構(gòu)建礦山安全管理可視化，促進(jìn)安全高效與綠色開(kāi)采

一、前言

人口、資源、環(huán)境和災(zāi)害是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的四個(gè)基本因素，也是關(guān)系人類生存與發(fā)展的四大基本問(wèn)題。消除災(zāi)害，控制災(zāi)害，最大限度減少災(zāi)害造成的損失，是關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定的一個(gè)重要因素。礦山是高危生產(chǎn)場(chǎng)所，人類自懂得向大地索取財(cái)富以來(lái)，多少人為此而獻(xiàn)出自己的生命，無(wú)數(shù)專業(yè)技術(shù)人員本著“以人為本”的思想，為防范事故發(fā)生、拯救生命而默默辛勤工作著。跨入新世紀(jì)，在現(xiàn)代科學(xué)信息化技術(shù)高速發(fā)展的今天，如果能將這一信息化技術(shù)應(yīng)用在這一高危場(chǎng)所，最大限度減少損失，將是新一代礦山技術(shù)人員的最美好心愿。

二、數(shù)字地球概況

“數(shù)字地球”計(jì)劃是繼信息高速公路之后又一全球性科技發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，是國(guó)家主要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，是信息社會(huì)的主要組成部分，是地球科學(xué)與信息科學(xué)的高度綜合。

“數(shù)字地球”的核心思想有兩點(diǎn)，一是用數(shù)字化手段統(tǒng)一地處理地球問(wèn)題，二是最大限度地利用信息資源。“數(shù)字地球”主要由空間數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、操作平臺(tái)和應(yīng)用模型組成，關(guān)于地球的數(shù)據(jù)無(wú)疑是其核心。

“數(shù)字地球”的基本特征主要有：1)以信息高速公路為基礎(chǔ)、以國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI)為依托；2)具有無(wú)邊無(wú)縫的包括廣泛數(shù)據(jù)的分布式結(jié)構(gòu)：3)具有一種可以迅速充實(shí)、連網(wǎng)的地學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和可以融合并顯示多源數(shù)據(jù)的機(jī)制；4)可以以不同的形式提供全球范圍的數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)方面的服務(wù)；5)提供一個(gè)地球空間的超媒體虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境；6)不同的用戶對(duì)數(shù)據(jù)具有不同的使用權(quán)限。

三、目前礦業(yè)企業(yè)信息化現(xiàn)狀

采礦業(yè)是以自然資源為生產(chǎn)對(duì)象的古老產(chǎn)業(yè)，絕大多數(shù)礦山企業(yè)還處在勞動(dòng)密集性階段，信息化程度很低。

我國(guó)礦山企業(yè)在硬件投入較大，但全面實(shí)現(xiàn)信息化管理的企業(yè)卻寥寥無(wú)幾，部分實(shí)現(xiàn)信息化管理的企業(yè)所占比例也只有4.7%左右。這反映出我國(guó)礦山企業(yè)信息化明顯存在重投入、輕管理，重局部、輕整體，重硬件、輕軟件的問(wèn)題。 存在主要問(wèn)題有：（1）信息化整體水平不高。整體上，我國(guó)礦山企業(yè)依然是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)、管理的自動(dòng)化、信息化水平較低。產(chǎn)業(yè)集中度過(guò)低，企業(yè)的“小、散、亂”格局顯然不利于行業(yè)信息化的推進(jìn)。（2）信息化發(fā)展很不均衡。一方面，企業(yè)內(nèi)部對(duì)生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)以及礦區(qū)通信專網(wǎng)等工程建設(shè)實(shí)施推進(jìn)較快，但企業(yè)管理信息化進(jìn)展卻相對(duì)遲緩；另一方面，企業(yè)之間信息化水平差距很大，多數(shù)企業(yè)信息化應(yīng)用總體上處于初級(jí)階段，只有少數(shù)比較先進(jìn)的企業(yè)在生產(chǎn)組織、安全監(jiān)控、經(jīng)營(yíng)管理中全面實(shí)施了信息化，并已從中受益。（3）“信息孤島”問(wèn)題嚴(yán)重制約信息化整體效益的實(shí)現(xiàn)。比如，通過(guò)煤礦機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化，但卻因?yàn)槿狈Ρ匾耐ㄓ嵐δ芏幱凇白詣?dòng)化孤島”狀態(tài)；另外，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議，系統(tǒng)各自處于封閉狀態(tài)，系統(tǒng)間無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息共享，增加了系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)成本。 （4）行業(yè)專用軟件研發(fā)相對(duì)滯后，研發(fā)力量薄弱。

