數(shù)字化礦山建設(shè)及基本技術(shù)

數(shù)字化礦山建設(shè)及基本技術(shù)一、背景

近年來礦山自動(dòng)化是礦山企業(yè)進(jìn)展的熱門話題，隨著信息技術(shù)在礦山生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，礦山系統(tǒng)開頭向自動(dòng)化、系統(tǒng)化、多元化進(jìn)展，礦山系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的、動(dòng)態(tài)的、開放的巨大的系統(tǒng)，各個(gè)組成部分之間相互影響、相互制約。對(duì)于這樣的系統(tǒng)要想最大化的發(fā)揮其力量和效益的話，就需要我們快速、精確?????地了解其各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況及特點(diǎn)，并從科學(xué)的角度做出精確?????的決策，將系統(tǒng)配套、統(tǒng)一起來，而礦山自動(dòng)化系統(tǒng)很好的解決了這一問題。

自20世紀(jì)下半葉起，德、英、美、澳等采煤技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，大力推廣自動(dòng)化、信息化技術(shù)，在井上、井下生產(chǎn)、平安等各環(huán)節(jié)，對(duì)主要設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了子系統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)掌握和監(jiān)測(cè)，并采納計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將全部子系統(tǒng)通過聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全礦井生產(chǎn)和平安系統(tǒng)的綜合掌握、監(jiān)測(cè)和監(jiān)視，使生產(chǎn)效率大大提高，平安狀況徹底改善，獲得了巨大的效果。國(guó)內(nèi)煤礦數(shù)字化的進(jìn)展過程與國(guó)外采煤發(fā)達(dá)國(guó)家相像，走先單機(jī)自動(dòng)化、單個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程自動(dòng)化，再完成全礦井的數(shù)字化的進(jìn)展路線。

國(guó)際上隨著實(shí)時(shí)礦山測(cè)量、GPS實(shí)時(shí)導(dǎo)航與遙控、GIS管理與幫助決策和3DGM的應(yīng)用，一些大型露天礦山（包括我國(guó)的平朔、霍林河礦區(qū)）已可在辦公室生成礦床模型、礦山采掘方案，并與采場(chǎng)設(shè)備相聯(lián)系，形成動(dòng)態(tài)管理與遙控指揮系統(tǒng)。此外，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊規(guī)律、自適應(yīng)模式識(shí)別、遺傳算法等人工智能技術(shù)、GPS技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)以及面對(duì)巖石力學(xué)問題的全局優(yōu)化方法、遙感技術(shù)等已在智能礦山地質(zhì)勘探調(diào)查與測(cè)量、智能礦山設(shè)計(jì)、智能礦山開采、方案與掌握、礦山災(zāi)難遙感預(yù)報(bào)等討論領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)自建國(guó)以來，中國(guó)礦業(yè)經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的快速進(jìn)展，已建成國(guó)有礦山近萬座，集體礦山和其他非國(guó)有礦山20多萬座，年開采礦石量超過50億t，從業(yè)人員2100萬，帶動(dòng)了300座以采礦和礦產(chǎn)品加工為支柱產(chǎn)業(yè)的礦業(yè)城市的興起（其中煤炭城市54座）。鄉(xiāng)及鄉(xiāng)以上的礦產(chǎn)采選業(yè)產(chǎn)值占GDP的6.27%(1997年)；全國(guó)固體礦產(chǎn)產(chǎn)值占世界產(chǎn)值的16.5%(1996年)，居世界其次位，能源礦產(chǎn)產(chǎn)值占世界的9.1%（1996年），居世界第三位。中國(guó)已由一個(gè)礦業(yè)弱國(guó)躍入世界礦業(yè)大國(guó)的行列。中國(guó)礦山行業(yè)的信息化建設(shè)雖然有了較大進(jìn)展，但總體狀況仍舊很不樂觀。中國(guó)礦山在礦山勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、全過程監(jiān)控等信息化”軟”領(lǐng)域，與發(fā)達(dá)采礦國(guó)家的差距越來越大。

礦山企業(yè)作為資源開發(fā)的主體，其信息化是礦業(yè)信息化的重要組成部分之一。礦山信息化即是挖掘先進(jìn)的管理理念，應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)去整合礦山現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、設(shè)計(jì)、管理，準(zhǔn)時(shí)地為礦業(yè)”三層決策”系統(tǒng)供應(yīng)精確?????而有效的數(shù)據(jù)信息，以便對(duì)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng)，進(jìn)而提升礦業(yè)管理、組織結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)流程的變革和延長(zhǎng)。

二、礦山企業(yè)的基本特征

數(shù)字礦山討論的前提，是要首先把握礦山企業(yè)的基本特征，針對(duì)數(shù)字礦山的基本特征來設(shè)計(jì)數(shù)字化礦山總體解決方案。礦山企業(yè)一般具有以下特征。

