淺析數(shù)字化礦山建設意義及關(guān)鍵技術(shù)

王方里，沈銘成

（1. 中陜核工業(yè)集團二一一大隊有限公司，陜西 西安 710024 ；2. 中陜核工業(yè)集團公司，陜西 西安 710100）

近年來，隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展和國家礦業(yè)政策管控的調(diào)整，我國礦山企業(yè)的經(jīng)濟形態(tài)和經(jīng)營狀況正在發(fā)生重大變化，信息化建設逐步完善。礦山機械設備、自動監(jiān)測設備、通信設備等各專業(yè)的工業(yè)軟件應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，國內(nèi)礦業(yè)企業(yè)總體信息化的水平還相對落后，特別是礦山數(shù)字化水平還相對較低，礦山企業(yè)的數(shù)字化改造建設大多還處于研究和試驗階段。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)達國家利用數(shù)字信息技術(shù)改造礦業(yè)已經(jīng)比較成熟，加拿大、美國、澳大利亞等礦業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)成功實現(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）是對整個真實礦山和相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一理解和數(shù)字表示，可以簡稱為“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)鍵是在同一的時間和空間坐標框架下對各類礦山信息進行科學合理的組織，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，遠程化，虛擬化，集約化，智能化的基礎(chǔ)上，通過計算機集成遠端控制系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)式管理，它的構(gòu)成考慮了生產(chǎn)，運營，管理，環(huán)境，資源，安全性和效率等多種因素。礦山企業(yè)應該在保證可持續(xù)發(fā)展的前提下，實現(xiàn)整體協(xié)調(diào)優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品競爭力和市場適應能力。數(shù)字化礦山建設的終極目的是實現(xiàn)礦山生產(chǎn)管理的集成自動化[1]。

1 數(shù)字化礦山建設的作用和意義

采礦企業(yè)的最大特點是他們面臨不確定，風險和多變的實物和市場環(huán)境。在這種情況下，對于企業(yè)來說，全面，系統(tǒng)，及時，準確地掌握內(nèi)部和外部信息，對環(huán)境，市場和自身（資源，條件和能力）的發(fā)展趨勢有清晰的了解，以及計劃和規(guī)劃無疑是非常重要的。及時有效地控制他們。這要求有一個完備的信息管理系統(tǒng)的支持，從而達到礦山企業(yè)生產(chǎn)管理流程的可視化和智能化。數(shù)字化礦山建設是企業(yè)管理者提高生產(chǎn)效率，最大化礦山企業(yè)利潤的強有力手段，首先最主要的應該是完成礦山企業(yè)的各類信息的收集融合數(shù)字化，搭建網(wǎng)絡傳輸平臺，構(gòu)建智能服務，通過自動化控制，遠程可視化顯示，按照標準化、集成化的要求，建設一個“安全，綠色，智能，高效”的新型現(xiàn)代化礦山企業(yè)。由此，對于礦山企業(yè)的信息化，總結(jié)有兩個關(guān)鍵點如下。

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。“數(shù)字礦山”必須是為了實現(xiàn)安全生產(chǎn)，確保生產(chǎn)和經(jīng)營活動穩(wěn)定的適當行為，圍繞地質(zhì)條件洞察信息，分析地質(zhì)活動規(guī)律，確保穩(wěn)定和實時危害監(jiān)測，有效實施安全計劃，事故處理和事故科學分析，為建設“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)和提取計劃的準備，設備和車輛的調(diào)度，設備的點檢和維護，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，在各個時期建立成本模型，科學地模擬，計劃，優(yōu)化和控制成本，為成本管理提供科學依據(jù)，是“數(shù)字礦山”建設的又一主線[2]。

