基于数字化、信息化的矿山绿色开采技术的应用研究-有色金属科学与工程

1、基于数字化信息化的矿山绿色开采技术的应用研究徐金辉1，高 祥1，王亮亮1，吴贤振1，韩亚峰2(1.江西理工大学资源环境与工程学院，江西 赣州 341000；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)摘 要：绿色开采技术是绿色矿业的核心内容，也是解决矿山开采环境问题的根本出路。在阐述绿色开采内涵的基础上，基于数字化、信息化的特点和优势结合绿色开采的实际，提出了资源开采环境数字化的观点，将数字化、信息化与绿色开采相互结合，同步并举，以此使绿色开采理论及技术科学、高效、合理的应用到生产活动中；提出要建立绿色开采统一标准，指出绿色开采将借助于物联网形成感知矿山，最终发展为智能开采。

2、同时探究了绿色开采数字化存在的几个问题，并提出了适当的建议。关键词：绿色矿业；可持续发展；绿色开采技术；数字化、信息化；资源开采环境数字化中图分类号：TD 862 文献标识码：A 文章编号：1674-9669Reseach on green mining technology and its applicationbased on digitalization and infomatization Xu Jinhui1 , Han Yafeng2 , Gao Xiang1,Wang Liangliang1( 1.Faculty of Resource and Engineering，Jiang

3、xi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China;2.School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University .，Jiaozuo 454000，China） Abstract: As green mining technology is the key to reduce the impact of mining on environment,the connotation of green mining is explained，bas

4、ed on the characteristics and advantages of digitallization and informatization,the standpoint of digital-green mining is put forward combining the reality of green mining.By which the green mining can be applied to the production activities more scientific,efficient and reasonable.Besides,it indica

5、tes that unified standard to green mining should be formulated,green mining will develop into intelligent mining with support from IoT.Meanwhile some questions and suggestions upon the digital-green mining are put forward. Key words:green mining; the sustainable development; green mining technology;

6、 digitalization; informatization; digital-green mining资源开采与环境保护是当今社会面临的热点与重点问题，资源与环境协调开采，发展绿色矿业由此而生。党的十八大将“生态文明建设”纳入到社会主义“五位一体”的总布局中，把生态文明建设放在突出地位，提出要树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念；十八大报告还提出“着力推进绿色发展”，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展；因此，发展绿色矿业是生态文明建设的必然要求。目前国内外有关绿色经济和绿色矿业的理论已经十分丰富，绿色开采技术也在实践中不断发展1-3。然而，如何科学、高效、合理的将相关理论及

7、绿色开采技术应用到生产活动中，仍有待解决。在欧洲有第四次工业革命之称的收稿日期:作者简介：徐金辉（1988 - ），男，硕士研究生在读，主要从事采矿工程方面的研究。E-mail:xujh02。通讯 吴贤振（1971-），男，博士，教授，主要从事采矿工程，岩石力学方面的研究。E-mail：wxz001666sina。com。“”已被提出，其以“智能化工厂”为特征。那么对于绿色矿业来说，利用数字化、信息化服务绿色开采技术，推动绿色矿业发展，就具有重大的现实意义及价值。基于此本文以绿色矿业为出发点，围绕绿色开采探析数字化、信息化的优势，并将其与绿色开采技术结合以研究数字信息化的绿色开采技术及其应用。

8、1 绿色矿业概述 绿色矿业的发展经历一个漫长而复杂过程，由于矿产资源开采与环境保护的矛盾一直存在并愈发尖锐，人们对绿色矿业的认识也从感性逐步深化为理性并最终成为可持续发展问题的一部分。自第二次世界大战前的十九世纪至今，绿色矿业的概念先后从单纯的矿区植被保护，矿区周边环境美化发展到一个包含节约资源，高效生产，综合利用,保护环境，节能减排，科学发展,社区与企业和谐发展等诸多方面的系统工程1。 绿色矿业与绿色矿山 绿色矿业是实现可持续发展的一种全新理念，其以保护生态环境，降低资源消耗，追求可循环经济为目标，将绿色生态理念贯穿于矿产资源开发的全过程4，体现了对自然原生态的尊重，对矿产资源的珍惜和对社会

