数字矿山特征及建设探析_骆力

S e r i e s N o .395M a y 2009

金 属 矿 山M E T A LM I N E 总第395期

2009年第5期

骆　力(1960—),女,安徽工业大学计算机学院,高级实验师,243002安徽省马鞍山市湖东路。

数字矿山特征及建设探析

骆　力

(安徽工业大学)

摘　要　建设数字矿山对充分利用开发矿山资源,化解开采过程中的高危险、高危害因素,落实我国矿产资源开发政策,促进矿山科技进步的发展等具有积极重要的意义。通过对数字矿山定义的分析,阐述了数字矿山的主要特征并据此提出了我国数字矿山建设的主要内容。分析说明了建设数字矿山的4方面核心内容,即矿山地质数字、矿床模型的建立,矿山开采模拟技术的应用,矿山生产过程中自动控制以及矿山决策管理系统的建设。

关键词　数字矿山　核心内容　建设

D i s c u s s i o n o nt h e C h a r a c t e r i s t i c s a n d C o n s t r u c t i o n o f D i g i t a l Mi n e

L u o L i

(A n h u i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y )

A b s t r a c t T h ec o n s t r u c t i o no f d i g i t a l m i n e i s o f v e r yp o s i t i v e s i g n i f i c a n c e t of u l l ye x p l o i t i n ga n du t i l i z i n g m i n er e -s o u r c e s ,r e d u c i n g t h e h i g h d a n g e r a n d g r e a t h a z a r d f a c t o r s i n m i n i n g p r o c e s s ,i m p l e m e n t i n g C h i n a 's m i n e r a l r e s o u r c e e x p l o i -t a t i o np o l i c y a n dp r o m o t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f m i n e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y .T h ep a p e r ,b a s e do nt h ea n a l y s i s o f d i g i t a l m i n ed e f i n i t i o n ,e l a b o r a t e s t h e m a i nc h a r a c t e r i s t i c s o f d i g i t a l m i n e a n d p r o p o s e s t h e m a i n c o n t e n t s o f d i g i t a l m i n e c o n s t r u c -t i o n i n C h i n a .T h e f o u r c o r e c o n t e n t s o f d i g i t a l m i n e c o n s t r u c t i o na r e a n a l y z e da n d e x p l a i n e d ,w h i c hi n c l u d e t h e e s t a b l i s h -m e n t o f d i g i t a l m o d e l o f m i n e g e o l o g i c a l d e p o s i t ,t h e a p p l i c a t i o n o f m i n i n g s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ,t h ea u t o m a t i cc o n t r o l o f m i n e p r o d u c t i o np r o c e s s a n d t h e c o n s t r u c t i o no f m i n e d e c i s i o n -m a k i n g m a n a g e m e n t s y s t e m .

K e y w o r d s D i g i t a l m i n e ,C o r e c o n t e n t ,C o n s t r u c t i o n

随着矿产品价格理性的回归,国内矿山企业在经历一段高利润周期后逐渐趋稳,矿山企业的经济效益也明显回落,一些中小型矿山逐渐停产减产。在这种大形势下,国内大型矿山为实现自身稳定的发展,必须加强矿山科技的建设,利用高新的矿山科学技术来压缩矿山的能耗、水耗、人工等成本开支,通过科学技术来整体把握矿产资源的赋存特征,科学决策实现资源的合理配置,调节优化生产提高矿产品质量来提高经济效益。数字矿山建设的目的就是要通过将矿山各种信息系统、计算技术和工业控制的有机整合,最大限度合理调配各种资源,最优化地控制与调度各种装备与设备,实现矿山管理的科学性和生产的安全、高效、经济和矿产资源利用的最优化。面对当前形势以及未来的发展趋势,中国的矿业要实现可持续发展必须走数字矿山的道路,通过自动化及数字矿山的建设来实现资源的优采优选,改变传统的管理模式、决策方式。

数字矿山(d i g i t a l m i n e ,D M )是由“数字地球”、

“数字中国”、“数字城市”引伸来的。对其概念有很多种描述,综合可定义为以计算机及其网络为手段,

把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加工,应用于各个生产环节与管理和决策之中,以达到生产方案优化、管理高效和决策科学化的目的。因此,数字矿山的基本性质是网络、信息存储、传输、表述和深加工,换言之,数字矿山即对矿山现有的地质资料、纸质文件、生产工艺环节、现有的装备、设施进行信息化,充分利用这些信息,进行科学决策,实现资源合理配置,最大限度地提高企业效益

[1]

