基于3DMine的露天采礦設(shè)計

費(fèi)聿鵬

摘要：文章主要是分析了基于3DMine的露天采礦設(shè)計的重要性露，在此基礎(chǔ)上講解了其中存在的一些問題，最后探討了開拓系統(tǒng)的綜合應(yīng)用情況，望可以為有關(guān)人員提供到一定的參考和幫助。

關(guān)鍵字：露天礦山;開拓系統(tǒng);無人機(jī)航測

1、前言

露天采礦工程本質(zhì)上是一項(xiàng)大規(guī)模的地面剝離施工，工作空間開闊，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本低，易于實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量、高精度定位技術(shù)的通信傳輸技術(shù)。露天礦具有無可比擬的優(yōu)勢。分析了智能外包礦山的發(fā)展趨勢，明確了未來的發(fā)展方向，總結(jié)了當(dāng)前規(guī)劃中存在的核心問題，并提出了建設(shè)性的解決方案，對我國露天礦山科技的發(fā)展和進(jìn)步起到了重要的促進(jìn)作用。

2、我國露天煤礦智能化發(fā)展中面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

2.1中國露天煤礦規(guī)模概述

近年來，露天煤炭產(chǎn)量保持了較好的增長，全國煤炭總產(chǎn)量穩(wěn)步上升。2003年全國露天煤炭產(chǎn)量僅為8億噸，隨著采礦技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，2016年全國露天煤炭產(chǎn)量已達(dá)72億噸，占全國煤炭產(chǎn)量的比例達(dá)到21.4%。截至2018年，全國439座露天煤礦年總產(chǎn)能約92.2億噸，60%以上的露天煤礦產(chǎn)能來自40多座高效、綠色、安全、環(huán)保的大型特大露天煤礦。目前，我國煤炭開采的露天開采水平不斷提高，而且生產(chǎn)規(guī)模和數(shù)量已經(jīng)非常龐大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過澳大利亞的世界先進(jìn)國家（如美國和中國2017年的開源煤炭產(chǎn)量約為45億噸[2]，澳大利亞2016年的開源煤炭產(chǎn)量約為42億噸[3-4]）。

2.2中國露天煤礦智能化發(fā)展現(xiàn)狀

自1999年第一屆國際數(shù)字地球大會提出“數(shù)字礦山”概念以來，大型露天煤礦以安全生產(chǎn)、降低成本和提高效率兩條主線，逐步擴(kuò)大了數(shù)字礦山電腦化建設(shè)活動，代表性的信息建設(shè)計劃示例是hannoh itoshi openmine，它是一個大型礦山，如Jinka quasi-Noh集團(tuán)（黑田溝，Halu）和Chuko hiraku集團(tuán)（安妮塔屏障，yasuya ridge，東東洋礦）。該礦的建設(shè)工作基于基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)平臺、礦石模型和輔助優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)控系統(tǒng)（如GPS車輛智能調(diào)度管理系統(tǒng)）的建設(shè)。逐步形成了礦山MIS（信息管理）/ERP（企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)等一系列數(shù)字礦山建設(shè)。數(shù)字化設(shè)計工具的普及程度、重要工序的數(shù)字化控制率、礦山生產(chǎn)管理的自動化程度都有所提高。

3、中國以外地區(qū)智能外包產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)狀和趨勢相結(jié)合。

3.1礦山設(shè)備智能化系統(tǒng)目前正在成熟應(yīng)用相對獨(dú)立的系統(tǒng)模塊，如遠(yuǎn)程智能監(jiān)控邊坡、卡車碰撞控制和超速報警，盡管鉆孔自動導(dǎo)航鉆孔機(jī)已成功應(yīng)用于金坎石，目前廣泛使用的軌道調(diào)度系統(tǒng)尚未實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能調(diào)度功能。在該領(lǐng)域，電鏟位置可視化和生產(chǎn)統(tǒng)計報告系統(tǒng)有許多應(yīng)用。從武當(dāng)?shù)V建設(shè)的“數(shù)字化、自動化、可懂化”宏觀三個階段來看，目前露天礦安裝系統(tǒng)的自動化只在部分階段實(shí)現(xiàn)，整體仍處于一級數(shù)字化建設(shè)階段。未來關(guān)鍵研究的具體方向是：智能鉆井過程（鉆井狀態(tài)自動檢測、鉆井自動導(dǎo)航和控制、平流層識別），爆炸階段智能控制智能采樣系統(tǒng)（電鏟遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、在線動態(tài)數(shù)字稱重、輔助/自鉆和裝載）智能運(yùn)輸階段智能垃圾控制系統(tǒng)地面生產(chǎn)系統(tǒng)智能控制（破碎站無人值守、膠帶輸送機(jī)集中控制、膠帶破碎機(jī)器人、自動堆料機(jī)、現(xiàn)場庫存監(jiān)控）和智能檢測（設(shè)備故障診斷、報警）。

