数字矿山的建设
作者：刘飞许志华
来源：《读写算》2010年第15期
[摘要]本文主要结合当前我国煤矿生产中存在的各种问题,介绍了数字矿山的建立目标阐述了数字矿山的概念和特征,重点分析了数字矿山系统研究的主要内容。
将数字矿山的建立和应用与3s系统结合起来,提高了数字矿山的综合性,实现了数据采集、分析、处理、传输、监控及矿山模拟、环境监测的一体化。
[关键字]数字地球;数字矿山;3S技术
0引言
由于煤矿井下作业处于地表深处,地质条件复杂、环境恶劣、瓦斯、粉尘水害、顶底板事故、火灾隐患难以探测和辨识恶性事故经常发生,给我国煤矿生产造成了重大损失,也危及了煤矿工人的人身安全。
要想从根本上解决煤矿的安全生产和高效生产问题,除了技术更新和技术改造外,更重要的是建立一个完整的矿山数字化系统以实现地以实现地面、地下所有时间、空间对象的透明管理使矿区的气象、地形、水文、建筑、道路、以及地下的煤岩层、断层、裂隙、陷落柱、水体瓦斯和各类地下工程、地下设施尽在掌握中,从而使整个矿山从设计、生产到管理都能很好地兼顾工艺的先进性、设备的可靠性和生产的安全性,大幅度地提高抗灾能力和生产效率。
为了满足现代采矿技术的需求,随着数字地球(DigitalEarth,DE)和数字中国(DigitalChina,DC)等数字化的概念和体系建设和不断完善,数字矿山(DigitalMine,DM)近年来得到了足够的重视,也取得了较大的发展。
真正的数字化矿山是一个复杂的多学科技术交叉形成的整体数字化矿山生产管理系统,它涵盖了矿山企业建设、生产、管理、经营等全部内容。
数字化矿山既不是GIS 概念的简单延伸,也不是一般加工企业ERP概念的简单复制,而是一个包含多者特征的崭新的概念。
数字矿山的最终目标是矿山高度信息化、自动化和高效率,以至无人采矿和遥控采矿。
具体表现为生产、调度自动化;办公自动化;居民生活数字化;煤炭产品、煤质、购销等信息的高效率发布。
1数字矿山的概念和特征
1.1数字矿山的概念
数字矿山是以矿山系统为原型,以地理坐标为参考系,以矿山科学技术、信息科学、人工智能和计算科学为理论基础建立的可视化数据系统是在统一的时空框架下,对真实矿山整体及其相关现象的统一理解表达与数字化再现,是数字矿、DM区和数字中国的一个重要组成部分的最终表现为矿山的高度信息化自动化智能化与高效安全开采,以至无人采矿和遥控采矿模式数字矿山的基本框架如图1
1.2数字矿山的特征
(1)实时性。
在传统的矿山技术服务中,矿山信息反映到技术部门或形成技术图件,总有一个时滞性,如以往矿山地质报告8年修编1次,使用的图件大都是“过时”的图件。
在数字矿山技术环境下,理论上讲矿山数据库实时更新,技术图件也可以实时更新,井下工程数据可以实时传输到数据库,井下瓦斯传感器实时监测各处瓦斯含量,并实时反映到监测网络上,井下现实状态真实地、实时地反映在各种工程图件和统计中,克服了传统生产中的时滞性,对矿山技术的进步是一次大提高。
(2)地理信息系统化。
对一事件刻画描写有2个关键数据:时间和地点。
对一个矿山工程而言,每一个技术问题首先必须回答的就是地点。
一个断层会影响开采,必须说明它在巷道的地理坐标,如何延伸,落差多少;一个出水点,必须尽快测出地点、涌水量,以便布置排水;一个瓦斯突出点,更应快速获得准确坐标,启动排风预案,确保安全生产。
整个矿山的全部问题都与地理信息有关,所以全部事件必须与准确的地理信息建立紧密联系。
(3)虚拟性。
在其他工业行业中,尤其是化工、机械行业都有一个重要的生产技术环节——中间实验,矿山无法进行中间实验,煤矿不可能专门开通巷道进行中间实验,以选择不同的开采方案。
所以,矿山工程不可避免地造成废工废巷,往往造成很大的经济损失。
现在利用数字矿山的三维建模功能,建立起虚拟矿山,进行矿山的模拟运转,进行多种开拓方案的对比成为可能。
这种虚拟矿山是多参数的,如虚拟矿山下的运输系统模拟运转、通风系统的模拟运转、电路电机系统的模拟运转、事故抢险演习等等,从而把矿山设计得更合理、更精确、更安全。
3数字矿山研究的主要内容与目标
