淺析數(shù)字化礦山建設(shè)意義及關(guān)鍵技術(shù)

王方里，沈銘成

（1. 中陜核工業(yè)集團(tuán)二一一大隊(duì)有限公司，陜西 西安 710024 ；2. 中陜核工業(yè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710100）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展和國(guó)家礦業(yè)政策管控的調(diào)整，我國(guó)礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)形態(tài)和經(jīng)營(yíng)狀況正在發(fā)生重大變化，信息化建設(shè)逐步完善。礦山機(jī)械設(shè)備、自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、通信設(shè)備等各專業(yè)的工業(yè)軟件應(yīng)用也得到了很大的發(fā)展，為礦山數(shù)字化研究提供了基礎(chǔ)條件。然而，國(guó)內(nèi)礦業(yè)企業(yè)總體信息化的水平還相對(duì)落后，特別是礦山數(shù)字化水平還相對(duì)較低，礦山企業(yè)的數(shù)字化改造建設(shè)大多還處于研究和試驗(yàn)階段。礦山數(shù)字化信息技術(shù)不但改善了過去礦山企業(yè)的生產(chǎn)流程和組織管理模式，而很大程度提高了礦山的安全水平和生產(chǎn)能力。近年來，西方發(fā)達(dá)國(guó)家利用數(shù)字信息技術(shù)改造礦業(yè)已經(jīng)比較成熟，加拿大、美國(guó)、澳大利亞等礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了遙控開采、無人工作面甚至無人礦井。

“數(shù)字化礦山”（Digital Mine）是對(duì)整個(gè)真實(shí)礦山和相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一理解和數(shù)字表示，可以簡(jiǎn)稱為“數(shù)字礦山”，是目前數(shù)字礦區(qū)和數(shù)字煤礦的主要構(gòu)成部分。它的關(guān)鍵是在同一的時(shí)間和空間坐標(biāo)框架下對(duì)各類礦山信息進(jìn)行科學(xué)合理的組織，全面地，高效地，有序地構(gòu)架和管理海量的整合礦山信息資源。是通過數(shù)字化，遠(yuǎn)程化，虛擬化，集約化，智能化的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)集成遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)式管理，它的構(gòu)成考慮了生產(chǎn)，運(yùn)營(yíng)，管理，環(huán)境，資源，安全性和效率等多種因素。礦山企業(yè)應(yīng)該在保證可持續(xù)發(fā)展的前提下，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)適應(yīng)能力。數(shù)字化礦山建設(shè)的終極目的是實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)管理的集成自動(dòng)化[1]。

1 數(shù)字化礦山建設(shè)的作用和意義

采礦企業(yè)的最大特點(diǎn)是他們面臨不確定，風(fēng)險(xiǎn)和多變的實(shí)物和市場(chǎng)環(huán)境。在這種情況下，對(duì)于企業(yè)來說，全面，系統(tǒng)，及時(shí)，準(zhǔn)確地掌握內(nèi)部和外部信息，對(duì)環(huán)境，市場(chǎng)和自身（資源，條件和能力）的發(fā)展趨勢(shì)有清晰的了解，以及計(jì)劃和規(guī)劃無疑是非常重要的。及時(shí)有效地控制他們。這要求有一個(gè)完備的信息管理系統(tǒng)的支持，從而達(dá)到礦山企業(yè)生產(chǎn)管理流程的可視化和智能化。數(shù)字化礦山建設(shè)是企業(yè)管理者提高生產(chǎn)效率，最大化礦山企業(yè)利潤(rùn)的強(qiáng)有力手段，首先最主要的應(yīng)該是完成礦山企業(yè)的各類信息的收集融合數(shù)字化，搭建網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，構(gòu)建智能服務(wù)，通過自動(dòng)化控制，遠(yuǎn)程可視化顯示，按照標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的要求，建設(shè)一個(gè)“安全，綠色，智能，高效”的新型現(xiàn)代化礦山企業(yè)。由此，對(duì)于礦山企業(yè)的信息化，總結(jié)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)如下。

1.1 安全生產(chǎn)

