浅谈数字矿山技术和发展趋势

        一、前言
　　自1999年首届“国际梳子地球”大会上提出了“数字矿山”（Digital Mine，简称DM）概念以来，“数字矿山”科学研究也技术攻关悄然兴起。2001年国际“APCOM”会议上组织了首次“国际数字矿山”主题讨论；2004年4月，中国科协青年科学家轮胎第86次活动即是以“数字矿山战略与未来发展”为主题。在该论坛上，宋振骐院士指出：“数字矿山是用2D或者3D数字信息系统及图示化技术来表达所采矿提及其周围事物相对时空位置和关系”。普遍观点认为，在数字矿山的实施过程中，针对矿山信息的“五性四多”（复杂性、海量性、异质性、不确定性和动态性，多源、多精度、多时相和多尺度）特点，需要构建一个统一的综合信息系统平台，以实现矿山数据的可视化集成，真正实现矿山信息共享和相互操作，为采矿勘探和生产提供决策支持。
　　二、矿山企业基本特征
　　研究数字矿山的建设，必须首先掌握矿山企业的基本特征，进而才能提出数字矿山建设的总体解
　　决方案。矿山企业一般具有以下特征。
　　（1）矿山是以自然资源开发利用为对象的生产企业。赋存于地壳浅层中的矿产资源，不仅其所赋存的地质环境非常复杂，而且其空间位置、形态、元素品位分布等均极富变化。由于资源分布的复杂性、不确定性，以及勘探工程控制程度的局限性，人们对资源的认识程度总是会随着开采的不断进行而逐渐深入。同时，随着市场价格和开采技术条件的变化，矿体的边界和形态也会随之变化，并需要及时变更和修正。
　　（2）与典型加工企业的工艺流程相比，矿山企业的生产工艺具有离散（即工艺不连续）和分散（即作业场所多）的特点，只有各工序之间协调运行，才能确保矿山安全、高效生产。由于工作场地多、工序复杂，矿山生产要素具有动态特征，即除了少部分人员设备工作位置固定以外，大多数人员和设备的位置在生产过程中需不断变更。
　　（3）矿山生产环境恶劣、作业空间狭小。对地下矿山而言，由于通道狭长、电磁屏蔽性强、噪音大，正常通讯难以实现，导致生产过程控制十分困难。
　　（4）在矿山企业中，不仅生产系统内部存在大量的多源、异质信息流动，而且系统内部与外部环境之间也存在着信息的交换和流动。与其它工业企业相比，矿山企业的信息化、智能化、可视化、可控化工作更难实现。
　　非煤矿山近几年一些大型企业集团已经具备了相当高的信息化水平并取得了一定的成果，如：首钢矿业公司的GIS、MES、ERP、OA集成系统和山东招金集团的三维地测采生产辅助决策系统等。
　　此外，中国矿业大学等单位相继开展了采矿机器人、矿山地理信息系统、三维地学模拟、矿山虚拟现实、矿山定位等方面的技术开发与应用。国内的高等院校和研究设计单位也都在不同程度上开展了矿业软件的开发研究工作，但仍处于起步阶段。矿山企业的这些特征，使其决策、设计、生产计划、生产调度与过程控制、安全生产等各个方面均非常复杂。因此，数字矿山的建设必须从系统的角度出发，以企业的信息流为主线，以对生产要素和生产过程控制为目标，最终实现矿山企业效益最大化。
　　三、数字矿山建设关键技术
　　数字矿山建设是一个复杂的系统工程，从实现上来看它是一个目标、一个方向而不是一项具体的任务和工作，所以数字矿山建设不可能一蹴而就，需要一大批科技工作者和工程技术人员分步骤、有计划的不断努力才能实现。基于数字矿山建设的目标和主要内容，对现代先进技术进行集成创新，完成以下关键技术的攻关和完善，完全能够为不同的矿山企业量身定做出符合企业实际的数字矿山建设总体技术方案。在此谈一下资源与开采环境可视化建模与评价技术。资源及开采环境可视化建模与评价主要实现两个方面的目标：一是资源评价，主要采用可视化建模方法和虚拟现实技术完成矿床模型的建立，用以表征矿床有用元素的空间分布情况和对资源状况进行科学合理的评价；二是开采环境评价，通过建模技术全面掌握矿床和岩层分布、岩体质量、构造特征、已有井下工程的分布状态等影响矿床开采的技术条件和关键工程指标。
