數(shù)字礦山技術的應用

現(xiàn)在，隨著網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，21世紀的采礦業(yè)必須是數(shù)字采礦業(yè)和智能化采礦業(yè)。只有實現(xiàn)礦山數(shù)字化的構建,促使礦山企業(yè)整體信息化,才能提高礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率,降低安全生產(chǎn)事故的發(fā)生率,同時也是解決生產(chǎn)與環(huán)境協(xié)調發(fā)展的根本途徑。特別是煤礦企業(yè),近幾年轉入深部開采,產(chǎn)生的如礦山壓力、高溫高濕等問題,只有加大對礦山數(shù)字化的投入,不斷地完善礦山信息化進程,才能有效解決這些難題。1數(shù)字礦山的概念1.1數(shù)字礦山數(shù)字礦山早在1998年,美國的前副總統(tǒng)戈爾就提出了“數(shù)字化地球”(DigitalEarth)的概念,隨后在1999年11月的第一屆“國際數(shù)字地球”的大會上吳立新教授正式提出“數(shù)字礦山”這一概念。1.2數(shù)字礦山的內涵簡單地講,數(shù)字礦山就是在一個礦山范圍內建立的一個以三維坐標為主線及其相互關系為基礎的信息數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫涵蓋了礦山中的全部信息,是一個巨型的信息系統(tǒng)。東北大學的孫豁然教授認為:“數(shù)字礦山是以計算機及其網(wǎng)絡為手段,把礦山的所有空間和有用屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表述和深加工,應用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)與管理和決策之中,已達到生產(chǎn)方案優(yōu)化、管理高效和決策科學化的目的。”建設數(shù)字化礦山其中最重要的技術就是用計算機和網(wǎng)絡技術實現(xiàn)對井下主要機電設備的控制,將礦山的一切信息統(tǒng)一集中在一個網(wǎng)絡平臺上。2體的安全管理系統(tǒng)整個礦山系統(tǒng)是一個復雜的、龐大的、動態(tài)的集生產(chǎn)、安全、管理為一體的系統(tǒng)。為了將各種礦山信息以數(shù)字的形式進行采集、處理、控制和傳輸,就要建立一個完整的數(shù)字化系統(tǒng),數(shù)字化礦山系統(tǒng)組成要素如下:1監(jiān)控系統(tǒng)構成網(wǎng)絡三要素為傳輸介質、網(wǎng)絡拓撲類型和介質訪問控制形式,從此角度出發(fā),礦山要建設一個以光纖為主體,視頻、音頻和數(shù)據(jù)三網(wǎng)合一的總線型環(huán)網(wǎng)體系。其他還包括路由器、服務器、交換機、傳輸信道和采集設備,如采集設備有各種傳感器和儀器,無線的和有線的信道等等。該工業(yè)網(wǎng)絡傳輸平臺采用開放式的TCP/IP協(xié)議,兼容能力強,可以接入各種監(jiān)控子系統(tǒng)。2礦圖建立的三維gis礦山地理信息系統(tǒng)(MGIS)是一個集合信息采集、管理、模擬和提供決策支持的真三維GIS,也是數(shù)字礦山的總調度系統(tǒng),同時可以為建立三維仿真模型和二維電子礦圖提供海量信息。3數(shù)據(jù)庫內容分類數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于各種大量數(shù)據(jù)的存儲,可以把數(shù)據(jù)庫劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫和多媒體數(shù)據(jù)庫,其中靜態(tài)數(shù)據(jù)庫用來存放靜態(tài)文檔和普通數(shù)據(jù);動態(tài)數(shù)據(jù)庫用來存放實時監(jiān)控數(shù)據(jù);多媒體數(shù)據(jù)庫存放音頻和視頻片段。4企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)主要包括在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)等,該層是數(shù)字化礦山構建的核心層,也是體現(xiàn)礦山數(shù)字化構建效果好壞的一層。