数字矿山的国内外动态

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,人类生存的空间是有限的，而生存的过程是无限。如何合理开发与利用有限空间中（地球）的有限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，信息不仅将作为一种重要的经济资源，而且将作为一种物质形式与自然资源相耦合，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。,采矿业是以自然资源为生产对象的古老产业，绝大多数矿山企业还处在劳动密集性阶段，信息化程度很低。综观历史，采矿业曾受到大大小小技术进步的巨大冲击。如今，数字地球（,Digital Earth,DE,）和数字中国（,Digital China,DC,）的钟声，已经和正在惊醒一代采矿人。作为矿山测量界的一员，回顾过去，展望未来，设想,21,世纪数字矿山模式，令人激动也富于挑战。,数字矿山的基本特征与关键技术,1,国际动态,加拿大已制订出一项拟在,2050,年实现的远景规划：即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿；芬兰采矿工业也于,1992,年宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等,28,个专题；瑞典也制定了向矿山自动化进军的“,Grountecknik,2000”,战略计划。中国矿业大学等单位也相继开展了采矿机器人（,MR,）、矿山地理信息系统（,MGIS,）、三维地学模拟（,3DGM,）、矿山虚拟现实（,MVR,）、矿山,GPS,定位等方面的技术开发与应用研究。,数字矿山及其战略意义,1,国际动态,1997,年,7,月，澳大利亚联邦科工组织（,CSIRO,）制定了一项关于煤炭勘探与开采的三年研究计划，投入,3100,万澳元，围绕资源评估、采矿工艺革新、矿井瓦斯控制与利用、自动化、安全和材料精细控制等六个方面、按,18,个专门项目进行研究。其中地质评估与急救响应是最具特色的两项。,1,）地质评估：开发了一个基于,3D,块体模型的软件来评估矿井或采区的地层环境（沉积环境）；并且通过一个交互式,3D,（和,4D,）软件包来对多种异质数据（微震监测数据、中子伽玛采样数据等）进行,3D,可视化；以及通过有限元,/,有限差分（,FE/FD,）模型来逼真地模拟开采后的岩体变形。,2,）急救响应：开发了一个人身安全定位与监测系统，该系统由控制装置、监测设备、网络灯标和矿工异频雷达收发机组成，具有无线通讯能力，即使在发生瓦斯爆炸等井下灾害之后仍能报告井下矿工的位置和安全状况；并开发了一个名叫,Numbat,的遥控无人驾驶急救车，用于爆炸之后对伤员进行紧急抢救。,数字矿山及其战略意义,1,国际动态,随着实时矿山测量、,GPS,实时导航与,RS,、,GIS,管理与辅助决策和,3DGM,的应用，国际上一些大型露天矿山（包括我国的平朔、霍林河矿区）已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场设备相联系，形成动态管理与遥控指挥系统。此外，专家系统、神经网络、模糊逻辑、自适应模式识别、遗传算法等人工智能技术、,GPS,技术、并行计算技术、射频识别技术以及面向岩石力学问题的全局优化方法、遥感技术等已在智能矿山地质勘探调查与测量、智能矿山设计、智能矿山开采、计划与控制、矿山灾害遥感预报等研究领域得到应用,数字矿山及其战略意义,数字矿山原型：遥控采矿,国际著名矿山企业,加拿大国际镍公司（,Inco,）从,20,世纪,90,年代初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,公司给遥控采矿下的定义是：“利用目前最先进的技术，包括地下通讯、定位、工艺设计、监视和控制系统，去操纵采矿设备与采矿系统。”遥控采矿工艺包括自动凿岩、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）。,数字矿山及其战略意义,数字矿山原型：遥控采矿,现在，,Inco,公司已研制出样机系统，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,400Km,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，然后再自动驶往下一巷道。,数字矿山及其战略意义,数字矿山原型：遥控采矿,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。,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（,hands-off mining,），仅当设备出现故障时，维修人员才会到达采掘现场。,数字矿山及其战略意义,2,中国矿山面临的挑战,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,2100,万，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）。乡及乡以上的矿产采选业产值占,GDP,的,6.27%(1997,年,),；全国固体矿产产值占世界产值的,16.5%(1996,年,),，居世界第二位，能源矿产产值占世界的,9.1%,（,1996,年），居世界第三位。