　　资源及开采环境可视化模型是数字矿山建设的基础，只有完全掌握了矿床及井下开采环境情况，才能够为数字矿山的建设提供基础平台，数字矿山建设后续的通讯系统、生产调度及人员设备定位、生产过程安全监控与预警系统、生产过程虚拟现实系统都需要以此为基础平台进行设计开发和系统运行。资源及开采环境可视化建模采用TIN（不规则三角网）技术产生数字地形表面模型和地质体（包括床体、岩层及断层）实体线框模型，同时采用变块技术建立矿床资源评价块段模型。最终采用地质统计学方法对块段模型进行估值，得出既有结构性又具有随机性的复杂地质体的空间分布及品位和开采环境综合评价技术成果，并在此基础上进行开采方案优化与设计。目前，实现这一功能的软件主要有两种：一种是地理信息系统专业软件，如MAPGIS、MGIS、GeoMap等；一种是以地质和采矿为主的可视化矿山工程软件，如Datamine、Surpac、Micromine、Minesight等。这两种软件都有各自的优势和不足，地理信息系统软件技术能够较好的模拟和表现矿床的地质体外部特征，但是在储量空间分布估值和三维可视化采矿设计方面功能不完善；数字矿山工程软件在模型模拟方面不是很突出，但在储量空间分布估值和采矿设计方面提供了强大的工具。图1、图2为三维可视化资源及开采环境建模结果。
　　四、数字矿山的发展趋势
　　（1）建设数字矿山的同时，朝着构建生态矿业工程方向发展。生态矿业工程就是当人类开发矿产资源引起自然生态平衡破坏时，建立人为的生态平衡，构建生态矿业工程对实现可持续发展具有非常重要的现实意义。（2）在数字矿山建设中实现生产过程管理和控制一体化。矿山生产过程管控一体化是指应用可视化技术，实现生产过程、工艺、设备、仪器的自动监测与控制。（3）开发各种功能的矿山应用软件。矿山信息的分析与应用、矿山生产的评估与监控、矿山工程的模拟与决策等，均以各类应用软件和相关模型为工具。必须针对不同的应用和矿山工程需求，研究开发适合不同用户、具有不同功能的矿山应用软件，如采矿CAD、虚拟矿山、采矿仿真、工程计算、人工智能和科学可视化等软件工具（4）虚拟条件下矿山模拟开采研究。以地质及矿床模型为基础，结合其它关键信息构造虚拟矿山，进行数字模拟开采，完成矿山开采计划编制、巷道标准断面、硐室、开拓、采矿方法、穿爆、通风、管道、灾变应变预案等设计工作。（5）实现无人采矿和遥控采矿。随着当前制造业成本上升而机器人产品价格不断下降，世界上倾向于少用人工而多用机器人，未来人们追求更舒适的工作条件，恶劣、危险的劳动环境需要用机器人代替人工[6]。利用电子与机械技术的结合把工业机器人用于生产，实现遥控机器人采矿，使机械化转向自动化，可以大大提高生产率，降低成本，增加矿产资源效益。（6）人工智能技术研究。自20世纪80年代中后期以来，人们已开始应用人工智能理论与技术来解决采矿工业中的各种实际问题，并逐步显示出无法取代的优越性。运用数据挖掘与知识发现、专家系统等人工智能技术实现生产调度指挥、资源预测、安全警示、突发事件处理等决策支持功能，实现矿山的智能化。 (责任编辑：论文发表网)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)