浅谈数字化矿山讲解

浅谈数字化矿山
2013.3.20
浅谈数字化矿山
摘要对于采矿业来说,要走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路,数字化、信息化是其发展的必然趋势。

本文提出了数字化矿山建设的必要性与必然性，阐述了矿山数字化的主要特征，并介绍了矿山数字化建设对矿山整体管理的巨大优势。

提出了数字化系统开发的可行性。

关键词：数字化矿山；管理系统；平台建设；可行性
0引言
“数字化矿山”(Digital Mine)是随着计算机技术、微电子技术、信息技术和网络技术的迅速发展近几年提出来的新概念。

“数字化矿山”是对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现，是一个能够真实反映矿山本体、矿山开发与运行过程的“虚拟矿山”。

数字矿山的特点为基础信息数字化、生产过程虚拟化、管理控制一体化、决策处理集成化。

数字矿山的主要研究内容包括矿山科学技术发展战略、共享矿山数据资源、矿山可持续发展战略、矿山经济发展、矿山安全和矿山科学技术创新的需要等，它把关于矿山系统的原始数据流转换成可以理解的信息，转换成具有矿山经济价值的知识。

1 数字化矿山的作用和意义
数字化矿山是在测量、地质、采矿、选矿、安全等各个专业知识和技术资料比较完备的基础上,结合相应软件建立起来的三维模拟图形,可以相当真实地立体展示地质形态和生产现场实际情况。

矿业数字矿山模型是把地质勘探、资源估计储量、测量数据收集等导入成三维视图,同时融合了露天采矿和地下采矿设计等,它涵盖了地面状况、矿体赋存、断层、水文地质等从地表到地下的、完整的、具体的地质数据;还能设计多种现场生产方案及采区闭坑复垦方案、模拟方案实施效果,模拟再现生产现场的调度指挥。

管理者不仅可以通过不同设计方案的比较,实现最优化的管理;站在整个矿
山或公司的角度,整体评价和管控各个矿山、矿区、作业面的生产计划,合理调配生产所需的各种资源;还可以在整体设计平台之上,进行动态技术信息交流,及时改进测量、采矿、地质工作和生产管理过程中出现的不足和漏洞。

各生产单位也可借助整体设计平台,根据生产现状科学合理地进行日常生产计划安排。

数字化矿山还可以作为检验监测手段,将矿山边坡、排土场、尾矿库、地下采场和采空区等已发生危险的部位所设置的监控设施统一进行在线监控，进行安全的监控预防；将其他合作单位提交的测量、勘探、设计等技术资料进行复核,找出其需要进一步完善的部分,提高项目成果的精确度,使设计能和矿山实际生产活动相结合,科学推动矿山长远发展。

数字化矿山的意义主要体现在以下两个方面：
（1）改变矿山的生产方式，在矿山设计、施工、开采、安全、管理、教育、可持续发展、土地利用规划以及科学决策等方面产生广阔的社会和经济效益，促进大型产业的增长，提供更多的产业机会、安全监测及决策管理服务等；
（2）为矿山科学技术的发展提供了强大的动力。

使矿山规划管理具有更高的效率、更丰富的表现手法、更多的信息量、更高的分析能力和准确性，从而提高矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水平、综合实力，促进矿山的可持续发展，在有准确坐标、时间和对象属性的多维虚拟环境中进行规划、决策和管理，在处理矿山复杂系统问题时帮助人们更好地建立直观感和全局观念。

2 数字化矿山的总体方案及其建设进程
数字化矿山的基本特征是以高速企业网为“路网”、以采矿CAD（MCAD）、虚拟现实（VR）、仿真（CR）、科学计算（SC）与可视化（VS）为“车辆”、以矿业数据和矿业应用模型为“货物”、以真三维地学模型拟（3DGM）和数据挖掘为“包装”、以多源异质矿业数据采集与更新系统为“保障”和以矿山GIS（MGIS）为“调度”。

数字化矿山的最终表现为矿山的高度信息化、自动化、智能化与高效安全开采，直至遥控采矿和无人采矿模式。

数字化矿山建设是一个典型的多学科技术交叉的新领域，涵盖了矿山企业生产经营的全过程。

由于矿山企业普遍具有生产对象（资源）的不确定性、生产过程的动态性、生产环境的恶劣性，因此，数字化矿山既不是GIS概念的简单延
伸，也不是一般加工企业ERP概念的简单复制，而是一个包含两者特征的崭新的概念。

