探析可視化礦山的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

常浩（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司，山西 太原030000）

0 引言

作為煤炭資源的開采大國(guó)，我國(guó)每年產(chǎn)出的煤礦數(shù)量可達(dá)世界總量的一半，而在煤炭資源消耗方面我國(guó)能源消耗總量的60%都是煤炭資源。為了能進(jìn)一步提升我國(guó)煤炭資源開采應(yīng)用的便捷性和智能性，構(gòu)建智慧煤礦勢(shì)在必行。在此環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員需要基于科學(xué)的可視化礦山建設(shè)技術(shù)做好智能化開采準(zhǔn)備。

1 可視化礦山的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，可視化礦山的理念已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)同，學(xué)術(shù)界對(duì)智能采礦技術(shù)的研究不斷深入，可視化、數(shù)字化、智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能采礦方案制定中，可視化礦山的建設(shè)方案也在不斷完善?？梢暬V山建設(shè)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、場(chǎng)景和沉浸式可視化，應(yīng)該基于仿真和采礦理論模型實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)、回采、生產(chǎn)調(diào)度等方面的可視化、數(shù)字化集成操作。不過(guò)，在當(dāng)前的可視化礦山建設(shè)環(huán)節(jié)存在以下問(wèn)題：

首先，現(xiàn)有三維立體模型具備局限性。改模型并不能實(shí)現(xiàn)完全可視化，只能提供局部真實(shí)性可視化以及示意性可視化，所以其應(yīng)用教學(xué)意義大于實(shí)踐開采模擬意義，無(wú)法真正地為煤礦開采生產(chǎn)進(jìn)行有效指導(dǎo)和反饋。

其次，模擬仿真模型具備單一性。目前，仿真模擬的可視化模型還不具備隨意切換場(chǎng)景的可視化和無(wú)限制漫游沉浸的可視化功能，所以其可視化目的仍需依靠攝像頭來(lái)達(dá)成。而且，模擬仿真可視化的真實(shí)化水平較低，展現(xiàn)方式也十分單一，并不能達(dá)成人機(jī)交互可視化。

最后，設(shè)備智能化水平不高?？梢暬V山建設(shè)環(huán)節(jié)中的智能化設(shè)備在進(jìn)行特定問(wèn)題判斷時(shí)無(wú)法基于專家系統(tǒng)支持作業(yè)，而且其數(shù)據(jù)采集和動(dòng)態(tài)處理能力較弱，大數(shù)據(jù)技術(shù)的功能也沒有得到切實(shí)展現(xiàn)，甚至在設(shè)備智能化的發(fā)展缺乏正確指引。

2 建設(shè)可視化礦山的關(guān)鍵性技術(shù)

可視化礦山的建設(shè)仰賴于大量的先進(jìn)技術(shù)，不僅包含可視化技術(shù)、智能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，還包括大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種信息技術(shù)。在作業(yè)環(huán)節(jié)，需要通過(guò)完成體系化的可視化建設(shè)和信息管理服務(wù)來(lái)滿足智慧采礦要求。在此情況之下，可視化礦山建設(shè)環(huán)節(jié)，應(yīng)該以打造數(shù)據(jù)可視化、模型可視化、場(chǎng)景可視化和沉浸式可視化為發(fā)展方向；在作業(yè)時(shí)，需分別構(gòu)建大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)和漫游數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)文檔、關(guān)系型數(shù)據(jù)，三圍模型、機(jī)械設(shè)備模型數(shù)據(jù)，開拓回采運(yùn)輸場(chǎng)景、應(yīng)急調(diào)度場(chǎng)景以及主動(dòng)、被動(dòng)漫游的有效記錄，并基于集成化操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)有效管理?；诖?，在這一環(huán)節(jié)可視化礦山建設(shè)人員必須做好關(guān)鍵技術(shù)的選擇和應(yīng)用。

2.1 三維立體仿真模型

可視化礦山建設(shè)集多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)于一體，先進(jìn)技術(shù)的融合使智能采礦目標(biāo)成為可能。大數(shù)據(jù)、智能監(jiān)控等技術(shù)是可視化功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為將子單元和結(jié)構(gòu)定義為塊模型，然后通過(guò)三維技術(shù)的應(yīng)用，存儲(chǔ)和計(jì)算礦井空間數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上組建模型，最后在觀看者眼前呈現(xiàn)出微觀的數(shù)據(jù)[1]。針對(duì)礦井開采過(guò)程中的液氣形態(tài)，可以使用軟件中自帶的渲染功能，增強(qiáng)氣體的視覺表現(xiàn)力。

所以，在可視化礦山建設(shè)環(huán)節(jié)，三維立體礦井仿真模型的應(yīng)用至關(guān)重要，這也是實(shí)踐環(huán)節(jié)最關(guān)鍵的可視化礦山建設(shè)技術(shù)。在作業(yè)環(huán)節(jié)中，三維立體仿真模型的構(gòu)建依據(jù)為礦區(qū)的勘察數(shù)據(jù)和地形地貌，模型中包括采掘工作面和礦井等內(nèi)容。同時(shí)還能對(duì)動(dòng)態(tài)化的開采過(guò)程進(jìn)行模擬，從而為技術(shù)人員設(shè)計(jì)科學(xué)開采方案創(chuàng)造有利的條件?；谌S坐標(biāo)數(shù)據(jù)，就可創(chuàng)造可視化開采模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦開采過(guò)程的可視化模擬，為提高生產(chǎn)科學(xué)性和安全性奠定基礎(chǔ)。比如：在模型構(gòu)建完成后，工作人員可以通過(guò)觀察模型，掌握過(guò)空巷、過(guò)煤柱和煤層間距所處的位置和大小等等。

2.2 專家決策系統(tǒng)

