构建矿山安全管理可视化，促进安全高效与绿色开采

来源:用户上传      作者: 黄荣南

　　一、前言
　　
　　人口、资源、环境和灾害是社会经济发展的四个基本因素，也是关系人类生存与发展的四大基本问题。消除灾害，控制灾害，最大限度减少灾害造成的损失，是关系到经济发展、社会稳定的一个重要因素。矿山是高危生产场所，人类自懂得向大地索取财富以来，多少人为此而献出自己的生命，无数专业技术人员本着“以人为本”的思想，为防范事故发生、拯救生命而默默辛勤工作着。跨入新世纪，在现代科学信息化技术高速发展的今天，如果能将这一信息化技术应用在这一高危场所，最大限度减少损失，将是新一代矿山技术人员的最美好心愿。
　　
　　二、数字地球概况
　　
　　“数字地球”计划是继信息高速公路之后又一全球性科技发展战略目标，是国家主要的信息基础设施，是信息社会的主要组成部分，是地球科学与信息科学的高度综合。
　　“数字地球”的核心思想有两点，一是用数字化手段统一地处理地球问题，二是最大限度地利用信息资源。“数字地球”主要由空间数据、文本数据、操作平台和应用模型组成，关于地球的数据无疑是其核心。
　　“数字地球”的基本特征主要有：1)以信息高速公路为基础、以国家空间数据基础设施(NSDI)为依托；2)具有无边无缝的包括广泛数据的分布式结构：3)具有一种可以迅速充实、连网的地学数据库和可以融合并显示多源数据的机制；4)可以以不同的形式提供全球范围的数据、信息和知识方面的服务；5)提供一个地球空间的超媒体虚拟现实环境；6)不同的用户对数据具有不同的使用权限。
　　
　　三、目前矿业企业信息化现状
　　
　　采矿业是以自然资源为生产对象的古老产业，绝大多数矿山企业还处在劳动密集性阶段，信息化程度很低。
　　我国矿山企业在硬件投入较大，但全面实现信息化管理的企业却寥寥无几，部分实现信息化管理的企业所占比例也只有4.7%左右。这反映出我国矿山企业信息化明显存在重投入、轻管理，重局部、轻整体，重硬件、轻软件的问题。 存在主要问题有：（1）信息化整体水平不高。整体上，我国矿山企业依然是劳动密集型产业，生产、管理的自动化、信息化水平较低。产业集中度过低，企业的“小、散、乱”格局显然不利于行业信息化的推进。（2）信息化发展很不均衡。一方面，企业内部对生产安全监测监控、生产自动控制系统以及矿区通信专网等工程建设实施推进较快，但企业管理信息化进展却相对迟缓；另一方面，企业之间信息化水平差距很大，多数企业信息化应用总体上处于初级阶段，只有少数比较先进的企业在生产组织、安全监控、经营管理中全面实施了信息化，并已从中受益。（3）“信息孤岛”问题严重制约信息化整体效益的实现。比如，通过煤矿机电一体化实现了设备的自动化，但却因为缺乏必要的通讯功能而处于“自动化孤岛”状态；另外，煤矿安全监控系统没有统一的通信协议，系统各自处于封闭状态，系统间无法实现信息共享，增加了系统建设和维护成本。 （4）行业专用软件研发相对滞后，研发力量薄弱。
　　
　　四、数字矿山构想
　　
　　1、总体框架
　　构建数字矿山，以信息化、自动化和智能化带动采矿业的改造与发展，开创安全、高效、高产、绿色和可持续的矿业发展新模式，是中国采矿业生存与发展的必由之路。关于数字矿山建设，这是一个复杂的系统工程，不可能一蹴而就，应结合我国矿山企业信息化现状和实际需要，宏观把握、统筹规划，制定出基本框架和总体建设目标，分阶段、分步骤地稳步推进。