所谓数字化矿山是采用现代信息技术、数据库技术、传感器网络技术和过程智能化控制技术，在矿山企业生产活动的三维尺度范围内，对矿山生产、安全、经营与管理的各个环节与生产要素实现网络化、数字化、模型化、可视化、集成化和科学化管理，使矿山企业生产呈现安全、高效、低耗的局面。

2.1数字矿山建设的目标
（1）应用计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术和矿山生产工艺技术，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）保证矿山生产安全，提高产量和质量，提高企业经济效益和竞争能力。

（4）促进矿山标准化、规范化、示范化目标的实现。

数字化矿山最终表现为矿山的高度信息化、自动化、高效率、高安全和高效益。

2.2 数字化矿山的逻辑结构
数字矿山是以计算机及其网络技术为硬件环境支撑，以计算机操作系统、数据库和各类工具软件为软件环境支撑的，融合矿山管理流程、工艺流程和自然情况的大规模综合型应用软件系统。

数字矿山自下而上可分为四个主要级层，分别为：基础信息化、作业信息化、管理信息化和决策信息化，每个级层中，根据处理的任务不同，又可细化为不同功能层面。

(1) 基础信息化级层
主要包含基础数据管理和模型管理。

基础数据库即实现各类数据的获取、传递与存储功能。

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。

模型管理即实现各种数据的形象表述。

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、虚拟现实动画模型等。

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。

(2) 作业信息化层级
主要包括模拟与优化、设计规划和执行与控制。

模拟与优化即实现如工艺流程模拟、参数优化、设计与计划方案优化等。

设计规划即实现计算机辅助设计，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。

执行与控制是生产方案的执行过程，实现如自动调度、流程参数自动监测与控制、远程操作等。

(3) 管理与决策支持信息化层级
包括办公自动化、ERP与企业外部环境（供应链与客户关系）管理。

依据各种信息和以上各层提供的数据加工成果，利进行相关分析与预测，用决策支持软件工具为决策者提供各个层次的决策支持。

数字化矿山的基本逻辑层次结构如图1所示：
图1 数字化矿山的逻辑结构
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。

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和基本内容有：矿山地质信息系统、矿体三维
模型展示系统、地测地理信息系统、采矿技术、计划、设计系统、安全监测监控系统、工业电视监视系统、井下通风及风机监测系统、井下人员定位和管理系统、井下采矿实况仿真监视系统、矿压监测与分析系统、水文监测与分析系统、矿井火灾束管监测系统、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、设备及物资、资产管理系统、矿山生产成本管理系统、系统集成平台建设、矿山综合管理系统等；
数字矿山建设是一个复杂的系统工程，不可能一蹴而就，需要各学科、高校、科研院所和矿山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。

3 三维矿业软件应用功能
矿山系统应与三维地理建模软件（3DGIS）进行无缝融合，利用三维地理建模软件进行矿用对象的表述与存储，并在此基础上实现矿山、作业状态、生产设备的可视化监控与跟踪。

(1) 地质部分
建立空间和矿物属性的矿山实体数字地质、矿床模型、采场模型、地理信息系统模型、虚拟现实模型等，用以表征矿床中矿、岩的空间分布和相应部位的属性数据，
数字地质模型子系统。

其功能是根据钻探或遥感、遥测信息建立矿床地质构造模型，如矿岩体、断层、破碎带、岩性、构造等。

数字矿床模型子系统。

这一子系统的功能是建立有关矿岩属性的空间数字模型。

国际上使用最多的是数字块状模型，因为大部分优化算法以此为基础。

这一模型现阶段的主要数据来源是钻孔、探槽和炮孔取样。

对矿山生产最重要的是品位模型、杂质含量模型及价值模型，它们是矿岩圈定、矿量品位计算和设计、计划的基础。

(2) 采矿部分
以地质及矿床模型为基础，结合其它关键信息构造虚拟矿山，进行数字模拟开采，完成矿山长、中、短期开采计划编制、露天矿穿爆设计、地下矿巷道标准
断面设计、峒室设计、开拓设计、采矿方法设计、穿爆设计、通风设计、灾变应变预案等工作。

