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数字化矿山建设及基本技术


数字化矿山建设及基本技术 吴绍辉 马骏骋 李增辉 (山东东山王楼煤矿有限公司,济宁,272063) 摘 要:矿山自动化是采矿行业的一个崭新科技领域,也是矿山企业发展的重要 科技途径,矿山自动化为矿山企业的生产、安全、管理提供了合理、高效、准确 地解决方案。随着企业对数字化建设的重视,数字化矿山技术取得了质的飞跃, 数字化在矿山的应用也成为矿山企业研究的热门话题。 关键词:数字化 信息 关键技术 一、背景 近年来矿山自动化是矿山企业发展的热门话题,随着信息技术在矿山生产过程 中的应用,矿山系统开始向自动化、系统化、多元化发展,矿山系统是一个复杂 的、动态的、开放的巨大的系统,各个组成部分之间相互影响、相互制约。对于 这样的系统要想最大化的发挥其能力和效益的话,就需要我们快速、准确地了解 其各个系统运行情况及特点,并从科学的角度做出准确的决策,将系统配套、统 一起来,而矿山自动化系统很好的解决了这一问题。 自 20 世纪下半叶起,德、英、美、澳等采煤技术先进国家,大力推广自动化、 信息化技术,在井上、井下生产、安全等各环节,对主要设备均实现了子系统自 动化生产控制和监测,并采用计算机网络技术,将所有子系统通过联网,实现全 矿井生产和安全系统的综合控制、监测和监视,使生产效率大大提高,安全状况 彻底改善,获得了巨大的效果。国内煤矿数字化的发展过程与国外采煤发达国家 相似,走先单机自动化、单个环节的生产过程自动化,再完成全矿井的数字化的 发展路线。 国际上随着实时矿山测量、 GPS 实时导航与遥控、 管理与辅助决策和 3DGM GIS 的应用,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。 在国内自建国以来,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 。乡及乡以上的矿产采选业产值占 GDP 的 6.27%(1997 年); 中煤炭城市 54 座) 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。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。 矿山企业作为资源开发的主体,其信息化是矿业信息化的重要组成部分之一。 矿山信息化即是挖掘先进的管理理念, 应用先进的信息技术去整合矿山现有的生 产、经营、设计、管理,及时地为矿业“三层决策”系统提供准确而有效的数据信 息,以便对市场需求做出迅速反应,进而提升矿业管理、组织结构、业务流程的 变革和延伸。 二、矿山企业的基本特征

数字矿山研究的前提,是要首先掌握矿山企业的基本特征,针对数字矿山的基 本特征来设计数字化矿山总体解决方案。矿山企业一般具有以下特征。 (1)矿山是以自然资源为对象的生产企业。矿产资源的存储与地质环境的复杂性 密切相关,而且其空间位置、形态、元素品位分布等均极富变化。由于资源分布 的复杂性、不确定性,局限性了勘探工程控制程度,人们对资源的认知程度就会 随着开采的不断进行而渐渐变化。同时,随着市场价格和开采技术条件的变化, 矿体的边界和形态也会随之变化,并需要及时变更和修正。 (2)矿山生产环境恶劣、作业空间狭小。对地下矿山而言,由于通道狭长、电磁 屏蔽性强、噪音大,正常通讯难以实现,导致生产过程控制十分困难。 (3)在矿山企业中,不仅生产系统内部存在大量的多源、异质信息流动,而且系 统内部与外部环境之间也存在着信息的交换和流动。与其它工业企业相比,矿山 企业的信息化、智能化、可视化、可控化工作更难实现。 矿山企业的这些特征,使其决策、设计、生产计划、生产调度与过程控制、安 全生产等各个方面均非常复杂。因此,数字矿山的建设必须从系统的角度出发, 以企业的信息流为主线,以对生产要素和生产过程控制为目标,最终实现矿山企 业效益最大化。 数字矿山建设涵盖了矿山企业生产经营过程中,全面实现信息化、可视化、智 能化、自动化和决策与管理科学化的全部内容(见图 1)

图1 三、数字矿山建设目标 随着计算机技术在采矿业的不断应用,采矿业正由经验型、传统型向科学型、 定量分析与处理、自动化方向发展。我们矿山生产的实际情况,将下一步数字化 矿山建设目标定位于:以计算机及其网络技术为手段,把矿山的所有空间和有用 属性数据实现数字化存储、传输、表达和深加工,并应用于各个生产环节的管理

