现代矿业技术讲.ppt

数字矿山,武汉理工大学资源与环境工程学院 2009.9.16,1 数字矿山概念 随着计算机信息处理、网络通讯、自动控制和3S（GIS、GPS、RS）技术的发展和在矿业的深入应用，矿山的信息化、智能化、自动化和无人化已成为未来矿山企业发展的主要模式。 数字矿山是智能化、自动化和无人化必备的基础条件。,GlobalPositioningSystem Geographic Information System Remote Sensing,数字矿山是以矿山信息综合集成、共享利用与可视化表述为主要特征； 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，以多维形式对矿山生产经营与管理的各个环节实现数字化、网络化、模型化、可视化、集成化和科学化管理。其目的是为生产优化决策和矿山的智能化、自动化以及无人化提供技术支持平台。,数字矿山是矿山生产经营管理数字化的结果。 国外数字矿山原型：遥控采矿,又称Automine，也是矿山数字化、智能化和自动化的结果。 智能化采矿设备（机器人）与现代数字化采矿调度系统的集成是实现自动化无人采矿的技术关键，协调设备与生产的关系是实现矿山无人采矿目标的重要内容。,2 数字矿山建设的总体思路 2.1 矿山企业的基本特征 （1）矿体赋存的地质环境非常复杂，其空间位置、形态、元素品位分布等均变化较大。 （2）资源情况和生产经营过程是动态的。 （3）矿山的多个基本的子系统必须协调运行。 （4）工艺流程具有离散、分散。 （5）多数设备和人员位置不断变化。 （6）生产系统内、外部间信息交换量大、频繁。 （7）矿山环境条件恶劣。,这些特征使得其决策、设计、生产计划、生产调度与过程控制、安全生产等各个方面非常复杂，因此,必须在整个过程中按照系统工程的观点，科学地规划、设计和生产，才能发挥整个系统的良好性能。,2.2 国内外矿山企业的技术与管理现状 上世纪90年代开始，芬兰、澳大利亚、瑞典等国先后制定了“智能矿山”或“无人化矿山”的发展规划。 美国采用最新计算机实时控制与管理、无线数据通讯、调度优化以及GPS系统，己成功开发出一个大范围的采矿调度系统，使露天矿近于实现了无人采矿。 加拿大国际镍公司从20世纪90年代初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。,利用最先进的技术，包括通讯、定位、工艺设计、监视和控制系统，去操纵采矿设备与采矿系统。 遥控采矿工艺包括自动凿岩、自动装药与爆破、自动装岩、自动转运、自动卸岩和自动支护等，其技术基础是高速通讯系统和高精度定位、定向系统（要求达到mm级）。 已实现除固定设备自动化外，铲运机、凿岩台车、井下汽车均实现了无人驾驶。,目前，国际上广泛采用的数字矿山软件有：Datamine、Vulcan、Gemcom、Surpac、Medsystem、Micromine、Amine、Microstation、Promine、Cadsmine，3Dmine、mineCAD等等。国际矿业大公司均使用了数字矿山软件。 我国经过近20年的努力在矿山信息化建设及数字化矿山建设取得了长足进步，国内部分矿山开始使用：DATAMINE及MINE2-4D、Surpac、MineTec、Micromine、3Dmine、mineCAD等数字矿山软件。,Datamine Studio3 由10个功能模块组成,目前，我国的数字化建设缺乏系统的整体规划、功能单一、重复建设现象严重，信息资源共享难以实现；管理模式与信息技术的要求不相适应。 因此，我国在资源管理数字化、技术装备智能化、过程控制自动化、生产调度可视化及生产管理科学化等方面有一定的差距，处于起步阶段。,2.3 数字矿山建设的目标 数字矿山是一个庞大的系统工程，其长期目标： (1)资源与开采环境数字化; (2)信息传输网络化; (3)技术装备智能化; (4)生产过程控制自动化、可视化、无人化; (5)生产管理与决策科学化。,具体目标是： （1）利用矿业专用软件系统，实现矿山资源、开采方案设计与优化、生产计划与开采环境的数字化、模型化与可视化； （2）建立综合性通讯网络,形成语音、视频与数据同网传输的网络体系,实现矿山数据的分布式共享；,（3）采用传感技术，实现的矿山生产过程、设备、安全与开采环境等监控数据的自动采集、智能分析与可视化处理； （4）采用工业以太网、PLC智能控制及视频监视系统，实现对矿山生产各个环节智能化集中监控； （5）采用先进的生产管理系统，实现矿山生产人员与移动设备的定位、跟踪及生产过程智能化调度与控制，全面提升管理与决策的科学性。,2.4 数字矿山建设的基本内容 (1)海量、异质、时空数据库及分析软件系统； (2)生产过程控制系统； (3)生产过程安全监控与预警系统； (4)信息快速传输系统； (5)矿业ERP（Enterprise Resources Plans）管理系统。ERP致力于整个材料设备采购、生产调度与过程控制、矿产品销售的优化管理，是数字化、信息化的重要内容。,3 地质体可视化建模技术 地质体可视化建模是地测采技术人员的基本工作和矿山生产的最基础工作。 近年来，美国、英国、澳大利亚等国先后推出了功能强大的矿用软件系统，运用现代空间信息理论来研究地层及其环境的信息处理、数据组织、空间建模与数字表达，并运用科学计算可视化来对地层及其环境进行真三维再现和可视化交互处理，为矿山地质体建模、品位推估、储量计算、开采设计及其生产规划等工作的全三维表达提供了良好的工具。,地质体可视化建模包括: (1)数据采集 (2)地质数据库建立(原始数据录入及文件格式、数据库结构定义及建立、样品组合、组合样参数变异函数计算与分析、钻孔数据的三维图形表达与分析） (3)图形数据库 (4)实体模型 (5)块段模型,3.1 数据采集 要认识矿产资源的空间分布状态及其所赋存的地质环境，必须全方位采集原始矿床地质及工程地质信息（例如：各种有用元素的品位、岩性、构造类型及几何特征、矿岩的物理力学特性、水文地质条件等），主要归类为： (1)空间位置信息 (2)样品属性信息。,3.2 地质数据库 目前所有的矿山工程软件，基本上都是采用关系数据库进行属性数据的管理，如Surpac软件采用简单的Microsoft Access，而Datamine、Micromine 等软件则采用专用的关系数据库进行管理，后两个软件中，采用了属性数据和矢量数据统一的关系数据库。,3.2.1原始数据录入及文件格式 原始地质数据可直接录入，但数据量大、输入速度慢，且易出错。因此，一般采用常用软件（如Excel、记事本等）把原始数据录入，然后再导入软件系统中。 目前矿用软件录入格式上有所不同，但其需要录入的信息基本上是相同的，即在建立地质数据库之前，需要将“钻孔”数据中包含的内容按照开口信息、测斜信息、品位信息、岩性信息等分别录入不同数据文件中。,3.2.2数据库结构定义及建立 不同类型矿山、不同阶段、不同需要采集到的地质数据各不相同，因此，地质数据库结构不能固定，应支持用户自定义。 数据库结构定义后，就可以将事先已经录入文本文件中的地质数据导入数据库中。,3.2.3样品组合 原始地质数据是块段模型内所有单元块中各种参数估值的依据，也是矿床储量计算的依据，根据地质统计学原理，为确保得到各个参数的无偏估计量，同一类参数的地质样品段的长度应该一致。因此，在原始地质数据库建立后，必须进行样品的组合计算。,样品组合有多种方法，如按钻孔组合、按台阶组合、混合组合等。组合长度的确定要考虑多种因素，如样本长度、原始样本容量的大小、块段建模时单元块的尺寸等。 在样品组合计算完成后，一般要对组合样品进行统计分析。样品统计分析的目的一方面是为了掌握矿床各元素的分布情况，另一方面是指导后面品位推估时采用何种方法进行变异函数计算与分析。,3.2.4 组合样参数变异函数计算与分析 变异函数计算与分析是确定区域化地质变量结构性和随机性的必要步骤，其分析结果不仅对地质统计学储量估算提供估值参数，而且具有指导勘探工作的作用。 