数字矿山技术的应用

数字矿山技术的应用

现在，随着网络技术的快速发展，21世纪的采矿业必须是数字采矿业和智能化采矿业。只有实现矿山数字化的构建,促使矿山企业整体信息化,才能提高矿山企业的生产效率,降低安全生产事故的发生率,同时也是解决生产与环境协调发展的根本途径。特别是煤矿企业,近几年转入深部开采,产生的如矿山压力、高温高湿等问题,只有加大对矿山数字化的投入,不断地完善矿山信息化进程,才能有效解决这些难题。1数字矿山的概念1.1数字矿山数字矿山早在1998年,美国的前副总统戈尔就提出了“数字化地球”(DigitalEarth)的概念,随后在1999年11月的第一届“国际数字地球”的大会上吴立新教授正式提出“数字矿山”这一概念。1.2数字矿山的内涵简单地讲,数字矿山就是在一个矿山范围内建立的一个以三维坐标为主线及其相互关系为基础的信息数据库。该数据库涵盖了矿山中的全部信息,是一个巨型的信息系统。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,已达到生产方案优化、管理高效和决策科学化的目的。”建设数字化矿山其中最重要的技术就是用计算机和网络技术实现对井下主要机电设备的控制,将矿山的一切信息统一集中在一个网络平台上。2体的安全管理系统整个矿山系统是一个复杂的、庞大的、动态的集生产、安全、管理为一体的系统。为了将各种矿山信息以数字的形式进行采集、处理、控制和传输,就要建立一个完整的数字化系统,数字化矿山系统组成要素如下:1监控系统构成网络三要素为传输介质、网络拓扑类型和介质访问控制形式,从此角度出发,矿山要建设一个以光纤为主体,视频、音频和数据三网合一的总线型环网体系。其他还包括路由器、服务器、交换机、传输信道和采集设备,如采集设备有各种传感器和仪器,无线的和有线的信道等等。该工业网络传输平台采用开放式的TCP/IP协议,兼容能力强,可以接入各种监控子系统。2矿图建立的三维gis矿山地理信息系统(MGIS)是一个集合信息采集、管理、模拟和提供决策支持的真三维GIS,也是数字矿山的总调度系统,同时可以为建立三维仿真模型和二维电子矿图提供海量信息。3数据库内容分类数据库系统用于各种大量数据的存储,可以把数据库划分为静态数据库、动态数据库和多媒体数据库,其中静态数据库用来存放静态文档和普通数据;动态数据库用来存放实时监控数据;多媒体数据库存放音频和视频片段。4企业资源规划系统主要包括在线监测监控系统、工业自动化系统、安全管理系统、企业资源规划系统等,该层是数字化矿山构建的核心层,也是体现矿山数字化构建效果好坏的一层。5信息发布平台安全生产信息以及机械设备工况信息等都需要一个终端设备来展现,主要包括图形工作站、工业电视系统、视频会议等设施。3数字矿山系统的应用和建议3.1考勤系统的配置方案鉴于矿山工人的素质普遍不高的情况,应该采用有效的考勤方式来避免黑工替工的不良现象。矿山人员考勤系统已经在大多数国有矿山进行应用。从技术原理上划分,一般我国矿山的人员设备定位考勤系统分为四种,如表1所示:通过上表的总结,建议有条件的矿山企业采用虹膜识别考勤系统,主动式的考勤缺点可以不计,而且无论井下作业环境多么恶劣人体的虹膜都不会受到污染。迄今全国已有15个省份的40多家矿山企业采用该虹膜识别系统,均取得良好的反应。3.2基于软件的矿产资源确定管理的计算机建立由于整个矿山是一个动态的系统,其资源储量也是动态变化的,应该及时掌握矿山储量的变化情况才能合理地利用矿产资源,同时也有助于国家相关国土资源部门掌握资源变动的情况。对于金属矿山一般采用地质统计学原理通过矿床三维地质模型估算矿量,具体步骤为:1)建立地质数据库;2)构建三维实体线框模型;3)建立块体模型;4)通过变异函数计算品位;5)估算矿产储量。目前,国内的矿山企业多采用国外的Datamine、Surpac和Micromine等数字软件进行三维建模。再用普通克里格法或距离幂次反比法对块体模型的块段进行品位赋值,两种算法的区别在于所取权值不同,最后用地质统计学方法估算资源储量。冬瓜山铜矿采用Dimine软件结合普通克里格法对铜元素品位赋值并对矿床储量进行估计,计算结果准确可靠,可以应用到储量管理系统中。利用Surpac系统输入变化了的数据,通过储量管理计算模块就可以重新圈定边界,显示变化了的储量,还可以输出图形和统计报表。储量生产管理系统彻底改变了传统的手工统计数据的方式,不仅可以查询数据还可以及时更新修改数据,能够很好地完成资源储量动态检测的工作。