数字矿山(第一讲).ppt

数字矿山(第一讲),孟海东矿业工程学院,一、数字矿山,21世纪是信息主导的世纪，“数字化生存”已成为知识经济的标志。信息、定位、通讯和自动化技术的飞速发展，深刻地影响和改变着传统的采矿工业，遥控采矿、无人工作面甚至无人矿井等已在加拿大、美国、澳大利亚等国成为现实。以“遥控采矿”为例,加拿大INCO公司通过地下通讯、地下定位与导航、信息快速处理及过程监控系统，实现了对地下镍矿开采装备乃至整个矿山开采系统的遥控操作。与“数字地球”(DigitalEarth,DE)俱进，越来越多的采矿人开始思考矿山信息化改造与DM（DigitalMine)问题。国家“十五信息化发展规划”中明确指出:要利用信息技术改造和提升传统产业，以煤矿、有色矿、非金属矿为代表的传统采矿业，已经并正在面临21世纪信息技术的挑战和洗礼，问题与机遇并存。,二、数字矿山建设意义和作用,(1)数字矿山是国家战略资源安全保障体系的重要组成部分。数字矿山建设可使我国全面翔实地掌握矿产资源的分布利用情况和对我国工业的保障程度,结合国际市场行情,即能实现合理利用国内外两种资源、两个市场,科学、定量地预测未来供需形势,建立有效的战略资源供给配置战略及保障机制。这是我国市场经济发展的需要,也是有效参与、利用越来越全球化的资源市场的需要。,二、数字矿山建设意义和作用,(2)数字矿山建设是当前国际矿产资源开发研究的热点。数字矿山是矿业开发的制高点,谁占领了这一制高点,将控制整个行业的发展趋势和主动权,因此发达国家的数字矿山建设发展很快,并在数字矿山的基础上,进行实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制自动化智能化研究。,二、数字矿山建设意义和作用,(3)数字矿山建设是当前资源开发的需要,是落实资源开发方针的重要内容。在十届全国人大三次会议上温家宝总理指出:“缓解我国能源资源与经济社会发展的矛盾,必须立足国内,显著提高能源资源利用效率。要坚决实行开发和节约并举、把节约放在首位的方针。”因此,我们必须珍惜资源,进一步提高矿石回收率,以便更好地贯彻温家宝总理的指示和落实国家“在保护中开发,在开发中保护”的基本指导方针,而数字矿山的功能之一就是使我们能全面、动态、准确地掌握我国金属矿山储量、基础储量和资源量的变化,从而进行科学化的管理,达到资源的合理开发利用和节约目的。,二、数字矿山建设意义和作用,(4)数字矿山建设是提升我国矿山国际竞争能力的重要措施。我国矿山采矿技术总体水平较低,与国际先进水平相比存在较大差距。其突出表现是部分矿山装备落后、开采规模小、劳动生产率低、矿山效益差和矿产资源利用率低。数字矿山建设将迅速提高采矿设计、决策和管理的科学水平,通过采用高新技术、新装备来提高劳动生产率,增加矿石产量,提高产品质量,降低生产成本,实现提升我国冶金矿山国际竞争能力的目的。,二、数字矿山建设意义和作用,(5)数字矿山建设是资源可持续发展的重要基石。数字矿山建设可以将矿产资源的情况(包括开采和储量)数字化表现出来,根据这些信息可以判断需要优先发展那些资源,可以保证国民经济可持续发展,能做到矿产资源的稳定供应、合理利用和低环境损害,可以解决我国矿产资源形势入不敷出,寅吃卯粮的危急状况,使资源的供应与不断增长的资源消耗达到基本平衡。,二、数字矿山建设意义和作用,(6)数字矿山建设是化解高危行业风险的根本途径。数字矿山建设将是化解高危行业采矿业风险最根本的途径,实施数字矿山建设能将地质信息、与开采有关的各种信息和力学信息等综合表现出来,为决策提供全方位的信息,化解投入的盲目性,提高决策的科学性。在某种意义上讲,信息不灵,情况不明是当前矿山事故居高不下的主要原因。此外,在数字矿山的基础上通过自动化开采技术,矿山实现无人开采和遥控开采,可以减少灾害和人员伤亡事故的发生。,二、数字矿山建设意义和作用,(7)数字矿山是评价矿山资源生态环境的重要数据基础。数字矿山建设将能对矿山开采引起的侵占土地、地表形态破坏、植被破坏、土地退化、水土流失、沙漠化、以及粉尘污染、水体污染、采场滑坡、排土场泥石流、尾矿库溃坝、区域生态景观遭到破坏等进行数字化,通过对该信息的科学分析,制定矿山生态重建规范,建立排土场复垦均衡评价体系、灾害评价与预测预报体系和现代管理体系,使矿山废弃物得以合理利用,显著改善矿山生态环境,最大可能地防患于未然,实现矿产资源开发与环境协调发展。,二、数字矿山建设意义和作用,(8)数字矿山是数字地球、数字中国在矿山的具体应用。数字矿山是数字地球和数字中国理念及技术在矿山勘探、开发及矿山管理中的具体应用,是一种未来矿山的崭新体系,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。因此数字矿山建设也是数字中国的一个重要组成部分,它的建设将对数字中国有极大的推动作用。,三、数字矿山建设内容,其主要研究内容是以矿山系统为原型，以地理坐标为参考系，以矿业科学技术、信息管理科学、计算机技术、数值计算、可视化技术和网络技术为基础,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。研究与开发内容为:,三、数字矿山建设内容,1、矿山数字地质、矿床模型研究与开发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,主要利用各种实时在线的采集系统与技术手段(如RS、GPS、GIS、常规测量、取样化验等),获取各种形式的空间与属性信息,对信息进行必要的预处理(如图形和资料的数字化或矢量化、影像判读、坐标转换、数据集成等),它由以下2个子系统组成:,三、数字矿山建设内容,(1)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。(2)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。,三、数字矿山建设内容,2、虚拟条件下矿山模拟开采技术研究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、管道设计、灾变应变预案等工作。是众多软件的集成,且以优化开采为目标,因此系统对矿山开采能否取得效益具有重要意义。,三、数字矿山建设内容,3、矿山生产过程管控一体化应用可视化技术实现生产过程、工艺、设备、仪器的自动监测与控制,包括如下几个方面。GPS露天矿采场生产调度监控系统，其功能是基于计算机、GPS、无线通讯及设备监测监控技术实现开采设备生产作业参数及状态的监测监控和故障的诊断,并进行采场运输的自动、优化调度。通过降低总运输功和采掘、运输设备的等待时间等,提高采装、运输系统的效率,降低采运成本。计算机调度的神经中枢是优化调度软件系统,包括配车线路优化、调度规则趋优等。,三、数字矿山建设内容,地下矿生产调度监测系统，这一系统用于地下矿水、风、运等系统监控和通讯调度,它有以下3个子系统组成:提升运输监控子系统。采用计算机网络及通讯技术,集中监视和控制井下提升运输水平的信号系统、铁路道岔等,解决目前井下运输自动化程度低的问题,提高矿山数字化管理水平。供排水监控子系统。利用仪器检测各供水管路水压、流量等信息,通过网络和通讯技术,实时监控井下供水情况,及时解决出现的问题;完成水泵房的数字化,建立自动控制系统,实现无人职守。压气通风监控子系统。数字化空压机的性能,提高补偿系数,实时控制空压机运行情况,实现高效节能的目的;利用仪器检测各通风管路风压、流量等信息,通过网络和通讯技术,实时监控井下压风情况。,三、数字矿山建设内容,井下无线通讯与人员定位技术采用无线通讯系统,实现井下矿无障碍通讯和人员定位,全面、实时、动态地反映井下人员分布状况。井下无线通讯技术是基于由传输系统、接收机及软件包所组成的井下无线通讯系统来实现井下的人员调度、生产管理、安全管理等工作。其传输系统包括主机、调制器、发射机、环形天线及天线保护装置等。可以实时而无障碍地与井下工作人员和技术人员进行通讯。井下人员定位系统在事故中可迅速指出全体人员所在的位置。井下人员定位系统的硬件主要包括标签和信标,其软件主要用于存储所有标签的记录情况和实时位置,为应急预案的制定与实施提供可靠的依据。,三、数字矿山建设内容,矿山安全监测与预警系统该系统主要包括边坡、排土场、尾矿坝的稳定性监测、评价和预报,地下矿地压、矿震监测与预报,通风、粉尘、地下水监测等。矿山安全监测与预警系统,是一种集科学计算可视化、资源信息与开采信息互相融合、实时自动检测、网络远程监控为一体的综合管理信息系统。它以矿床资源信息、开采工程信息、微震检测信息等数据共享为核心,以实体数字地质模型为基础,通过可视化、网络化以及实时动态监测等技术手段来实现对矿床开采的安全监测与安全预警。,三、数字矿山建设内容,矿山生产经营决策支持系统“数字矿山”的目的之一就是要利用现有的各种数据、信息,在综合、全面地分析的基础上,为矿山的规划管理和可持续发展提供决策支持。目前,决策支持系统正在向智能决策支持系统、分布决策支持系统、群决策支持系统、高层决策支持系统以及综合决策支持系统方向发展。与一般决策支持系统不同,数字矿山所需的决策支持系统是空间决策支持系统。该系统对各种内部信息(包括以上各层提供的数据及其加工成果)和外部信息(主要是市场和政策信息)进行相关分析、推理和预测,为各种智能生产经营策略提供决策支持,提高决策的时效性和科学性。,四、数字化软件平台,1、Datamine软件Datamine软件公司的前身是矿业计算有限公司（MineralIndustriesComputingLimited“MICL”）,创建于1981年英国伦敦，最初就以London为中心向世界各地提供软件和咨询服务。早期的成功为MICL注入了强劲的研究和开发能力，加强和扩展了全球的支持和服务网络。