四、數(shù)字礦山構(gòu)想

1、總體框架

構(gòu)建數(shù)字礦山，以信息化、自動(dòng)化和智能化帶動(dòng)采礦業(yè)的改造與發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)安全、高效、高產(chǎn)、綠色和可持續(xù)的礦業(yè)發(fā)展新模式，是中國(guó)采礦業(yè)生存與發(fā)展的必由之路。關(guān)于數(shù)字礦山建設(shè)，這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不可能一蹴而就，應(yīng)結(jié)合我國(guó)礦山企業(yè)信息化現(xiàn)狀和實(shí)際需要，宏觀把握、統(tǒng)籌規(guī)劃，制定出基本框架和總體建設(shè)目標(biāo)，分階段、分步驟地穩(wěn)步推進(jìn)。

數(shù)字礦山基本框架可由核心系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、決策支系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)以及應(yīng)用系統(tǒng)等多部分組成，應(yīng)從基礎(chǔ)理論與模型、礦山空間信息的數(shù)字化及礦山數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建設(shè)、礦山網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)、各種相關(guān)業(yè)務(wù)流程、專業(yè)綜合軟件等幾方面進(jìn)行總體建設(shè)。數(shù)字礦山的建立必須以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)資源高效、安全、綠色開(kāi)發(fā)開(kāi)采為目標(biāo)，數(shù)字礦山研究必須關(guān)注、考慮礦區(qū)資源綠色開(kāi)發(fā)開(kāi)采，數(shù)字礦山應(yīng)該建立在信息集成技術(shù)基礎(chǔ)上，礦區(qū)空間信息采集必須及時(shí)可靠，建立數(shù)字礦山標(biāo)準(zhǔn)化體系，即共享規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和政策等是數(shù)字礦山的重要基礎(chǔ)，應(yīng)從現(xiàn)代企業(yè)運(yùn)營(yíng)實(shí)際出發(fā)建設(shè)數(shù)字化礦山。其中進(jìn)行觀念更新、組織人才培訓(xùn)、加大經(jīng)費(fèi)投入、組織科技攻關(guān)、形成優(yōu)勢(shì)合力、穩(wěn)步健康推進(jìn)等是數(shù)字礦山戰(zhàn)略實(shí)施具體對(duì)策。

2、基礎(chǔ)信息庫(kù)

從不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中收集不同的歷史數(shù)據(jù)，然后整合成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，最終的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)的、隨時(shí)更新并且可立即呈現(xiàn)給中控的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

圍繞礦山數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、礦山3D拓?fù)浣Ｅc分析技術(shù)、礦山虛擬現(xiàn)實(shí)模擬與可視化仿真技術(shù)、礦井綜合監(jiān)控與多媒體通訊技術(shù)、地下快速定位與自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、智能采礦與高效安全保障技術(shù)、礦山系統(tǒng)工程與多目標(biāo)決策理論與技術(shù)、礦山3S、OA、CDS五位一體技術(shù)等數(shù)字礦山關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)國(guó)外研究現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)存在的差距和原因，解決關(guān)鍵問(wèn)題。

3、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)礦山信息和數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開(kāi)展數(shù)字礦山基礎(chǔ)理論研究、探討數(shù)字礦山建設(shè)原型框架、建立數(shù)字礦山的標(biāo)準(zhǔn)體系，建立一個(gè)數(shù)字礦山示范工程，通過(guò)數(shù)字礦山示范工程的建設(shè)可以檢驗(yàn)和完善數(shù)字礦山基礎(chǔ)理論，實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山各系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，為數(shù)字礦山進(jìn)一步建設(shè)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

4、再管理信息系統(tǒng)

參照相關(guān)礦山、其他學(xué)科、領(lǐng)域的信息技術(shù)。如核磁共振技術(shù)應(yīng)用在探測(cè)地下水含水層位置、邊坡穩(wěn)定性已被國(guó)內(nèi)專家所采用；煤礦由于主要是層控礦床而在三維地質(zhì)建模方面與金屬礦有所不同；金屬礦在智能采礦、系統(tǒng)工程等方面的研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可為煤礦提供參考。

對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用，對(duì)礦井開(kāi)采的生產(chǎn)系統(tǒng)(如連續(xù)采煤機(jī)、蓄電池機(jī)車(chē)等)進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維實(shí)時(shí)模擬，促進(jìn)礦山安全、高效生產(chǎn)，并徹底改變傳統(tǒng)采礦業(yè)危險(xiǎn)、艱苦和低效的面貌，促進(jìn)采礦業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，優(yōu)化礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及礦工培訓(xùn)。