以优化开采为目标，因此系统对矿山开采能否充分的利用资源、减少矿石的损失率和贫化率、以及取得最大效益都具有重要意义。

(3) 测量部分
导入全站仪、GPS等设备或南方CASS格式的测量数据，自动生成地形、采场现状等表面建模；对于AutoCAD，MapGIS文件，可以直接导入3DGIS环境（如：3DMine），利用其点线和属性数据构建三维表面模型；还可以应用于工程量的验收计算，通过任意两个面或面与实体的的交并布尔运算，精确计算其封闭体的体积和表面积。

如，计算排土场的体积，计算填方，挖方工程量。

(4) 3DGPS监测
输入广播协议地址与GPS动态信息链接，实现对矿山生产或设备的实时监测；保存历史GPS网络数据，对矿山设备进行现场调度，以便不用亲临现场就能更真实地了解施工时情况；矿山数据信息的动态查询与监测；能够实时显示GPS 设备传送的位置信息；自动演示并记录设备的运行路线；视图缩放可以详细查看单个设备，以及设备类型、编号以及当前所在地质属性信息的实时查询；保存单个设备当前的运行轨迹。

基于3DGIS(3DMine)的地质资源数字化处理、基于局域网的数字化储量管理与应用等，实现地质资源信息在地测采环节间的无缝流转，为基于矿业软件实现开采优化设计提供地质基础保证。

4 矿山信息集成管理平台系统需求分析
主要构建矿山从历史到现状的地形、地质、工程模型，满足实际使用的要求，这是数字矿山建设的基础阶段。

矿山生产对象是埋藏在地下的矿体，还有影响开采的围岩和地质构造，用真三维软件工具将这些对象表达出来，可以为后续的地质、测量、采矿、计划等工作提供了基础。

具体的主要工作内容包括：
（1）矿山地、测、采资料的收集；
①钻孔数据以及探槽数据
钻孔数据以及探槽数据是矿山资源评估和采矿设计的基础，是矿山生产管理的重点。

地质数据的完善性和可靠性，直接影响一个矿山生产经营和决策。

现场采集钻孔数据包括：
✓钻孔开口位置数据
✓测斜数据
✓矿山钻孔样品分析数据
✓地质岩性分析数据
②井巷工程数据
井巷工程是矿山生产中运输人员、矿石、材料等的主要通道。

井巷工程数据主要为矿山开拓系统布置图，即为所要建模的中段平面图，及各种巷道断面尺寸。

③地表测量数据
地表模型是建立三维地质实体模型的重要组成部分。

一些地表工程的设计和施工包括排土场、选场、井口等位置都是以地表模型为参考的；同时，地表模型作为边界约束条件，还直接影响到技术经济指标和工程量的计算，因此，为了达到最好的实际效果，地表模型必须满足精度要求。

地表测量数据包括矿区地质地形图以及各矿体区域地质地形图（包括散点信息）或MapGis、AutoCAD 矢量化地形等高线图。

④平剖面图
平面地质图：主要是中段平面布置图，中段平面图除在建立井巷开拓工程模型过程中使用外，在建立矿体模型中也可做为重要参考，另外还需有勘探线总体分布平面图，方便图形矢量化的校验。

地质勘探线剖面图：包括所要建立矿体模型区域的勘探线剖面图（地理坐标信息附带）。

以上图形可以是AutoCAD 格式或MapGIS 格式的数据，数据采集后可导入3DMine进行编辑，实现存储和建模。

（2）矿山现有各种资料的数字化
矿区地形图、及地质勘探平剖面图和地质勘探钻孔信息的数字化；钻探、生产勘探资料（报告和图纸）的数字化；露天坑现状实测资料的数字化；据对预建模矿区的了解，目前的主要数据，如钻孔数据、各种剖面数据都已经数字化，所以该项工作已经具备相当的基础。

