露天煤礦數(shù)字礦山建設(shè)研究

欒忠志++黃晨++侯星野

摘 要：數(shù)字礦山是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，露天煤礦數(shù)字礦山建設(shè)對(duì)于礦區(qū)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。本文對(duì)數(shù)字礦山的概念及建設(shè)的意義進(jìn)行了簡要論述，并分析了國內(nèi)露天煤礦的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問題， 提出了數(shù)字露天煤礦的建設(shè)目標(biāo)和具體實(shí)施內(nèi)容，以期促進(jìn)露天煤礦數(shù)字礦山建設(shè)進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：露天煤礦 數(shù)字礦山 建設(shè)

中圖分類號(hào)：TD216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0051-01

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步和發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，礦產(chǎn)資源的需求量不斷增加，開采加工難度不斷增大，給采礦業(yè)帶來了巨大的沖擊，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，這就要求采礦業(yè)不斷走向數(shù)字化和智能化，以提高開采質(zhì)量。1998年，美國前副總統(tǒng)戈?duì)栐凇皵?shù)字地球—展望21世紀(jì)我們這顆行星”的演講中提出了“數(shù)字地球”（Digital Earth）的概念，1999年召開的首屆“國際數(shù)字地球”大會(huì)上又提出了“數(shù)字礦山”（Digital Mine）的概念?！皵?shù)字礦山”的提出，為礦業(yè)發(fā)展指明了方向。為進(jìn)一步促進(jìn)露天煤礦的可持續(xù)發(fā)展，其必須結(jié)合自身實(shí)際，加強(qiáng)數(shù)字礦山建設(shè)，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的提高。

1 數(shù)字礦山的內(nèi)涵及研究意義

目前，對(duì)于“數(shù)字礦山”的定義國內(nèi)外尚未完全統(tǒng)一。通俗地講，數(shù)字礦山就是一個(gè)礦山范圍內(nèi)的以三維坐標(biāo)信息及其相互關(guān)系為基礎(chǔ)而組成的信息框架，并在該框架內(nèi)嵌入我們所獲得的信息的總稱。對(duì)于數(shù)字礦山建設(shè)，概括起來目前主要有以下五種觀點(diǎn)，即數(shù)字地球觀點(diǎn)、地質(zhì)模型觀點(diǎn)、信息管理觀點(diǎn)、監(jiān)控系統(tǒng)觀點(diǎn)和工程應(yīng)用模式觀點(diǎn)。對(duì)于數(shù)字礦山的功能內(nèi)涵，必須從對(duì)礦山數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和表述向更深層次延展，并不斷拓寬各個(gè)層次的應(yīng)用，應(yīng)涵蓋數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、傳輸和表述，礦山生產(chǎn)與經(jīng)營決策優(yōu)化，各種設(shè)計(jì)、計(jì)劃工作和生產(chǎn)指揮的計(jì)算機(jī)化，生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備的自動(dòng)控制等多個(gè)方面。數(shù)字礦山建設(shè)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，第一，數(shù)字礦山能以數(shù)字化的形式全面反映礦區(qū)的地質(zhì)信息、力學(xué)信息、露天煤礦礦產(chǎn)資源的儲(chǔ)量和開采情況，有利于根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息做出合理的開采規(guī)劃，在保證礦產(chǎn)資源穩(wěn)定供應(yīng)的同時(shí)，促進(jìn)資源的合理利用和環(huán)境保護(hù)工作，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。第二，數(shù)字礦山能適應(yīng)日益增多的深井開采條件，并結(jié)合自動(dòng)化開采技術(shù)，使礦工遠(yuǎn)離高溫和巖爆威脅等惡劣環(huán)境，減少和避免礦山安全事故。第三，對(duì)礦山開采引起的各類生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題進(jìn)行數(shù)字化分析，以為礦山的生態(tài)重建方案、災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測預(yù)報(bào)體系等提供參考依據(jù)。

2 露天煤礦數(shù)字礦山建設(shè)存在的問題

近年來，我國露天礦緊跟時(shí)代步伐，大力致力于數(shù)字礦山建設(shè)，取得了一定的成效，但數(shù)字礦山的建設(shè)總體上仍處于起步階段。部分露天煤礦仍處于勞動(dòng)密集型的機(jī)械化初級(jí)水平，管理粗放，煤炭開采技術(shù)、裝備水平、礦山地質(zhì)測量信息管理手段相對(duì)落后，缺乏三維可視化手段；煤礦開采設(shè)計(jì)和計(jì)劃缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，大多以經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏科學(xué)性；過程控制程度低，生產(chǎn)效率不高。另外我國部分礦山企業(yè)對(duì)進(jìn)行數(shù)字礦山建設(shè)的重要性認(rèn)識(shí)不足，建設(shè)積極性不高，缺少長遠(yuǎn)規(guī)劃和發(fā)展目標(biāo)，影響數(shù)字礦山建設(shè)的進(jìn)程。同時(shí)礦床開采涉及的領(lǐng)域較為廣泛，需要多種技術(shù)的綜合支撐，存在一定的技術(shù)阻礙。對(duì)于露天煤礦的數(shù)字礦山建設(shè)不可能一蹴而就，還需要較長時(shí)期的不懈努力。

