数字矿山的研究现状和发展趋势

数字矿山的研究现状和发展趋势

摘要:分析了随着科技进步、矿产资源消费急剧增长,开采加工难度日益增大, 促使采矿逐渐走向数字化和智能化。介绍了数字矿山的内涵、研究意义、国内外研究现状和存在的问题,并探讨了未来数字矿山的发展趋势。

1 前言

进入21世纪以来, 信息技术迅速发展,给采矿业带来了巨大的冲击。随着科技进步、矿产资源消费的急剧增长和开采加工难度的日益增大, 促使采矿逐渐走向数字化和智能化。早在1998年,美国前副总统戈尔就提出了/数字地球0 (Digital Earth)的概念, 之后1999年召开的首届/国际数字地球0大会上又提出了/数字矿山0 (Digital Mine)的概念[ 1 ]。/数字矿山0作为信息时代的必然产物,在矿业中发挥出越来越大的作用,是矿业发展的目标和方向。

2 数字矿山的内涵和研究意义

2 . 1 数字矿山的内涵

目前,对于/数字矿山0国内外还没有一个准确和公认的定义。东北大学的孙豁然教授认为: /数字矿山是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[ 2]。0通俗地讲, 数字矿山就是在一个矿山范围内, 以三维坐标信息及其相互关系为基础而组成的信息数据库,以及在该数据库内所嵌入的矿山信息的总称。著名的矿山工程设计专家、中国工程院院士于润沧认为: /根据矿业发达国家对矿山信息化建设的不同战略设想和不同学者对数字矿山概念的表达, 对数字矿山的概念可以表述为由初级到高级的三个层次:矿山数字化信息系统、反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山、无人矿井的远程遥控操作和自动化采矿。0东北大学吴立新教授采用/五化0来描述数字矿山的发展目标, 即/数字化的集成管理和共享利用各类矿山数据与信息资源, 可视化的三维模拟和虚拟再现矿山地质采矿环境、过程及其相关现象,仿真化地模拟分析矿山采掘活动、采动影响与灾变过程, 智能化地分析提取采动影响规律及环境与工艺参数,自动化地预警矿山灾害和启动安全预案[ 3]。

2 . 2 研究数字矿山的意义

( 1)数字矿山在资源可持续发展方面发挥出巨大的作用。数字矿山可以将矿产资源的储量和开采情况数字化地表现出来, 根据这些信息判断需要优先开发哪些资源,做到矿产资源的稳定供应、合理利用和低环境破坏,以保证国民经济可持续发展,解决资源供应紧张与不断增长的资源消耗之间的矛盾。

( 2)数字矿山可以减少和避免矿山安全事故。信息不灵,情况不明是当前矿山事故居高不下的主要原因。实施数字矿山建设能将地质信息、力学信息、以及其他与开采有关的信息综合地表现出来,为决策提供全方位的信息,避免投入的盲目性,提高决策的科学性。数字矿山能适应日益增多的深井开采条件, 使矿工远离高温和岩爆威胁等恶劣环境,彻底改善矿工的安全和健康状况。在数字矿山的基础上运用自动化开采技术,实现无人开采和遥控开采,减少灾害和人员伤亡事故。

( 3)数字矿山可以实现矿产资源开发与环境协调发展。对矿山开采引起的地表形态破坏、植被破坏、土地退化、水土流失、粉尘污染、水体污染、采场滑坡、尾矿库溃坝等进行数字化,在此基础上通过对相关信息的科学分析,制定出矿山的生态重建方案、灾害评价与

