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1、? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第22卷 第1期2006年1月昆明冶金高等专科学校学报Journal of Kunm ing MetallurgyCollegeVol 122 No11Jan12006收稿日期:2005 - 06 - 16作者简介:邓永胜(1968 - ) ,男,江西赣州人,讲师,工学学士,主要从事地质勘探、矿物工程 、计算机流媒体和高等教育研究 。数字矿山特征及未来数字遥控采矿系统模型邓永胜(昆明冶金高等专科学校北校区工程技术系
2、,云南 昆明650204 )摘 要:掠夺式开采产生的资源枯竭是传统采矿业面临的难题,建设数字矿山是有效改造和提升矿山竞争力和生命力的有效途径。数字矿山是矿山发展的趋势,无人遥控采矿是矿业发展的方向。关键词:数字矿山;技术;特征;遥控采矿;模型中图分类号:文献标识码:A文章编号:1009 - 0479 - (2006) 01 - 0059 - 05Features of D igital M ine and the M odel of Future D igitalRem ote2control M in ing SystemD ENG Yong2sheng(Department of Engi
3、neering and Technology, North Campus of Kunm ingMetallurgyCollege,Kunming 650204,China )Abstract:The drying2 out situation of res ources owning to a depredatingmining is a problem facing thetraditional mining industry .To build digitalm ines is an effectiveway to reconstructand upgradethe vital2ity
4、and competition of mines . Digital minesand re mote2 control mining is the tendencyof the developmentof mines .Key words:digital m ines; technol ogy; features; control mining; models1数字矿山兴起的背景人类生存的空间是有限的, 而生存的过程是无限的。如何合理开发和利用地球上有限的矿山资源来满足人类社会在无限时间中的可持续发展需求, 已成为人类社会的共同主题。在以知识经济为特征的信息社会中 , 信息将作为一种物质形式
5、与自然资源相结合的新经济资源, 成为人类生存与发展的基础, 并规范人类开发、加工和利用各类自然资源(包括矿产资源) 的方式与方法。建国以来 , 中国矿业经过半个世纪的快速发展, 已建成国有矿山近万座, 集体矿山和其他非国有矿山 20多万座 , 年开采矿石量超过50亿t, 从业人员2 100万 , 带动了300座以采矿和矿产品加工为支柱产业的矿业城市的兴起(其中煤炭城市54座 )。1997年我国矿产采选业产值占GDP的 6127% , 全国固体矿产产值占世界产值的1615% , 居世界第二位, 能源矿产产值占世界的911% , 居世界第三位 1 。中国已由一个矿业弱国跃入世界矿业大国的行列。然而
6、 , 近几年来 , 中国矿业与矿业城市遇到了空前的生存与发展困境, 如矿竭城衰 、减产限产 、低位运行 、大量失业等。原因主要是:1) 矿业投入不足, 后备储量缺乏, 技术装备普遍落后于国外1520年 ;2) 矿产资源利用水平不高, 全国矿产资源总回收率为30% 50% , 比发达国家低10% 20%;3) 矿业开发过程中生态环境问题日趋突出, 采选所造成的环境污染严重, 来自环境的压力与日俱增。此外 , 来自国际市场的高产、高效 、高质量 、低成本的矿产品的竞争, 以及来自非法掠夺式开采和国内名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
7、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/市场的非正当竞争,也是一个不可忽视的重要方面。国家 “十五信息化发展规划”中明确指出,要利用信息技术改造和提升传统产业, 中国矿山作为一类典型的传统采矿业, 已经或正在面临信息技术的挑战和洗礼 。2我国数字矿山的出现和发展数字矿山是对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现。中国矿业要持续发展,