。数字矿山是在矿业信息数据仓

库的基础上,充分利用现代空间分析、计算机网络、遥感技术、地理信息系统(G I S )技术、虚拟现实技术、数据库管理技术、信息系统标准化、G P S -G I S -R S 一体化、数据库设计、海量数据信息管理与相关技

术,全力打造出数字矿山系统平台,为矿山资源评估、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技术支持和最佳的决策方案。数字矿山可以从2个方面来理解:①将数字矿山中的固有信息(即与空间位置直接有关的相对固定的信息,如地质地形、井下地质、开采方案、已完成井下工程等)数字化,按三维坐标组织一个数字矿山,全面、详尽地刻画矿山及矿体;②在此基础上再嵌入相关信息(即与空间位置间接有关的相对变动信息,如储量管理、机电管理、人事管理、生产管理、技术管理等),组成一个意义更加广泛的多维的数字矿山。

1　数字矿山特征分析

数字矿山由6个基本因素构成[2]

:①宽带、高速

企业网;②采矿C A D (M C A D )、虚拟现实(V R )、仿真(C S )、科学计算(S C )、可视化(V S )等功能系统;③时空数据仓库、矿业应用模型等核心系统;④三维地学模拟(2D G M )、各类挖掘工具等包装系统;⑤负责数据采集与处理的测量、勘探、传感等技术数据采集系统;⑥负责提供拓扑建立与维护、空间查询与分析、制图与输出的矿山G I S (M G I S )调度系统。数字

矿山的网络架构见图1[3]

。

图1　数字矿山的网络架构

通过构建数字矿山的架构,可以看出数字矿山具有如下几个特征。

(1)实时性。通过数字矿山的建设,基于高速的宽带企业网,借助于可视化系统软件,可以看到实时更新的矿山数据信息,地质信息以及井下实时工作图像都可以传输到控制中心,对矿区的空间、属性和管理数据实现全方位的存储、管理和限定的传输,并能够根据数据的性质和需要提供各种必要的表述形式。以往的地质报告一般都要多年修正一次,影响精确度,借助数字矿山系统,可以对采掘计划进行实时修正,动态反应矿床开采情况。借助数字矿山系统,还可以实时指挥,对采场进行生产调度控制、集中监控井下运输水平的信号、铁路道岔等;实时监测矿井的排水、通风情况,边坡、排土场、尾矿坝的稳定性,地下矿压、矿震监测与预报等等。

(2)模拟性。在矿山开采过程中,由于地质结构的赋存比较复杂,无法对开采过程中的变化进行中间试验,往往会造成废工废巷,在煤矿中尤显突出。借助数字矿山的三维建模系统,可以建立起虚拟的矿山,将所有生产中的设计和计划工作在计算机上完成,然后进行模拟采矿,这样不需要钻孔掘巷就可以进行多种采掘法方案的比较。同时可以完成

矿山中长期的开采计划编制,露天矿穿爆设计、地下矿巷道设计、硐室设计、开拓设计、采矿方法设计、凿岩爆破设计、通风设计、管道设计、灾害应变计划等等工作。

(3)安全性。借助数字矿山系统,可大大加强矿山安全,通过监测监控系统来代替人工取样、定岗监控,通过矿山安全监测与报警系统,对边坡排土场的稳定性、尾矿坝的安全性、地下水、矿井瓦斯、粉尘情况进行监测,可以尽早发现问题,尽快解决问题,确保安全生产。

(4)经济性。建设数字矿山能够节约大量的人力物力,节约大量的能耗水耗。传统矿山技术员上午下井,下午回来处理数据,数据处理后再进行手工绘图,浪费了大量的人力物力,建设数字矿山通过矿区地理信息系统及数字化开采系统,收集的相关数据通过计算机软件一处理结果就出来,工作强度明显减轻、速度快了,原来一星期的工作现在1～2d 就能做完,效率高、准确率高、成本低,对应的经济效益也明显提高了。数字矿山的建设可以明显提高劳动生产率、降低生产成本、提高管理决策水平,有专家预计数字矿山的建设至少可以提高矿山生产效率10%。实现数字矿山的最终目的是在更快、更广、更

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深、更直观的信息基础上实现科学决策,获得更高的社会效益和经济效益。

2　数字矿山建设

2.1　地质数据及矿床模型

地质数据及矿床模型的建立主要是利用各种实时在线的采集系统与技术手段,如R S,G P S,G I S,常规测量、取样化验等,以获取各种形式的空间与属性信息,再对信息进行必要的预处理,如图形和资料的数字化或矢量化、影像判读、坐标转换、数据集成等。