矿体的变化性可以根据变异函数的计算结果进行分析和评价，并根据分析计算结论对矿山下阶段进行生产勘探或补充地质勘探等进行指导。,试验变异函数和理论变异函数曲线,3.2.5钻孔数据的三维图形表达与分析 地质数据库中的地质数据是进行地质解译和分析的基础，建库后用户即可利用软件中的工具以字符、图表或图案方式显示各种地质信息（包括钻孔轨迹线、品位值、岩性及代码、岩层走向等）。 地质工程师可以在全三维可视化环境中，结合自己的经验，进行地质解译，不需像传统解译方法那样将数据投影到一个平面上，解译结果更为真实和准确，由此得到的矿体空间几何形态将更为精准。,完成各剖面的解译后，将这些线条保存为剖面线文件，为下一步生成矿体模型作准备。,按品位显示的钻孔图,3.3 图形数据库 原始地质图件经过地质解释得到的图件和生产过程中获得的各种测量结果均保存在图形数据库中。 这些图件是生成各种三维线框（或实体）模型的基础。图形数据库中的图形称之为线文件（数据表）。 对于原始地质图件，首先需采用数字化仪或扫描仪进行数字化，转换成AutoCAD文件或其他地理信息系统文件（如MapGis），再导入到图形数据库中。,3.4 实体模型 传统地质勘探成果常以二维平面图和剖面图来表达，表达信息不充分，缺乏直观感等特点。随着地质统计学、数学、计算机图形学和网络技术的发展，工程地质逐渐向着综合集成化、数字化、可视化的方向发展。 三维地质建模已成为数字化的一个重要方面，并成为当前地质学信息技术领域最富有活力的研究方向之一。实体模型是用来描述三维空间的物体，是矿床三维建模的基础。,实体生成,3.5块段模型 块段建模是矿床品位推估及储量计算的基础。其基本思想是在三维空间内按照一定的尺寸将矿床划分为众多的单元块，然后根据已知的地质勘探样品的品位及其空间变异特征对填满整个矿床范围内的单元块的品位进行推估，并在此基础上进行储量的计算。 大部分矿业软件都是采用块段模型与大小自动进行细分，以确保块段模型能够真实地反映矿体或其它地质体的几何形态。,在块段模型建模时，各种地质体实体或DTM(Digital Terrain Model数字地表模型)模型将用来对块段模型进行控制，使得不同的岩体、岩层能够在块段模型中得到真实的反映，并利用孔品位组合样数据对矿石的品位进行推估，以进行储量计算，确保满足设计和生产管理的需要。,块体模型以及次级分割技术,4 地下采矿设计 地下采矿设计主要是各种开拓工程和采准工程巷道的实体建模，通过三维模型显示来实现工程可视化。创建工程实体模型的方法包括： (1)中线加单一断面方法； (2)中线加多个断面方法； (3)断面延伸法； (4)顶板加底板法。,4.1主要开拓工程巷道实体创建 地下采矿设计中可将所有的开拓工程按照它们的特征分三类进行实体建模：井筒、斜井和平巷。其中竖井、风井和溜井合为井筒类。 下面介绍这三类工程实体的建模方法。,4.1.1主要井筒的实体建模 井筒建模相对简单，只要确定井口和井底的三维坐标以及断面形状规格，就可以快速建立实体模型： （1）确定井筒井口和井底三维坐标及断面形状。 （2）根据断面参数绘制井筒断面图。 （3）绘制井筒中线。 （4）通过确定的井筒中线及断面生成实体。,4.1.2斜井的实体模型 首先确定井口和井底三维坐标及断面形状。与井筒不同的是斜井有一定坡度，因此，除了要确定井口和井底的三维坐标以及断面形状外还需确定斜井的坡度。 通过确定三维坐标、断面形状和坡度生成实体。,4.1.3斜坡道的实体建模 斜坡道实体模型相对来说比较复杂，因为它不在一个固定的平面内，有很多拐角，因此在确定斜坡道中线时比较复杂。故斜坡道建模首先要确定斜坡道各拐弯处及其在各中段交点处的三维坐标，然后在确定斜坡道断面图和斜坡道中线，最后通过中线加单一断面方法生成模型实体。,4.1.4中段巷道实体建模 实测巷道采用实测巷道顶底板线来生成实体。 拱形断面巷道，首先调整其顶板中心线的位置，使顶板中心线位于实测位置，然后分别在顶板线与顶板中心线之间形成巷道拱。 矩形断面巷道，首先将顶板线和底板线的位置调整到时间的高程位置，然后分别在顶板线所在的平面上和底板线所在的平面上形成DTM（表面模型），并对形成的DTM进行剪切，最后在顶板DTM和底板DTM之间形成巷道实体。,4.2 采准巷道实体创建 在采准工程设计时，可根据采准巷道中心线及巷道断面规格沿中心线生成实体。 如果采用现成的中段平面CAD图生成巷道实体，则可以通过CAD图的导入、数据转换、高程调准，最后采用中线加单一断面法生成巷道实体。 对于实测采准巷道，首先对巷道的顶底板线进行调整，然后通过顶底板加底板法生成巷道实体。,4.3 盘区、采场设计 地采设计中一般都需要将矿体划分为不同的开采单元，先划将矿体分成盘区，然后在盘区设置开采单元。规模较小矿体可直接划分采场。步骤是： （1）确定采矿规划并画出采矿规划图，即盘区、采场划分的CAD图转化格式后导入数字化矿山工程软件，然后进行坐标变换，使其与实际位置相符合。 （2）按照实测巷道的做法生成顶、底板DTM，进行裁剪后，将其连接起来，形成一个盘区实体模型。 （3）对矿体和盘区实体进行体运算（线框布尔运算）后，即可以切割出盘区的矿柱、矿房。,盘区实体与矿体空间关系图,盘区分布图,4.4 爆破设计 地下开采中的爆破设计主要分为巷道工程爆破、切割工程爆破和矿房、矿柱回采爆破设计。 爆破钻孔主要分浅孔、中深孔和深孔三类。 爆破设计中需要的设计参数包括：钻机类型和爆破范围、作业高度，最小孔底距，炸药种类、装药方法，装药密度、炮孔间距和排距（水平或垂直炮孔）等，炮孔的布置形式主要有水平布孔和扇形布孔两大类型。,切割槽扇形爆破设计图 切割工程爆破设计图,采场扇形中深孔爆破设计图,爆破设计输出施工卡,5 露天矿设计 目前的数字化软件中的露天设计模块包括露天坑、境界和运输道路设计，使用露天设计参数交互式三维工具，满足边坡控制、道路设计、推进工作面设计、排土场设计，根据新测量数据进行地形更新，全方位满足设计的需要。,(1)露天设计工具 用户定义相关参数直接生成露天境界（如坡面角、台阶宽、台阶高等等）; 生成排土场; 结合岩石力学调整坡面角的应用（基于将岩石力学结合到设计中的理念，根据不同的岩石类型，在同一台阶上调整坡面角，减少不必要的废石被采出）; 评估境界内可采资源量。,(2)露天境界优化 采用Lerchs-Grossman 最终露天境界优化原理，适用于多种矿石类型、选矿方法和产品、相互影响的斜坡区域和最终露天境界的定义，可以建立露天境界的等高线,柱状图和图形，用户定义控制外推结果，通过日期和指标定义进度计划产生净现值的最大化。其指标有：剥采比、选厂处理量、品位或其他的用户自己定义的多种参数，如配矿指标等等。 排采计划结果输出到电子表格如Excel。,(3)道路设计工具 根据用户定义的路面宽、坡度和高程等参数产生新的路面基线； 由基线生成道路； 由等高线生成道路； 道路入口的精确预报； 快速生成设计道路的体积报告。 (4)设计修改工具 快速修改那重新设计特点。,(5)矿山测量 测量模块主要是结合全站仪、GPS等数据格式完成相应工作。全站仪数据可直接导入，形成测量平面图,平差分析, 并可在设计窗口显示。 等直线：自动形成等值线，还可编辑或改变数据，再形成等直线。 体积计算:可计算采空区排土场和料场的体积数据.,6 生产计划编制 编制生产计划是矿山生产与经营管理中最重要的决策任务。生产计划编制流程主要包括： (1)基础数据准备； (2)生成任务单元； (3)流程优化与确定任务单元作业顺序； (4)生产计划报表与可视化表达； (5)动态更新与调整。,6.1 基础数据准备 包括三维块段地质模型、掘进设计线、巷道固定断面形状、采场轮廓、不规则断面工程、设备台效及生产工序等。 6.2 生成任务单元 对设计进行分段，形成生成任务单元，同时根据基础数据，计算各分段任务的工程量，并分为各分段任务单元添加各种属性和性质。,6.3 流程优化与确定任务作业顺序 根据任务的工程量与设备台数确定各任务的作业时间，然后根据计划指标，由工程的衔接关系及设备资源等约束条件，优化并确定作业与性质。操作程序是： (1)顺序连接:通过依赖性对任务点来排序; (2)实体生成; (3)地质查询:确定查询块段模型单元，然后每一个单元的体积。 (4)输入资源与要达到的经济指标:为各资源指定一系列的属性，如：名字，描述以及工效等。 (5)优化并确定作业顺序:线性规划法、动态规划法、有向图法、启发法以及系统工程的排队法优化。,6.4 生产计划报表与可视化表达 包括输出各种数据报表，生成生产调度甘特图，形成开采计划的生产过程动画。 (1)数据报表主要有：设计统计表、虚拟评估数据报表、地质数据评估报表、品位与开采吨位统计表。 (2)生产调度甘特图：甘特图表显示了任务表中的时序安排信息。 (3)开采计划过程动画：在计划编制完成后，使用已存在的实体模型颜色或由推进计划日期自定义颜色来创建开采计划过程动画。,短期排产计划一般指圈定或者指定采掘计划线，计算出该采掘线到坡底或者固定台阶的矿石量和岩石量，通过调整改采掘计划线，可以得到用户所需要的矿石量和岩石量。 采掘计划线的设计灵活，可以跨台阶，也可以不跨，如果跨台阶设计采掘计划线，就相当采掘计划里面的并段，现在的矿用软件基本都满足露天矿山短中期采掘计划的需要。,6.5 动态更新与调整 根据实际生产情况以及市场动态变化，对各种基础数据进行更新，对生产计划进行调整。选择要调整的对象，然后导入新的数据并把其转化为三维实体模型，再把其与用来的文件合并。如资源、设备以及计划技术经济指标等有变化时，则应对各任务单元之间的排序以及依赖性进行更新，从而达到相应的要求。 对生产调度进行更新一般有三种方式： (1)把所有更新日期之前的所有工作设置为完成； (2)重新计划未完成部分应开始于更新日期之后； (3)延伸到日期。,7 矿山综合通讯系统 实时、动态、海量数据的传输是矿山智能化关键，因此，必须构建信息高速公路。 7.1系统的总体结构 (1)传输信息类型的综合性。 (2)接入方式的综合性。同时支持有、无线接入。 (3)实现直接、双向的TCP/IP网络通讯。使矿山拥有一体化的网络平台，实现信息共享，为快速、科学决策提供支持。,7.2通讯系统的类型 目前有三种类型：有线、无线和泄漏电缆系统。 无线主要是无线区域网，小灵通系统和G网、C网平台。 泄漏电缆系统主要由前端机、中继放大器、泄露电缆、井下电源/耦合器、分支器、终端器等组成。,矿山井上/井下综合通讯网络拓扑结构图,8 生产过程智能化与自动化 实现开采方式的智能化与自动化是解决矿山安全、低耗、高效的开采问题的关键。以泄露综合通讯平台上实现井下开采自动化的实例，按不同子系统分别进行阐述生产过程智能化与自动化。包括: (1)调度系统； (2)固定设备监控； (3)移动设备和人员跟踪、定位与过程控制； (4)竖井提升控制； (5)安全监测与预警。,8.1矿山调度 调度系统除了矿山已有的有线电话系统外，由于井下工作场所不断变化，移动人员和设备众多，因此，必须增添无线电话系统，无线系统构架在泄漏电缆通讯平台上。 在泄漏平台上，添加语音基站、手机等设备，即可建成矿山井下无线电话调度系统。 通过语音基站，可在两个以上移动手提式、车辆固定式、微型基站的无线电接收机之间双向通讯。 该系统可以覆盖铺设有泄漏电缆的地下工作区，地面可以覆盖2至5公里的范围。地面和井下系统都可提供清晰的、不受干扰的语言信号。,8.2 固定设备监控 通过在通讯平台上增设数据基站、各种传感器（视频监控）和PLC控制设备等手段，对固定设备实施生产过程运行状态的监控。主要组成。 (1)数据基站。提供数据转发。 (2)计算机。用于接受和分析数据，并发送命令。 (3)泄漏电缆系统。供移动单元与计算机的连接。 (4)传感器/控制器/RTU。采集信息及远程控制。 (5)电缆调制解调器。用于控制计算机与泄漏电缆的信息交换，负责将命令送到PLC中。,固定设备监控系统组成示意图,8.3 移动设备和人员跟踪、定位与过程控制 采用无线射频技术，通过在关键部位增设信标系统（读数器、信标器）来识别人员和设备，不断监测他们的位置。与车辆联用的设备不仅能监测位置，也能控制主要干线上的交通灯和自动门。接收单元通过泄漏电缆将数据