　　数字矿山基本框架可由核心系统、数据采集系统、决策支系统、调度监控系统、管理信息系统以及应用系统等多部分组成，应从基础理论与模型、矿山空间信息的数字化及矿山数据仓库建设、矿山网络传输平台、各种相关业务流程、专业综合软件等几方面进行总体建设。数字矿山的建立必须以实现矿区资源高效、安全、绿色开发开采为目标，数字矿山研究必须关注、考虑矿区资源绿色开发开采，数字矿山应该建立在信息集成技术基础上，矿区空间信息采集必须及时可靠，建立数字矿山标准化体系，即共享规则、标准、规范和政策等是数字矿山的重要基础，应从现代企业运营实际出发建设数字化矿山。其中进行观念更新、组织人才培训、加大经费投入、组织科技攻关、形成优势合力、稳步健康推进等是数字矿山战略实施具体对策。
　　2、基础信息库
　　从不同的数据库中收集不同的历史数据，然后整合成一个数据库，最终的数据库系统是一个实时的、随时更新并且可立即呈现给中控的数据库系统。
　　围绕矿山数据仓库及数据挖掘技术、矿山3D拓扑建模与分析技术、矿山虚拟现实模拟与可视化仿真技术、矿井综合监控与多媒体通讯技术、地下快速定位与自动导航技术、智能采矿与高效安全保障技术、矿山系统工程与多目标决策理论与技术、矿山3S、OA、CDS五位一体技术等数字矿山关键技术，对国外研究现状及国内存在的差距和原因，解决关键问题。
　　3、网络监测预警系统
　　根据矿山信息和数据的特点开展数字矿山基础理论研究、探讨数字矿山建设原型框架、建立数字矿山的标准体系，建立一个数字矿山示范工程，通过数字矿山示范工程的建设可以检验和完善数字矿山基础理论，实现数字矿山各系统的实际应用，为数字矿山进一步建设提供依据和指导。
　　4、再管理信息系统
　　参照相关矿山、其他学科、领域的信息技术。如核磁共振技术应用在探测地下水含水层位置、边坡稳定性已被国内专家所采用；煤矿由于主要是层控矿床而在三维地质建模方面与金属矿有所不同；金属矿在智能采矿、系统工程等方面的研究应用经验可为煤矿提供参考。
　　对虚拟现实技术进行研究、开发、应用，对矿井开采的生产系统(如连续采煤机、蓄电池机车等)进行动态三维实时模拟，促进矿山安全、高效生产，并彻底改变传统采矿业危险、艰苦和低效的面貌，促进采矿业结构调整和产业升级，优化矿山设计、生产管理、危险性评价及矿工培训。
　　坚持扩大对外开放与合作，改善投资环境，鼓励和吸引国外投资者开发中国矿产资源，借鉴国际先进经验，从而有效引进国外同行业的先进技术。
　　5、可视化管理设计
　　探矿：根据矿区断层分布、钻孔资料或煤层底板等高线、开采矿层等厚线，推测任意一点底板高程、倾角和厚度，精确计算地质储量。按任意间距绘制底板等高线图、开采矿层倾角等值线，形成开采矿层赋存的三维立体模型。自动形成工作面任意点高程，实现数据准备的可视化，分析结果可视化，为合理有效、安全开采提供资源保障。
　　开拓：将矿山所有开采设计方案的作业区采用、并且整合运用采矿规划和工程设计、统计、采矿地质和勘探领域，将所有的信息集中在统一的环境中，从勘探数据、显示、管理到地下采矿设计和生产，利用预测与决策理论进行优化选择，完成开采设计方案选择，从而进行开拓方案布置。
　　开采：在完成了最初的数据转换后，作业组开始研究系统的采矿范围，查明所有的钻孔和矿体等级的情况，重新整理信息，重新解释存在的信息，把他们转换成有用的采矿和建模的格式，然后确认所有的数据输入的设置。确认阶段涉及可完整的数据库的细节工作，检查日志和坐标，以系统的方法避免在这种劳动密集的过程中出现错误。在完成了数据的确认过程后，作业组集中精力完成矿山的建模工作，采矿现场的数据的三维显示使得矿体和矿山的了解一目了然，然后重新评估开采规划，作为下一步工作的原始数据。
　　运输：矿井提升机采用红外激光位置跟踪系统，实时测量矿井提升机与地面的距离及其运行速度，准确地显示提升机的实际位置，实现对提升机速度的数字化控制。将矿车的位置实时地显示在生产系统图上，矿车及其他移动设备实时定位，自动记录各个工区的生产情况，实时观测各采、掘进工区的生产情况、各矿车的运行路线，自动对各种移动设备的使用情况进行统计分析，有效提高矿井运输安全。