(1)礦山是以自然資源為對(duì)象的生產(chǎn)企業(yè)。礦產(chǎn)資源的存儲(chǔ)與地質(zhì)環(huán)境的簡(jiǎn)單性親密相關(guān)，而且其空間位置、形態(tài)、元素品位分布等均極富變化。由于資源分布的簡(jiǎn)單性、不確定性，局限性了勘探工程掌握程度，人們對(duì)資源的認(rèn)知程度就會(huì)隨著開采的不斷進(jìn)行而慢慢變化。同時(shí)，隨著市場(chǎng)價(jià)格和開采技術(shù)條件的變化，礦體的邊界和形態(tài)也會(huì)隨之變化，并需要準(zhǔn)時(shí)變更和修正。

(2)礦山生產(chǎn)環(huán)境惡劣、作業(yè)空間狹小。對(duì)地下礦山而言，由于通道狹長(zhǎng)、電磁屏蔽性強(qiáng)、噪音大，正常通訊難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致生產(chǎn)過程掌握非常困難。

(3)在礦山企業(yè)中，不僅生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部存在大量的多源、異質(zhì)信息流淌，而且系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境之間也存在著信息的交換和流淌。與其它工業(yè)企業(yè)相比，礦山企業(yè)的信息化、智能化、可視化、可控化工作更難實(shí)現(xiàn)。

礦山企業(yè)的這些特征，使其決策、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方案、生產(chǎn)調(diào)度與過程掌握、平安生產(chǎn)等各個(gè)方面均特別簡(jiǎn)單。因此，數(shù)字礦山的建設(shè)必需從系統(tǒng)的角度動(dòng)身，以企業(yè)的信息流為主線，以對(duì)生產(chǎn)要素和生產(chǎn)過程掌握為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)效益最大化。

數(shù)字礦山建設(shè)涵蓋了礦山企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程中，全面實(shí)現(xiàn)信息化、可視化、智能化、自動(dòng)化和決策與管理科學(xué)化的全部?jī)?nèi)容(見圖1)

圖1

三、數(shù)字礦山建設(shè)目標(biāo)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在采礦業(yè)的不斷應(yīng)用，采礦業(yè)正由閱歷型、傳統(tǒng)型向科學(xué)型、定量分析與處理、自動(dòng)化方向進(jìn)展。我們礦山生產(chǎn)的實(shí)際狀況，將下一步數(shù)字化礦山建設(shè)目標(biāo)定位于：以計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為手段，把礦山的全部空間和有用屬性數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲(chǔ)、傳輸、表達(dá)和深加工，并應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的管理和決策之中，以實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的系統(tǒng)優(yōu)化，達(dá)到提高資源的綜合利用率、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化的目的。高效快速的推動(dòng)礦山網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化、綜合自動(dòng)化在我礦的整體應(yīng)用。

目前，我國(guó)數(shù)字礦山建設(shè)的詳細(xì)目標(biāo)是：

（1）應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、掌握技術(shù)、智能技術(shù)和煤礦生產(chǎn)工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)、生產(chǎn)決策、平安生產(chǎn)管理和設(shè)備掌握等信息的有機(jī)集成。

（2）通過應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)管理科學(xué)化，生產(chǎn)方案、生產(chǎn)平安調(diào)度、生產(chǎn)過程掌握最優(yōu)化。

（3）保證煤礦生產(chǎn)平安，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力量。

（4）提高對(duì)客戶多種要求的響應(yīng)力量。

”數(shù)字化礦井”最終表現(xiàn)為礦井的高度信息化、自動(dòng)化、高效率、高平安和高效益。

四、數(shù)字礦山建設(shè)的基本項(xiàng)目及內(nèi)容

礦山系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的、動(dòng)態(tài)的、開放的巨型系統(tǒng)，各部分之間相互影響、相互制約。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，只有快速、精確?????地了解各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并使各個(gè)子系統(tǒng)配套、全都，再在此基礎(chǔ)上予以優(yōu)化，才能實(shí)時(shí)、科學(xué)地做出決策，發(fā)揮數(shù)字礦山系統(tǒng)的最大力量和最佳效益。圍繞數(shù)字礦山建設(shè)的詳細(xì)目標(biāo)，數(shù)字礦山建設(shè)的基本內(nèi)容有：平安監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、井下皮帶監(jiān)控系統(tǒng)、主付井提升監(jiān)控系統(tǒng)、采區(qū)變電所監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)、主要扇風(fēng)機(jī)房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、井下人員定位和管理系統(tǒng)、系統(tǒng)集成平臺(tái)建設(shè)、礦壓觀測(cè)與分析系統(tǒng)、水文監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)、礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地測(cè)地理信息系統(tǒng)、采礦協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)、輸配電地理信息系統(tǒng)、智能化礦井通防系統(tǒng)、給排水地理信息系統(tǒng)、綜合管線管理系統(tǒng)、平安管理系統(tǒng)、資