2 數(shù)字化礦山建設的主要內(nèi)容

數(shù)字化礦山建設的主要內(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為標尺，以采礦科學，信息技術(shù)，人工AI智能和地質(zhì)統(tǒng)計學為理論基礎(chǔ)，并通過最新的礦山測繪和無線網(wǎng)絡技術(shù)，完成構(gòu)建生產(chǎn)活動中的礦山生產(chǎn)的三維模型，融合生產(chǎn)經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)和生產(chǎn)設備信息化數(shù)據(jù)。最終完成網(wǎng)絡化，數(shù)字化，可視化，集成化的遠程大數(shù)據(jù)平臺管理，確保礦山企業(yè)生產(chǎn)過程中安全，經(jīng)濟和綠色的生產(chǎn)狀態(tài)。數(shù)字化礦山建設的內(nèi)容應包括三個方面：

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)設計，采礦設計等信息，對應于這些信息的三維空間坐標，并建立了各種三維模型可以更直觀地顯示礦體和項目布局。

各個礦山生產(chǎn)單位和運營系統(tǒng)的數(shù)字化，達到自動化和智能遠程管理，例如地壓傳感器監(jiān)控系統(tǒng)，通風狀態(tài)監(jiān)控，車輛實時調(diào)度系統(tǒng)和人員遠程標記定位系統(tǒng)。

各個職能部門的信息管理數(shù)字化，例如電氣設備管理，勞動排班管理，生產(chǎn)計劃進度管理和決策支持系統(tǒng)的數(shù)字化實現(xiàn)和智能化管理。通過信息化、自動化和數(shù)字化這三個方面，該礦山將建成數(shù)字信息，智能管理，設備自動化，涵蓋時空多維綜合信息系統(tǒng)，實現(xiàn)科學的礦山管理和生產(chǎn)安全，效率，經(jīng)濟，促進礦業(yè)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 數(shù)字化礦山建設的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化礦山的關(guān)鍵技術(shù)重點應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)

礦山目標的數(shù)字化與可視化是對礦床形態(tài)的較為準確的描述。礦山地質(zhì)建模可視化技術(shù)主要來源于地勘工程與測繪工程的精確數(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)，通過建立先進的三維礦床模型，結(jié)合計算機軟件圖形技術(shù)，實現(xiàn)礦體的地下三維可視化，以采礦技術(shù)和經(jīng)濟指標分析為橋梁，逐步改善采礦規(guī)劃設計和生產(chǎn)組織管理，提供現(xiàn)代化的科學技術(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)合實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對巷道進行標準斷面設計，支護設計，開發(fā)設計，采礦審批設計，爆破防噴設計，采礦計劃編制，通風網(wǎng)絡設計，應急預案等工作。

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程的網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)的，對工作人員設備，礦山機械設備運行狀態(tài)控制，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)和遠程跟蹤定位系統(tǒng)進行實時的監(jiān)管和定位，由此達到數(shù)字化礦山建設的高標準建設。只有建立起功能良好的生產(chǎn)計劃和過程控制系統(tǒng)，才能在危險的工作場所實現(xiàn)遠程采礦和無人駕駛采礦。各種分布在不同位置的遠程傳感器通過無線網(wǎng)絡等平臺收集傳輸各類數(shù)據(jù)。采用4G 無線網(wǎng)絡技術(shù)，遠程電氣自動化智能控制和視頻采集監(jiān)控，完成對礦山采礦，運輸，通風，排水，選礦等各個環(huán)節(jié)的智能化，集中化控制。

3.4 礦山安全監(jiān)測預警系統(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，火災和大采空區(qū)塌陷。為此，必須要建立一個有效的安全監(jiān)測預警系統(tǒng)。

隨著礦山數(shù)字化技術(shù)的進步，礦山安全生產(chǎn)事故預警已從經(jīng)驗方法逐步發(fā)展到科學統(tǒng)計預警方法，例如遠程壓力傳感器，地質(zhì)雷達，應力監(jiān)測器，有害氣體傳感器，火災預警系統(tǒng)，無線射頻RFID 跟蹤系統(tǒng)，三維激光掃描測繪技術(shù)等。礦井綜合監(jiān)測系統(tǒng)，微振動監(jiān)測系統(tǒng)和衛(wèi)星定位GIS 系統(tǒng)在礦山安全生產(chǎn)預警預報中得到了良好的應用。