在當(dāng)前的煤炭開采環(huán)節(jié)，許多技術(shù)性問(wèn)題必須經(jīng)過(guò)專家的深入研究才能解決，但在當(dāng)前的可視化礦山建設(shè)中由于設(shè)備智能性以及功能性的缺失，這一要求尚未被滿足。因此，可視化礦山建設(shè)人員必須應(yīng)用專家決策系統(tǒng)，為更科學(xué)高效地解決煤礦開采問(wèn)題提供輔助。該技術(shù)的應(yīng)用，可以從多樣化的研究領(lǐng)域和層次對(duì)引起礦山開采問(wèn)題的原因進(jìn)行分析通過(guò)權(quán)重劃分和理論支撐展現(xiàn)針對(duì)性的解決方案。比如，依照權(quán)重高低排列埋深、傾角、支架工作阻力等礦產(chǎn)開采過(guò)程中的作業(yè)參數(shù)，并在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)檢索主要因素查詢具備最高適配度的處理方案，為更加安全、高效地開展生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2.3 動(dòng)態(tài)處理技術(shù)

煤礦開采的質(zhì)量因素眾多，所以生產(chǎn)環(huán)節(jié)的調(diào)配作業(yè)和管理難度頗高。為了保證可視化礦山的建設(shè)成效，在作業(yè)環(huán)節(jié)需要添加動(dòng)態(tài)處理技術(shù)，借助于大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全面性收集和處理，讓三維建模和支護(hù)設(shè)計(jì)、應(yīng)急數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)用性得到提升；同時(shí)，還應(yīng)以數(shù)據(jù)網(wǎng)格化和融合的方式，實(shí)現(xiàn)情境化的數(shù)據(jù)管理，進(jìn)而保證系統(tǒng)做出的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)具備準(zhǔn)確性和高效性[2]。當(dāng)然，在動(dòng)態(tài)處理技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員還需要合理應(yīng)用調(diào)配系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)現(xiàn)煤礦開采全過(guò)程調(diào)配的能力，可根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)阻力的調(diào)節(jié)、單日產(chǎn)煤量和運(yùn)輸力的調(diào)控以及支架阻力閾值的調(diào)控，進(jìn)而提高可視化礦山生產(chǎn)有效性和科學(xué)性提供輔助。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和預(yù)警技術(shù)

為了能提高煤礦開采的安全性，在作業(yè)環(huán)節(jié)需要高質(zhì)量地完成危險(xiǎn)源的之別和防控。所以，在可視化礦山建設(shè)環(huán)節(jié)，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和預(yù)警技術(shù)不可或缺。由于煤礦開采的干擾因素過(guò)多，所以其風(fēng)險(xiǎn)源的種類也十分多樣，為了有效地開展風(fēng)險(xiǎn)防控和安全保護(hù)工作，必須要借助于各種監(jiān)測(cè)和監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面監(jiān)控。比如，紅外線成像儀、通風(fēng)監(jiān)測(cè)設(shè)備或瓦斯粉塵監(jiān)測(cè)設(shè)備等。不僅如此，相關(guān)工作人員還應(yīng)該為有效防控危險(xiǎn)源而制定明確的安全管理標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)。比如，制定采礦空間溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、電磁場(chǎng)等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)數(shù)據(jù)的深度挖掘和把控，理順彼此關(guān)系。同時(shí)，還要基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，有效開展數(shù)據(jù)處理，為識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)預(yù)警奠定基礎(chǔ)。

2.5 數(shù)字化集成操作平臺(tái)

建設(shè)可視化礦山的根本目的是實(shí)現(xiàn)煤礦開采的系統(tǒng)性和高效性管理，為提升單日開采量、提升開采安全性、降低開采能耗提供條件。而在實(shí)踐工作環(huán)節(jié)，需要開采環(huán)節(jié)各項(xiàng)工作的綜合管理和調(diào)度才能發(fā)揮可視化礦山的根本作用。所以，必須構(gòu)建數(shù)字化集成操作平臺(tái)，以便于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的有效收集、儲(chǔ)存、處理和推送，完成對(duì)綜合調(diào)度和監(jiān)控，及時(shí)接受安全警報(bào)并制定有針對(duì)性地解決方案。此時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)該基于安全性和可靠性原則設(shè)計(jì)數(shù)字化集成操作平臺(tái)，確保平臺(tái)具備提供多樣化檢查處理方法的能力，并且能保障數(shù)據(jù)信息的安全可用。比如，應(yīng)用以SOA組件為依托的技術(shù)框架，采用XML規(guī)范作為信心交互的標(biāo)準(zhǔn)，借助于國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀廠商的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和成熟的軟硬件支撐平臺(tái)，構(gòu)建可視化礦山的數(shù)字化集成操作平臺(tái)[3]。此外，建立數(shù)字化集成操作平臺(tái)的過(guò)程中，需要增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力，為保證系統(tǒng)的后期開發(fā)和功能革新提供便利條件，通過(guò)增加系統(tǒng)適配度和適應(yīng)性來(lái)為數(shù)字化礦山的有效構(gòu)建提供保障。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)階段的可視化礦山建設(shè)環(huán)節(jié)，存在并不能實(shí)現(xiàn)完全可視化，其仿真模擬的可視化模型智能實(shí)現(xiàn)示意性的虛擬仿真，設(shè)備智能化水平也并不高。為此，相關(guān)工作人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)三維立體礦井仿真模型技術(shù)、專家決策、動(dòng)態(tài)處理、數(shù)字化集成操作和危險(xiǎn)預(yù)警識(shí)別等關(guān)鍵性技術(shù)的應(yīng)用，切實(shí)提升可視化礦山的建設(shè)質(zhì)量和效率。