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数字化矿山

数字化矿山

1概论

数字矿山的核心是在统一的时间坐标和空间框架下,科学合理地组织各类矿山信息,将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合。数字矿山的任务是在矿业信息数据仓库的基础上,充分利用现代空间分析、数据采矿、知识挖掘、虚拟现实、可视化、网络、多媒体和科学计算技术,为矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决策管理进行模拟、仿真和过程分析提供新的技术平台和强大工具。

数字矿山是建立在数字化、信息化、虚拟化、智能化、集成化基础上的,由计算机网络管理的管控一体化系统,它综合考虑生产、经营、管理、环境、资源、安全和效益等各种因素,使企业实现整体协调优化,在保障企业可持续发展的前提下,达到提高其整体效益、市场竞争力和适应能力的目的。数字矿山的最终目标是实现矿山的综合自动化。

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,以高新矿山观测和网络技术为支撑,建立起的一系列不同层次的原型、系统场、物质模型、力学模型、数学模型、信息模型和计算机模型并集成,可用多媒体和模拟仿真虚拟技术进行多维的表达,同时具有高分辨率、海量数据和多种数据的融合以及空间化、数字化、网络化、智能化和可视化的技术系统。它是信息化、数字化的虚拟矿山,是用信息化与数字化的方法来研究和构建的矿山,是矿山地表面之下的人类工程活动的信息全部数字化之后由计算机网络来管理的技术系统。通过它可以了解整个矿山系统所涉及的信息过程,特别是矿山系统多体之间信息的联系和相互作用的规律。

2数字矿山系统结构层次

(1) 基础数据层。即数据获取与存储层。数据获取包括利用各种技术手段获取各种形式的数据及其预处理;数据存储包括各类数据库、数据文件、图形文件库等。该层为后续各层提供部分或全部输入数据。

(2) 模型层。即表述层。如空间和矿物属性的三维和二维块状模型、矿区地质模型、采场模型、地理信息系统模型、虚拟现实动化模型等。该层不仅将数据加工为直观、形象的表述形式,而且为优化、模拟与设计提供输入。

(3) 模拟与优化层。如工艺流程模拟、参数优化、设计与计划方案优化等。

(4) 设计层。即计算机辅助设计层。该层为把优化解转化为可执行方案或直接进行方案设计提供手段。

(5) 执行与控制层。如自动调度、流程参数自动监测与控制、远程操作等。该层是生产方案的执行者。

(6) 管理层。包括MIS与办公自动化。

(7) 决策支持层。依据各种信息和以上各层提供的数据加工成果,进行相关分析与预测,为决策者提供各个层次的决策支持。

按功能划分,数字矿山包括六大类系统:数据获取与管理系统、数字开采系统、矿区地理信息系统、选矿数字监控系统、管理系统、决策支持系统。其中数字开采系统是核心系统,也是效率和效益的主要创造者。

3数字矿山功能分类及解决的问题

1)地质方面应用

地质方面的应用主要是用来对地质是据库的管理,剖面地质建模和三维地质建模,和储量计算与动态的管理。

2)地下采矿方面应用

地下采矿方面主要是井巷工程设计,单体设计,回采爆破设计,生产进度计划。

3)露天采矿应用

露天采矿应用主要工作是露天开采境界优化,露天采场设计,采剥顺序优化,采剥计划编制。

4)测量方面应用

主要分为井下工程测量和露天工程测量,井下工程测量主要任务是利用测量数据可以自动展点、自动连线及建立三维实测巷道模型和采空区模型,对工程量进行方便快捷的计算。露天工程测量主要任务是根据测量数据生成二维三维采场模型和迅速计算每月的采矿量、矿石平均品位、剥岩量及剥采比等信息。

5)实时监测方面应用

实时监测主要任务是通过传感器实时监测瓦斯,通风,机械运转,人员定位等情况,并在三维和二维模拟图形中实时更新显示数据。

4数字矿山功能详细

4.1地质方面应用

4.1.1数据库的管理

应采用数据库技术管理所有矿山数据,实现数据的共享与同步,增强数据的安全性;支持钻探、坑探、槽探等地质数据的快速导入、录入与数据校验,通过数据库,方便进行数据的添加、更新、删除等操作。