9、的责任感；绿色矿业的目标是要实现资源能效与环境保护的最优化，且尽量减少资源储量的消耗、降低开采成本，其追求科学、高效的生产方式和良好的经济、社会效益。简单的理解，绿色矿业是在满足当代人发展所需物质资源的同时给自己和后代人营造良好的生存环境，保证资源长久可利用的可持续发展矿业5-6。 绿色矿山是绿色矿业的实体，其以生态环境为前提条件，将先进的创新科学技术，先进的现代管理理念和绿色矿业的概念相融合，是新形势下对矿产资源管理工作和矿业发展道路的全新思维7。绿色矿山的内涵有：（1）确立矿山资源环境一体化的理念 （2）突出生态园林矿山的理念 （3）强化经营绿色的理念8-9 绿色开采内涵矿产资源开采与环境

10、保护是绿色开采的主要内容，绿色开采旨在化解开采资源与保护环境的矛盾，在高效合理开采矿产资源的同时最大限度的防止或减小对生态环境的伤害，使资源与环境达到协调开采的状态。因此，绿色开采是一种综合考虑资源效率与环境影响的现代开采模式，其宏观目标是使企业经济效益与社会效益协调优化10-11。钱鸣高12-13院士最早对“绿色开采“的慨念、内涵、体系等进行了全面阐述，提出从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水等一切可以利用的各种资源；从循环经济与可持续发展的高度将“绿色”科学的诠释为“资源与环境协调”。 绿色开采技术核心 绿色矿业的核心内容之一就是要实现绿色开采14，而绿色开采技术是绿色开采的关键。绿

11、色开采技术的科学性与实用性在于它是针对现实问题提出的：矿石大范围开采后必然引起岩体向采空区内移动，同时会产生大量废石与尾矿。岩层移动将造成地下水流失与突水事故、地表坍塌土地与建筑物损害；排放废石与尾矿会占用土地，污染土壤和水资源环境。因此，针对这些问题“绿色开采技术“的主要内容有：（1）保水开采技术12；（2）充填开采技术；（4）废石不出井及废石资源化技术（5）煤炭地下气化技术、生物化学溶浸采矿技术；（6）环境恢复与综合治理技术15-16。其中保水开采技术旨在保护地下水资源，充填开采技术可解决地表沉降、建筑物损害等开采损害问题。 此外，绿色开采技术还应当包含清洁生产，无废生产的相关技术。因此，

12、从资源环境经济社会的各个层面及四者形成的统一和谐圈来理解，绿色开采技术并不单单局限于某一种、某一方面的采矿方法，它是一系列使资源开采利用与环境保护协调一致的所有技术理念的统称。从资源开采方面，绿色开采技术是要达到减少资源损失，充分开发利用矿产资源；从环境的角度，绿色开采技术就是要不污染或尽量减少对环境的伤害，还要营造安全、清洁、健康的生产环境；从经济方面考虑，绿色开采技术是要降低生产成本，达到高产高效的经济效果；在科学技术方面，绿色开采技术要紧跟科学发展的步伐，充分吸收高新科技，从点到面完善、提高和发展。1.4 绿色开采发展现状绿色开采作为一种全新的开采模式，解决了矿山开采破坏环境的问题，使资

13、源开采与环境保护相协调，是当今矿业发展的必然出路。目前，许多矿山企业，特别是煤矿都在步入绿色开采时代，应用绿色开采技术进行生产，并取得了良好的社会效果与经济效益，如在晋城、唐山、兖州、淮南等地已建立了绿色开采示范区，煤炭地下气化，煤层瓦斯抽采都已经形成了一定产业规模17-18；在江西赣南、德兴等地容浸采矿法在铜、金、铀、稀土等矿山大力采用，紫金矿业集团也是溶浸采矿法的践行者19-20；此外，充填采矿法、保水开采、条带开采、矿石与伴生矿物共采等绿色开采技术也在普遍被采用。尽管绿色开采在环境保护和资源化利用方面优势明显，但如何以最小资金投入实现矿产资源高产、高效和低风险开采仍是一世界难题15。因此

