基于大數據的礦山智能精準開采技術研究

雷創杰

（神木縣隆德礦業有限責任公司，陜西 榆林 719300）

“互聯網+”、人工智能、大數據等顛覆性技術的發展，拉開了第四次工業革命的序幕，加快了傳統產業的轉型。德國提出了工業4.0，美國提出了智慧地球，中國提出了“中國制造2025”戰略，以發展智能制造、智能裝備、智能生產為主要內容。智能采礦符合國家戰略，是采礦工業發展的必然選擇。計算機網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監督管理機構網絡，與國家計委、經貿委、部委共享信息。省級礦山安全監督局和部分省級礦務局,礦業領域逐漸建立了大量的大型和小型計算機網絡和局域網,為了實現信息的開放和交流,實現更高層次的發展。管理信息平臺應用于各個領域。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展，大大提高了礦山開采效率和管理手段。保護監控、皮帶檢測、工業視頻、管理信息平臺的網絡化集成，大大增加了制造和管理工具[1]。如何在不破壞生態環境的基礎上實現可持續發展，最大限度地提高資源的開發利用效率，從而保證人類社會的經濟效益?近年來的礦山事故推動了數字礦山的發展和發展。經過多年的信息化建設，礦山已經建立并運行了一些相關的安全管理體系和監控體系，但現有的多個體系存在治理獨立、數據信息分散、利用效率低等問題[2]。因此，迫切需要建立一個數字礦山平臺，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 基于大數據的礦山智能精準開采技術研究

1.1 礦山智能精準開采流程

從資源評價與決策、礦山規劃與設計到礦山生產與安全管理，始終將現代科技成果貫徹落實并融入礦山精準開采的全過程，真正實現現代化礦山開采。精密采礦從下到上依次為基礎數據層、模型層、仿真優化層、設計層、執行控制層和管理層，如下圖所示。

圖1 精密采礦流程圖

結合礦產資源開發現狀和長期需求，精準開采分兩步實施：第一步是實現與地面和地下相結合的遠程控制精確采礦，即作業人員在監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;第二步是實現智能(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對地面的智能化、自動化、信息化和可視化遠程控制，實現采礦量大(無人)、精準、智能感知和智能監測、預警和災害預防。

1.2 智能精準開采的大數據處理設計

數字礦山基礎信息平臺所需要的接口規范是采集各個礦山業務平臺的空間信息、屬性等基礎信息，需要進行標準化、集成化管理。整個生產平臺的實現過程包括隧道設備平臺、通風設備平臺、供電設備平臺、皮帶監控設備平臺;開采對象包括井巷、地質體、機械設施、原件、資源等要素。基礎數據是以地質、測繪、測孔、測試和管理等詳細信息數據為基礎的。

在基礎數據分層劃分、對象挖掘和生產平臺的基礎上，對基礎數據和信息進行全面、深入的管理和操作，尋求對象管理中的各種分析算法。整個過程實現后，即可實現礦山數據庫的數字化。二維、三維空間模型的研究與開發離不開該數據庫和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構等主流技術的計算機軟件平臺二次開發API，通過以上可以完成數字礦山應用開發結構。根據這種結構融合的實際要求來開展高安全性、高效率的生產等應用平臺。將采礦空間數據中心應用于基于三維坐標的礦區范圍，實現井與礦之間的基本地理空間信息共享。它涵蓋了礦層、地層、地質構造與地質類型、巷道與機械設施、采礦原料與零件、井或巷道或地面的采礦、運輸與通信生產平臺的空間位置與拓撲關系。

根據礦山安全生產數據的規定，安全監測數據必須與GIS信息相結合。數字礦山采用虛擬現實技術，創建三維模型數據庫。在三維礦山三維源庫中，采用關聯和拓撲的形式對相互關聯的源進行連接和組合。主要包括拓撲、挖掘數據信息的收集和利用和處理解決問題,或預測未來等。

數據挖掘主要利用工程技術和人工智能技術，在擁有大量信息的數據庫中，根據用戶需求查詢相關數據并獲取管理決策和執行信息，創建各種物理工程、采礦、生產、應用模型的管理和運行。數字礦山的海量信息可以方便沒有經驗和培訓的客戶使用和共享。數字化礦山基礎信息平臺必須與礦山基礎信息的關系數據庫管理保持一致。平臺的基本硬件結構如下圖所示。

圖2 數字礦山硬件基本構成

三維基礎數據及業務環境其中包括VR(虛擬現實)、3DGM(三維地球科學模型)和虛擬儀器、MGIS(礦山GIS)。根據不同的應用，礦企創建了多個用戶層次，擁有多功能的礦山開采實用軟件和控制內容，因而擁有大量的數據和模型。同時，利用三維地球科學仿真構建數據和虛擬模型。在三維地質模型的基礎上，綜合收集地理位置信息和采礦設計數據，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，通過虛擬數字化實現礦山海量數據信息、拓撲信息和特征數據信息。利用VR(虛擬現實)和計算機網絡技術，嵌入式虛擬儀器，各種專業實用模型，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，通風網絡預算，瓦斯組織模型，涌水測量等。工作視圖環境和業務操作流程可以反映整個OA和CDS的集成。高安全性能體現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，即三維空間網絡QoS，提高實用性和協調性;二是軟件平臺，包括身份一致認證、管理、秘密保護、審計和監控等部分。數據層、業務層和業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構，每一層結構承載不同的服務和內容，甚至每一層按照一定的規則相互協調、交替影響。這三個層次貫穿著四級網絡平臺。通過各業務管理層次之間的平衡和協調，形成了三個具有不同績效和特點的平臺。業務管理層覆蓋網絡數據層，對數據中心的信息進行查看和復查。礦務局二級網絡將專家支持和決策調整組成的信息傳遞到網絡數據層。

2 測試

2.1 傳統采集方法測試

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

表1 2018半年礦石統計表

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

表2 2019半年礦石統計表

依據上表可知，應用傳統礦石開采方式，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值偏高。

2.2 智能精準開采方法測試

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

表3 2020半年礦石統計表

依據上表可知，應用精準開采礦石方式，礦石回采率指標比傳統開采方式高出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，但是比傳統開采方式高出一個百分點。礦石貧化率方面比傳統開采方式低了兩個百分點。所以，應用數字化精準開采能夠有效提高礦山的開采效率。

3 結語

經過近幾年的發展，我國能源開采的信息化建設取得了初步成效。六套安全規避系統、高速通信網絡、數字礦山關鍵技術研究與示范等基礎設施基本建成。但仍存在缺乏整體產業規劃、缺乏大數據分析和利用、統一監控與監控集成平臺、自動控制等關鍵技術薄弱等問題。某礦是以三維綜合管理平臺、安全生產控制平臺和三維可視化遠程監控平臺為框架，以信息數字化、生產過程虛擬化、管控集成、決策集成為基礎的示范項目。這對于促進我國數字礦山的發展具有一定的意義。隨著技術的進步和管理理念的創新，在已有成果的基礎上，有必要對大數據私有云、大型礦山設備健康診斷技術、礦山仿真系統、高性能礦山設備等基礎支撐技術進行進一步研究。數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，真正實現建設安全、高效、綠色、低耗、可持續發展的生態礦山的目標，提升我國數字礦山建設水平。