和决策之中,以实现矿山生产的系统优化,达到提高资源的综合利用率、降低生 产成本、 实现利润最大化的目的。 高效快速的推进矿山网络化、 数字化、 信息化、 综合自动化在我矿的整体应用。 目前,我国数字矿山建设的具体目标是: (1)应用计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术和煤矿生 产工艺技术,实现企业的经营、生产决策、安全生产管理和设备控制等信息的有 机集成。 (2)通过应用软件,实现经营管理科学化,生产计划、生产安全调度、生产 过程控制最优化。 (3)保证煤矿生产安全,提高产量和质量,提高企业经济效益和竞争能力。 (4)提高对客户多种要求的响应能力。 “数字化矿井”最终表现为矿井的高度信息化、自动化、高效率、高安全和高效 益。 四、数字矿山建设的基本项目及内容 矿山系统是一个复杂的、动态的、开放的巨型系统,各部分之间互相影响、互 相制约。对于这样的系统,只有快速、准确地了解各个系统的运行情况,并使各 个子系统配套、一致,再在此基础上予以优化,才能实时、科学地做出决策,发 挥数字矿山系统的最大能力和最佳效益。围绕数字矿山建设的具体目标,数字矿 山建设的基本内容有:安全监测监控系统、井下皮带监控系统、主付井提升监控 系统、采区变电所监控系统、工业电视监视系统、主要扇风机房监测系统、井下 人员定位和管理系统、系统集成平台建设、矿压观测与分析系统、水文监测与分 析系统、矿井火灾束管监测系统、地测地理信息系统、采矿协同设计系统、输配 电地理信息系统、智能化矿井通防系统、给排水地理信息系统、综合管线管理系 统、安全管理系统、资产管理系统、矿山生产成本管理系统、矿山综合管理系统 等; 总体概括数字矿山技术主要实现功能和作用为几个方面: (1)矿山海量、异质、时空数据库及分析和采矿设计功能; (2)信息综合传输通讯功能; (3)生产过程控制与调度功能; (4)生产过程安全监控与预警功能; (5)生产过程虚拟现实功能; (6)生产信息及办公自动化管理功能。 五、数字矿山建设关键技术 数字化矿山是将数字矿山中的固有信息数字化,按三维坐标组织起来一个数字 矿山,全面、详尽地刻画矿山及矿体的基础上再嵌入所有相关信息组成一个意义 更加广泛的多维的数字矿山。 我们认为后一个层次才是真正的“数字矿山”, 而“数 字矿山”是需要多数字矿山建设是一个复杂的系统工程,不可能一蹴而就,需要 个学科、 高校、 科研院所和煤炭企业的科技人员协同作战、 长期奋斗才能实现的。 基于数字矿山建设的目标和主要内容,对现代先进技术进行集成创新,根据不同 的矿山企业的特点制定符合企业实际的数字矿山建设总体技术方案。 5.1 生产调度与监测监控技术 生产调度系统是煤矿安全生产管理中的重要手段之一,在煤炭生产中发挥着非 常重要的作用。在地面,它是行政通信系统不可缺少的重要补充部分,因为煤矿 生产规程中规定,在地面如绞车房、中央变电站等重点部位要安装行政、生产两

