基于大數(shù)據(jù)的礦山智能精準開采技術(shù)研究

雷創(chuàng)杰

（神木縣隆德礦業(yè)有限責任公司，陜西 榆林 719300）

“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能、大數(shù)據(jù)等顛覆性技術(shù)的發(fā)展，拉開了第四次工業(yè)革命的序幕，加快了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。德國提出了工業(yè)4.0，美國提出了智慧地球，中國提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，以發(fā)展智能制造、智能裝備、智能生產(chǎn)為主要內(nèi)容。智能采礦符合國家戰(zhàn)略，是采礦工業(yè)發(fā)展的必然選擇。計算機網(wǎng)絡及其實際應用受到人們的重視。建立和運行國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理機構(gòu)網(wǎng)絡，與國家計委、經(jīng)貿(mào)委、部委共享信息。省級礦山安全監(jiān)督局和部分省級礦務局,礦業(yè)領(lǐng)域逐漸建立了大量的大型和小型計算機網(wǎng)絡和局域網(wǎng),為了實現(xiàn)信息的開放和交流,實現(xiàn)更高層次的發(fā)展。管理信息平臺應用于各個領(lǐng)域。例如，安全管理信息平臺、礦山計劃管理信息平臺、人事管理信息平臺、財務管理信息平臺、地勘管理信息平臺、ERP等都取得了較高的平臺性發(fā)展，大大提高了礦山開采效率和管理手段。保護監(jiān)控、皮帶檢測、工業(yè)視頻、管理信息平臺的網(wǎng)絡化集成，大大增加了制造和管理工具[1]。如何在不破壞生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，最大限度地提高資源的開發(fā)利用效率，從而保證人類社會的經(jīng)濟效益?近年來的礦山事故推動了數(shù)字礦山的發(fā)展和發(fā)展。經(jīng)過多年的信息化建設，礦山已經(jīng)建立并運行了一些相關(guān)的安全管理體系和監(jiān)控體系，但現(xiàn)有的多個體系存在治理獨立、數(shù)據(jù)信息分散、利用效率低等問題[2]。因此，迫切需要建立一個數(shù)字礦山平臺，整合礦山平臺之間的信息資源，從而提高管理平臺的效率。

1 基于大數(shù)據(jù)的礦山智能精準開采技術(shù)研究

1.1 礦山智能精準開采流程

從資源評價與決策、礦山規(guī)劃與設計到礦山生產(chǎn)與安全管理，始終將現(xiàn)代科技成果貫徹落實并融入礦山精準開采的全過程，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化礦山開采。精密采礦從下到上依次為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、模型層、仿真優(yōu)化層、設計層、執(zhí)行控制層和管理層，如下圖所示。

圖1 精密采礦流程圖

結(jié)合礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀和長期需求，精準開采分兩步實施：第一步是實現(xiàn)與地面和地下相結(jié)合的遠程控制精確采礦，即作業(yè)人員在監(jiān)控中心遠程干預遠程控制設置和操作，采礦工作面無人作業(yè);第二步是實現(xiàn)智能(無人)精準采礦，即采礦機、液壓支架等設備的自動智能操作和慣性導航。精準采礦將最終實現(xiàn)對地面的智能化、自動化、信息化和可視化遠程控制，實現(xiàn)采礦量大(無人)、精準、智能感知和智能監(jiān)測、預警和災害預防。

1.2 智能精準開采的大數(shù)據(jù)處理設計

數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺所需要的接口規(guī)范是采集各個礦山業(yè)務平臺的空間信息、屬性等基礎(chǔ)信息，需要進行標準化、集成化管理。整個生產(chǎn)平臺的實現(xiàn)過程包括隧道設備平臺、通風設備平臺、供電設備平臺、皮帶監(jiān)控設備平臺;開采對象包括井巷、地質(zhì)體、機械設施、原件、資源等要素?；A(chǔ)數(shù)據(jù)是以地質(zhì)、測繪、測孔、測試和管理等詳細信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分層劃分、對象挖掘和生產(chǎn)平臺的基礎(chǔ)上，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息進行全面、深入的管理和操作，尋求對象管理中的各種分析算法。整個過程實現(xiàn)后，即可實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)庫的數(shù)字化。二維、三維空間模型的研究與開發(fā)離不開該數(shù)據(jù)庫和3DGIS可視化平臺的應用。利用3DGIS平臺支持深化礦山引擎可視化，建立基于軟件服務和軟件結(jié)構(gòu)等主流技術(shù)的計算機軟件平臺二次開發(fā)API，通過以上可以完成數(shù)字礦山應用開發(fā)結(jié)構(gòu)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)融合的實際要求來開展高安全性、高效率的生產(chǎn)等應用平臺。將采礦空間數(shù)據(jù)中心應用于基于三維坐標的礦區(qū)范圍，實現(xiàn)井與礦之間的基本地理空間信息共享。它涵蓋了礦層、地層、地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)類型、巷道與機械設施、采礦原料與零件、井或巷道或地面的采礦、運輸與通信生產(chǎn)平臺的空間位置與拓撲關(guān)系。

根據(jù)礦山安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的規(guī)定，安全監(jiān)測數(shù)據(jù)必須與GIS信息相結(jié)合。數(shù)字礦山采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，創(chuàng)建三維模型數(shù)據(jù)庫。在三維礦山三維源庫中，采用關(guān)聯(lián)和拓撲的形式對相互關(guān)聯(lián)的源進行連接和組合。主要包括拓撲、挖掘數(shù)據(jù)信息的收集和利用和處理解決問題,或預測未來等。

數(shù)據(jù)挖掘主要利用工程技術(shù)和人工智能技術(shù)，在擁有大量信息的數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)用戶需求查詢相關(guān)數(shù)據(jù)并獲取管理決策和執(zhí)行信息，創(chuàng)建各種物理工程、采礦、生產(chǎn)、應用模型的管理和運行。數(shù)字礦山的海量信息可以方便沒有經(jīng)驗和培訓的客戶使用和共享。數(shù)字化礦山基礎(chǔ)信息平臺必須與礦山基礎(chǔ)信息的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理保持一致。平臺的基本硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖2 數(shù)字礦山硬件基本構(gòu)成

三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及業(yè)務環(huán)境其中包括VR(虛擬現(xiàn)實)、3DGM(三維地球科學模型)和虛擬儀器、MGIS(礦山GIS)。根據(jù)不同的應用，礦企創(chuàng)建了多個用戶層次，擁有多功能的礦山開采實用軟件和控制內(nèi)容，因而擁有大量的數(shù)據(jù)和模型。同時，利用三維地球科學仿真構(gòu)建數(shù)據(jù)和虛擬模型。在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，綜合收集地理位置信息和采礦設計數(shù)據(jù)，設計了礦山、礦體和回采巷道。采用采礦矢量門集成真三維模型庫，通過虛擬數(shù)字化實現(xiàn)礦山海量數(shù)據(jù)信息、拓撲信息和特征數(shù)據(jù)信息。利用VR(虛擬現(xiàn)實)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)，嵌入式虛擬儀器，各種專業(yè)實用模型，開采沉陷計算，開采沉陷預測，頂板冒落計算，圍巖移動模型，庫容測量，通風網(wǎng)絡預算，瓦斯組織模型，涌水測量等。工作視圖環(huán)境和業(yè)務操作流程可以反映整個OA和CDS的集成。高安全性能體現(xiàn)了整個應用軟件平臺的安全體系。整個平臺的安全運行包括:一是硬件平臺，即三維空間網(wǎng)絡QoS，提高實用性和協(xié)調(diào)性;二是軟件平臺，包括身份一致認證、管理、秘密保護、審計和監(jiān)控等部分。數(shù)據(jù)層、業(yè)務層和業(yè)務管理是應用程序處理過程的三個主要層次。整個平臺采用多層結(jié)構(gòu)，每一層結(jié)構(gòu)承載不同的服務和內(nèi)容，甚至每一層按照一定的規(guī)則相互協(xié)調(diào)、交替影響。這三個層次貫穿著四級網(wǎng)絡平臺。通過各業(yè)務管理層次之間的平衡和協(xié)調(diào)，形成了三個具有不同績效和特點的平臺。業(yè)務管理層覆蓋網(wǎng)絡數(shù)據(jù)層，對數(shù)據(jù)中心的信息進行查看和復查。礦務局二級網(wǎng)絡將專家支持和決策調(diào)整組成的信息傳遞到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)層。

2 測試

2.1 傳統(tǒng)采集方法測試

應用傳統(tǒng)開礦采集方式，2018半年礦石回采率指標、礦石貧化率和礦石采出總品位統(tǒng)計見下表。

表1 2018半年礦石統(tǒng)計表

應用傳統(tǒng)開礦采集方式，2019半年礦石回采率指標、礦石貧化率和礦石采出總品位統(tǒng)計見下表。

表2 2019半年礦石統(tǒng)計表

依據(jù)上表可知，應用傳統(tǒng)礦石開采方式，礦石回采率指標、礦石采出總品位的半年平均值都為達到考核值。礦石貧化率雖在標準以下但是數(shù)值偏高。

2.2 智能精準開采方法測試

應用傳統(tǒng)開礦采集方式，2020半年礦石回采率指標、礦石貧化率和礦石采出總品位統(tǒng)計見下表。

表3 2020半年礦石統(tǒng)計表

依據(jù)上表可知，應用精準開采礦石方式，礦石回采率指標比傳統(tǒng)開采方式高出3個百分點，并且超過考核值。礦石采出總品位雖未達到考核標準，但是比傳統(tǒng)開采方式高出一個百分點。礦石貧化率方面比傳統(tǒng)開采方式低了兩個百分點。所以，應用數(shù)字化精準開采能夠有效提高礦山的開采效率。

3 結(jié)語

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，我國能源開采的信息化建設取得了初步成效。六套安全規(guī)避系統(tǒng)、高速通信網(wǎng)絡、數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)研究與示范等基礎(chǔ)設施基本建成。但仍存在缺乏整體產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、缺乏大數(shù)據(jù)分析和利用、統(tǒng)一監(jiān)控與監(jiān)控集成平臺、自動控制等關(guān)鍵技術(shù)薄弱等問題。某礦是以三維綜合管理平臺、安全生產(chǎn)控制平臺和三維可視化遠程監(jiān)控平臺為框架，以信息數(shù)字化、生產(chǎn)過程虛擬化、管控集成、決策集成為基礎(chǔ)的示范項目。這對于促進我國數(shù)字礦山的發(fā)展具有一定的意義。隨著技術(shù)的進步和管理理念的創(chuàng)新，在已有成果的基礎(chǔ)上，有必要對大數(shù)據(jù)私有云、大型礦山設備健康診斷技術(shù)、礦山仿真系統(tǒng)、高性能礦山設備等基礎(chǔ)支撐技術(shù)進行進一步研究。數(shù)字礦山以識別礦山安全隱患判斷感知礦山，并將少采礦或無人采礦的智能化礦山向前推進，真正實現(xiàn)建設安全、高效、綠色、低耗、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)礦山的目標，提升我國數(shù)字礦山建設水平。