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，我國每年產(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能源消耗總量的60%都是煤炭資源。為了能進一步提升我國煤炭資源開采應(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)得到了國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)同，學(xué)術(shù)界對智能采礦技術(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)需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、場景和沉浸式可視化，應(yīng)該基于仿真和采礦理論模型實現(xiàn)對設(shè)計、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，在當(dāng)前的可視化礦山建設(shè)環(huán)節(jié)存在以下問題：

首先，現(xiàn)有三維立體模型具備局限性。改模型并不能實現(xiàn)完全可視化，只能提供局部真實性可視化以及示意性可視化，所以其應(yīng)用教學(xué)意義大于實踐開采模擬意義，無法真正地為煤礦開采生產(chǎn)進行有效指導(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景的可視化和無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達(dá)成。而且，模擬仿真可視化的真實化水平較低，展現(xiàn)方式也十分單一，并不能達(dá)成人機交互可視化。

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)備在進行特定問題判斷時無法基于專家系統(tǒng)支持作業(yè)，而且其數(shù)據(jù)采集和動態(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)，需要通過完成體系化的可視化建設(shè)和信息管理服務(wù)來滿足智慧采礦要求。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、場景可視化和沉浸式可視化為發(fā)展方向；在作業(yè)時，需分別構(gòu)建大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、場景數(shù)據(jù)庫和漫游數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)對文檔、關(guān)系型數(shù)據(jù)，三圍模型、機械設(shè)備模型數(shù)據(jù)，開拓回采運輸場景、應(yīng)急調(diào)度場景以及主動、被動漫游的有效記錄，并基于集成化操作平臺實現(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)集多項先進的技術(shù)于一體，先進技術(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)是可視化功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，其具體實現(xiàn)過程為將子單元和結(jié)構(gòu)定義為塊模型，然后通過三維技術(shù)的應(yīng)用，存儲和計算礦井空間數(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]。針對礦井開采過程中的液氣形態(tài)，可以使用軟件中自帶的渲染功能，增強氣體的視覺表現(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。同時還能對動態(tài)化的開采過程進行模擬，從而為技術(shù)人員設(shè)計科學(xué)開采方案創(chuàng)造有利的條件。基于三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，就可創(chuàng)造可視化開采模型，進而實現(xiàn)對煤礦開采過程的可視化模擬，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，工作人員可以通過觀察模型，掌握過空巷、過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)性問題必須經(jīng)過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)域和層次對引起礦山開采問題的原因進行分析通過權(quán)重劃分和理論支撐展現(xiàn)針對性的解決方案。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)開采過程中的作業(yè)參數(shù)，并在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中通過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)需要添加動態(tài)處理技術(shù)，借助于大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全面性收集和處理，讓三維建模和支護設(shè)計、應(yīng)急數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實用性得到提升；同時，還應(yīng)以數(shù)據(jù)網(wǎng)格化和融合的方式，實現(xiàn)情境化的數(shù)據(jù)管理，進而保證系統(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)具備實現(xiàn)煤礦開采全過程調(diào)配的能力，可根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造差異，實現(xiàn)對通風(fēng)阻力的調(diào)節(jié)、單日產(chǎn)煤量和運輸力的調(diào)控以及支架阻力閾值的調(diào)控，進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)險識別和預(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)險識別和預(yù)警技術(shù)不可或缺。由于煤礦開采的干擾因素過多，所以其風(fēng)險源的種類也十分多樣，為了有效地開展風(fēng)險防控和安全保護工作，必須要借助于各種監(jiān)測和監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行全面監(jiān)控。比如，紅外線成像儀、通風(fēng)監(jiān)測設(shè)備或瓦斯粉塵監(jiān)測設(shè)備等。不僅如此，相關(guān)工作人員還應(yīng)該為有效防控危險源而制定明確的安全管理標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)。比如，制定采礦空間溫度場、應(yīng)力場、電磁場等指標(biāo)，實現(xiàn)對采場數(shù)據(jù)的深度挖掘和把控，理順彼此關(guān)系。同時，還要基于大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，有效開展數(shù)據(jù)處理，為識別風(fēng)險及時預(yù)警奠定基礎(chǔ)。

2.5 數(shù)字化集成操作平臺

建設(shè)可視化礦山的根本目的是實現(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。而在實踐工作環(huán)節(jié)，需要開采環(huán)節(jié)各項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，以便于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的有效收集、儲存、處理和推送，完成對綜合調(diào)度和監(jiān)控，及時接受安全警報并制定有針對性地解決方案。此時，技術(shù)人員應(yīng)該基于安全性和可靠性原則設(shè)計數(shù)字化集成操作平臺，確保平臺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)，借助于國內(nèi)外優(yōu)秀廠商的先進經(jīng)驗和成熟的軟硬件支撐平臺，構(gòu)建可視化礦山的數(shù)字化集成操作平臺[3]。此外，建立數(shù)字化集成操作平臺的過程中，需要增強系統(tǒng)的可擴展能力，為保證系統(tǒng)的后期開發(fā)和功能革新提供便利條件，通過增加系統(tǒng)適配度和適應(yīng)性來為數(shù)字化礦山的有效構(gòu)建提供保障。

3 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)階段的可視化礦山建設(shè)環(huán)節(jié)，存在并不能實現(xiàn)完全可視化，其仿真模擬的可視化模型智能實現(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)該加強對三維立體礦井仿真模型技術(shù)、專家決策、動態(tài)處理、數(shù)字化集成操作和危險預(yù)警識別等關(guān)鍵性技術(shù)的應(yīng)用，切實提升可視化礦山的建設(shè)質(zhì)量和效率。