14、，将数字化、信息化的现代技术广泛而深入的应用于绿色矿业，使粗放型的矿产开发模式向少人、无人的集约型矿井转变，以实现“数字化绿色环保矿山”。2 数字化、信息化与矿山开采 数字化、信息化作为一门创新科学技术，一种手段极大的促进了当今世界经济和社会的发展。国外许多矿山已实现了数字化、信息化的根本变革，极大的提高了资源开采率，管理、生产水平显著增加21-22。因此，我国矿山企业有必要借鉴国外经验，充分利用现代数字信息技术，实现矿业可持续发展，达到资源开采与环境保护和谐统一。2.1 数字化、信息化的特征将数字化、信息化作为一种策略、手段进行研究，从其原始意义出发是有必要的。数字化是指将客观物理现实抽象为

15、数字来处理，强调的是计算科学中的虚拟控制技术；信息化是以数字化为基础，利用现代通信、网络、数据库技术，将所研究对象各要素汇总至数据库，帮助人们便捷、高效的解决特定的问题23。现今，数字化、信息化已发展成为以现代信息、数据库、传感器网络、智能化可控制为一体的数字化、网络化、可视化、集成化、和科学化管理的一种技术手段。 数字化、信息化技术包含三个层次，即软件（信息管理平台），数据采集与通讯，装备的自动化与智能控制。其体系结构十分复杂，由决策层、传输层、执行层统领。具有易用性、灵活性、健壮性、拓展性、安全性、整合性等特点。 数字化、信息化在矿产勘探、开发和矿山管理中的具体应用，是一种崭新的体系，是对

16、真实矿山整体及相关现象的统一认识与数字化再现24，实现数字化对矿山企业的发展意义重大。 数字矿山和矿山信息化数字矿山在我国发展迅速，十几年来中国数字矿山建设与信息化改造成效显著。以吴立新教授、王李管教授等为代表的学者先后提出了许多有关数字矿山的重要理论，为数字矿山建设提供了坚实的理论依据。吴立教授认为“ 数字矿山是一种理念，一个过程25”并将其定义为“数字矿山是在统一的时空框架下，对真实矿山整体及其相关现象的统一理解、表达与数字化再现.”26从定义来看，数字矿山应是以矿山空间数据库为中心，以建立三维空间仿真模型为纽带，是空间信息技术，网络技术及可视化技术在矿山企业综合应用的集中体现。它将整个矿

17、山系统组建成一个庞大的网络系统，网络的节点即各个信息监测点，终端是智能控制中心（综合信息平台），其可以有效利用数字化的方式 ，对环境进行监测和监视，对生产空间的信息进行采集，并运用相关数值软件，根据所采集的数字信息建立各种分析模型，然后利用这些模型对现场反馈的信息进行加工处理27，综合考虑各种因素，做出迅速准确的反应，并将结果以指令的方式传达到现场，化解生产过程中的不利因素或危险，将生产过程调整到最佳状态，并向着正确的方向引导；预测潜在的危险，防止灾害事故发生，降低风险，保障人员安全28。 数据资源特性，信息基准特性和开放平台特性是数字化矿山的三大特性29，其中信息基准特性体现了数字矿山的高度

18、信息化，它要求建立规范统一的数字信号或模拟信号采集、传输、接受、存储、输出程序与标准，保证信息的时效性、可靠性；充分利用网络与信息管理平台挖掘深层次的信息资源，建立共享的、网络化的资源30，保持企业内部和外界的信息畅通。矿山信息化不仅是要实现信息及时、准确、快速的传输，还需要强大的数据信息管理系统和先进的定位识别，传感，遥控，控制技术，以实现自动化的最终目标。2.3 数字化、信息化与矿产开采 在数字化、信息化的采矿生产过程中，通讯网络设施和可视化系统使各个人员之间的联系，员工、部门、管理人员之间的联系变的更加便捷、密切31；虚拟现实技术可以建立矿山开采的三维数字仿真立体模型，对矿山规划、开拓设