5信息發(fā)布平臺安全生產(chǎn)信息以及機械設備工況信息等都需要一個終端設備來展現(xiàn),主要包括圖形工作站、工業(yè)電視系統(tǒng)、視頻會議等設施。3數(shù)字礦山系統(tǒng)的應用和建議3.1考勤系統(tǒng)的配置方案鑒于礦山工人的素質普遍不高的情況,應該采用有效的考勤方式來避免黑工替工的不良現(xiàn)象。礦山人員考勤系統(tǒng)已經(jīng)在大多數(shù)國有礦山進行應用。從技術原理上劃分,一般我國礦山的人員設備定位考勤系統(tǒng)分為四種,如表1所示:通過上表的總結,建議有條件的礦山企業(yè)采用虹膜識別考勤系統(tǒng),主動式的考勤缺點可以不計,而且無論井下作業(yè)環(huán)境多么惡劣人體的虹膜都不會受到污染。迄今全國已有15個省份的40多家礦山企業(yè)采用該虹膜識別系統(tǒng),均取得良好的反應。3.2基于軟件的礦產(chǎn)資源確定管理的計算機建立由于整個礦山是一個動態(tài)的系統(tǒng),其資源儲量也是動態(tài)變化的,應該及時掌握礦山儲量的變化情況才能合理地利用礦產(chǎn)資源,同時也有助于國家相關國土資源部門掌握資源變動的情況。對于金屬礦山一般采用地質統(tǒng)計學原理通過礦床三維地質模型估算礦量,具體步驟為:1)建立地質數(shù)據(jù)庫;2)構建三維實體線框模型;3)建立塊體模型;4)通過變異函數(shù)計算品位;5)估算礦產(chǎn)儲量。目前,國內的礦山企業(yè)多采用國外的Datamine、Surpac和Micromine等數(shù)字軟件進行三維建模。再用普通克里格法或距離冪次反比法對塊體模型的塊段進行品位賦值,兩種算法的區(qū)別在于所取權值不同,最后用地質統(tǒng)計學方法估算資源儲量。冬瓜山銅礦采用Dimine軟件結合普通克里格法對銅元素品位賦值并對礦床儲量進行估計,計算結果準確可靠,可以應用到儲量管理系統(tǒng)中。利用Surpac系統(tǒng)輸入變化了的數(shù)據(jù),通過儲量管理計算模塊就可以重新圈定邊界,顯示變化了的儲量,還可以輸出圖形和統(tǒng)計報表。儲量生產(chǎn)管理系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的手工統(tǒng)計數(shù)據(jù)的方式,不僅可以查詢數(shù)據(jù)還可以及時更新修改數(shù)據(jù),能夠很好地完成資源儲量動態(tài)檢測的工作。3.3多傳感器監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對比煤礦井下存在的危險因素有很多,如瓦斯、粉塵和溫度等,其中瓦斯是煤礦井下伴隨煤炭開采而產(chǎn)生的有害氣體,瓦斯事故是煤礦企業(yè)安全事故中重大災害事故之一,高濃度粉塵以及過高的溫度也都會損害職工的身體健康和造成安全事故。現(xiàn)在的礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不再只是監(jiān)測生產(chǎn)過程中某一個因素,而是把整個生產(chǎn)過程作為一個整體來監(jiān)測監(jiān)控,具有宏觀全局性。所以對井下存在的各種危險因素要形成實時連續(xù)無縫式的監(jiān)測,以便于提高我國礦山企業(yè)安全生產(chǎn)水平。從20世紀開始,我國就從礦業(yè)發(fā)達的西方國家引進了一些監(jiān)測系統(tǒng),在結合國外技術和我國礦業(yè)實際情況之后,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)存在許多問題:1)網(wǎng)絡結構固定不具備動態(tài)性;2)無法實現(xiàn)無縫式監(jiān)測;3)通信線路布置復雜,傳輸速率低;4)數(shù)據(jù)流通具有單向性,只能監(jiān)測不能監(jiān)控。鑒于上述缺點,目前使用較多的是無線傳感器監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。其整個系統(tǒng)可以分為傳感器節(jié)點、轉折節(jié)點、無線+有線的通信網(wǎng)絡以及地面監(jiān)控中心。基本原理見圖1。傳感器將采集到的信息轉換為數(shù)字信號經(jīng)無線網(wǎng)絡通過轉折節(jié)點(網(wǎng)關)與地面通信網(wǎng)連接從而把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴谋O(jiān)控中心,同時監(jiān)控中心也可以下達控制命令到井下傳感器。