4.1.2剖面地质解译与三维地质建模

三维显示勘探数据后,可以沿任意方向、任意角度切剖面,进行剖面地质解译;可以根据工业指标(边界品位、工业品位、最小可采厚度、夹石剔除厚度、穿鞋戴帽等)进行品位组合,便于在剖面上进行矿体圈定。同时可以根据地质数据对任意形态的物体都可以通过一系列的散点或剖面创建地质模型,如数字地形模型、矿体模型、夹石模型、区域地层模型、构造断层和破碎带模型、煤层模型、以及其他任意实体模型;而且支持实体模型之间、实体模型与表面模型之间的交、并、差等布尔运算。同时实现与三维同步二维的CAD工程图,和柱状图等同步数据解释。

4.1.3储量计算与动态管理

应根据现状和实际需求,在软件中集成了传统储量计算方法(块段法、断面法)和国际通用的地质统计学储量计算方法(包括距离幂次反比法和克里格法)。

通过地质统计/变异函数分析,可以在三维视图和二维视图中交互可视地进行动态调整,使地质统计学的数学处理过程直观可靠。

4.2地下采矿方面的应用

4.2.1巷道工程设计

主要对矿床开采系统中竖井、斜坡道、中段运输平巷、溜井、硐室、井底车场等工程进行设计。根据矿床的埋藏条件和中段水平位置及中段高度对矿体进行切割,并将切割实体沿任意方向进行投影,以生成最大投影轮廓线(如,水平投影轮廓线),进而帮助快速确定各主要井巷的位置。采用参数化、可视化的设计思想,设计完后,能自动标注、自动计算,自动生成带有控制点表和工程量表的设计施工图。

1)巷道设计:可用于竖井、斜坡道、平巷中心线设计;

2)弯道设计:过参数化、智能化的方法快速生成两个井巷工程之间的弯道连接线;选择主巷道后,自动捕捉,动态显示弯道,用户动态调整到合适位置,或输入弯道半径,即可完成弯道设计;

3)道岔设计:提供了叉道连接,指定起点起叉和指定终点起叉三种叉道起叉方式,操作方便灵活;

4)平滑坡度:根据某一区段两端点巷道的高程,对该区段的巷道坡度进行平滑处理;

5)坡度调整:按指定坡度对某一平面内的巷道坡度进行调整;

6)断面设计:采用参数化方法,对当前矿山开采中所采用的各种标准类型的巷道断面(如:圆形、矩形、梯形、圆弧拱形、三心拱形等)或用户自定义的非标准断面类型断面进行设计。

7)生成联通的三维巷道:用于将不同类型和断面规格巷道根据其空间拓扑

连接关系自动生成完全贯通的三维巷道实体;

8)生成非联通的三维巷道:用于按照巷道设计中心线及其断面类型和规格生成相互独立的巷道三维实体,巷道之间的联通关系系统不进行自动处理,若需要联通,则必须使用实体布尔运算中的实体联合运算;

9)生成双线巷道:由巷道中心线生成双线巷道;

10)提取巷道中心线:从巷道实体中提取巷道中心线;

11)生成竖井:生成直立三维井筒和二维工程图;

12)计算机制图:根据设计的施工图,自动标注(包括控制点号、弯道四要数等),并在图表输出时自动计算,生成控制点表及工程量表。

4.2.2回踩单元设计

主要用于地下矿山回采单元单体开采设计,其主要功能包括:根据回采单元的结构参数对矿体进行自动切割、采切工程设计、底部结构的参数化、智能化与可视化设计以及各种工程量、开采储量、品位、金属量和贫化率、损失率指标的精确计算;

1)回采单元设计:按照回采单元结构参数对各中段矿体进行切割,形成回采单元三维实体和二维工程图;

2)采场设计:

3)采切工程设计:对回采单元实体进行投影,根据投影轮廓确定采切工程位置,设计工程中心及工程断面,并生成采切工程三维实体,计算采切工程量;

4)底部结构设计:底部结构包括漏斗及堑沟两种类型,根据底部结构类型、设计参数自动生成包含出矿巷道、出矿联络道、受矿口(漏斗口/斗颈)、出矿口等工程在内的底部结构设计线;根据开采边界,采用智能化交互方式对底部结构中单一工程体的水平位置和高度进行调整,以生成满足实际要求的底部结构工程设计线;根据各工程断面类型和断面尺寸,自动生成底部结构三维实体模型,并进行开挖量的计算。

4.2.3回踩爆破设计

主要用于地下矿爆破中扇形孔及平行孔的设计,系统根据孔底距、采场边界、钻机参数等,自动生成扇形或平行炮孔,根据装药算法,自动进行装药,允许用户对自动生成的炮孔参数(长度、角度、装药长度等)进行交互式修改和编辑,最终生成爆破实体、爆破施工卡片及中深孔设计施工图。

1)爆破边界的自动生成:由工作面切割采场及出矿巷道,自动生成每一排位的爆破边界及巷道断面;

2)扇形炮孔的自动生成:根据采场边界、钻机参数、炮孔参数等自动生成某一排位的扇形炮孔;

3)炮孔编辑:对每一排面的每一个炮孔的长度、角度等参数进行交互式编辑与调整,使炮孔的设计结果能完全满足爆破的要求;

4)自动装药:根据装药算法自动进行装药设计;

5)图表生成:自动生成每排炮孔设计施工图,并生成包括炮孔排号、孔号、炮孔设计长度、倾角、方位角、圆心距、装药长度、装药量、爆破量等参数在内

的炮孔施工表供现场施工和验收使用;

4.2.4生产进度计划

主要用于地下矿掘进及回采计划的编制,通过生产路径数据和三维实体(巷道、采场)数据等基础数据的准备,根据生产工艺及资源设备状况等,自动形成生产任务及任务作业顺序,最终生成生产计划报表及动画模拟生产计划的执行过程,做到生产计划编制的可视、可控、可调。

1)数据准备:通过表格形式准备数据,方便直观;

2)计划编制:根据准备的数据,自动编制生产进度计划;

3)报表定制:用户可根据自己的需要,自行定制生产计划报表;

4)结果输出:提供Excel报表、Project进度计划图、及三维图形显示、动画模拟生产计划的执行过程等结果输出形式。

4.3露天采矿方面的应用

4.3.1露天开采界面优化

4.3.1露天采采场设计

4.3.1采剥顺序优化

4.3.1采剥计划编制

4.4测量方面的应用

应该持国内传统采用经纬仪的支距法(或步距法)测量数据的快速导入,也支持采用全站仪测量的断面法和腰线法测量数据的快速导入,更支持先进的三维激光扫描仪点云数据的快速导入。

测量数据可以自动展点、自动连线及建立三维实测巷道模型和采空区模型,同时生成二维工程图。且对工程量进行方便快捷的计算。

4.5实时监测方面的应用

能自动监测、记录井下各地点多种参数值(如甲烷、一氧化碳、二氧化碳浓度,风速,温度,气压,机器运转情况,人员定位),并当某参数超过预置阈值时,能自动警报和断电的监控系统。

可以同时在三维实体模型和二维工程图中动态显示自动监测的各种参数数值,以及用动画效果模拟出各个监测点的运行状况。

4.5.1供电设计与计算

供电设计与计算集煤矿井下供电图绘制、计算、管理、优化、统计于一体,系统建立了开放的机电设备参数库,方便地绘制供电图形(高压供电系统图、低压供电系统图、调度通讯系统图的绘制、井下排水系统图、提升系统图、压风机系统图、运输系统图等),基于设备参数库在供电系统图上进行设备选型、计算,最终自动生成供电设计报告并给出一整套煤矿供电设计解决方案。

