论数字矿山及其基本特征与关键技术

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1、论数字矿山及其基本特征与关键技术摘要：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

2、。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（DigitalEarth,DE）和数字中国（DigitalChina,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，

3、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“Grountecknik2000”战略

4、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

5、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

6、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

7、]。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

8、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