在数字矿山建设中,就矿山测量而言,除常规的矿井建设、生产中的测量任务之外,应特别重视以下的研究:矿图数字化与数字化成图一自动化矿山地学信息采集系统;矿山开采环境的综合评价与治理一矿山开采环境四维动态信息系统;GIS和GPS(全球定位系统)结合及其在矿山开采
环境监测与治理中的应用一矿山开采环境实时监测系统;矿山环境信息系统的质量模型及其精度不确定性处理一矿山开采环境信息系统的误差分析系统。
3.1自动化矿山地学信息系统
矿图数字化和数字化成图将成为矿山GIS数据采集的基本手段。
实现数据采集自动化是降低矿山GIS成本的重要途径。
综合利用不同的数据源(井上下测量、数字化矿图、地勘信息、航测遥感信息等)、建立适合矿山各类应用的基础地理空问信息数据库及分层信息(包括设备位置及属性信息),建立好矿山地学信息系统。
同时注重模式识别和专家系统理论。
研究的最终目标是实现矿图数据采集、识别和处理的自动化。
3.2矿山开采环境四维动态信息系统
矿山开采环境综合评价与治理不仅包括传统的开采沉陷预测与安全开采方案评估,矿区塌陷区综合治理与动态环境评价、矿区土地管理与区域规划等内容,更重要的是采用GIS技术手段。
针对矿山开采空间状态是随时间和生产发展而变化的特点,在现有GIS数据模型基础上,研究适用于矿山开采环境的空间和时间综合四维数据模型,建立有效的矿山地理信息系统。
该系统应达到如下目标:
(1)实现各类地质采矿条件下开采沉陷的四维动态模拟,为矿山开采沉陷的综合治理(建筑物保护、安全开采方案、保护煤柱设计,采动滑坡治理等)提供依据。
(2)实现矿区生产管理的动态模拟,为主管部门提供决策咨询。
(3)实现矿区土地资源(地面覆盖物、地下管道工程、塌陷区生态复垦)自动化管理,为矿区开采环境的综合评价与治理提供依据。
3.3矿山开采环境实时监测系统
GPS定位技术是美国自70年代初期开始研制的新一代卫星导航和定位系统。
目前,我国已开始应用GPS定位技术。
对于矿山开采环境研究而言,主要是采用GPS定位技术采集地面动态坐标数据,并采用GIS进行数据管理和空间分析,从而获得所需信息。
最终达到直接采用GPS技术对GIS作实时更新,建立矿山开采环境的实时监测系统。
3.4矿山开采环境信息系统的误差分析系统
长期以来,地理信息系统的误差不确定性问题一直没有解决,现有的地理信息系统都无法评价系统的精度和可靠性,这对于GIS产品是一个巨大的缺陷,没有精度和可靠性指标GIS难以进行可信的空间分析。
所以研究GIS的质量模型和精度问题是十分必要的。
矿山开采环境信息系统有其独特之处,它的信息是三维以上的。
其空间目标关系更为复杂,而且信息是多样化的。
所以,研究矿山开采环境信息系统的精度更有实际意义。
作为矿山测量研究者,既具有深厚的数理知识和矿山开采理论知识,又具有很强的空间概念,理应承担这方面的研究。
该项研究的主要目标是:确定系统精度和可靠性的估算模型;分析属性数据精度和空间信息精度相互影响的规律;建立矿山开采环境系统的精度和可靠性评价系统。
4结语
数字矿山的建设是一项复杂而富有挑战性的工作,21世纪初,我们把数字矿山技术应用到地质勘探和矿山开发中,并建立了数字矿山网,取得了较好的成绩。
近年来,随着计算机技术不断发展,3s技术的发展和3s之间的交叉应用,数字矿山技术不断完善,在矿山开发中的应用也更加深入。
在今后的数字矿山建设过程中,我们需要在采矿工艺、技术条件、资金实力、员工素质等方面进行综合考虑、统筹规划,有计划、有步骤、分阶段地稳步推进,矿山建设得更好。
参考文献
[1]陈宇,冯小军,浅谈3s技术与数字矿山建设[J],煤矿现代化,2009年第6期,总第93期
[2]骆力,数字矿山特征及建设探析[J],金属矿山,2009年第5期总第395期
[3]吴立新,中国数字矿山进展[J],地理信息世界2008,10No.5
[4]王李管,曾庆田,贾明涛,数字矿山整体实施方案及其关键技术[J]采矿技术2006年9月第6卷第3期
[5]吴立新,朱旺喜,张瑞新,数字矿山与我们未来矿山发展[J]科学导报,2004,(7)。