3 數(shù)字露天礦建設(shè)的主要內(nèi)容

數(shù)字露天礦的建設(shè)應(yīng)綜合考慮本礦區(qū)的生產(chǎn)管理需求及具體實(shí)際，設(shè)定合理的數(shù)字礦山建設(shè)的長期目標(biāo)和內(nèi)容：實(shí)現(xiàn)資源與開采環(huán)境的數(shù)字可視化、安全化和環(huán)保化，技術(shù)裝備智能化與生產(chǎn)過程控制自動(dòng)化，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化與資源高度共享化，管理與決策科學(xué)化。具體而言，其主要可側(cè)重于以下幾個(gè)方面的研究和實(shí)踐。

3.1 虛擬條件下礦山模擬開采技術(shù)研究

為促進(jìn)礦山開采的科學(xué)性，數(shù)字礦山建設(shè)倡導(dǎo)對(duì)虛擬條件下礦山模擬開采技術(shù)研究，以期為礦山開采提供參考依據(jù)。其主要是綜合考慮礦區(qū)的地質(zhì)情況、礦床模型等，構(gòu)造虛擬礦山，進(jìn)行數(shù)字模擬開采，合理編制露天煤礦的開采計(jì)劃、采礦方法、邊坡工程設(shè)計(jì)、災(zāi)變應(yīng)變預(yù)案等，此項(xiàng)技術(shù)的重點(diǎn)在于以優(yōu)化開采為目標(biāo)，有利于提高礦山開采的效益。

3.2 礦山數(shù)字地質(zhì)、礦床模型研究與開發(fā)

礦山數(shù)字地質(zhì)、礦床模型研究與開發(fā)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地理信息的全面把握?？刹捎玫V山地理信息系統(tǒng)建立統(tǒng)一的時(shí)空框架，全面整合礦山各類系統(tǒng)中的大量異質(zhì)信息，建立數(shù)據(jù)倉庫及模型庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。具體而言，應(yīng)注重對(duì)空間和礦物屬性的礦山實(shí)體數(shù)字地質(zhì)、礦床模型、采場和排土場模型，地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)模型等的建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦床中礦、巖的空間分布的全面了解，其主要利用RS、GPS、GIS、常規(guī)測量、地質(zhì)寫實(shí)、取樣化驗(yàn)等各種實(shí)時(shí)在線采集系統(tǒng)與技術(shù)手段獲取。根據(jù)鉆探或遙感、遙測信息建立礦床地質(zhì)構(gòu)造模型，根據(jù)鉆孔、探槽和炮孔取樣建立有關(guān)礦、巖屬性的空間數(shù)字模型。

3.3 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程管理和控制一體化

礦山生產(chǎn)過程管控一體化是指應(yīng)用可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程、工藝、設(shè)備、儀器的自動(dòng)監(jiān)測與控制。其主要包括：（1）生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，其是運(yùn)用計(jì)算機(jī)、GPS、無線通訊及設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程及生產(chǎn)設(shè)備的真三維顯示，加強(qiáng)對(duì)開采設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)參數(shù)及狀態(tài)的監(jiān)測和故障的診斷，并根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)采場運(yùn)輸進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)度。（2）生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)，將礦山中的固有信息如地面地形、煤田地質(zhì)、開采方案等數(shù)字化，按三維坐標(biāo)構(gòu)建數(shù)字礦山，并進(jìn)行礦山三維地學(xué)仿真顯示、開采過程模擬分析等工作。（3）管理信息系統(tǒng)（MIS），其將計(jì)劃管理、設(shè)備管理、財(cái)務(wù)管理、材料管理等相關(guān)信息嵌入到數(shù)字礦山三維框架內(nèi)，對(duì)多維數(shù)字礦山進(jìn)行構(gòu)建。（4）礦山安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，其以實(shí)體數(shù)字地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，綜合各類數(shù)據(jù)信息，對(duì)礦床開采進(jìn)行安全監(jiān)測與預(yù)警，以促進(jìn)礦區(qū)環(huán)境保護(hù)，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3.4 開發(fā)礦山應(yīng)用軟件及人工智能技術(shù)研究

為促進(jìn)數(shù)字礦山建設(shè)，必須配置相應(yīng)的礦山應(yīng)用軟件，如采礦CAD、虛擬礦山、采礦仿真、工程計(jì)算、人工智能和科學(xué)可視化等軟件工具。另外應(yīng)將電子與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遙控機(jī)器人采礦，提高露天煤礦生產(chǎn)效率。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)礦山的智能化，應(yīng)加強(qiáng)人工技能技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度指揮、資源預(yù)測、安全警示、突發(fā)事件處理等決策支持功能。

綜上所述，數(shù)字礦山是礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢，數(shù)字礦山建設(shè)是露天煤礦一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，應(yīng)綜合考慮我國礦山現(xiàn)階段的技術(shù)、裝備、管理水平，分階段實(shí)施， 逐步系統(tǒng)完成，促進(jìn)礦山真正安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采，構(gòu)建生態(tài)礦業(yè)工程，并最終實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)三者的和諧統(tǒng)一，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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