借助G I S可以将各种相关的空间和非空间信息按图层方式进行管理,进行相关空间分析并可视化地提取各种矿产资源地质数据信息,这些数据包括地质、构造、地层、岩石、矿体、钻孔等数据。地质数据的表述有文字、表格、图像、图件4种形式,图件中又分为多边形图件,如矿体分布图、线状图,以线性表示的断层图等。其数据的类型既有空间数据,又有非空间数据,在空间数据中又包括矢量数据和栅格数据。在3D G I S中主要有基于面和基于体2种方式的表示模型[4]。基于面的数据模型主要有:①格网模型。将表面划分为规则的格网,每个网点上有一个对应的属性值;②边界表达模型。将三维空间的物体抽象为点、线、面、体4种基本元素,然后以这4种基本几何元素来构造更复杂的对象;③解析模型。采用函数、参数方程来表示构成三维空间实体及其边界的曲面。④不规则三角网模型。依据原始数据点对实体表面进行不规则的三角剖分。基于体的数据模型主要有:①立方体模型。该模型是二维的栅格模型在三维中的推广,也叫三维栅格模型;②八叉树模型。将立方体体元均分为8个次一级的立方体元,直到每个体元内部都属于同意实体或达到一定的阈值;③四面体模型。以四面体作为最基本的体元,将任意一个三维空间对象剖分成一系列相邻但不交叉的不规则四面体。地质数据的收集和矿床模型的建立,尤其是品位模型、杂质含量模型及价值模型,它们是矿岩圈定、矿量品味计算和设计、计划的基础。

攀钢集团矿业公司在生产中,以C A D为开发平台和V C,V B,V B A等为开发语言,O B J E C T为开发工具,A R X为技术开发出露天矿山的“动态矿床地质信息数据库”,建立相关的矿床地质模型。

2.2　矿山模拟开采技术

矿山模拟开采技术是以矿床模型为基础,结合其他的关键信息构建虚拟矿山,进行模拟开采,完成矿山长、中、短期开采计划的编制、露天矿凿岩爆破设计、地下矿巷道标准断面设计、硐室设计、开拓设计、采矿方法设计、凿岩爆破设计、通风设计、管道设计、灾变应变预案等工作。

借助虚拟现实技术(v i r t u a l r e a l i t y,简称V R),可以三维的显示模拟现实世界,用户可以借助其在虚拟的环境中模拟各种活动。它构成一个以视觉感受为主,包括听觉、触觉、甚至味觉的综合可感知的虚拟环境,通过专门设备使演练者在这个人工环境中具有身临其境的感觉。数字矿山主要是应用桌面虚拟环境,来模拟采矿掘进、巷道中的物化条件、动态显示矿体的三维形态。通过虚拟现实模拟语言(V R M L)把这3种技术有机结合起来,G I S提供丰富的空间数据源,以及空间分析功能;V R较真是的形式实现大量数据的可视化;W W W促进信息的传播与交流。运用虚拟现实(V R)和并行计算技术,并嵌入虚拟仪器和各类专业应用模型,如开采沉陷计算、开采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络计算、瓦斯聚集模型和涌水计算等,可对矿山采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟和虚拟现实分析,形成各个基础的三维模型库和应用模型库,为O A,C D S一体化中心提供业务视图文件和以业务管理方式。

2.3　矿山自动控制技术

矿山的自动控制技术包括自动控制和监测等方面。自动控制技术主要包括信息的采集(传感器与检测)、信息的传输(通信)、信息的处理(计算机)、信息的应用与集成,在生产与管理过程中没有人的直接参与,经过自动检测—信息传输—信息处理—分析判断—操纵控制实现所要达到的目标。通过对生产设备的工况进行监测和自动控制,可以实时、连续检测各种地理、安全信息,减少现场工作人数,提高工作效率。

(1)生产调度系统。基于计算机、G P S、监控系统、调度软件等对生产现场的设备的运行参数、设备状态以及设备故障等实时监控调度。通过降低总运输功和采掘、运输设备的等待时间等,实现开采运输的自动优化调度,提高采装、运输系统的效率,降低采运成本。调度系统的核心是优化调度软件,包括配车线路优化、设备维护优化、调度规则趋优等。水厂铁矿计算机调度系统大大减少了现场指挥人员的劳动强度,减少各环节的人员统计中的误差,同时提供更准确、全动态数据信息。系统能实时地向中心调度传输信息,在数学模型的规划下形成实时的调度机制,

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并对人员、产量、设备的相关信息进行存储形成数据库并能够实时可视、实时查询以及报表输出[5]。

