http://www.dcoal.com.cn 2004年11月30日17:12《数字安全》

吴立新

（中国矿业大学3S与沉陷工程研究所，北京，100083）

Study on Digital Mine and Its Basic Features & Key Technologies 

Wu Lixin

（Institute of 3S and Subsidence of China Uni. Mining Technology, Beijing 100083）

 

摘要：本文在介绍国际矿山信息化和遥控采矿研究与技术发展动态的基础上，分析了我国矿山信息化现状及面临的挑战性问题。基于对数字矿山6项基本特征的论述，设计了数字矿山的基本框架，包括其基本组成与网络架构，进而分析了数字矿山战略实施的9项关键技术。

关键词：数字矿山  矿山GIS  遥控采矿  

1        前言

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。

2        数字矿山及其战略意义

2.1  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）[1、2]、三维地学模拟（3DGM）[3]、矿山虚拟现实（MVR）[3]、矿山GPS定位等方面的技术开发与应用研究。

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。

随着实时矿山测量、GPS实时导航与遥控、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[4]。

2.2  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[5]：“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）。

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。

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[5]。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。

基于遥控采矿的技术特点，设想未来的数字矿山的原形系统如图1所示：

远距离高速通讯网络
 
地面控制中心（OA+ MGIS）
 
无人采矿设备
 
井上/下自动定位与导航
 
采矿模拟与分析系统
 
数据采集与快速更新系统
 
决策与仿真控制系统
 
工况动态监测与实时反馈
 

 

             图1  数字矿山原型

2.3  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[6]。

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[6]：1）矿业投入不足，后备储量缺乏，技术装备普遍落后于国外15~20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。

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