套通信设备, 保证在一个系统出现故障, 另一个系统能满足生产的需要。 在井下, 生产调度通信系统则是主要的通信手段, 井下各生产环节的信息主要通过该系统 来传递。生产调度与过程控制建立在综合通讯系统平台上,以实现对人员设备跟 踪定位、设备运行状态控制以及视频监视系统和虚拟现实系统,实现对采矿生产 调度与过程控制, 只有建立了功能完善的生产调度与过程控制系统才可能实现危 险作业场所遥控采矿和无人采矿。矿山各种数据使用不同种类的传感器进行采 集,采用工业以太网、PLC 智能控制及视频监视系统,实现对矿井提升、运输、 通风、排水、矿物加工过程等系统及设备的智能化集中监控。矿井人员跟踪定位 及考勤管理系统采用先进的远距离射频识别技术(RFID) 、通讯技术和计算机软 件处理技术,并采用双频点长短波频率实现可靠的双工通信。首先由 KFD - 3 型 人员跟踪定位分站不断产生 132. 3 kHz 低频编码电磁波信号经发射天线发射出 去,用来激活进入该区域的由入井人员随身携带的 KGE26 射频标识卡(未进入发 射天线工作区域标识卡不工作) 并将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频 发射模块发射出去;同时分站把接收天线接收来自 KGE26 标识卡的高频载波信 号经过放大后,经软件解调、解码处理后提取有效的目标识别码通过 DPSK 或 RS485 通讯 线 传 输到地 面 监 控 主机 , 再由主 机 运 行 在 WINDOWSP2000 和 SQLSERVER 环境的人员跟踪定位及考勤软件进行处理、统计、存储、显示和 网络共享。从而实现对矿井人员自动识别、跟踪定位和考勤管理,为事故抢险救 灾提供技术支撑。 5.2 矿山安全监控系统及环境监测技术 矿山井下生产过程中,主要的危害有岩体破坏、有毒有害气体、火灾等。因此, 必须建立起有效的综合安 全监控与预警系统矿山综合安全监控与预警系统采 用传感器采集各种数据,安全检测系统采用时分制分布式结构,主要由地面监控 主机、数据库服务器、网络终端、图形工作站、通信接口、避雷器、系列监控分 站、各种传感器和控制执行器等部分组成。具有良好的开放性和可伸缩性,采用 模块化设计,组态灵活。监控中心运行在标准的 Ethernet TCP/IP 网络环境,操 作系统平台为中文 Win2000,可方便实现网上信息共享和网络互联。支持 Internet/Intranet 模式的 Web 系统综合监控信息浏览。 系统显示画面采用文本、 图 形兼容方式,显示信息直观、生动,具有实时多屏显示功能,实时数据存储和各 种统计数据存储能力。数据存储时间长、查询和报表功能丰富,格式可由用户编 排。有系列化,多用途监控分站,功能丰富,具有甲烷断电仪及甲烷风电闭锁装 置的全部功能。有完善的数据停电保存能力,确保监测数据和设置数据信息不丢 失。配有智能口,可采用 RS485 通讯方式的各种传感器及设备。系统具有自检 功能,可对分站、电源、传感器、电缆等设备进行诊断,能报警和记录并自动切 断故障支路。有完善的多级口令保护功能。系统设备具有完善的故障闭锁功能, 当与闭锁有关的设备未投入正常运行或故障时能切断与之有关设备的电源并闭 锁。 通过传感器对井下各种气体进行及时预测、预报,而且能及时、准确、连续的 监测现场瓦斯、CO 变化情况及设备运行参数,对瓦斯超限实行自动报警和断电 控制,传感器所监测到的数据能及时反应到地面中心站,对井下环境参数连续监 测收到了良好的效果。为生产调度提供及时准确的信息,并可通过对所存储的数 据进行曲线分析,对研究瓦斯、CO、风速等变化规律,掌握气体变化动态,及 时消除事故隐患具有重要参考价值,提高了矿井“一通三防” 的管理水平。同时 通过以太网综合通讯平台进行数据传输, 数据在主控中心采用专用的分析及预警

软件进行分析,及时发现和预测灾害。使采矿在更加安全、高效、低耗的条件下 进行。地压灾害也是矿山开采中灾害之一,微震是矿岩变形、裂纹开裂及扩展过 程的伴生现象,它与矿岩的力学行为有着密切的相关性,因而信号中包含了大量 的关于围岩受力破坏以及地质缺陷活化过程的有用信息,通过精密的仪器检测、 分析,可以推断矿岩的力学行为,估测矿岩是否在发生破坏。微震事件的位置及 强度反映了岩体内发生的变形或破坏的位置及其强度。因此,建立微震系统不仅 能够起到监测灾害的目标,还能起到预警的作用。微震系统在众多领域获得了广 泛应用,国内外许多矿山已经或开始建立微震监测系统。基于微震的安全监测及 预警系统采用网络化结构,通过在监测区域外围布置微震探头,构成监测网络, 数据传输采用泄漏电缆、普通的双绞线或光纤。 5.3 矿山综合通讯技术 作为生产管理人员、 电机车司机、 皮带维护工和其它流动人员的主要通信手段, 井下无线通信系统保证了这些人员能够与生产调度室及时取得联系。 它具有安装 快捷,能在较短时间内形成局部移动通信系统的特点。系统能与矿井行政、生产 通信系统实现组网,特别是当井下发生紧急情况时,可为井下提供能及时与地面 联系的工具,对抢险的组织非常有帮助。井下/井上通信系统作为生产调度通信 系统的补充在矿井生产安全等方面起重要作用, 矿山综合通讯同一网络能够同时 传输语音、图像、数据等各种信息,使语音、视频、数据三网合一,图 2 为综合 通讯系统示意图。

图2 适宜于井下/井上综合通讯系统的成熟通讯技术有:基于泄露通讯机制的井下 /井上综合通讯技术;基于光纤的有线综合通讯技术;基于 IEEE802.11.b 通 讯协议的无线综合通讯技术等。数字矿山在实际建设中,可以根据矿山企业的实 际和需求情况,选择适合矿山企业需求的综合通讯系统。基于 IEEE802.11.b 通讯协议的无线综合通讯手段, 能够为井下/井上综合通讯系统的创建提供关键 技术,矿山下/井上综合通讯系统将建成井下无线通讯的有结构网络,即无线工 作站(如电脑、手机、摄象机等等)无线方式接 WAP:Wirless AccessPoint(无线接 人点 y),无线接人点(WAP)之间用线缆连接,构成有线网,而在井上采用线缆或 光纤直接与矿山的局域网(LAN)系统连接,形成一个功能完善的井下/井上综合 通讯系统平台。如图 3