19、计甚至矿体的切割，凿岩爆破等都可以进行软件模拟优化，可以提高资源利用率和工作效率；GPS调度系统和视屏监控系统可以高效的协调井下运输系统与生产系统的关系，对车辆和人员的位置实时监控和管理。此外，数字化、信息化在资源评估、安全管理、决策管理、环境恢复等方面可以实现透明化、精细化、全面化，对转变矿山管理方式，保障矿山安全起着极大的作用。总之，数字信息化与矿产开采可以构建成一个如下图所示的系统。图1 数字化、信息化与矿产开采Fig.1 Digitalization,informatization and mining 3 资源开采环境数字化（绿色开采数字化） 绿色开采数字化的意义绿色开采是要形成一种

20、资源开采与环境保护协调一致的模式，即在不破坏或尽可能减轻对环境破坏的前提下，努力去实现“低开采、高利用、低排放”的开采技术。这里所讲的“低开采”、“高利用”，就是要降低开采成本，提高资源利用率，达到高产高效的目的 。然而，采矿生产过程中要提高矿石回收率，减少矿石损失，降低矿石贫化率一直都是难以解决的问题，绿色开采技术很好地解决了环境问题，但是要达到“低开采、高利用”的理想目的也是不易实现的。资源开采环境数字化即绿色开采数字化，就是将绿色开采技术与数字化、信息化相结合，同步并举，充分利用数字化、信息化的优势更好的实现绿色开采，使绿色开采理论及技术科学、高效、合理的应用到生产活动中。简单地说，绿色

21、开采数字化是对绿色开采的升级、加速，其目的是要形成“数字化绿色环保矿山”。绿色开采数字化具有以下意义：（1）合理开发资源，减少资源浪费和环境污染。（2）创造健康、开放的工作环境，提升矿山形象。（3）降低矿山劳动强度，提高工作效率。（4）化解矿山风险隐患，增强安全系数。（5）创造更大经济效益和社会效益，实现矿山可持续发展。 绿色开采数字化的体系结构 构建如下图所示的绿色开采数字化体系结构。其主要有三部分组成：物联网环境下的数字信息化采矿系统、绿色开采技术、环境恢复与清洁生产系统。针对矿产开采引起的不同问题，有与之相应的绿色开采技术，其中保水开采指在开采地下矿产资源的同时尽量减少对地下含水层的扰动

22、破坏，或采取有效措施使发生变化的水恢复到原来的横状态32；无废开采包括矸石井下处理、建设井下选场、废石尾砂充填采空区等清洁采矿技术；此外，从理论上讲充填开采、煤炭地下气化、溶浸采矿法是解决矿产开采环境问题的理想途径。物联网就是物物相连的互联网，它通过感知系统、传输和智能化处理系统进行物品间的信息采集与交互，最终实现物品与物品，人与物品的互联和管理33。在不久的将来，物联网将使绿色开采数字化产生质的飞跃。图2 绿色开采数字化结构体系Fig.2 The structure of Green Mining system 绿色开采数字化的应用及发展前景当前，我国矿山面临着两方面亟待解决的问题：其一，矿

23、山开采造成严重环境污染问题，而水土污染、重金属污染尤为突出。在我国每年因采矿产生大量的废水、废液，这些未经处理的废水、废液排入江河湖泊造成极其严重的污染事件屡见不鲜，如湖北大冶湖污染、湖南湘江重金属污染、赣南稀土开采污染34等。目前矿山开采造成的水土流失问题也非常严重，由于采矿破坏了植被，使山体裸露，产生泥石流、滑坡等地质灾害，同时地下水系平衡也遭到破坏，造成水资源大量损失。金属矿山开采产生的重金属对土壤，水资源，植物，农作物造成严重污染和危害。 其二，随着矿产资源的不断开发优质矿产越来越少，采深不断增加，低品位、难采难选矿石越来越多；并且开采回收率，矿石贫化率，和选矿回收率均较低35。据近期