8、 必须走数字矿山之路, 通过信息化改造和数字矿山技术的推行, 使传统的采矿业在管理模式、组织结构 、采矿工艺 、决策方式等方面有大的改革。211 我国第一座数字化矿山 翟镇煤矿山东新汶矿业集团泰山能源股份有限公司翟镇煤矿是我国第一座数字矿山, 它与北京大学遥感与地理信息系统研究所合作, 在国内首开数字化矿井技术应用先河。为数字技术在矿山的应用奠定了坚实的基础 。该矿山的数字化技术填补了国内空白, 达到了国际先进水平, 部分专业图形处理功能处于国际领先水平 。翟镇煤矿数字化矿井技术研究, 是在充分分析数字矿山的需求、空间信息以及数据处理的特点, 并严格遵循国家有关技术标准的基础上,以地理信息系统
9、、计算机网络 、三维可视化及虚拟现实的最新理论和技术为指导, 在 W indows环境下利用面向对象的编程技术设计而成的, 是具有我国自主知识产权的代表信息技术最新发展水平( GIS 、 IE 、VE) 的数字化矿井数据专用处理系统。该套系统在我国首次全面开展了基于GIS技术 、计算机网络技术、三维可视化和虚拟现实技术在矿山开采领域的集成和应用研究 , 首次全面开展了集巷道和地层为一体的煤矿专用三维可视化和虚拟现实系统的研究, 首次实现了基于地测基础数据的生产图形的一体化管理, 使矿井图形的自动化处理水平跃上了一个新的台阶, 同时取得了实用化的成果。为了彻底解决复杂矿山地质体地质模型的自动生成
10、和处理, 该系统还在国际上首次提出了基于点、线 、面拓扑关系的技术方法,解决了矿山TIN模型生成的技术难题,实现了利用网络技术对多矿井动态生产技术信息的管理和查询。整套系统界面十分友好, 系统的提示及功能菜单主要以矿山技术术语为准, 不仅具有实用化的通用命令, 而且具有大量的矿山制图专用命令, 用户无须记忆任何命令就可完成对系统的操作, 大大减少了用户操作系统的难度。通过实际应用, 该矿每年可减少因决策、设计失误造成的损失约100万元 , 减少图纸处理费用近20万元 , 对生产进行优化创造效益200多万元 。此技术的成功应用, 不但实现了矿井设计、生产管理由传统方式向现代化方式的飞跃, 而且由
11、于项目解决了数字矿山的关键技术, 并形成了可视化的数据处理系统 , 为生产和技术决策提供了先进的辅助手段。212 我国数字矿山的发展翟镇煤矿数字技术的成功研制, 为我国矿山的数字化和信息化管理起到了示范作用。2003年 8月 ,山东招远黄金公司也构筑起包含“三维地测采管理信息系统” 、“基于 MAPGI S系统的黄金矿山资源管理信息系统”的 “数字矿山” , 实现了黄金矿山地测采专业设计自动化、决策智能化、资源管理三维可视化 2。从而把信息技术与过程控制技术的应用有机结合起来, 让电脑在黄金采矿、选矿 、氰化 、冶炼 、精炼等各个生产环节当班, 实现了信息技术在探矿、采矿 、选矿和氰化冶炼等基
12、础环节和生产环节上的广泛应用。此外 , 山东招远黄金公司还以“数字矿山”和选冶自动化为重点, 大力推进黄金企业的办公自动化、财务一体化以及电子商务网站的建设和电子商务采购的开展, 并研究开发相应的管理信息系统 , 加快建设“数字黄金”工程 , 实现了黄金产业发展的全面数字化。2004年 7月 , 云南易门矿务局大红山铜矿地质、采矿三维数字建模项目的验收, 标志着我国西部矿山也进入了数字矿山的建设阶段 3。该项目借鉴国外先进矿山的成功经验, 以美国M intec公司的优秀矿业软件M ineSight为平台 , 从建立矿床三维模型出发, 应用地质统计学理论及相应的方法, 对大红山铜矿进行三维矿床建
13、模, 研究建立大红山矿三维地质模型、三维断层模型、品位模型及经济模型; 并在此基础上进行深入应用研究, 利用先进的信息技术, 建立三维开拓系统, 进行了井下采矿方法的计算06昆明冶金高等专科学校学报2006年1月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h
14、ttp:/机模拟 、井下采切 、中深孔爆破等工程的图形化优化设计。实现了矿山的设计、生产 、管理 、决策的模型化 、图形化及信息化, 真正使矿山实现资源系统和技术系统的最佳配置。大红山铜矿“ 地质 、采矿三维数字模型”的建成 , 是国内数字矿山建设中井下生产矿山的第一家, 它对井下矿山的技术革新具有重大而深远的影响。3数字矿山的技术背景及特征311 数字矿山的技术背景由于计算机硬件、软件以及计算机网络的飞速发展,使得当前的信息技术中,计算机的处理速度和处理能力得到了迅速的提升, 为数字矿山提供了强大的技术支持。 1 m分辩率卫星遥感数据的快速处理及 3S技术 , 多分辩率海量数据的存贮技术及在