堅(jiān)持?jǐn)U大對(duì)外開(kāi)放與合作，改善投資環(huán)境，鼓勵(lì)和吸引國(guó)外投資者開(kāi)發(fā)中國(guó)礦產(chǎn)資源，借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從而有效引進(jìn)國(guó)外同行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)。

5、可視化管理設(shè)計(jì)

探礦：根據(jù)礦區(qū)斷層分布、鉆孔資料或煤層底板等高線、開(kāi)采礦層等厚線，推測(cè)任意一點(diǎn)底板高程、傾角和厚度，精確計(jì)算地質(zhì)儲(chǔ)量。按任意間距繪制底板等高線圖、開(kāi)采礦層傾角等值線，形成開(kāi)采礦層賦存的三維立體模型。自動(dòng)形成工作面任意點(diǎn)高程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的可視化，分析結(jié)果可視化，為合理有效、安全開(kāi)采提供資源保障。

開(kāi)拓：將礦山所有開(kāi)采設(shè)計(jì)方案的作業(yè)區(qū)采用、并且整合運(yùn)用采礦規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)、采礦地質(zhì)和勘探領(lǐng)域，將所有的信息集中在統(tǒng)一的環(huán)境中，從勘探數(shù)據(jù)、顯示、管理到地下采礦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，利用預(yù)測(cè)與決策理論進(jìn)行優(yōu)化選擇，完成開(kāi)采設(shè)計(jì)方案選擇，從而進(jìn)行開(kāi)拓方案布置。

開(kāi)采：在完成了最初的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，作業(yè)組開(kāi)始研究系統(tǒng)的采礦范圍，查明所有的鉆孔和礦體等級(jí)的情況，重新整理信息，重新解釋存在的信息，把他們轉(zhuǎn)換成有用的采礦和建模的格式，然后確認(rèn)所有的數(shù)據(jù)輸入的設(shè)置。確認(rèn)階段涉及可完整的數(shù)據(jù)庫(kù)的細(xì)節(jié)工作，檢查日志和坐標(biāo)，以系統(tǒng)的方法避免在這種勞動(dòng)密集的過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。在完成了數(shù)據(jù)的確認(rèn)過(guò)程后，作業(yè)組集中精力完成礦山的建模工作，采礦現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)的三維顯示使得礦體和礦山的了解一目了然，然后重新評(píng)估開(kāi)采規(guī)劃，作為下一步工作的原始數(shù)據(jù)。

運(yùn)輸：礦井提升機(jī)采用紅外激光位置跟蹤系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量礦井提升機(jī)與地面的距離及其運(yùn)行速度，準(zhǔn)確地顯示提升機(jī)的實(shí)際位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)速度的數(shù)字化控制。將礦車(chē)的位置實(shí)時(shí)地顯示在生產(chǎn)系統(tǒng)圖上，礦車(chē)及其他移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)定位，自動(dòng)記錄各個(gè)工區(qū)的生產(chǎn)情況，實(shí)時(shí)觀測(cè)各采、掘進(jìn)工區(qū)的生產(chǎn)情況、各礦車(chē)的運(yùn)行路線，自動(dòng)對(duì)各種移動(dòng)設(shè)備的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，有效提高礦井運(yùn)輸安全。

供電：將井下各變（配）電所、用電設(shè)備電流、電壓和有功功率等，以及機(jī)電設(shè)備開(kāi)停、機(jī)電設(shè)備饋電狀態(tài)、風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器輸送至地面供配電中控室，實(shí)時(shí)反映井下供電系統(tǒng)的狀態(tài)，一旦發(fā)生意外，能夠及時(shí)切斷電源，并將信息及時(shí)反饋到地面集中控制系統(tǒng)。

災(zāi)防：

（1）采用射頻定位識(shí)別技術(shù)，結(jié)合GIS系統(tǒng)強(qiáng)大的地理空間信息管理功能，有善的應(yīng)用程序作保障，在地面的監(jiān)控中心主計(jì)算機(jī)在軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，把井下作業(yè)人員發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)錄入大型數(shù)據(jù)庫(kù)、經(jīng)軟件處理，使人員等移動(dòng)目標(biāo)動(dòng)態(tài)分布和環(huán)境安全狀態(tài)在主計(jì)算機(jī)中得以實(shí)時(shí)反映，從而實(shí)現(xiàn)人員和移動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)監(jiān)控、運(yùn)行軌跡回放和環(huán)境安全狀態(tài)的數(shù)字管理。當(dāng)發(fā)生煤塵爆炸、瓦斯爆炸、大面積塌方、突水淹井等災(zāi)害時(shí)，可以實(shí)時(shí)顯示災(zāi)區(qū)人員的數(shù)量、身份、位置等數(shù)據(jù)，為搶險(xiǎn)救災(zāi)迅速提供確切的決策依據(jù)。