在随后的15年中，在Australia,USA,Canada,Brazil,Chile,Peru,India和SouthAfrica建立了国际型公司，后来与澳大利亚的Earthworks公司合作，组成集团公司，在全球11个区，建立了办事处或分公司，组织了更多的技术和开发人员并且均是从事矿业整个领域和计算机工业多年的资深专家加盟，从而使得该产品成为矿业界公认的领导者（2005年，全球矿业杂志评选中获得进度计划软件类第一名）。公司的理念是提供矿业软件解决方案而不是推销产品。公司的技术支持策略是通过大量的与用户关系密切的分公司或办事处来承担。目前的产品有：Datamine三维软件（DatamineStudio），露天境界优化及进度计划（NPVS）,地下采掘计划（Mine24D）,和虚拟现实（VR），四个产品可独立使用，也可以合并。,四、数字化软件平台,Datamine软件界面,四、数字化软件平台,软件的功能介绍DatamineStudio3由10个功能模块组成（如下表所示）。在实际应用时，则可以选择配置，以满足实际生产中工作的需要。这些功能包括了目前同类软件所具有的三维地质建模、品位估值和储量计算、地下及露天开采设计、生产控制，同时还增加了虚拟现实仿真、进度计划编制、结构分析、场址选择，以及环保领域等延伸应用。基本功能：交互式真三维设计，数据管理、处理及成图勘探：样品数据输入输出，统计分析，钻孔编辑，地质解释地质建模：地质统计，矿块模型，矿床储量计算；岩石力学：构造立体投影图和映射图、建立岩石模型；露天开采：境界优化，中长期计划，采场及运输道路设计；地下开采：采场设计、优化，开拓系统设计；矿山辅助生产：测量，品位控制，进度计划编制，配矿；复垦：环境工程，综合回收，土地复垦和利用研究。,四、数字化软件平台,功能举例露天矿设计,四、数字化软件平台,块体模型以及次级分割技术,四、数字化软件平台,2、SURPAC软件澳大利亚SMG（SurpacMinexGroupPtyLtd）公司是全球矿山行业软件开发的领导者。在全世界91个国家有4000多个授权用户。SMG公司的产品广泛应用于资源估算、矿山计划、生产的各个阶段乃至矿山闭坑后的现场修复的整个矿山循环过程中。作为一套完整而且全面的软件系统，它极大的改进了从测量工程师、采矿工程师、地质师到生产管理过程中的技术信息交流。其应用领域包括：勘探和地质模型地表和地下采矿设计矿山工程测量生产计划和开采进度计划尾矿和复垦设计钻孔编录,四、数字化软件平台,具备强大的3维图形系统，生成和显示地下地质或矿体的3维构造、地面地形模型以及其他各种图形。能够精确地建立矿山资源模型，极为方便地圈定不同地质体模型，包括复杂的断层处理，地质数据库管理功能十分强大，能够处理庞大的地质数据，数据库与三维图形系统紧密结合。具有全面的分析、计算和报表功能，方便地查询和获取各种技术数据，包括品位、金属量、体积量、重量、面积等。,四、数字化软件平台,SURPAC操作界面,四、数字化软件平台,2、FLAC/FLAC3D系列FLAC（FastLagrangianAnalysisofContinua）主要用来模拟土、岩、或其他材料的非线性力学行为，可以解决众多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题，例如大变形、大应变、非线性及非稳定系统（甚至大面积屈服/失稳或完全塌方）等问题。,四、数字化软件平台,应用：岩土力学分析，例矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等岩土工程、采矿工程、水利工程、地质工程特色：大应变模拟完全动态运动方程使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍显示求解具有较快的非线性求解速度,横向应力云图竖向应力云图横向位移云图竖向位移云图,石宝铁矿采场边坡的模拟计算,四、数字化软件平台,槽形开挖,四、数字化软件平台,3、UDEC/3DEC系列UDEC和3DEC采用显式差分方法求解，实现对物理非稳定问题的稳定求解，可以追踪记录破坏过程和模拟结构的大范围破坏。UDEC和3DEC可以模拟节理岩体介质在准静态或动态荷载作用下的反应。不仅可以模拟接触的脱离，也可以侦察新接触的产生和模拟新产生的接触的力学行为。应用领域包括涵盖采矿、土木、石油、和废料隔离等，是非连续岩石力学与结构问题的首选分析程序。,四、数字化软件平台,操作界面,四、数字化软件平台,利用有限元块体对拱坝的模拟,四、数字化软件平台,4、GOCAD软件与虚拟现实GOCAD（GeologicalObjectComputerAidedDesign）软件是一款功能强大的三维地质建模软件，在地质工程、地球物理勘探、矿业开发、石油工程、水利工程中有广泛的应用。GOCAD软件具有强大的三维建模、可视化、地质解译和分析的功能。它既可以进行表面建模，又可以进行实体建模；既可以设计空间几何对象，也可以表现空间属性分布。并且，该软件的空间分析功能强大，信息表现方式灵活多样。容易处理复杂构造，包括逆断层、相交断层、盐丘等；而且大量断层系统处理能力强。,四、数字化软件平台,GOCAD软件的界面,四、数字化