3.3多传感器监测监控系统对比煤矿井下存在的危险因素有很多,如瓦斯、粉尘和温度等,其中瓦斯是煤矿井下伴随煤炭开采而产生的有害气体,瓦斯事故是煤矿企业安全事故中重大灾害事故之一,高浓度粉尘以及过高的温度也都会损害职工的身体健康和造成安全事故。现在的矿井安全监测监控系统不再只是监测生产过程中某一个因素,而是把整个生产过程作为一个整体来监测监控,具有宏观全局性。所以对井下存在的各种危险因素要形成实时连续无缝式的监测,以便于提高我国矿山企业安全生产水平。从20世纪开始,我国就从矿业发达的西方国家引进了一些监测系统,在结合国外技术和我国矿业实际情况之后,发现传统的瓦斯监测系统存在许多问题:1)网络结构固定不具备动态性;2)无法实现无缝式监测;3)通信线路布置复杂,传输速率低;4)数据流通具有单向性,只能监测不能监控。鉴于上述缺点,目前使用较多的是无线传感器监测监控系统。其整个系统可以分为传感器节点、转折节点、无线+有线的通信网络以及地面监控中心。基本原理见图1。传感器将采集到的信息转换为数字信号经无线网络通过转折节点(网关)与地面通信网连接从而把数据传输到地面的监控中心,同时监控中心也可以下达控制命令到井下传感器。整个系统中存在着两个技术难题,一是该选择哪种传感器,二是各种传感器传输的复杂数据该如何进行融合。根据工作原理传感器分为物理式和化学式两大类,信息融合方法卡尔曼滤波、贝叶斯估计、模糊推理、D-S证据推理和神经网络等。每种方法都有自己的优缺点,目前一般在矿山多传感器系统中多采用BP神经网络法或模糊推理法。根据矿山复杂多变的工作环境对于瓦斯监测建议采用基于模糊信息融合的光谱式传感器综合监测监控系统。光谱式传感器是利用Beer-Lambert定律测定气体浓度的一种高精度传感器,相比现在的热传导式传感器具有响应速度快优点。模糊信息融合算法是把井下的环境分为3个等级,分别是安全、较危险、危险,融合中心在各个传感器的局部融合的基础上通过特定算法做出全局融合。试验应用表明,井下环境监测结果和实际环境状态相比准确无误,且该系统具有良好的性价比。目前最先进的监测系统应该是采用光纤传感器组成,此种传感器不带电可以构成本质安全型系统,灵敏度高且具有多个功能可以同时监测瓦斯、温度、矿压等信息。3.4地下gps定位技术矿山企业存在的安全隐患较多,据相关统计,我国矿山平均每4到7天就会发生一起安全生产事故,给矿工的家庭和社会都带来巨大的伤害。近年来通过加强矿山人员设备定位系统的研究,不仅有助于实现机械设备自动化运行,而且可以有效展开事故发生后的救援行动。对于露天矿山可以采用全球定位系统(GPS)技术实现人员设备定位,井下开采的矿山由于地面屏蔽GPS信号一般采用陀螺定位技术实现定位。目前人员设备无线定位系统从发展阶段及原理划分为6种,如表2所示[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]:根据表2可以看出,其中Zigbee技术是近年来发展的一种的无线网络技术,性能介于蓝牙和RFID之间。目前国内矿山大多数还是采用国外早期的传输技术,定位误差很大,对于传统方法的不足,建议采用基于Zigbee和CAN技术的井下定位系统或是基于RFID技术的井下定位系统,可以弥补上述不足并通过可视化平台准确显示井下的人员设备定位情况。3.5矿山预警救援系统通过与国内外矿山安全事故发生率的对比,我国的矿山生产安全现状很不理想,关键是现有的监测系统大多数只能报警不能有效地进行预警。基于这种情况并结合上述应用,可以综合井下人员设备定位系统、环境监测系统以及井下微震监测系统等构建矿山预警救援系统。基本系统原理示意图如图2所示。地面生产监控室通过井下在线监测系统采集的数据经数据分析如有危险倾向则发出预警信息,救援指挥室在发生灾害后,根据井下定位系统采集的人员及设备情况,通知井下人员及时撤离危险源并提供有效的救援措施。另一个方面我国现在的矿山应急救援系统还存在很多问题,如1)没有统一的应急管理机构;2)应急装备落后救援能力薄弱;3)应急法制不健全等。所以未来在积极构建预警救援系统的基础上要加强管理层面的力度,共同提高我国矿山企业生产安全水平。另外,该系统通过加强UPS电源设计,可以在发生灾害停电后的情况下继续使用,能够及时展开有效的救援行动。4复配型综合跟踪系统集成技术。在现代运用于目前,由于我们国家矿山行业的特殊情况使得中小型矿山数字化的应用现状不是很理想。但是近年来,市场上出现的大部分矿山数字化产品,不