(2)井下无线传输技术。井下无线通讯技术是由传输系统、接收机及软件包所组成的井下无线通讯系统来实现井下的人员调度工作。其传输系统包括主机、调制器、发射机、环形天线及天线保护装置等。国内某煤矿根据生产对通信的要求,开发了“井下小灵通无线通信系统”,该系统解决了煤矿井下移动人员和零散作业人员的通信要求和井下人员的分布动态管理,优化了矿井上、下的网络结构,实现了矿井安全生产、指挥调度的有线、无线相结合的信息传递,保证了煤矿的安全生产[6]。

(3)矿井通风及地下水监控系统。借助于探测及感应技术,对矿井内的通风管道风压、流量等计算,控制空压机的运行情况实现节能降耗。东北大学基于o b j e c t a r x在A U T O C A D环境下开发的矿井通风软件再现矿井的通风系统现状,显示通风系统中零乱的巷道空间,而且可以对通风网络进行直观明了的分析,给矿山通风管理提供可靠的依据[7]。

(4)矿山安全管理系统。系统主要包括边坡、排土场、尾矿坝的稳定性监测、评价和预报,地下矿地压、矿震监测与预报,通风、粉尘、地下水监测等。北京科技大学开发的非煤矿山安全生产分析软件,采用数据库建表的方法动态构造查询条件,利用D e l p h i的b a t c h m o v e控件实现自由化的数据导入和导出。借助计算机的高速、判断、记忆、精确、通用等特性,采用现代化的计算机编程语言,对整个矿山生产系统的安全信息进行存储、查询、统计、分析、评价、预测和决策控制,实现矿山的安全系统管理[8]。

(5)选矿生产过程自动控制技术。包括破碎机的自动给矿控制系统,实现对机腔料位、电流、矿量、油温状态、油压状态等关键参数的自动监测控制;球磨机自动控制系统,通过该系统对实时信息数据的采集,将采集的数据存储在数据库中,供相关部门检索和实时监控。这些数据包括粉矿量、总给矿量、旋流器压力、磨机给水、泵池补加水、砂泵功率、旋流器溢流粒度、旋流器溢流浓度、球磨机功率、泵池液面输出(控制量)、磨机给水控制、泵池补加水控制、泵功率控制、粉矿量控制、总给矿量控制等等。此外还包括分级机的反砂量、磁选机的给矿浓度、磁选机的给水量、细筛的给矿浓度、细筛的补加水量以及最终的精矿品位和尾矿品位、过滤精矿水分进行检测,用以实现磁选过程自动控制、细筛过程自动控制、最终精矿品位的自动控制等等。

2.4　矿山决策管理

数字矿山的目的之一就是要利用现有的各种数据、信息,在综合、全面地分析后,为矿山的规划管理和可持续发展提供决策支持。决策管理系统主要包括办公自动化、人力资源、经营数据、成本控制、成本核算等子系统。各个部门的端口用户输入的数据,直接录入总服务器,决策层所需要的各种数据报表通过程序在总服务器里读出或查看相应的视频文件,并按自己的条件查询显示。

(1)办公自动化系统。办公自动化主要是实现办公区域的局域网信息发布、信息浏览、电子邮件传输等功能。在办公资源消耗上降低成本,增强信息的传达效率。

(2)人力资源系统。对职工的基本信息、工作岗位、工作变动、工资、个人信息档案等情况进行完全记录,提供全方位查询,支持个性化分析报表。

(3)经营数据分析系统。对全矿各个系统的数据进行汇总分析,为决策提供服务。

(4)成本控制系统。实现成本消耗的动态预测、控制功能,及时发现成本控制中存在的问题,采取有效的措施予以解决,包括设备管理、备品备件及耗材管理、能源管理等。

3　结　论

数字矿山是未来矿山的发展方向。矿山应根据实际情况,整体规划矿山的数字化建设,有重点、分步骤地实施。建立矿山信息管理系统,为矿山数字化搭建好软硬件网络平台,实现矿山管理数字化。数字建设涉及到企业的方方面面,首先是人的思想观念与思维方式的转变,然后是企业管理体制与管理模式的变革.企业决策者、管理者和广大工程技术人员要共同参与和积极配合,才能再创矿山企业辉煌。

在数字矿山建设的过程中,既要从系统的角度去探讨数字矿山的整体功能及其构架,也应该有侧重的对数字矿山的系统功能内涵及含盖的几个核心技术,诸如数据字典技术、w e b g i s技术、V R技术、c a s e技术以及人工智能技术等深入研究。另外诸如数据仓库技术数据挖掘技术等在构建数字矿山时也十分重要,需要进一步深入研究。

参　考　文　献

[1]　孙豁然,徐　帅.论数字矿山[J].金属矿山,2007(2):1-5.