中国已由一个矿业弱国跃入世界矿业大国的行列,数字矿山及其战略意义,2,中国矿山面临的挑战,但近,5,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,3050%,，比发达国家低,1020%,；,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。,数字矿山及其战略意义,2,中国矿山面临的挑战,近年，中国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展，但总体状况仍然很不乐观。中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化“软”领域，与发达采矿国家的差距越来越大。中国矿山既没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发和综合利用，更没有形成系统性能稳定、信息资源充足的矿山信息基础设施（,Mine Infrastructure,）。分析认为：我国矿山企业信息化建设的“无路无车”、“有路无车”或“车货不一”情况,7,的出现，是因为中国矿山的决策者、管理者和工程技术人员，在矿山信息化建设方面存在因循守旧、短期效益、重硬轻软和事不关己,4,种情结,8,。这,4,种不良情结影响甚至限制了矿山信息化建设的健康发展。,数字矿山及其战略意义,3,数字矿山的基本特征,基于,DM,的定义，分析认为，,DM,应具有以下六大特征：以高速企业网为“路网”、以采矿,CAD,（,MCAD,）、虚拟现实（,VR,）、仿真（,CS,）、科学计算（,SC,）与可视化（,VS,）为“车辆”、以矿业数据和矿业应用模型为“货物”、以真三维地学模拟（,3DGM,）和数据挖掘为“包装”、以多源异质矿业数据采集与更新系统为“保障”和以矿山,GIS,（,MGIS,）为“调度”。,DM,的最终表现为矿山的高度信息化、自动化和高效率，以至无人采矿和遥控采矿。,数字矿山及其战略意义,1),以高速企业网为“路网”,DM,的建设与矿山业务运行是以高速企业网为基础，逐渐建立宽带、高速和双向的通讯网络，确保海量矿山数据在企业内部、省内与省际矿业网络,1,快速传递。同时，还必须与,NII,（,National Information Infrastructure,）与,DC,建设相协调，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。因此，高速企业网技术是关键之一。,数字矿山及其战略意义,2,）以,MCAD,、,VM,、,MS,、,SC,、,AI,与,SV,为“车辆”,为满足不断扩展的矿山需求，必须开发适合不同用户层次、具有不同功能的矿山应用系统和软件模块，即需要制造多品种、多型号的“车辆”：如采矿,CAD,、采矿仿真技术、各类科学计算工具（如有限元、离散元、边界元和有限差分模型等）和,3D,可视化工具等。随计算机性能的不断提高和并行计算技术的采用，矿山业主和技术人员不仅可以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。,数字矿山及其战略意义,3),以矿业数据和应用模型为“货物”,DM,的核心是数据仓库。,DM,数据仓库由两部分组成，就象人的左右心室：一侧为数据仓库，管理海量的矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息；另一侧为模型仓库，管理各类为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服务的各类专业应用模型，如开采沉陷计算、开采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络解算、瓦斯聚集模型、涌水计算等。数据仓库所管理的海量数据与模型仓库所管理的矿业模型，就是可以被各类“车辆”在,DM“,路网”上运输的数字“货物”。,数字矿山及其战略意义,4,）以,3DGM,和数据挖掘为“包装”,为满足不同用户和不同目的的需要，必须对“数据与模型仓库”中的海量数据与模型进行相应“包装”处理，即进行数据与模型的过滤和重组。三维地学模拟（,3DGM,）是,DM,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、矿产资储量管理、经济可采性评估、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。,数据挖掘是利用基于知识的工程（,KBE,）技术和人工智能，从,DM,中的海量矿山数据中为用户挖掘有用数据、获取决策信息，以及建立求解各类具体工程、生产、管理与经营等问题的应用模型，是,DM,的实用化工具。只有当,DM,能够方便、快速地从其数据仓库中提取用户所需的显式数据与模型，智能、快速地从其数据仓库中重新组织并产生用户所需的隐式数据与模型的能力时，,DM,的海量矿山信息才能被未经过特别培训的用户和各业务部门所共享。,数字矿山及其战略意义,5),以多源异质矿业数据采集与更新为“保障”,DM,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