15、宽带网上的传输技术、互操作互运算技术、多维可视化与虚拟实验技术及数据交换中心技术等等, 都在各个行业发挥着巨大的作用, 极大地提高了传统产业的生产水平 。 MAPGI S是数字矿山中采用较成熟的软件之一。通过该软件的推广使用, 可以把几十年来积累的地质成果, 矿山开采等资料迅速数字化, 逐步建立起矿山数据库。近年来 , 通过数码航测、多维数字地震勘探等等一整套数字采集的矿山资料, 可以合成构成海量矿山数据库。在对矿山进行直接的空间位置进行精确描述和刻画方面,由于扫描设备,矢量化工作站,宽幅真彩色大型绘图仪等硬件设备的成熟使用, 使得矿山数据库的建立和数字化成图显得更方便, 更精确 。在互联网上
16、 , 通过现代矿山各部门及其工作人员掌握微机的连网, 使网络条件下的数据体互联互动成为可能 , 一个矿山的全部图件在短时间内就可数字化, 并实现在互联网上的传输。312 数字矿山的基本特征数字矿山就是在矿山范围内建立起一个以三维坐标为主线, 将矿山信息构建成一个矿山范围内的以三维坐标信息及其相互关系为基础而组成的信息框架。数字矿山的最终表现为矿山的高度信息化、自动化和高效率,以至实现无人采矿和遥控采矿。数字矿山的网络架构可见图1 4。数字矿山具有以下六大特征 5 :宽带 、高速企业网;采矿CAD(MCAD )、虚拟现实(VR ) 、仿真(CS)、科学计算( SC)、可视化(VS) 等功能系统;
17、时空数据仓库、矿业应用模型等核心系统 ; 真三维地学模拟( 3DGM )、各类数据挖掘工具等包装系统;负责数据采集与处理的测量、勘探 、传感等基础数据采集系统;负责提供拓扑建立与维护、空间查询与分析、制图与输出的矿山GIS(MGI S)调度系统 。宽带 、高速企业网是数字矿山的基础, 建立宽带 、高速和双向的通讯网络, 确保海量矿山数据在企业内部及外部矿业网络快速传递, 以利于矿山产品、经营等社会化信息在Internet上的快速传递, 便于矿山信息的公众共享和产品市场的实时运作。16第1期 邓永胜:数字矿山特征及未来数字遥控采矿系统模型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
18、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/采矿CAD(MCAD)、虚拟现实(VR)、仿真(CS) 、科学计算(SC) 、可视化(VS) 等功能系统可对采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟与虚拟分析, 而且可对矿工进行虚拟岗前培训, 提高矿工的安全意识、防灾减灾能力和作业工作效率。时空数据仓库、矿业
19、应用模型等核心系统, 管理着矿业工程、生产 、安全 、经营 、管理 、决策和开采沉陷计算、开采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算 、通风网络解决、瓦斯聚集模型 、涌水计算等海量的矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息。而 3DGM 和数据挖掘对“数据与模型仓库”中的海量数据与模型进行数据与模型的过滤和重组。3DGM 是数字矿山的技术核心之一。它是基于钻孔资料、地震资料 、开挖设计数据及各类物探、化探资料,来建立矿山井田、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真3D模型 。在此基础上进行矿床地质条件评估、地质构造预测、精细地学参量半定量分析、深部成矿定位预测、矿产资源储量管理、经济可采性
20、评估、开拓设计 、支护设计和风险评估等 , 从而辅助矿山决策, 确保矿山工程的科学、可靠与安全 。数字矿山必须以测量(遥感 RS、全球定位系统GPS 、数字摄影测量DP、常规地面测量NS和井下测量 US等 ) 、勘探(钻探 、槽探 、山地工程 、地球物理物探、化探等 )、传感(指各类接触式与非接触式矿山专用传感与监视设备/仪器采集系统, 如应力传感、应变传感 、瓦斯传感 、自动监测 、机械信号与故障传感、工业电视等) 和文档录入(法规 、法令 、文件 、档案 、统计数据等) 为综合手段,来建立精确 、动态和全面的矿山综合信息采集与数据更新系统。只有实现了矿业综合数据的动态采集与快速更新 , 才
21、能为动态时效的3DGM 与 MGI S提供数据信息, 为遥控采矿或无人采矿提供信息保障。21世纪数字矿山的MGI S系统是一个能为采矿业提供基于4D时空信息的动态模拟、可视化 、分析与决策支持的复杂巨系统。它允许在2D或 3D TIN表面上叠加影像、图片 、测量数据 、地震资料 、纹理及其它数据。它具有3DG M 整合 、 3D空间网络分析、多目标决策分析、飞行模拟等基本功能, 有辅助资源动态管理、地质统计 、勘探 、交互式采矿设计与规划、实时开采模拟、作业安排与监测、地下水模拟 、开采沉陷动态模拟、地表数据整合、支持复垦规划、生态恢复和矿区可持续发展多目标决策等应用功能 。313 数字矿山M