24、统计资料表明， 我国矿产资源总体回收率为30， 共生矿、伴生矿综合利用率为35，均比国外先进水平低20左右36-37。 通过上述分析，对环境问题，不仅要治标还要治本，关键还要从源头抓起，提高资源利用率需要采用科学、合理、高效的方法。因此，数字化的绿色开采是一种既可以科学、合理、高效的开采矿产又能保护生态环境使资源与环境协调一致的开采模式，具有很高的应用价值。一方面，其有利于合理开发资源，充分利用中低品位矿石，通过建立数值模型，进行采矿设计，优化参数，减少或避免污染因数。另一方面，其可以合理调配各种资源，实现矿山管理的科学性，生产的安全高效和矿山环境的健康、透明。要从根本上解决矿山开采与环境保护

25、的矛盾问题，关键在于研究新的采矿技术，采用科学的手段，实现绿色开采和清洁生产，充分有效的回收资源，减少废料排放16。在知识经济时代，科技知识更新日新月异，物联网正在兴起，它通过数字化、网络化的渠道实现人物人相互间的关系高效信息交互，并通过新的模式将各种信息技术融入社会行为33。未来，数字化、信息化、自动化的绿色开采，将借助物联网技术形成感知矿山，最终实现智能采矿的目标，这与欧洲“”智能工业的目标是一致的。就当前我国矿山的发展状况来看，无论是数字矿山还是绿色矿山都处于起步阶段，因此从绿色开采模式向智能开采转化仍需要一个长期的过程，但加快机械化、自动化步伐和物联网技在矿山术的应用，并将它们与绿色开

26、采的理念相融合，势必会推动开采模式的大变革。物联网技术可以依托覆盖于矿山三维空间的高速网络系统，通过感知信息将矿山的资源环境，生产环境、机械设备与人员相互之间联系起来，实现交流互感，感知矿山环境、感知安全风险、感知井下人员、设备健康状况，即感知矿山。图3 采矿模式发展前景Fig.3 Progressing for Mining 4 问题与建议从技术层面、管理层面分析，绿色开采数字化存在的主要问题有：（1）与传统采矿方法相比，溶浸采矿技术具有生产成本低、整体回收率高，向外界排放有害物质少，基本可以称作为绿色开采技术，特别是原地浸矿法更有利于生态保护与恢复，但是浸矿液会进入地下，对地下水或地表水、

27、土壤造成潜在的污染以及可能导致山体滑坡是目前需要迫切解决的问题。（2）煤炭地下气化是一种整体绿色开采技术38，但应解决煤炭气化过程中产生的有毒有害物质不扩散，不污染水土，二氧化碳少排放等问题，否则其就失去了绿色的意义。（3）绿色技术体系仍需完善和创新突破。（4）数字信息技术不能满足地下生产环境的需求，如在矿井深部无线传输信号接受困难，卫星定位系统设备，雷达探测仪器精度满足不了要求39。（5）企业信息化的整体水平不高，信息孤岛问题严重制约矿山信息化的实现。（6）管理不规范，不科学，缺乏高水平软件开发技术人才和管理人才。（7）政府和企业领导层重视程度不够，重眼前经济利益，轻科学可持续发展，相关政策

28、、法律法规不到位。针对上述问题提出以下建议： （1）政府牵头建立产学研相结合的模式对相关问题科学攻关，重点研究创新技术，如充填新技术，充填新材料，研发适合矿山的新软件产品和绿色设备。 （2）提高对发展绿色矿业重要性的认识，重视信息化人才和工程技术力量的培养。 （3）建立绿色开采标准，实行“顶层设计”,统一评价指标，使生产过程定量化、透明化。建立一套科学、全面可操作性强的绿色开采统一标准需要从两方面着手：其一，从我国矿山系统中“资源-环境-人”的关系层面至资源开采回收率、采矿贫化率、废弃物循环利用率、绿色覆盖率、清洁安全生产率、信息化机械化发展程度等方面，采用宏观分析与微观分析相结合，社会统计与