安全是礦業(yè)企業(yè)發(fā)展和生存的必要條件?！皵?shù)字礦山”必須是為了實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，確保生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)穩(wěn)定的適當(dāng)行為，圍繞地質(zhì)條件洞察信息，分析地質(zhì)活動(dòng)規(guī)律，確保穩(wěn)定和實(shí)時(shí)危害監(jiān)測(cè)，有效實(shí)施安全計(jì)劃，事故處理和事故科學(xué)分析，為建設(shè)“本安礦山”提供信息安全。

1.2 降本增效

成本控制是礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生命線。企業(yè)的各種活動(dòng)中存在成本優(yōu)化問題，包括露天開采的邊界優(yōu)化，采礦順序的確定，開發(fā)和提取計(jì)劃的準(zhǔn)備，設(shè)備和車輛的調(diào)度，設(shè)備的點(diǎn)檢和維護(hù)，以及選礦過程中的成分。與其他行業(yè)相比，采礦業(yè)更難以優(yōu)化成本，需要考慮更多因素，更加復(fù)雜，并且需要大量空間信息，模擬和人工智能技術(shù)。如何有效地收集有關(guān)信息，在各個(gè)時(shí)期建立成本模型，科學(xué)地模擬，計(jì)劃，優(yōu)化和控制成本，為成本管理提供科學(xué)依據(jù)，是“數(shù)字礦山”建設(shè)的又一主線[2]。

2 數(shù)字化礦山建設(shè)的主要內(nèi)容

數(shù)字化礦山建設(shè)的主要內(nèi)容是以礦山系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以參考框架的投影地理坐標(biāo)為標(biāo)尺，以采礦科學(xué)，信息技術(shù)，人工AI智能和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并通過最新的礦山測(cè)繪和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成構(gòu)建生產(chǎn)活動(dòng)中的礦山生產(chǎn)的三維模型，融合生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和生產(chǎn)設(shè)備信息化數(shù)據(jù)。最終完成網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)字化，可視化，集成化的遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)平臺(tái)管理，確保礦山企業(yè)生產(chǎn)過程中安全，經(jīng)濟(jì)和綠色的生產(chǎn)狀態(tài)。數(shù)字化礦山建設(shè)的內(nèi)容應(yīng)包括三個(gè)方面：

地質(zhì)建模技術(shù)和采礦技術(shù)的數(shù)字化，例如礦體的發(fā)生狀態(tài)，井巷工程，開發(fā)設(shè)計(jì)，采礦設(shè)計(jì)等信息，對(duì)應(yīng)于這些信息的三維空間坐標(biāo)，并建立了各種三維模型可以更直觀地顯示礦體和項(xiàng)目布局。

各個(gè)礦山生產(chǎn)單位和運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的數(shù)字化，達(dá)到自動(dòng)化和智能遠(yuǎn)程管理，例如地壓傳感器監(jiān)控系統(tǒng)，通風(fēng)狀態(tài)監(jiān)控，車輛實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)和人員遠(yuǎn)程標(biāo)記定位系統(tǒng)。

各個(gè)職能部門的信息管理數(shù)字化，例如電氣設(shè)備管理，勞動(dòng)排班管理，生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度管理和決策支持系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)和智能化管理。通過信息化、自動(dòng)化和數(shù)字化這三個(gè)方面，該礦山將建成數(shù)字信息，智能管理，設(shè)備自動(dòng)化，涵蓋時(shí)空多維綜合信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的礦山管理和生產(chǎn)安全，效率，經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)礦業(yè)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 數(shù)字化礦山建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化礦山的關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)該考慮采礦方面的核心問題，研究礦山開采地質(zhì)環(huán)境和生產(chǎn)運(yùn)輸過程的信息化和可視化和。

3.1 礦山地質(zhì)與礦床建模可視化技術(shù)

礦山目標(biāo)的數(shù)字化與可視化是對(duì)礦床形態(tài)的較為準(zhǔn)確的描述。礦山地質(zhì)建?？梢暬夹g(shù)主要來源于地勘工程與測(cè)繪工程的精確數(shù)據(jù)，可以通過地勘工程手段，如鉆探工取樣，槽探分析，來描述礦體的規(guī)模，品質(zhì)和位置形態(tài)，采用最新的三維地質(zhì)建模技術(shù)，通過建立先進(jìn)的三維礦床模型，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件圖形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦體的地下三維可視化，以采礦技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析為橋梁，逐步改善采礦規(guī)劃設(shè)計(jì)和生產(chǎn)組織管理，提供現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)手段。

3.2 礦床開采可視化技術(shù)

根據(jù)已知的地質(zhì)工程信息，礦床與地下構(gòu)造分布情況，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)巷道進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)，支護(hù)設(shè)計(jì)，開發(fā)設(shè)計(jì)，采礦審批設(shè)計(jì)，爆破防噴設(shè)計(jì)，采礦計(jì)劃編制，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，應(yīng)急預(yù)案等工作。

3.3 生產(chǎn)調(diào)度與過程控制技術(shù)

生產(chǎn)調(diào)度和過程控制是基于遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)工作人員設(shè)備，礦山機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控制，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程跟蹤定位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)管和定位，由此達(dá)到數(shù)字化礦山建設(shè)的高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。只有建立起功能良好的生產(chǎn)計(jì)劃和過程控制系統(tǒng)，才能在危險(xiǎn)的工作場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采礦和無人駕駛采礦。各種分布在不同位置的遠(yuǎn)程傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)等平臺(tái)收集傳輸各類數(shù)據(jù)。采用4G 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，遠(yuǎn)程電氣自動(dòng)化智能控制和視頻采集監(jiān)控，完成對(duì)礦山采礦，運(yùn)輸，通風(fēng)，排水，選礦等各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化，集中化控制。

3.4 礦山安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

在地下生產(chǎn)過程中，主要危害是巖石塌陷，屋頂塌陷，捆扎，巖石爆炸，注水，火災(zāi)和大采空區(qū)塌陷。為此，必須要建立一個(gè)有效的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

隨著礦山數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，礦山安全生產(chǎn)事故預(yù)警已從經(jīng)驗(yàn)方法逐步發(fā)展到科學(xué)統(tǒng)計(jì)預(yù)警方法，例如遠(yuǎn)程壓力傳感器，地質(zhì)雷達(dá)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)器，有害氣體傳感器，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，無線射頻RFID 跟蹤系統(tǒng)，三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)等。礦井綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，微振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和衛(wèi)星定位GIS 系統(tǒng)在礦山安全生產(chǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)中得到了良好的應(yīng)用。

3.5 綜合通信技術(shù)

采用綜合通信技術(shù)，全面，快速，準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)地采集和傳輸?shù)叵颅h(huán)境指標(biāo)，設(shè)備和人員的工作狀況信息，傳感器、壓力等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和調(diào)度命令，并以4G+ 無線雙向傳輸?shù)哪Ｊ剑瑢?shí)現(xiàn)地下礦山設(shè)備與礦山生產(chǎn)人員的聯(lián)系、調(diào)度和安全管理。該系統(tǒng)可基于三維地理建模（3D GIS）成果無縫集成顯示，以方便管理人員監(jiān)控和分析礦體開采情況，并在此基礎(chǔ)上完成礦山生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控和記錄。

4 三維礦業(yè)軟件應(yīng)用功能

4.1 地質(zhì)部分

通過建立擁有空間坐標(biāo)信息和礦體物性參數(shù)的三維數(shù)字礦山地質(zhì)環(huán)境，三維礦床礦體模型，三維采場(chǎng)地表與深部模型，地質(zhì)圖形地理信息系統(tǒng)模型和虛擬化現(xiàn)實(shí)AR 模型，以呈現(xiàn)礦床中礦體和圍巖的地下三維空間展布情況以及相對(duì)應(yīng)的各類參數(shù)數(shù)據(jù)作為三維地質(zhì)模型的子系統(tǒng)模型。通過建立的三維地質(zhì)與礦體模型，可以有效地展示礦體與礦體之間、礦體與巖體之間、礦體與各類地質(zhì)構(gòu)造之間的空間分布特征與空間形態(tài)，這種展示是在三維空間以不同的視角實(shí)現(xiàn)的。相反，通過切割繪制的二維剖面與礦體界線，能夠驗(yàn)證三維地質(zhì)與礦體模型的構(gòu)建是否恰當(dāng)，通過在三維地質(zhì)建模中產(chǎn)生的各類信息反饋，不斷驗(yàn)證礦體連接和三維模型構(gòu)建的合理性，不斷改進(jìn)優(yōu)化，最終為地質(zhì)、物探等人員，提供良好的基礎(chǔ)圖件數(shù)據(jù)，為下一步找礦預(yù)測(cè)提供了可靠的三維地質(zhì)模型。三維地質(zhì)礦山建模和評(píng)估對(duì)于礦山生產(chǎn)最為重要。

