濟(jì)要可持續(xù)發(fā)展，必然要求交通運(yùn)輸、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展，必然帶來礦區(qū)采動(dòng)，地表建設(shè)如廠房、高速公路、樓群建筑等新的疑難問題，采礦工程、礦山測(cè)量工程、巖土工程相結(jié)合來解決這類新型邊緣問題勢(shì)在必行,礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程必然是礦山測(cè)量工程化發(fā)展過程,也是多學(xué)科穿插重新組合形成新門類學(xué)科的過程。 礦山測(cè)量工作者將在礦山邊坡工程、礦山地壓控制,開采沉陷及采礦地表建設(shè)、巖石動(dòng)力學(xué)問題等發(fā)揮較重要的決策職能。

［1］郭進(jìn)偉，武先利.數(shù)字礦山系統(tǒng)分析與建模[J].煤炭經(jīng)濟(jì)研究，2009（08）.