29、数理统计相结合的方法制定考核标准和规范；分析国内外先进矿山发展建设的情况，结合我国矿山的实际现状，完善“目标层、准则层、要素层、指标层”指标体系。其二，以具有代表性的矿山为标本，采用相关性分析和主成分分析等方法，通过定量分析与定性分析相结合的方法建立备选指标库并筛选划分，指标数据要具有代表性、独立性，能够合理的衡量矿山绿色开采的程度。此外，绿色开采标准的实施需要严格的法律法规作保障，企业的社会责任感为根本，政府监督为鞭策。 （4）加强信息安全建设，重视信息安全，确保信息实时、可靠。 （5）正确认识企业环保、社会责任及市场效应的关系。（6）正确处理和对待开采与环境协调，科学与可持续发展的问题。5

30、 结语 可持续发展，绿色发展才是科学的发展，构建绿色矿山，发展绿色矿业是解决矿业环境问题，实现可持续发展的根本出路。随着新知识新技术的问世，绿色开采也将会有更加丰富的内涵和形式，因此，把握新机遇，迎接新挑战，克服绿色开采技术在实践应用中的阻碍与难题，不断创新理论，完善体系，更新理念，将绿色开采这一全新的模式全面推广，造福矿区及周边，为绿色矿业梦做贡献，这是我们矿业界人士当不懈奋斗的目标。此外，绿色开采的发展还需要企业、政府和社会的共同努力与关注，只有发展与责任并肩同步，才能实现经济发展，资源开发与环境保护的共赢，实现可持续发展。参考文献1 朱训.关于发展绿色矿业的几个问题J.中国矿业,2013

31、,22（10）：01-06.2 寿嘉华.走绿色矿业之路J.中国地质.2000,22（12）：3-6.3 B.N.Porfir'ev.Green Economy：Worldwide Development Trends and ProspectsJ.Herald of the Russian academy of sciencesJ,2012,82（8）：120-128.4 朱青山，蔡美峰，叶鸿.生态矿区建设的系统分析及实践研究J.金属矿山,2010，12(8):128-134.5 Anthony Bradshaw.Restoration of mined lands-using nat

32、ural processesJ.Ecological Engineering,1997（8）：225-269.6 黄刚，吴元元，傅雷.构建矿区的可持续发展观J.企业改革与管理.2008,2(8)：12-14.7 乔繁盛.建设绿色矿山发展绿色矿业J.中国矿业,2009，8(4):4-7.8 孙维中.浅谈绿色矿山建设J.煤炭工程,2006，4(8):60-61.9 刘建兴.绿色矿山的概念内涵及其系统构成研究J.中国矿业,2014,123（2）：51-54.10 钱鸣高.绿色开采的概念与技术体系J.煤炭科技,2003，4(1):01-03.11 钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术J.中国矿业大

33、学学报,2003,32（4）：343-348.12 钱鸣高，缪协兴，许家林.资源与环境协调（绿色）开采及其技术体系J.采矿与安全工程学报,2006,23（1）：01-05.13 钱鸣高，缪协兴，许家林.矿山压力与岩层控制M.徐州：中国矿业大学出版社,2008.14 黄敬军.论绿色矿山的建设J.金属矿山,2009,32（4）：343-348.15 古德生.地下金属矿采矿科学技术的发展趋势J.黄金,2004,25（1）：18-22.16 蔡美峰.中国金属矿山21世纪的发展前景评述J.中国矿业,2001,10（1）：11-13.17 张国桥，李钢 .煤炭绿色开采技术及其应用J.中国煤炭,2008,34（8）：112-113.18 周