预测预报体系和现代管理体系, 实现矿产资源开发与环境协调发展。

3 数字矿山的研究现状和存在的问题

3 . 1 数字矿山的研究现状

3 . 1 . 1 国外数字矿山的研究现状

美国、加拿大、澳大利亚等矿业发达国家在数字矿山方面的研究起步较早, 美国首先提出/数字地球0的概念, 随后被许多专家学者引用。之后, 世界上许多国家结合各自的实际,分别进一步提出了数字矿山的发展规划和建设目标。目前, 矿业发达国家建设数字矿山的重点是实现远程遥控和自动化采矿。20世纪90年代初, 加拿大国际镍公司( Inco)开始研究遥控采矿技术,目标是实现整个采矿过程的遥控操作[ 4]。美国已成功开发出一个大范围的采矿调度系统,采用计算机、无线数据通讯、调度优化以及全球卫星定位系统(GPS)技术进行露天矿生产的计算机实时控制与管理,并成功应用于工业中, 已使露天矿近乎实现了无人采矿。加拿大已制订出一项拟在2050年实现的远景规划,即在加拿大北部边远地区建设一个无人化矿山,通过卫星操控矿山的所有设备,实现机械破碎和自动采矿。20世纪90年代以来, 世界上一些矿业发达国家已经开发出了许多数字矿山建设方面的软件,并且已经在很多矿山得到了成功应用。其中具有代表性的软件有: 英国Datamine公司开发的Data m i ne采矿软件、澳大利亚Maptek公司开发的Vulcan软件、澳大利亚Surpac公司开发的Surpac软件、美国Intergraph公司开发的Intergraph交互式图形处理系统、加拿大Lynx公司开发的MI NC AD系统、美国罗克韦尔(Rockwell)公司开发的WhittleFour2 D露天矿优化设计软件等。

3 . 1 . 2 国内数字矿山的研究现状

2001年以来, 国内有关学术组织相继召开了一系列以数字矿山为主题的学术会议。2001年, 中国矿业联合会组织召开了首届国际矿业博览会, 其中包括一个以/数字矿山0为主题的分组会。2002年,以/数字矿山战略及未来发展0为主题的中国科协第86次青年科学家论坛召开, 2006年, 煤炭工业技术委员会和煤矿信息与自动化专业委员会在新疆乌鲁木齐召开了/数字化矿山技术研讨会0, 提出了建设安全、高效、绿色、和谐的新型现代化矿井的目标。20世纪末以来,国家主要科研资助机构和相关行业部门相继立项支持了一批数字矿山课题。包括2000年开始的一项国家自然基金课题、2006年开始的一项863 课题和一项/十一五0支撑课题等。2000年以来, 国内多所高等院校、科研院所、企事业单位相继设立了与数字矿山有关的研究所、研究中心、实验室或工程中心。主要有: 2000年设立于中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院的/ 3S与沉陷工程研究所0、2005年设立于中南大学资源与安全工程学院的/数字矿山实验室0、2007年设立于东北大学资源与土木工程学的/ 3S与数字矿山研究所0和2007年设立于中国矿业大学(徐州)计算机科学与技术学院的/矿山数字化教育部工程研究中心0等。山东新汶矿业集团泰山能源股份有限公司翟镇煤矿是我国第一座数字矿山, 与北京大学遥感与地理信息系统研究所合作, 在国内首开数字化矿井技术应用之先河。在数字矿山建设方面,煤炭行业比非煤矿山投入的力度大, 广泛应用各种先进用的信息技术,有效提升了全行业的生产效率和管理水平, 数字化建设已经取得了一些喜人的成果, 如: 神华集团神东公司的综合自动化采煤系统、开滦集团的企业信息化与电子矿图系统、枣庄柴里矿的生产与安全集中监测监控系统、伊敏露天矿的卡车调度系统等。潞安集团漳村煤矿综合自动化与信息管理数字化在国内、甚至在国际上都处于领先地位。非煤矿山近几年一些大型企业集团已经具备了相当高的信息化水平并取得了一定的成果,如:首钢矿业公司的GI S2 MES2 ERP2 OA集成系统和山东招金集团的三维地测采生产辅助决策系统等。此外, 中国矿业大学等单位相继开展了采矿机器人、矿山地理信息系统、三维地学模拟、矿山虚拟现实、矿山定位等方面的技术开发与应用。国内的高等院校和研究设计单位