礦山安全技術(shù)發(fā)展趨勢自動化和智能化

1、礦山安全技術(shù)發(fā)展趨勢：自動化和智能化數(shù)字化礦山是建立在數(shù)字化、信息化、虛擬化、智能化、集成化基礎(chǔ)上的，由計算機網(wǎng) 絡(luò)管理的管控一體化系統(tǒng)，它以礦山系統(tǒng)為原型，以地理坐標(biāo)為參考系，以礦山科學(xué)技術(shù)、 信息科學(xué)、 人工智能和計算科學(xué)為理論基礎(chǔ)， 以高新礦山觀測和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐， 建立起一 系列不同層次的原型、系統(tǒng)場、物質(zhì)模型、力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型、信息模型和計算機模型并 集成， 可用多媒體和模擬仿真虛擬技術(shù)進行多維的表達， 同時具有高分辨率、 海量數(shù)據(jù)和多 種數(shù)據(jù)的融合，以及空間化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的技術(shù)系統(tǒng)。它是信息化、 數(shù)字化的虛擬礦山， 是用信息化與數(shù)字化的方法來研究和構(gòu)建的礦山，

2、 是礦山地表面之下人 類工程活動的信息全部數(shù)字化之后由計算機網(wǎng)絡(luò)來管理的技術(shù)系統(tǒng)。數(shù)字化礦山概況礦山數(shù)字信息化有四大特點，即智能化、 電子化、全球化和非群體化。數(shù)字化礦山已成 為 21 世紀提升礦山能力和水平的有力武器。加拿大已制訂出一項擬在 2050 年實現(xiàn)的遠景 規(guī)劃將加拿大北部邊遠地區(qū)的礦山實現(xiàn)為無人礦井， 通過衛(wèi)星操縱礦山的所有設(shè)備實現(xiàn) 機械自動破碎和自動切割采礦；芬蘭采礦業(yè)也于 1992 年宣布了自己的智能采礦技術(shù)方案， 涉及采礦實時過程控制、資源實時管理、礦山信息網(wǎng)建設(shè)、新機械應(yīng)用和自動控制等 28 個 專題；瑞典也制定了向礦山自動化進軍的“ Grountecknik 2000”戰(zhàn)

3、略計劃。我國于 “十一五”期間開展了數(shù)字礦山建設(shè)研究和智能采礦的初期研究，并將于“十二 五”期間開展地下金屬礦智能采礦技術(shù)及裝備的研究。隨著實時礦山測量、GPS 實時導(dǎo)航與遙控、GIS管理與輔助決策和 3DGM的應(yīng)用，國際上一些大型露天礦山（包括我國的平朔、 霍林河礦區(qū)）已可在辦公室生成礦床模型、礦山采掘計劃，并與采場設(shè)備相聯(lián)系，形成動態(tài)管理與遙控指揮系統(tǒng)。此外，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、自適應(yīng)模式識別及遺傳算法 等人工智能技術(shù)、GPS技術(shù)、并行計算技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及面向巖石力學(xué)問題的全局優(yōu)智能礦山設(shè)計、 智能礦山開采、 計Inco）從20世紀90年代初開始研Inco 公司給遙控采礦下

4、的定義是化方法和遙感技術(shù)等已在智能礦山地質(zhì)勘探調(diào)查與測量、 劃與控制和礦山災(zāi)害遙感預(yù)報等研究領(lǐng)域得到應(yīng)用。數(shù)字礦山的原型是遙控采礦。加拿大國際鎳公司（究遙控采礦技術(shù)，目標(biāo)是實現(xiàn)整個采礦過程的遙控操作。利用目前最先進的技術(shù)，包括地下通訊、定位、工藝設(shè)計、監(jiān)視和控制系統(tǒng)，去操縱采礦 設(shè)備與采礦系統(tǒng)。 ”遙控采礦工藝包括自動鑿巖、自動裝藥與爆破、自動裝巖、自動轉(zhuǎn)運、 自動卸巖和自動支護等， 其技術(shù)基礎(chǔ)是高速地下通訊系統(tǒng)和高精度地下定位、 定向系統(tǒng) （要 求達到 mm 級）。現(xiàn)在， Inco 公司已研制出樣機系統(tǒng)，并在加拿大安太略省的薩德泊里盆地的幾家地下鎳礦試用。實現(xiàn)了從地面對地下礦山進行控制，甚至