（2）通過(guò)與其他監(jiān)控系統(tǒng)連接、動(dòng)態(tài)反映礦山的生產(chǎn)運(yùn)行情況，及時(shí)方便地調(diào)閱地測(cè)、通風(fēng)、防塵、供電、排水、安全信息、避災(zāi)路線、機(jī)電運(yùn)輸及通訊等圖件和實(shí)時(shí)資料。

（3）利用先進(jìn)的地表變形預(yù)計(jì)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)因地下開(kāi)采活動(dòng)引起的地表塌陷、移動(dòng)、變形及對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的影響、破壞范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

（4）利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)設(shè)在井下各采、掘工作面迎頭、機(jī)房峒室、進(jìn)回風(fēng)巷道、封閉采空區(qū)觀察口的各種傳感器，對(duì)井下生產(chǎn)環(huán)境中的瓦斯、風(fēng)速、溫度、一氧化碳、煙霧、運(yùn)行設(shè)備等環(huán)境數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)監(jiān)測(cè)，時(shí)隨時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛燃皶r(shí)反饋至地面，一旦發(fā)現(xiàn)井下有瓦斯超限等異常情況，可根據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)和程序，發(fā)出警報(bào)并自動(dòng)斷掉該作業(yè)區(qū)域的電源，使工作地點(diǎn)的作業(yè)人員自動(dòng)停止作業(yè)。并隨時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)、主排水泵、主、副井提升機(jī)的運(yùn)行情況以及巷道風(fēng)門(mén)設(shè)施的開(kāi)關(guān)情況反映到設(shè)在地面中控室，可有效地防止重、特大事故的發(fā)生。

（5）利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)建立先進(jìn)的信息管理系統(tǒng)，建立完整的應(yīng)急救援體系和先進(jìn)的技術(shù)裝備，保證快速反應(yīng)、協(xié)同作戰(zhàn)、應(yīng)對(duì)準(zhǔn)確和責(zé)任落實(shí)。

（6）災(zāi)害與事故預(yù)警。開(kāi)展重大災(zāi)害事故預(yù)警技術(shù)和預(yù)警系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)，建立各類重大事故預(yù)警與調(diào)控機(jī)制。研究埋地壓力管線（輸油、燃?xì)獾龋┎婚_(kāi)挖檢測(cè)、評(píng)價(jià)和預(yù)警技術(shù)；研究設(shè)備失效、構(gòu)筑物（地基、大壩、尾礦庫(kù)等）失穩(wěn)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。

（7） 礦山重大災(zāi)害事故致因機(jī)理及動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程。針對(duì)巖土體多相、非均質(zhì)、各向異性的復(fù)雜環(huán)境特點(diǎn)和大規(guī)模采掘工程的誘變?yōu)暮Γ芯繗猓恬詈献饔孟拢€(wěn)定與非穩(wěn)定變形、破壞與狀態(tài)變化及轉(zhuǎn)化機(jī)理、條件與規(guī)律；氣－固耦合作用及突變動(dòng)力學(xué)模型，為瓦斯煤塵爆炸、頂板災(zāi)害、煤與瓦斯突出和巖爆的防治提供理論基礎(chǔ)；深部開(kāi)采災(zāi)變動(dòng)力學(xué)與防治理論。

五、結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，自然礦產(chǎn)資源在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的需求量將越來(lái)越大，由于我國(guó)礦產(chǎn)開(kāi)采集約化、現(xiàn)代化程度偏低，安全生產(chǎn)條件差，安全生產(chǎn)技術(shù)水平相對(duì)落后，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新技術(shù)和加強(qiáng)管理。隨著數(shù)字技術(shù)在各領(lǐng)域的逐步推廣使用，構(gòu)建數(shù)字礦山，實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)管理可視化，逐步實(shí)現(xiàn)安全高效與綠色開(kāi)采，勢(shì)在必行。因此我國(guó)現(xiàn)有礦山應(yīng)充分利用數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)等高新技術(shù)，建立一個(gè)以遠(yuǎn)程礦山安全信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控為主，集隱患警告、事故報(bào)警、安全監(jiān)管、安全調(diào)度、行業(yè)管理等功能為一體的監(jiān)測(cè)監(jiān)管的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行事故模擬與調(diào)查分析，快速、有效地以一系列三維圖像在計(jì)算機(jī)屏幕上再現(xiàn)各種事故發(fā)生的過(guò)程，從而防止其它與此相關(guān)的潛在事故的出現(xiàn)，促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)安全高效與綠色開(kāi)采。