3.2中國智能礦山的發(fā)展主要體現(xiàn)在礦山管理和安全生產(chǎn)的信息挖掘上，強(qiáng)調(diào)信息采集、網(wǎng)絡(luò)化、自動化操作、可視化、集成化等礦業(yè)內(nèi)容。例如，漢諾伊庫塞煤炭公司的露天煤礦是一個卡車自動化調(diào)度系統(tǒng)、一個MIS管理系統(tǒng)、一個生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)、一個生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、一個管理信息系統(tǒng)，和稀疏干燥控制系統(tǒng)我們建立了基于光纖的高速企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。從2000年初開始，金卡俊科開發(fā)了一個計算機(jī)化的施工系統(tǒng)，并已經(jīng)有了一個監(jiān)控系統(tǒng)——生產(chǎn)管理系統(tǒng)（ERP、OA）等。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)仍處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，存在一個問題，即由于數(shù)據(jù)共享僅在MIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的整體性能沒有得到充分展示。因此，面向信息的數(shù)據(jù)鏈整合和數(shù)據(jù)共享是未來發(fā)展的重要方向。考慮到幾何倍數(shù)信息量的快速增長，隨著露天礦數(shù)字化的加速，大型專家知識庫和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)將是支持智能礦山建設(shè)的關(guān)鍵。礦山生產(chǎn)智能化設(shè)計主要包括地質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和設(shè)計方法的細(xì)化。在地質(zhì)調(diào)查中，激光掃描儀和無人機(jī)傾斜等表面建模方法已經(jīng)應(yīng)用于中國的一個大型露天礦，例如Chuko hiraku已經(jīng)為一個無人機(jī)礦構(gòu)建了導(dǎo)航系統(tǒng)，這是對人工調(diào)查的一個重大補(bǔ)充。在設(shè)計軟件和方法方面，礦石地質(zhì)模型和輔助優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)（如3DMine、Surpac、Vulcan等）基本上很流行。采礦設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)（三維輔助設(shè)計系統(tǒng)、地球輔助設(shè)計CAD系統(tǒng)、采礦規(guī)劃系統(tǒng)等）基本上是基于礦山模型的演算量，考慮設(shè)備的實(shí)際工作特性和生產(chǎn)中存在的隨機(jī)情況相對較少。這一延遲比中國境外當(dāng)前采礦設(shè)計計劃的初步模擬方法要大。它是未來礦山設(shè)計和生產(chǎn)管理的核心計劃，也是未來礦山設(shè)計和生產(chǎn)管理的核心計劃。從企業(yè)宏觀生產(chǎn)計劃到現(xiàn)場設(shè)備安裝階段，數(shù)字化采礦集中控制系統(tǒng)尚未形成。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和分析需要更多的興趣和發(fā)展。與近年來發(fā)達(dá)國家相比，我國煤炭開采在露天開采中的地位不斷上升，但我國露天開采起步相對緩慢，生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步緩慢，采礦成本和勞動生產(chǎn)率的差異非常顯著。體重的增加取決于生產(chǎn)要素的生產(chǎn)。特別是在智能化發(fā)展的新形勢下，全國科技水平滯后，數(shù)字化礦山建設(shè)工作仍處于起步階段，設(shè)備自動化、設(shè)計和管理水平等都不能滿足智能化開采的要求。產(chǎn)業(yè)智能化改革浪潮沒有動力，轉(zhuǎn)型升級、快速發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨。為此，我們要面對電腦化與工業(yè)化深度融合過程中不斷出現(xiàn)的新技術(shù)、新理念，探索新形勢下露天開采的方向，為制定和實(shí)施未來規(guī)劃的政策方案提供依據(jù)。礦山生產(chǎn)智能化設(shè)計主要包括地質(zhì)數(shù)據(jù)的細(xì)化和設(shè)計方法的細(xì)化。在地質(zhì)調(diào)查中，激光掃描儀和無人機(jī)傾斜等表面建模方法已經(jīng)應(yīng)用于中國的一個大型露天礦，例如Chuko hiraku已經(jīng)為一個無人機(jī)礦構(gòu)建了導(dǎo)航系統(tǒng)，這是對人工調(diào)查的一個重大補(bǔ)充。在設(shè)計軟件和方法方面，礦石地質(zhì)模型和輔助優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)（如3DMine、Surpac、Vulcan等）基本上很流行。采礦設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)（三維輔助設(shè)計系統(tǒng)、地球輔助設(shè)計CAD系統(tǒng)、采礦規(guī)劃系統(tǒng)等）基本上是基于礦石模型的演算量，考慮設(shè)備的實(shí)際工作特性和生產(chǎn)中存在的隨機(jī)情況相對較少。這一延遲比中國境外當(dāng)前采礦設(shè)計計劃的初步模擬方法要大。它是未來礦山設(shè)計和生產(chǎn)管理的核心計劃，也是未來礦山設(shè)計和生產(chǎn)管理的核心計劃。從企業(yè)宏觀生產(chǎn)計劃到現(xiàn)場設(shè)備安裝階段，數(shù)字化采礦集中控制系統(tǒng)尚未形成。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和分析需要更多的興趣和發(fā)展。與近年來發(fā)達(dá)國家相比，我國煤炭開采在露天開采中的地位不斷上升，但我國露天開采起步相對緩慢，生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步緩慢，采礦成本和勞動生產(chǎn)率的差異非常顯著。體重的增加取決于生產(chǎn)要素的生產(chǎn)。特別是在智能化發(fā)展的新形勢下，全國科技水平滯后，數(shù)字化礦山建設(shè)工作仍處于起步階段，設(shè)備自動化、設(shè)計和管理水平等都不能滿足智能化開采的要求。