(下转第59页)

骆　力:数字矿山特征及建设探析 2009年第5期

达到单体解离,同时又要尽量避免“过磨”现象。因此,磨矿细度影响着磁选铁精矿的品位和回收率等技术指标。不同磨矿细度下的磁选精矿指标结果见图6

。

图5　还原剂种类试验结果

□—品位;◇—

回收率

图6　磨矿细度对选别指标的影响

□—品位;◇—回收率

从图6可见,磨矿细度对磁选铁精矿的品位影响不大,但是对回收率有比较显著的影响。在磨矿

细度为70%时,精矿的指标较优,品位和回收率分别为58.40%和87.86%。

2.6　磁化焙烧—弱磁选工艺最优条件的确定

根据前面磁化焙烧—弱磁选各个工艺条件影响试验,最终确定该矿石的最优工艺条件为焙烧温度850℃,焙烧时间60m m ,无烟煤5%,磨矿细度-0.074m m 占70%,磁选机磁场强度145.6k A /m 。

2.7　最优条件下铁精矿技术指标

最终得到的铁精矿技术指标见表3。

表3　铁精矿技术指标 %

产品名称产　率品 位F e P S F e 回收率精　矿65.6458.400.710.01987.86原　矿

100.00

43.63

0.75

0.066

100.00

3　结　论

(1)该鲕状铁矿石以赤、褐铁矿为主,含铁43.63%。

(2)有害杂质磷的含量高达0.75%,属于高磷铁矿石;硅和铝的含量也很高,分别为15.58%和

7.15%。

(3)一系列的影响磁化焙烧因素试验表明,最优的工艺条件为无烟煤5%,焙烧温度850℃,焙烧时间60m i n ,磨矿细度-0.074m m 占70%,磁选机磁场强度145.6k A /m 。磁选得到产率为65.64%,品位和回收率分别为58.40%和87.86%的最终铁精矿,精矿中的硫达到冶炼标准,而磷含量高达0.71%。这主要是磷以胶磷矿的形式存在于鲕状赤铁矿中,用机械的选矿方法很难除去。

(4)本试验研究得到的最终精矿可以作为铁矿石冶炼的配料来使用,如若作为直接冶炼的合格原料,还需要进一步试验研究。

参　考　文　献

[1]　许　时.矿石可选性研究[M].北京:冶金工业出版社,1989.[2]　王　兢,尚衍波,张　覃.鲕状赤铁矿浮选试验初步研究[J ].

矿冶工程,2004(3):38-40.

[3]　任亚峰,余永富.难选红铁矿磁化焙烧技术现状及发展方向

[J ].金属矿山,2005(11):20-23.

[4]　罗立群,乐　毅.难选铁物料磁化焙烧技术的研究与发展[J ].

中国矿冶,2007(3):55-58.

(收稿日期　2009-03-21)

(上接第39页)

[2]　齐安文,吴立新,侯恩科.三维地学模拟述评及其矿山应用关

键问题[J ].中国矿业,2001(10):189-191.

[3]　陈　军,邬　伦.数字中国———地理空间基础框架[M ].北京:

科学出版社,2003.

[4]　熊　伟,毛善军,马蔼乃,等.面向地质应用的三维数据模型研

究[J ].煤田地质与勘探,2002(12):11-15.

[5]　齐宝军,李宝辉,冯增敏,等.首钢水厂铁矿计算机调度系统

[C ]//金属矿山杂志社.2004年全国矿山信息化建设成果及技术交流会论文集.马鞍山:金属矿山杂志社,2004(11):156-158.

[6]　赵青梅,陈湘源.小灵通系统在煤矿井下的应用[C ]//金属矿

山杂志社.2004年全国矿山信息化建设成果及技术交流会论文集.马鞍山:金属矿山杂志社,2004(11):159-161.[7]　杨　磊,姚　江,孙豁然,等.基于O b j e c t A R X 开发的矿井通风

软件研究与实现[C ]//金属矿山杂志社.2004年全国矿山信息化建设成果及技术交流会论文集.马鞍山:金属矿山杂志社,2004(11):221-222.

[8]　孙　佳,蒋仲安.全国非煤矿山安全生产基本情况统计分析软

件的设计及实现[C ]//金属矿山杂志社.2004年全国矿山信息化建设成果及技术交流会论文集.马鞍山:金属矿山杂志社,2004(11):215-217.(收稿日期

　2009-03-21)

王成行等:某鲕状赤铁矿磁化焙烧—磁选试验研究 2009年第5期