3.5 綜合通信技術(shù)

采用綜合通信技術(shù)，全面，快速，準確，實時地采集和傳輸?shù)叵颅h(huán)境指標，設備和人員的工作狀況信息，傳感器、壓力等設備運行參數(shù)和調(diào)度命令，并以4G+ 無線雙向傳輸?shù)哪Ｊ剑瑢崿F(xiàn)地下礦山設備與礦山生產(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)設備的遠程可視化監(jiān)控和記錄。

4 三維礦業(yè)軟件應用功能

4.1 地質(zhì)部分

通過建立擁有空間坐標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應的各類參數(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現(xiàn)的。相反，通過切割繪制的二維剖面與礦體界線，能夠驗證三維地質(zhì)與礦體模型的構(gòu)建是否恰當，通過在三維地質(zhì)建模中產(chǎn)生的各類信息反饋，不斷驗證礦體連接和三維模型構(gòu)建的合理性，不斷改進優(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)，為下一步找礦預測提供了可靠的三維地質(zhì)模型。三維地質(zhì)礦山建模和評估對于礦山生產(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，進一步利用計算機模擬礦山開采工程，結(jié)合其他關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)信息化融合，進行礦山的中長期開采進度規(guī)劃和爆破位置設計，包括露天式開采和巷道式開采礦。該系統(tǒng)標準通過標準化設計，集成多個系統(tǒng)模塊，包括開采勘探設計，采礦方式計算，爆破位置設計，通風排水設計，廢渣治理、災害預警救援模塊等。特別是針對不同的采礦地質(zhì)環(huán)境，優(yōu)化采礦設計，以達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，最終實現(xiàn)礦山企業(yè)的最大收益。

4.3 測量部分

以無人機航拍測繪、全站儀測量，激光雷達掃描數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)等各類測繪數(shù)據(jù)導入計算機系統(tǒng)，自動生成三維地形模型，采場表面模型，地下巷道坑道模型等；對于地質(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)庫形式方便管理。通過任意切割任意的表面和布爾運算或表面與實體的相交情況，還可實現(xiàn)精確的計算礦體儲量規(guī)模信息，礦體封閉的面積和體積，從而精確計算開采量，挖方量，填方量以及尾礦庫的計算信息。

4.4 3D GPS 監(jiān)控

主要利用遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路和實時動態(tài)GPS 信息對接，實現(xiàn)礦山設備在生產(chǎn)和運輸過程中的遠程實時監(jiān)控，并實現(xiàn)礦山生產(chǎn)設備的遠程實時現(xiàn)場調(diào)度，以便更全面真實地了解開采施工情況；動態(tài)觀測和監(jiān)控礦體開采分布數(shù)據(jù)；在遠端大數(shù)據(jù)平臺可以任意實時顯示各單位GPS 設備發(fā)送的定位信息，自動展示并儲存各個設備的運行軌跡，包括實時查詢按不同類別分類的設備，當前地質(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)絡傳輸?shù)臄?shù)字化存儲管理與應用，可以實現(xiàn)地質(zhì)勘測與采礦環(huán)節(jié)之間地質(zhì)資源信息的無縫流動，為基于采礦軟件的采礦優(yōu)化設計提供了地質(zhì)基礎(chǔ)保障。

5 結(jié)論

數(shù)字化礦山建設可以說是國家性戰(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)字化采礦建設是礦產(chǎn)資源長期持續(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、安全、環(huán)保風險的重要途徑。隨著經(jīng)濟發(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的趨勢和目標。數(shù)字化礦山的建設理念必須具有一定的前沿性和開放性，目前相應的數(shù)字化礦山建設所需要的的軟硬件環(huán)境和各類設備選擇日趨豐富、技術(shù)也日益成熟，在今后的礦山建設中選擇經(jīng)濟有效的數(shù)字化礦山建設是完全可行和必要的。