22、 G IS办公系统网络组织矿山信息化是一个复杂的系统, 有人的因素, 也有技术和资金的约束, 要建成科学的矿山信息系统 , 利用好人力 、财力和技术资源, 就要顺利实现矿领导、矿主要业务科室之间的基于GIS的数字矿山互动办公系统, 其组织结构网络拓扑图可参考图2 6 。26昆明冶金高等专科学校学报2006年1月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - ? 1994-2009 China Academic Journal E
23、lectronic Publishing House. All rights reserved. http:/4未来遥控采矿系统模型数字矿山在实现互动办公的基础上, 其未来的发展方向是无人采矿( hands2 off mining) 的实现 。在20世纪 90年代初 , 国际著名矿山企业 加拿大国际镍公司( Inco) 开始研究遥控采矿技术, 目标是实现整个采矿过程的遥控操作。 Inco公司的遥控采矿工艺要求包括: 自动凿岩 、自动装药与爆破、自动装岩 、自动转运 、自动卸岩和自动支护等, 其技术基础是高速地下通讯系统和高精度地下定位、定向系统(要求达到mm级 ) 。现在,Inco公司已研制出
24、样机系统,并在加拿大安太略省的萨德泊里盆地的几家地下镍矿试用。实现了从地面对地下矿山进行控制, 甚至可以从400 km以外的首都多伦多对地下镍矿的采、掘 、运活动进行远距离控制。遥控采矿的核心部件是Inco公司开发的一个能在地下获取定位数据的名叫HORTA 的装置 。将该装置安装在地下观测车上, 当观测车在地下或矿体内部巷道中漫游时, HORTA 就会利用其激光陀螺仪和激光扫描仪在水平和垂直面上扫描矿山巷道的断面, 进而产生巷道的三维结构图。 Inco公司还计划将HORTA完善后 , 将其安装在钻机上。届时 , 安装了HORTA 装置的钻机将自动驶往目标巷道 , 自动完成开凿作业, 然后再自动
25、驶往下一巷道。目前,Inco公司在Stobie矿和Greighton矿分别有6台和8台遥控采矿 设 备 投 入 运 行 7。 1999年6月 ,Inco公司在地面的一幢大楼内设立了一个中央控制站, 对该公司所属的多个矿山、多个矿体的开采活动进行集中自动控制。由此 , 地下矿山的采、掘 、运均实现了无人作业 , 即无人采矿( hands2 off m in2ing) , 仅当设备出现故障时, 维修人员才会到达采掘现场。基于遥控采矿的技术特点, 我们可以设想 , 未来的数字矿山的遥控采矿系统模型将类似如图3所示 8 。参考文献 : 1Kelly M.Developing Coal M ining
26、Technology for the 21 st CenturyM.Proc .M ining Sci . & Tech.Netherlads: Balkema,1999. 2 W u L X, et al.Information Classificati on &M anagement ForMGI SAnd D igitalM ineM.Proc.1st Int.Sy m. On DE.Bei2jing:Science Press,1999. 3杨灿如.“数字矿山 ” 第一步 红山技术再革新 EB /OL .http/ /: www. yths . com/hsh, 2004207228.
27、 4陈军,邬伦.数字中国 地理空间基础框架 J.北京:科学出版社, 2003, (2) : 236 - 238. 5齐安文,吴立新,侯恩科.三维地学模拟述评及其矿山应用关键问题 J .中国矿业, 2001, 10 (5) : 189 - 191. 6罗周全,古德生.矿山管理信息化发展战略问题研究 J.中国矿业, 1999, 8 (5) : 324 - 327. 7王文铭,宋守志.M2Intranet -矿山企业信息综合管理模式 J.中国矿业, 1999, 8 (2) : 629 - 637. 8Gore A L.D igital Earh: Understanddingour p lanet in the 21 st centuryM. Proc1M ing Sci1&Tech1Netherlands: Balkema,1998.责任编辑:丁世婷36第1期 邓永胜:数字矿山特征及未来数字遥控采矿系统模型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -