中小型礦企數字化發展的摸索

田 鵬

(湖南宏業石膏礦業有限公司，湖南 常德市 415300)

1 中小礦山數字化發展歷程

1.1 我國中小型礦山發展現狀

截至2012年，我國共有非油氣持證礦山企業103795個，其中，大型礦山企業3913個，中型礦山企業5563個，小型礦山企業52543個，小礦(規模不超過小型礦山企業生產規模上限1/10的礦山企業)41776個[1]。

中小型礦山占據了我國礦山企業的大多數，在我國礦業生產中舉足輕重。這是因為我國礦產資源分布不平衡，大中型礦床少，小型礦床多，還有許多薄礦層、雞窩礦、構造復雜的小礦體和邊角礦，這些礦體由于礦床地質構造復雜、儲量小、礦層薄、品位低、礦體零散分布、開采難度大、成本高、無法進行機械化開采[2]。

如何開發利用好這些邊緣零星的、寶貴的、不可再生的礦產資源？這一重要責任不可避免地落在了中小型礦山身上，一方面有利于礦產資源的充分有效利用，另一方面為農村安排剩余勞動力，給農民脫貧致富、就地就業提供了出路。

1.2 國家政策

黨的十九大報告明確指出，毫不動搖鼓勵、支持、引導非公有制經濟發展，使市場在資源配置中起決定性作用，更好發揮政府作用，推動新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化同步發展，主動參與和推動經濟全球化進程，發展更高層次的開放型經濟，不斷壯大我國經濟實力和綜合國力。

由此可見，采礦行業正在由經驗型、傳統型向科學型、定量分析與處理、 自動化控制方向發展，對于中小型礦山而言，通過技術改革達到國家政策的硬性指標，成為其能否繼續生存的關鍵，同時，對于有能力的礦山，應當進一步提高生產效率，由機械化向自動化、智能化發展，進行科學化管理，提高資源和設備的綜合利用率、降低能耗、提高生產安全性、降低生產成本、實現利潤最大化的根本目的。

1.3 數字礦山的發展情況

“數字礦山”的概念最早于1999 年首屆“國際數字地球 ”大會上被提出，此后，眾多礦業發達國家紛紛利用信息技術來改造和提升本國采礦業，先后制定了“智能化礦山”或“無人化礦山”的發展規劃，例如： 加拿大已制訂出一項擬在2050 年實現的規劃，將加拿大北部邊遠地區的一個礦山實現為無人礦井，從薩得伯里通過衛星操縱礦山的所有設備實現機械自動破碎和自動切割采礦；芬蘭采礦行業宣布了自己的智能采礦技術方案；瑞典也制定了向礦山自動化進軍的“Grountecknik 2000”戰略計劃，不僅變革了傳統礦業沿襲百年的生產工藝和組織管理模式,而且極大地提高了礦山企業的生產效率和安全水平[3-6]。

現在，遙控采礦、無人工作面甚至無人礦井等已在加拿大、瑞典、美國、智利、澳大利亞等國成為現實。智利的Teniente 銅礦，其自動化采礦示范采區只有兩人在地表控制室操縱井下的智能設備，日出礦達1萬t。加拿大國際鎳公司實現了從400 km 以外的多倫多對地下鎳礦的采、掘、運活動進行遠距離控制。自動化采礦徹底解決了礦山生產的安全問題，極大地提高了勞動生產率，降低了生產成本，提高了設備工時利用率，大大降低了能耗，也會使礦工的社會地位發生根本性的轉變[6-9]。

有研究者將數字化礦山分為3個層次： 第一個層次是礦山數字化信息系統，這是初級階段；第二個階段是虛擬礦山，就是說，把真實礦山的整體以及和它相關的現象都能夠集成起來，通過數字化體現出來，借此來了解整個礦山的動態運作情況；第三個階段就是遠程遙控和自動化采礦[9]。

對于中小型礦山而言，是不可能一步到位直接實現遠程遙控和自動化采礦的，一方面資金投入難以達到要求，另一方面各類專業技術人才嚴重不足，也正是由于這個原因，實現礦山數字化變得極為重要，通過多維可視化、數據挖掘技術與虛擬現實技術，使礦山圖紙由二維向三維轉變，一目了然將巷道的空間組成和結構表現出來，很好的展示了巷道之間、地表建筑之間的相互關系，可以使礦山管理人員快速的了解工作面現場的情況；有利于地下采空區規模、分布特征、穩定性情況調查和分析；有利于加快新員工對礦山地下情況的熟悉，在安全培訓中可以做到形象的展示；亦可以使周邊百姓以及政府官員直觀的了解到采空區的情況，更好的對中小型礦山進行管理。

目前，國內國外專業的礦業軟件很多[10-11]，但是，大多價格不菲、操作復雜，這對中小型礦山來說，成本過高，而且沒有專業的軟件工程師，后期維護難度大。美國的Auto CAD 在我國的市場占有率高、功能強大、技術成熟、可以很容易的獲取到，本文為了降低操作復雜程度，沒有使用二次開發工具，而是通過新版Auto CAD 中的強大功能實現三維建模，雖然降低了精度和準確性，但是，所涉及到的操作都很簡單基礎，即使從來沒有接觸過Auto CAD的人，通過短期培訓也能夠達到所需的技術要求，考慮到許多中小型礦山基礎地質資料不全和技術力量薄弱的現狀，基于《礦山資源儲量核實報告》和《礦山儲量年報》等資料，進行塊段建模，難度小、投入少、見效快、簡單實用，可以有效的解決一些采礦過程中遇到的問題，也為以后由CAD礦圖向GIS礦圖的發展打下堅實的基礎。

2 Auto CAD在宏業礦的應用

2.1 宏業礦情況簡介

湖南宏業石膏礦業有限公司是一家集石膏開采、深加工、銷售于一體的礦山企業，公司旗下的宏業石膏礦距石門縣城約30 km，最高峰為100 m，石膏礦層呈層狀、似層狀產于第三系古新統中，房柱法開采，礦山水文地質條件簡單、工程地質條件中等，環境地質條件簡單。

2.2 數字化建設過程

2.2.1 地表數字化

將《礦山資源儲量核實報告》中的資源儲量估算圖用掃描儀掃描成JPEG格式，作為光柵圖像參照插入到Auto CAD 2018中,將圖像校正后，調整到合適的比例，建立圖層，矢量化地形底圖，進行放樣，使地表地形三維可視化，然后通過面域、拉伸等命令繪制出其余的地物(見圖1)。

圖1 地表數字化

2.2.2 礦層及井巷工程數字化

關閉地表圖層后，建立一組新的圖層，將資源儲量估算圖上的底板等高線矢量化，通過放樣，繪制出礦區底板圖。

將資源儲量估算圖中各個儲量資源估算塊段進行矢量化，按照各個塊段在資源儲量估算圖上給定的平均厚度繪制出頂板圖。

將資源儲量估算圖中的巷道、車場、采空區等井巷工程矢量化，通過面域、拉升、剖切等一系列命令繪制出地下井巷工程(見圖2)。

圖2 礦層及井巷工程數字化

2.2.3 后期修正

檢查繪制出的礦山模型有無錯誤，按照實際情況對模型進行修改，使模型與現實更加吻合(見圖3)。

2.3 應用效果

2.3.1 直觀性

很多中小型礦山位于村鎮中，許多礦工也是從周圍村鎮招收的，在對這些礦工進行培訓時，利用礦山數字化的成果，可以極大地降低教學成本，提高教學效果，使平面的礦圖立體化，就像從二維電影發展成3D電影，直觀性的提高可以使員工快速的了解井巷情況，熟悉避災路線。老技術人員，可以加深對礦井三維結構的了解，新技術人員，可以更加容易的建立起井下采掘工程的三維概念。

在處理礦群工作時，由于群眾大多看不懂礦圖，借助礦山數字化模型，可以讓周邊群眾很容易了解礦山當前開采情況，采空區形狀和位置，礦山未來開采計劃，對構建和諧礦區極為有利(見圖4)。

政府部門來檢查工作或礦領導在向公司匯報工作時，結合礦山數字化模型演示，展示井下情況，形象生動，效果好。

圖3 后期修正

圖4 井上井下對照

2.3.2 效率性

傳統的手工繪圖速度慢、出圖周期長、工作量大、成圖后難以修改，礦山數字化則解決了這些問題，尤其是對于重復性內容，成圖出圖速度極大提高，修改亦很便捷，可以隨意調整比例，方便的進行方案比選，短時間內完成多種礦圖的設計、修改、成圖，進行模擬開采和開采方案的設計與優化。

2.3.3 經濟性

礦山的數字化建設全部通過計算機完成，擺脫了手工制圖所需要種種耗材，縮短了成圖時間，降低了工作強度，提高了準確率，低碳環保，綜合成本低，對應的經濟效益也明顯提高。

利用數字礦山可以對新方法、新工藝進行模擬，以對新方法、新工藝的效果進行評估，減少直接將新方法、新工藝用于礦山生產所帶來的損失，規避了決策的風險。

2.3.4 準確性

在廣大中小型礦山中，技術人員十分缺乏，能看懂礦圖的人不多，而且，需要靠想象來建立采區井巷工程的空間位置，既不準確，也容易出錯，尤其是在地質條件復雜，井巷工程繁雜的地段，對讀圖者的空間想象力要求很高。

礦山數字化使二維礦圖三維化,各采掘工程之間的位置關系形象、準確，使技術人員能夠更好更準確地了解井下巷道的空間布局，避免了通過主觀想象所帶來的各種問題；有利于高效進行井巷設計，增加工作效率，降低決策成本，提高決策和管理科學化水平；交接班或進行班前會議時，可以使礦工們更好地明白巷道現場，有利于布置任務(見圖5)。

利用《礦山儲量年報》等資料，進行塊段建模，通過實時更新數據，可以準確地了解礦山儲量變化，更好地為企業決策提供依據。

圖5 局部采區

2.3.5 便捷性

原有的紙質資料利用率低、容易污損，礦山數字化后，使得礦圖資料的復制、交流、利用變得更加方便，但也給資料的管理帶來了新的問題，既要防止數字化資料因隨意拷貝、誤操作、黑客、病毒等造成企業資料外泄，更要時刻保持更新，與礦山最新開采狀況保持動態一致。

3 結 論

數字礦山是未來礦山的發展方向，雖然對中小礦山目前產生的影響并不明顯，但是潛力巨大，因此，宏業石膏礦積極利用信息化的手段，實現了礦圖數字化、可視化、三維化，對提高礦山的生產效率、經營效益和采空區管理具有積極意義，為礦領導決策提供了更加科學準確的依據，提高了管理效率，對企業實現信息化管理帶來積極的影響。為其他中小型礦山數字化建設提供了經驗 ，對以后全面建設數字化礦山具有重要意義。