（3）数据的导入
将各种数字化的矿山资料导入到软件数据库中，分类集中管理，主要包括以下三方面的数据：
✓钻探、生产勘探地质数据的导入；
✓地质平剖面图的导入；
✓实测现状图的导入；
（4）资源与开采环境模型构建
对资源和开采环境进行建模是三维软件的基础和核心，通过对矿体、主要构造、地表等进行三维模型的构建，并通过地质统计学的方法进行精准的估算储量，为下一步采矿工程的实施奠定基础。

①建立地质数据库
在对导入数据进行校验的基础上，通过钻孔数据的开孔文件、测斜文件、样品分析文件和岩性文件建立地质数据库，并可以在三维环境下显示地质数据。

②样品数据基本统计分析和变异函数分析
地质数据库中的数据是块体模型内所有单元块参数估值的依据，也是矿床储量计算的依据，根据地质统计学原理，统计样品的值与空间分布情况，了解矿体分布规律，并为确定特高值和块体模型估值作准备。

在进行各样品参数的基本统计分析外，还需要进行变异函数分析，以确定各参数在空间上的相关性、结构性。

由于矿体分布具有一定的方向性，区域化变量在不同方向可能会具有不同的结构性和变异性，即具有空间各向异性特征。

因此，在进行变异函数的计算和分析时将针对不同的方向分别进行。

在进行各个方向的变异函数计算分析时，一般是分布于某个方向一定范围内的样品点参与进行该方向的变异函数计算。

需要指定的参数包括：圆锥体的容差角、容差限、滞后距，计算的最大距离。

因为理论变异函数参数取值的正误对品位估值结果的准确性具有非常大的影响。

所以要进行交叉验证，目的就是对理论变异函数参数的取值进行检验，判断应用这些参数进行品位估值时的估值效果。

③地质实体模型构建
三维实体模型是由一系列相邻三角面，包裹成内外不透气的实体，是建立在矢量化图纸的基础上的。

通过中段图和剖面图，利用软件提供了多种方法选择本适合本矿山的建模方法自动建立实体模型。

地质模型还包括地表模型，地表模型一般由若干地形线和散点生成，根据每
个点的坐标值，将所有点（线亦由散点组成）联成若干相邻的三角面，然后形成一个随着地面起伏变化的单层模型，因此需要首先用AutoCAD 矢量化地形等高线图，然后导入软件中，再用创建DTM 指令生成地表模型。

打开导入的等高线和散点文件，执行“创建 DTM 模型”指令。

④块体模型构建
块体模型是矿床品位推估及储量计算的基础，建立块体模型的基本思想是将矿床在三维空间内按照一定的尺寸划分为众多的单元块，然后对填满整个矿床范围内的单元块的品位根据已知的样品进行推估，并在此基础上进行储量的计算。

首先针对矿床的基本模型建立空白模型，后续产生的所有块体模型都是在原型的基础上进行赋属性值。

块体建模的一个更重要的目的是对矿床的品位进行推估，以实现矿床储量的计算及管理。

3DMine提供了距离幂次反比法、克里格法、最近距离法等几种品味估值方法。

估值后的模型在“三维设计”窗口打开，使用“三维配色”命令根据块体模型的品位字段配色，可以直观的看到块体的品位分布。

利用逻辑约束引擎，可实现不同约束条件下的矿石资源/储量和品位报告。

5数字化开发的可行性与结论
矿山信息集成管理平台项目的提出符合矿山行业技术发展的趋势，与国家政策和战略相符合，与时代的潮流相匹配。

数字化矿山建设的技术方案符合当前矿山信息化建设的主导设计思路，具有开放性和前瞻性。

系统的软硬件环境选型和开发工具软件功能丰富，具有技术成熟性，采用基于web的应用软件开发技术是目前的主流软件开发技术，具有广阔的拓展空间，可提供便捷的操作和维护。

因此，开发矿山集成管理平台应用软件系统在经济上是完全可行的，也是非常必要的。

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Discussion on the digital mine
Abstract For the mining industry, to take the high technological content, good economic returns, low resource consumption, less environmental pollution, human resource advantages into full play of the new road to industrialization, digitalization, informatization is the trend of development. This paper puts forward the necessity of the construction of digital mine and inevitability, describes the main features of the digital mine, and introduces the great advantage of digital mine construction on the overall management of mine. To study the feasibility of digital system development.。