(1)基于采掘工程平面图绘制供电设备布置图、自动生成供电图形绘制:建立机电设备图例库、方便的绘制高压供电系统图、调度通讯系统图、井下排水系统图、提升系统图、压风系统图、运输系统图等;

(2)设备参数库:建立开放的设备参数库,为供电设计和计算提供技术参数支持;

(3)负荷统计计算:根据所选择设备台数、功率、功率因数等参数自动计算变压器所带线路的负荷;并根据负荷统计计算结果进行变压器型号的选择;

(4)长时载流计算:自动根据线路中的负荷计算电缆的长时载流,并根据长时载流的大小进行电缆型号的选择;

(5)短路电流计算:提供查表法和计算法两种方法计算短路电流,计算过程由计算机自动完成;

(6)电压损失计算:自动计算线路的最大电压损失,校验电压损失的合理性;

(7)开关的选择及整定:可对高压开关、馈电开关、组合开关、启动器等不同保护方式的开关进行选型和校验;

(8)供电设计报告自动生成:依据供电设计和计算的过程自动生成供电设计报告,提供完整的供电设计方案。

4.5.2井下人员跟踪定位

井下人员跟踪定位救护系统是基于射频定位识别等技术,并结合数据库管理系统实时将井下人员的位置和身份信息实时动态显示在采掘工程平面图上和三维实体模型。

主要实现功能:

(1)自动统计下井人员的上下井时间,有效防止早上井现象;

(2)实时跟踪井下人员流动路线、地点,有效监督安全生产岗位人员上岗情况;

(3)提供事故灾害区人员相关信息,并提出最佳避灾路线。

4.5.2瓦斯、水灾实时监测

根据监测表数据在三维实体建模中和二维平面工程图同步显示监测数据。根

据圈定的瓦斯、水害危险区域智能地判断危险距离并做出报警提示;对某些监测数据进行定性、定量分析、评价、预测、预报、预警,根据授权进行消警、评价、签名处理,消除安全隐患及报警信号;对煤矿安全生产起到导航作用;系统与地测日常动态图形(地测空间管理信息系统的处理结果)实现无缝衔接。

(1)以采掘工程平面图为基础,新建添加各种通风设施、各瓦斯区域地质参数、各监控瓦斯装备等形成相关的瓦斯、水害防治图件;

(2)实现了沿工作面矢量方向绘制工作面瓦斯曲线的功能;

(3)系统建立了瓦斯、水害评价指标体系库和专业应用模型库;

(4)实现了在矿井通风系统图、瓦斯地质图基础上建立瓦斯灾害的辩识、预测、预报、预警等;

(5)基于说明牌、瓦斯水害防治评价指标体系及相关专业应用模型对监测数据进行定性、定量分析、评价、预测、预报、预警;

(6)不同层面用户基于B/S模式可根据授权进行消警、评价、签名处理,消除安全隐患及报警;

(7)实现了煤矿安全生产的导航作用,即指导煤矿的下一步安全生产。4.5.3通风安全信息系统

主要包括通风专业制图系统与通风网络解算系统,系统与地测日常动态图形(地测空间管理信息系统的处理结果)实现无缝衔接。

主要实现功能:

(1)系统具有完整、规范、标准的“一通三防”图例库,可动态修改自由添加;

(2)在采掘工程平面图基础上绘制通风系统图、防尘系统图、避灾路线图、瓦斯防治系统图等;

(3)将各种通风图例的属性信息通过数据库管理,方便统计浏览;

(4)基于通风系统图巷道拓扑关系自动生成任意视觉的通风立体图;

(5)基于采掘工程平面图或通风系统图自动生成通风网络图;

(6)基于强大的GIS技术实现网络图节点位置和分支曲率方便的调整;

(7)通风阻力测定计算、主扇风机性能测定及特性曲线的生成、瓦斯等级鉴定计算;

(8)网络解算:模拟解算、巷道贯通、可控循环风、瓦斯排放、反风模拟、风机优选等;

(9)根据通风网络解算数据自动绘制压能图。