4.2 采礦部分

在已完成構(gòu)建的三維地質(zhì)與礦床模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用計(jì)算機(jī)模擬礦山開采工程，結(jié)合其他關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)信息化融合，進(jìn)行礦山的中長(zhǎng)期開采進(jìn)度規(guī)劃和爆破位置設(shè)計(jì)，包括露天式開采和巷道式開采礦。該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，集成多個(gè)系統(tǒng)模塊，包括開采勘探設(shè)計(jì)，采礦方式計(jì)算，爆破位置設(shè)計(jì)，通風(fēng)排水設(shè)計(jì)，廢渣治理、災(zāi)害預(yù)警救援模塊等。特別是針對(duì)不同的采礦地質(zhì)環(huán)境，優(yōu)化采礦設(shè)計(jì)，以達(dá)到充分利用礦石資源，降低礦石的開采損失率和降低生產(chǎn)成本具有卓越意義，最終實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)的最大收益。

4.3 測(cè)量部分

以無人機(jī)航拍測(cè)繪、全站儀測(cè)量，激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)等各類測(cè)繪數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，自動(dòng)生成三維地形模型，采場(chǎng)表面模型，地下巷道坑道模型等；對(duì)于地質(zhì)工程數(shù)據(jù)化如鉆孔信息文件，則可以直接到如三維礦山建模軟件，例如Micromine 或3Dmine 軟件的三維GIS 環(huán)境，通過點(diǎn)線面文件構(gòu)建礦體及地下采礦工程信息的三維模型，并保存為數(shù)據(jù)庫(kù)形式方便管理。通過任意切割任意的表面和布爾運(yùn)算或表面與實(shí)體的相交情況，還可實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)算礦體儲(chǔ)量規(guī)模信息，礦體封閉的面積和體積，從而精確計(jì)算開采量，挖方量，填方量以及尾礦庫(kù)的計(jì)算信息。

4.4 3D GPS 監(jiān)控

主要利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS 信息對(duì)接，實(shí)現(xiàn)礦山設(shè)備在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度，以便更全面真實(shí)地了解開采施工情況；動(dòng)態(tài)觀測(cè)和監(jiān)控礦體開采分布數(shù)據(jù)；在遠(yuǎn)端大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以任意實(shí)時(shí)顯示各單位GPS 設(shè)備發(fā)送的定位信息，自動(dòng)展示并儲(chǔ)存各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行軌跡，包括實(shí)時(shí)查詢按不同類別分類的設(shè)備，當(dāng)前地質(zhì)傳感器的位置屬性信息。

基于3D GIS 監(jiān)控的礦產(chǎn)資源信息化處理和基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字化存儲(chǔ)管理與應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘測(cè)與采礦環(huán)節(jié)之間地質(zhì)資源信息的無縫流動(dòng)，為基于采礦軟件的采礦優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了地質(zhì)基礎(chǔ)保障。

5 結(jié)論

數(shù)字化礦山建設(shè)可以說是國(guó)家性戰(zhàn)略資源與安全體系的重要構(gòu)成部分，更是今后保證礦山資源生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要保障。數(shù)字化采礦建設(shè)是礦產(chǎn)資源長(zhǎng)期持續(xù)開發(fā)利用的重要基礎(chǔ)，也是破解礦產(chǎn)開采各種經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)保要求的不斷調(diào)高，綠色礦山是今后礦山建設(shè)的趨勢(shì)和目標(biāo)。數(shù)字化礦山的建設(shè)理念必須具有一定的前沿性和開放性，目前相應(yīng)的數(shù)字化礦山建設(shè)所需要的的軟硬件環(huán)境和各類設(shè)備選擇日趨豐富、技術(shù)也日益成熟，在今后的礦山建設(shè)中選擇經(jīng)濟(jì)有效的數(shù)字化礦山建設(shè)是完全可行和必要的。