5、可以從400 km 以外的多倫多市對地下鎳礦的采、掘、運活動進行遠距離控制。遙控采礦的核心部件是Inco 公司開發(fā)的一個能在地下獲取定位數(shù)據(jù)的 HORTA裝置。將該裝置安裝在地下觀測車上，當(dāng)觀測車在地下或礦 體內(nèi)部巷道中漫游時，HORTA就會利用其激光陀螺儀和激光掃描儀在水平和垂直面上掃描 礦山巷道的斷面，進而產(chǎn)生巷道的三維結(jié)構(gòu)圖。Inco公司還計劃將 HORTA完善后，將其安裝在鉆機上。屆時，安裝了 HORTA裝置的鉆機將自動駛往目標(biāo)巷道，自動完成開鑿作業(yè)， 然后再自動駛往下一巷道?；谶b控采礦的技術(shù)特點， 設(shè)想未來的數(shù)字礦山的原型系統(tǒng)如圖1所示。圖1未來數(shù)字礦山原型系統(tǒng)數(shù)字礦山的基本特征數(shù)

6、字礦山（DM）應(yīng)具有六大特征：以高速企業(yè)網(wǎng)為“路網(wǎng)”、以采礦CAD （ MCAD）、虛擬現(xiàn)實（VR）、仿真（CS、科學(xué)計算（SC與可視化（VS）為“車輛”、以礦業(yè)數(shù)據(jù)和礦業(yè) 應(yīng)用模型為“貨物”、以真三維地學(xué)模擬（3DGM ）和數(shù)據(jù)挖掘為“包裝”、以多源異質(zhì)礦 業(yè)數(shù)據(jù)采集與更新系統(tǒng)為“保障”和以礦山GIS（ MGIS）為“調(diào)度”。DM最終表現(xiàn)為礦山的高度信息化、自動化和高效率，以至無人采礦和遙控采礦。以高速企業(yè)網(wǎng)為“路網(wǎng)”DM的建設(shè)與礦山業(yè)務(wù)運行是以高速企業(yè)網(wǎng)為基礎(chǔ)，逐漸建立寬帶、高速和雙向的通訊網(wǎng)絡(luò)，確保海量礦山數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部、省內(nèi)與省際礦業(yè)網(wǎng)絡(luò)快速傳遞。以 MCAD、VM、MS、SC Al

7、與 SV為“車輛”為滿足不斷擴展的礦山需求，必須開發(fā)適合不同用戶層次、具有不同功能的礦山應(yīng)用系 統(tǒng)和軟件模塊，即需要制造多品種、多型號的“車輛”：如采礦CAD采礦仿真技術(shù)、各類科學(xué)計算工具（如有限元、離散元、邊界元和有限差分模型等）和3D可視化工具等。隨著 計算機性能的不斷提高和并行計算技術(shù)的采用， 礦山業(yè)主和技術(shù)人員不僅可以對采礦活動造 成的地層環(huán)境影響進行大規(guī)模模擬與虛擬分析， 而且可對礦工進行虛擬崗前培訓(xùn)， 提高礦工 的安全意識、防災(zāi)減災(zāi)能力和作業(yè)工作效率。以礦業(yè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用模型為“貨物”DM 的核心是數(shù)據(jù)倉庫。 DM 數(shù)據(jù)倉庫由兩部分組成， 一部分為數(shù)據(jù)倉庫， 管理礦山地 物的海量幾何信

8、息、 拓撲信息和屬性信息。另一部分為模型倉庫， 管理各類為礦業(yè)工程、生 產(chǎn)、安全、 經(jīng)營、 管理及決策等服務(wù)的各類專業(yè)應(yīng)用模型， 如開采沉陷計算、 開采沉陷預(yù)計、 頂板垮落計算、圍巖運動模型、儲量計算、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、瓦斯聚集模型及涌水計算等。數(shù) 據(jù)倉庫所管理的海量數(shù)據(jù)與模型倉庫所管理的礦業(yè)模型，就是可以被各類“車輛”在DM “路網(wǎng)”上運輸?shù)臄?shù)字“貨物” 。以 3DGM 和數(shù)據(jù)挖掘為“包裝”為滿足不同用戶和不同目的的需要， 需對“數(shù)據(jù)與模型倉庫” 中的海量數(shù)據(jù)與模型進行 相應(yīng)“包裝”處理，即進行數(shù)據(jù)與模型的過濾和重組。三維地學(xué)模擬（3DGM）是DM的技術(shù)核心之一。它是基于鉆孔資料、地震資料、開挖

9、設(shè)計數(shù)據(jù)及各類物探、化探資料，來建立 礦山井田、 礦體與采區(qū)巷道及開挖空間矢柵整合的真 3D 模型。 在此基礎(chǔ)上進行礦床地質(zhì)條 件評估、 地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測、 精細地學(xué)參量半定量分析、 深部成礦定位預(yù)測、 礦產(chǎn)資源儲量管理、 經(jīng)濟可采性評估、開拓設(shè)計、支護設(shè)計和風(fēng)險評估等，從而輔助礦山?jīng)Q策，確保礦山工程的科學(xué)、可靠與安全。以 MGIS 為“調(diào)度”DM 是以 MGIS 作為礦山整體信息與辦公決策的公共載體和總“調(diào)度” 。在統(tǒng)一的時空 間參照下進行采礦動態(tài)組織與管理，并調(diào)度和控制各類“車輛”與設(shè)備的使用和運行、“貨物”的制造、管理與包裝等系統(tǒng)功能。 面向21世紀DM的MGIS系統(tǒng)應(yīng)該是一個能為采礦 業(yè)提

10、供基于 4D 時空信息的動態(tài)模擬、 可視化、分析與決策支持的復(fù)雜系統(tǒng)。 它允許在 2D 或 3DTIN 表面上疊加影像、 圖片、 測量數(shù)據(jù)、 地震資料、 紋理及其他數(shù)據(jù)。 它應(yīng)具有 3DGM 整 合、 3D 空間網(wǎng)絡(luò)分析、多目標(biāo)決策分析及飛行模擬等基本功能，并實現(xiàn)以下應(yīng)用功能：輔 助勘探、交互式采礦設(shè)計與規(guī)劃、實時開采模擬、作業(yè)安排與監(jiān)測、資源動態(tài)管理、地質(zhì)統(tǒng) 計、地下水模擬、開采沉陷動態(tài)模擬、地表數(shù)據(jù)整合、支持復(fù)墾規(guī)劃、生態(tài)恢復(fù)和礦區(qū)可持 續(xù)發(fā)展多目標(biāo)決策等。數(shù)字礦山的基本框架DM 的基本組成DM 應(yīng)是一個層次結(jié)構(gòu)。按數(shù)據(jù)流和功能流，由外向里分別為采集系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、功 能系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)及核

11、心系統(tǒng)共 5 部分。1 ）采集系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與處理，包括測量、勘探、傳感和文檔等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（2）調(diào)度系統(tǒng)：指 MGIS,負責(zé)提供拓撲建立與維護、空間查詢與分析、制圖與輸出等GIS基本功能，并進行數(shù)據(jù)訪問控制、開放接口和生產(chǎn)調(diào)度與指揮管理。（3） 功能系統(tǒng)：提供專業(yè)模擬與分析功能如MCAD、VM、MS、SC AI和SV等。（4）包裝系統(tǒng)：負責(zé)提供 3D空間建模工具和多源異質(zhì)礦山數(shù)據(jù)的空間融合環(huán)境和數(shù)據(jù)過濾、組合與封裝機制，包括3DGM和數(shù)據(jù)挖掘工具。2個子系統(tǒng)（5）核心系統(tǒng)：負責(zé)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)和模型，由時空數(shù)據(jù)倉庫和應(yīng)用模型庫 組成。數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)礦山數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)針對礦山信息的“五性四多”（復(fù)雜

12、性、海量性、異質(zhì)性、不確定性和動態(tài)性，多源、多精度、多時相和多尺度）特點，為統(tǒng)一管理和共享數(shù)據(jù)，必須研究一種新型的數(shù)據(jù)倉庫技 術(shù)，包括礦山數(shù)據(jù)組織、分類編碼、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、高效檢索、快速更新與分布式管理等。礦山數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)發(fā)掘隱含規(guī)律、認識未知現(xiàn)象和進行時空發(fā)展預(yù)測等，必須研究一種高效、 智能、透明，符合礦山思維,由于礦山空間信息的上述特點，為了從礦山數(shù)據(jù)倉庫中快速提取專題信息、基于專家知識的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。MCAD圖2現(xiàn)代數(shù)字礦山基本框架圖真 3DGM 與可視化技術(shù)只有集鉆孔、物探、測量及傳感等數(shù)據(jù)于一體進行真 3D 地學(xué)模擬，并實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)維 護（局部快速更新、細化、修改、補充等） ，才能對地

13、層環(huán)境、礦山實體、采礦活動及采礦 影響等進行真實的、實時的 3D 可視化再現(xiàn)、模擬與分析。礦山 3D 拓撲技術(shù)礦山信息的拓撲查詢、 分析與應(yīng)用及許多采礦安全問題的模擬、 分析與預(yù)測等， 均以礦 山 3D 實體的屬性、幾何與拓撲數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織為基礎(chǔ)，立足礦山 3D 數(shù)據(jù)的矢柵集成，解 決礦山 3D 拓撲描述、表達、組織與維護這一技術(shù)難題。應(yīng)用軟件與相關(guān)模型礦山信息的分析與應(yīng)用、 礦山生產(chǎn)的評估與監(jiān)控、 礦山工程的模擬與決策等， 均以各類 應(yīng)用軟件與相關(guān)模型為工具，必須研制為滿足不同需求、提供不同服務(wù)的多品種、多型號、 多功能、組件式“車輛” ?？焖俣ㄎ慌c自動導(dǎo)航技術(shù)基于 GPS 的地面快速定位與

14、自動導(dǎo)航問題已基本解決。而在衛(wèi)星信號不能到達的地下 礦井，除傳統(tǒng)的陀螺定向與初露端倪的影像匹配之外， 尚沒有滿足礦山工程精度與作業(yè)速度 要求的地下快速定位與自動導(dǎo)航的理論、技術(shù)與儀器。井下多媒體通訊與無線傳輸技術(shù) 在礦井通信方面，除寬帶網(wǎng)絡(luò)之外，如何快速、準(zhǔn)確、完整、清晰、實時地采集與傳輸 礦山井下各類環(huán)境指標(biāo)、 設(shè)備工況、 人員信息、作業(yè)參數(shù)與調(diào)度指令， 并以多媒體的形式進 行地面 - 井下雙向、無線傳輸，是有待研究解決的關(guān)鍵技術(shù)。智能采礦機器人 “班組”技術(shù)在礦山自動化方面， 要突破過去關(guān)于采礦機器人的個體 “人” 的概念，要從整體采礦設(shè)備整體與全作業(yè)流程的自動控制、協(xié)調(diào)、適應(yīng)、保護、調(diào)整

15、、修復(fù) 甚至再生的角度，去理解、研究和設(shè)計新一代智能化采礦機器人“班組” 。礦山GIS OA、CDS三位一體技術(shù)為實現(xiàn)全礦山、全過程、全周期的數(shù)字化管理、作業(yè)、指揮與調(diào)度，必須基于礦山GIS對礦山信息的統(tǒng)一管理與可視化表達，無縫集成自動化辦公（ 0A）和指揮調(diào)度系統(tǒng)（CDS, 真正做到數(shù)據(jù)融合、流程匹配與組織協(xié)調(diào)。礦山機械數(shù)字化的發(fā)展與進步礦山機械是技術(shù)含量和集成化很高的裝備, 零部件的更新周期越來越短、 新設(shè)備換代越 來越快, 尤其是大型礦山機械的開發(fā), 無成熟的經(jīng)驗可借鑒, 而又不允許設(shè)計中出現(xiàn)任何失 誤,因此必須借助多學(xué)科技術(shù)的融合, 提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量, 提升企業(yè)自主創(chuàng)新能力和 市

16、場競爭力。 對于露天礦山主體采礦設(shè)備, 其自動化、 智能化發(fā)展趨勢是提高主要生產(chǎn)設(shè)備 和輔助生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力和功率。 建議研制可鉆鑿直徑 500 mm 的炮孔, 重達 150 t 的液壓傳動牙輪鉆機。在剝離作業(yè)方面，正在研制斗容最大達150m 3、鏟臂長達 100 m 的索斗鏟，以及斗容較小，但鏟臂長達 150 m 的索斗鏟。電動挖掘機的鏟斗將達150 m 3，鏟裝作業(yè)半徑75 m。預(yù)計將會出現(xiàn)帶有微處理機控制的液壓驅(qū)動機械部分的電動挖掘機，電鏟驅(qū)動功率將達15 000 kW。加大自卸汽車的參數(shù)（載重500 t）和電動機功率（1 200 kW）。露采 工程中采用的設(shè)備控制和診斷系統(tǒng)，將有可能裝備數(shù)字顯示器和信息收