　　供电：将井下各变（配）电所、用电设备电流、电压和有功功率等，以及机电设备开停、机电设备馈电状态、风门开关状态等数据，通过传感器输送至地面供配电中控室，实时反映井下供电系统的状态，一旦发生意外，能够及时切断电源，并将信息及时反馈到地面集中控制系统。
　　灾防：
　　（1）采用射频定位识别技术，结合GIS系统强大的地理空间信息管理功能，有善的应用程序作保障，在地面的监控中心主计算机在软件数据库的支持下，把井下作业人员发射的数据信号录入大型数据库、经软件处理，使人员等移动目标动态分布和环境安全状态在主计算机中得以实时反映，从而实现人员和移动目标的自动跟踪、自动监控、运行轨迹回放和环境安全状态的数字管理。当发生煤尘爆炸、瓦斯爆炸、大面积塌方、突水淹井等灾害时，可以实时显示灾区人员的数量、身份、位置等数据，为抢险救灾迅速提供确切的决策依据。
　　（2）通过与其他监控系统连接、动态反映矿山的生产运行情况，及时方便地调阅地测、通风、防尘、供电、排水、安全信息、避灾路线、机电运输及通讯等图件和实时资料。
　　（3）利用先进的地表变形预计理论和计算机技术，对因地下开采活动引起的地表塌陷、移动、变形及对周边建（构）筑物的影响、破坏范围进行预测预报。
　　（4）利用无线数据传输技术、计算机网络技术、数据库技术、通信技术、自动控制技术、自动检测技术，通过设在井下各采、掘工作面迎头、机房峒室、进回风巷道、封闭采空区观察口的各种传感器，对井下生产环境中的瓦斯、风速、温度、一氧化碳、烟雾、运行设备等环境数据、工作状态进行实监测，时随时将现场的瓦斯浓度及时反馈至地面，一旦发现井下有瓦斯超限等异常情况，可根据事先设定的参数和程序，发出警报并自动断掉该作业区域的电源，使工作地点的作业人员自动停止作业。并随时将现场主要通风机、局部通风机、主排水泵、主、副井提升机的运行情况以及巷道风门设施的开关情况反映到设在地面中控室，可有效地防止重、特大事故的发生。
　　（5）利用现代网络化技术建立先进的信息管理系统，建立完整的应急救援体系和先进的技术装备，保证快速反应、协同作战、应对准确和责任落实。
　　（6）灾害与事故预警。开展重大灾害事故预警技术和预警系统的研究开发，建立各类重大事故预警与调控机制。研究埋地压力管线（输油、燃气等）不开挖检测、评价和预警技术；研究设备失效、构筑物（地基、大坝、尾矿库等）失稳监测预警技术。
　　（7） 矿山重大灾害事故致因机理及动力学演化过程。针对岩土体多相、非均质、各向异性的复杂环境特点和大规模采掘工程的诱变灾害，研究气－固耦合作用下，稳定与非稳定变形、破坏与状态变化及转化机理、条件与规律；气－固耦合作用及突变动力学模型，为瓦斯煤尘爆炸、顶板灾害、煤与瓦斯突出和岩爆的防治提供理论基础；深部开采灾变动力学与防治理论。
　　
　　五、结论
　　
　　随着我国经济的快速发展，自然矿产资源在经济发展中的需求量将越来越大，由于我国矿产开采集约化、现代化程度偏低，安全生产条件差，安全生产技术水平相对落后，需要优化结构、创新技术和加强管理。随着数字技术在各领域的逐步推广使用，构建数字矿山，实现矿山安全生产管理可视化，逐步实现安全高效与绿色开采，势在必行。因此我国现有矿山应充分利用数字技术、信息技术等高新技术，建立一个以远程矿山安全信息实时监测监控为主，集隐患警告、事故报警、安全监管、安全调度、行业管理等功能为一体的监测监管的计算机信息网络系统，应用计算机绘图和虚拟现实技术进行事故模拟与调查分析，快速、有效地以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各种事故发生的过程，从而防止其它与此相关的潜在事故的出现，促进和实现安全高效与绿色开采。

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