4、世界范圍內(nèi)露天開采技術(shù)的智能化發(fā)展趨勢

20世紀(jì)90年代以來，美國、加拿大、芬蘭、澳大利亞等世界先進(jìn)國家不斷加大露天礦開采自動化和信息技術(shù)的研發(fā)力度，經(jīng)過30年的研發(fā)，制定了“智能礦山”和“無人礦山”的發(fā)展規(guī)劃。露天礦生產(chǎn)中已經(jīng)預(yù)期的建設(shè)目標(biāo)首次實(shí)現(xiàn)。根據(jù)美國能源信息管理部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2010年美國露天煤礦為28709座，平均單次開采效率為9.46 T/h（6-7）。2017年，美國露天煤礦數(shù)量下降了25.08%，至201509座，平均單采效率上升至10.92 T/h，寬度增加了15.43%，[8]。在過去的兩到兩年里，海外露天煤炭行業(yè)進(jìn)入了一個重要階段。2018年8月，力拓宣布在西澳大利亞的kooodaideri礦場建設(shè)世界上第一個“純智能礦山”項(xiàng)目。采礦改組計劃于2021完成，科達(dá)達(dá)德雷礦的生產(chǎn)系統(tǒng)由機(jī)器人、無人駕駛車、無人駕駛卡車、無人鉆機(jī)和無人貨運(yùn)列車等智能設(shè)施網(wǎng)絡(luò)組成，真正意義上是無人智能露天礦。結(jié)合智能技術(shù)的特點(diǎn)和露天礦生產(chǎn)的實(shí)際需求，中國智能露天礦的發(fā)展?fàn)顩r可以概括為以下內(nèi)容。

4.1外包礦山自動化、智能設(shè)備和廣泛應(yīng)用

人和設(shè)備是露天采礦工作的核心要素，露天采礦科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程總體上呈現(xiàn)出“機(jī)械化互換、自動化減人、智能化無人”的趨勢。在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)“機(jī)械化、自動化、可理解性”的升級，逐漸減少了人對系統(tǒng)重復(fù)、操作機(jī)器能力的限制，以及作為核心要素的簡單邏輯判斷，可以促進(jìn)勞動生產(chǎn)率的持續(xù)提高。

發(fā)達(dá)國家已經(jīng)展示了自己研發(fā)設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)勢，自1990年以來，大量研發(fā)活動被投入到自動化采礦、智能設(shè)備和系統(tǒng)中。它主要體現(xiàn)在露天礦工作環(huán)境的動態(tài)傳感、“打孔”的自動化操作，以及整個工藝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析。

4.2構(gòu)建開放式知識圖譜

露天礦的智能化應(yīng)用雖然意義不大，但智能化應(yīng)用場景之間的相互關(guān)系非常復(fù)雜，由于后續(xù)的規(guī)劃決策工作具有定性和定量的科學(xué)依據(jù)，每個計劃的內(nèi)容和技術(shù)要素都是明確的，目的是明確描述實(shí)施路線和業(yè)務(wù)部門之間的關(guān)系。必須構(gòu)建露天礦智能規(guī)劃的知識譜。主要內(nèi)容包括：

4.2.1 工作流的知識流。解釋了露天礦大系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯結(jié)構(gòu)，解釋了露天礦生產(chǎn)過程中工作過程的重要組成部分，以及各操作步驟之間的操作規(guī)則。

4.2.2 信息流知識譜。本文闡明了信息流規(guī)則，例如跨系統(tǒng)、跨系統(tǒng)，以及通過系統(tǒng)傳遞到每個業(yè)務(wù)單元的層次結(jié)構(gòu)。

4.2.3 技術(shù)路線流程知識地圖。按照“分析和分析決策執(zhí)行”的四個步驟，解釋了具體業(yè)務(wù)場景的核心元素，并明確說明了智能手段的實(shí)現(xiàn)方式和實(shí)現(xiàn)方法。

5、結(jié)束語

在過去的20年里，中國露天煤礦的開采量一直在穩(wěn)步增長，但僅限于相對薄弱的基礎(chǔ)，目前正處于相對首次的計算機(jī)化建設(shè)階段，采礦成本和勞動生產(chǎn)率存在顯著差異，而產(chǎn)量的增長主要依賴于生產(chǎn)要素的投入，模式轉(zhuǎn)換、升級和快速發(fā)展的任務(wù)艱巨而艱巨。

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