图3 井下无线通讯核心技术是采用微蜂窝和信道动态分配技术,从而大大地提高了 频率的使用率和系统的容量。小灵通小区基站与手机之间采用了时分双工模式 TDD,其无线信道基于时分多址 TDMA 结构,语音编码采用 32kbit/s AD PCM 方式,提高了话音通信质量,增强系统的保密性;使用分集天线接收,加强了系 统的抗干扰能力。PHS 产品技术较以前的产品,无论是业务侧、网络侧,还是无 线侧、终端,都已经取得了突破性的进展,到目前为止 PHS 已经形成了由服务 提供商(SP) 、网络运营商、设备提供商、终端商和用户组成的完整的产业链。 5.4 资源与开采环境可视化建模与评价技术 资源及开采环境可视化建模与评价主要实现两个方面的目标:一是资源评价, 主要采用可视化建模方法和虚拟现实技术完成矿床模型的建立, 用以表征矿床有 用元素的空间分布情况和对资源状况进行科学合理的评价;二是开采环境评价, 通过建模技术全面掌握矿床和岩层分布、岩体质量、构造特征、已有井下工程的 分布状态等影响矿床开采的技术条件和关键工程指标。 资源及开采环境可视化模型是数字矿山建设的基础,只有完全掌握了矿床及井 下开采环境情况,才能够为数字矿山的建设提供基础平台,数字矿山建设后续的 通讯系统、生产调度及人员设备定位、生产过程安全监控与预警系统、生产过程 虚拟现实系统都需要以此为基础平台进行设计开发和系统运行。 资源及开采环境可视化建模采用 TIN(不规则三角网)技术产生数字地形表面模 型和地质体(包括床体、岩层及断层)实体线框模型,同时采用变块技术建立矿床 资源评价块段模型。最终采用地质统计学方法对块段模型进行估值,得出既有结 构性又具有随机性的复杂地质体的空间分布及品位和开采环境综合评价技术成 果,并在此基础上进行开采方案优化与设计。 目前,实现这一功能的软件主要有两种:一种是地理信息系统专业软件,如 MAPGIS、 MGIS、 GeoMap 等; 一种是以地质和采矿为主的可视化矿山工程软件, 如 Datamine、Surpac、Micromine、Minesight 等。这两种软件都有各自的优势和

不足,地理信息系统软件技术能够较好的模拟和表现矿床的地质体外部特征,但 是在储量空间分布估值和三维可视化采矿设计方面功能不完善; 数字矿山工程软 件在模型模拟方面不是很突出, 但在储量空间分布估值和采矿设计方面提供了强 大的工具。 六 结 语 数字矿山是一个科学、系统的概念,也是一种动态持续的过程,是符合适应建 设信息化社会要求的矿山信息化的完整解决方案,数字矿山实施的成功,将对我 国煤炭资源行业实现结构优化重组和应对国际市场竞争的能力有着积极重要的 作用。 数字化矿山技术正在进入一个新的飞速发展时期, 计算机技术、微电子技术的 不断突破给这一领域注入了新的活力。数字化矿山是另一个飞速发展的领域, 全 面推进信息化装备的应用,使矿山企业综合信息网络化、过程控制自动化、安全 管理信息化、生产集约高效化,实现信息与业务之间完全融合、信息共享,将是 数字化矿山发展的更高追求。 作者简介 吴绍辉 男,汉族,1979 年出生,2000 年毕业于重庆工程职业技术学院自动化 专业,现任临矿集团王楼煤矿调度室主任,联系电话 0537-2536807。 参考文献: [1] 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). 《自动化、信息化与数字化矿山》2001,16(1):55~59. [2]谭得健. [3] 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》2006, (9). [4] M.斯科布尔.加拿大矿山自动化的进展:数字化矿山迈向全矿自动化 (二)[J].国外属矿山,1996,(4). [5] 张俊,丁汉,熊有伦.基于 IEEE1451.2 标准的 IP 传感器 [J].机械与电 子,2001,(4):3~6. [6] 刘廷安. 自动化矿山一 21 世纪矿业技术的主旋律[J]. 国外金属矿山, 2000, (1):1~6. [7]J 皮克,J 格瑞.应用信息技术的 21 世纪采矿[J].国外金属矿山,2000,(1): 7~11. [8]王李管,何昌盛,贾明涛.三维地质体实体建模技术及其在工程中的应用 [J].金属矿山,2006,(2):58~62.


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