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、GIS管理与辅助决策和3DGM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。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
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