整個系統(tǒng)中存在著兩個技術難題,一是該選擇哪種傳感器,二是各種傳感器傳輸?shù)膹碗s數(shù)據(jù)該如何進行融合。根據(jù)工作原理傳感器分為物理式和化學式兩大類,信息融合方法卡爾曼濾波、貝葉斯估計、模糊推理、D-S證據(jù)推理和神經(jīng)網(wǎng)絡等。每種方法都有自己的優(yōu)缺點,目前一般在礦山多傳感器系統(tǒng)中多采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡法或模糊推理法。根據(jù)礦山復雜多變的工作環(huán)境對于瓦斯監(jiān)測建議采用基于模糊信息融合的光譜式傳感器綜合監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。光譜式傳感器是利用Beer-Lambert定律測定氣體濃度的一種高精度傳感器,相比現(xiàn)在的熱傳導式傳感器具有響應速度快優(yōu)點。模糊信息融合算法是把井下的環(huán)境分為3個等級,分別是安全、較危險、危險,融合中心在各個傳感器的局部融合的基礎上通過特定算法做出全局融合。試驗應用表明,井下環(huán)境監(jiān)測結果和實際環(huán)境狀態(tài)相比準確無誤,且該系統(tǒng)具有良好的性價比。目前最先進的監(jiān)測系統(tǒng)應該是采用光纖傳感器組成,此種傳感器不帶電可以構成本質安全型系統(tǒng),靈敏度高且具有多個功能可以同時監(jiān)測瓦斯、溫度、礦壓等信息。3.4地下gps定位技術礦山企業(yè)存在的安全隱患較多,據(jù)相關統(tǒng)計,我國礦山平均每4到7天就會發(fā)生一起安全生產(chǎn)事故,給礦工的家庭和社會都帶來巨大的傷害。近年來通過加強礦山人員設備定位系統(tǒng)的研究,不僅有助于實現(xiàn)機械設備自動化運行,而且可以有效展開事故發(fā)生后的救援行動。對于露天礦山可以采用全球定位系統(tǒng)(GPS)技術實現(xiàn)人員設備定位,井下開采的礦山由于地面屏蔽GPS信號一般采用陀螺定位技術實現(xiàn)定位。目前人員設備無線定位系統(tǒng)從發(fā)展階段及原理劃分為6種,如表2所示[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]:根據(jù)表2可以看出,其中Zigbee技術是近年來發(fā)展的一種的無線網(wǎng)絡技術,性能介于藍牙和RFID之間。目前國內礦山大多數(shù)還是采用國外早期的傳輸技術,定位誤差很大,對于傳統(tǒng)方法的不足,建議采用基于Zigbee和CAN技術的井下定位系統(tǒng)或是基于RFID技術的井下定位系統(tǒng),可以彌補上述不足并通過可視化平臺準確顯示井下的人員設備定位情況。3.5礦山預警救援系統(tǒng)通過與國內外礦山安全事故發(fā)生率的對比,我國的礦山生產(chǎn)安全現(xiàn)狀很不理想,關鍵是現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)只能報警不能有效地進行預警?；谶@種情況并結合上述應用,可以綜合井下人員設備定位系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以及井下微震監(jiān)測系統(tǒng)等構建礦山預警救援系統(tǒng)?；鞠到y(tǒng)原理示意圖如圖2所示。地面生產(chǎn)監(jiān)控室通過井下在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)分析如有危險傾向則發(fā)出預警信息,救援指揮室在發(fā)生災害后,根據(jù)井下定位系統(tǒng)采集的人員及設備情況,通知井下人員及時撤離危險源并提供有效的救援措施。另一個方面我國現(xiàn)在的礦山應急救援系統(tǒng)還存在很多問題,如1)沒有統(tǒng)一的應急管理機構;2)應急裝備落后救援能力薄弱;3)應急法制不健全等。所以未來在積極構建預警救援系統(tǒng)的基礎上要加強管理層面的力度,共同提高我國礦山企業(yè)生產(chǎn)安全水平。另外,該系統(tǒng)通過加強UPS電源設計,可以在發(fā)生災害停電后的情況下繼續(xù)使用,能夠及時展開有效的救援行動。4復配型綜合跟蹤系統(tǒng)集成技術。在現(xiàn)代運用于目前,由于我們國家礦山行業(yè)的特殊情況使得中小型礦山數(shù)字化的應用現(xiàn)狀不是很理想。但是近年來,市場上出現(xiàn)的大部分礦山數(shù)字化產(chǎn)品,不