《特大型鎳礦充填法開采技術(shù)著作叢書：特大型鎳礦數(shù)字化礦山建設與進展》：
　　第1章 緒論
　　1.1 概述
　　金川集團公司作為我國重要的有色金屬生產(chǎn)基地，礦產(chǎn)資源豐富，但礦體厚大、礦巖破碎不穩(wěn)固、礦體埋藏深、地應力高，由此給礦產(chǎn)資源開發(fā)帶來嚴重困難。隨著二礦區(qū)二期工程的建設，采礦深度增加，開采深度接近千米，開采面積達到10萬平方米。因此，金川礦產(chǎn)資源的安全、高效開發(fā)和綜合利用，不僅關系到金川集團公司的發(fā)展，而且必將影響我國有色金屬在國際上的競爭力。隨著信息時代的到來，數(shù)字化礦山的構(gòu)建已經(jīng)成為實現(xiàn)礦山企業(yè)安全、高效、綠色開采的有效途徑，是當今采礦科學、信息科學、人工智能、計算機技術(shù)和3S技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物，它將深刻地改變傳統(tǒng)的采礦生產(chǎn)活動和人們的生活方式。因此，構(gòu)建金川數(shù)字礦山，不僅有利于礦山的科學管理和安全生產(chǎn)，而且能夠提高礦山采礦生產(chǎn)能力。金川鎳礦自建成投產(chǎn)以來，十分重視采礦技術(shù)攻關及科學技術(shù)在采礦生產(chǎn)中的應用。
　　幾十年來不斷技術(shù)攻關，不僅解決了一期工程建設中的技術(shù)難題，實現(xiàn)了一期工程無礦柱大面積連續(xù)開采，而且在二期工程的開發(fā)建設中，也成功解決了1150m中段以上厚大礦體的安全開采，成功推廣了一期工程的大面積連續(xù)開采經(jīng)驗。針對二期工程的采礦技術(shù)條件，開展了廣泛而深入的研究。研究開發(fā)了金川二礦區(qū)安全信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了金川采礦生產(chǎn)和數(shù)據(jù)管理信息化；首次引進數(shù)字礦山建模軟件，構(gòu)建了金川礦產(chǎn)資源的三維地質(zhì)模型，實現(xiàn)了礦產(chǎn)資源的信息化評估和可視化設計；首次采用光纖光柵傳感技術(shù)，建立了二礦區(qū)采場圍巖和充填體的變形監(jiān)測網(wǎng)，開發(fā)了變形監(jiān)測信息的預警預報系統(tǒng)，實現(xiàn)了采礦生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)測和災變預警；2000年建立全礦地表GPS變形監(jiān)測網(wǎng)，進行長期動態(tài)、實時監(jiān)測，并開發(fā)信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)地表沉降信息的監(jiān)測與監(jiān)控；在二礦區(qū)膏體充填系統(tǒng)中，引進和完善充填自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)充填系統(tǒng)的精確控制。
　　這些技術(shù)的研究與發(fā)展，不僅大大提高了金川鎳礦生產(chǎn)管理信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化水平，而且為金川數(shù)字化礦山的建設與發(fā)展奠定了堅實基礎。隨著金川礦區(qū)開采深度的逐步增加，采礦難度增大，深井采礦面臨嚴峻考驗，潛在諸多技術(shù)難題和安全隱患。因此，金川二礦區(qū)深井礦床開采，不僅需要繼續(xù)開展重大技術(shù)難題攻關，更重要的是開發(fā)建設金川數(shù)字化礦山。通過采用先進的信息技術(shù)、人工智能、數(shù)值分析和3S技術(shù)綜合集成系統(tǒng)，進行采礦方案優(yōu)化設計、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)規(guī)劃、回采過程動態(tài)管理、監(jiān)測信息動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控，從而實現(xiàn)二礦區(qū)千米深井采場地壓的有效控制、采場災變風險的最優(yōu)決策，為金川大型難采礦床的安全、高效開采提供可靠的保證。
　　1.2數(shù)字化礦山的概念
　　綜觀歷史，采礦業(yè)曾受到大大小小技術(shù)進步的巨大沖擊。如今數(shù)字地球（digital earth，DE）和數(shù)字中國（digital China，DC）戰(zhàn)略的提出及數(shù)字農(nóng)業(yè)、數(shù)字海洋、數(shù)字交通、數(shù)字長江、數(shù)字城市等一系列示范工程的著手實施，不斷激勵人們進行數(shù)字化礦山的開發(fā)與建設。數(shù)字化礦山（digital mine，DM）是數(shù)字地球在礦山開發(fā)中的應用，所以定義數(shù)字化礦山首先要理解數(shù)字地球。數(shù)字地球是指“一個多種分辨率、三維的表述方式，使人們能嵌入巨大數(shù)量的地理坐標系數(shù)據(jù)系統(tǒng)”，就是指在全球范圍內(nèi)建立一個以空間位置為主線，將信息組織起來的復雜系統(tǒng)，即按照地球坐標整理并構(gòu)造一個全球的信息模型，描述地球上每一點的全部信息，按地理位置組織、存儲起來，并提供有效、方便和直觀的檢索手段和顯示手段，使每一個人都可以快速、準確、充分和完整地了解及利用地球上各方面的信息。
　　在這個意義上，數(shù)字地球就是一個全球范圍的以地球位置及其相聯(lián)系為基礎而組成的信息框架，并在該框架內(nèi)嵌入所能獲得的信息的總稱。因此，可以從兩個層次上來理解數(shù)字地球。一個層次是將地球表面每個點上的固有信息（即與空間位置直接有關的相對固定的信息，如地形、地貌、植被、建筑、水文等）數(shù)字化，按地理坐標組織起來一個三維的數(shù)字地球，全面、詳盡地刻畫人們居住的這個星球，也即通常所指的地球本身；另一個層次是在此基礎上再嵌入所有相關信息（即與空間位置間接有關的相對變動的信息，如人文、經(jīng)濟、政治、軍事、科學技術(shù)乃至歷史等）組成一個意義更加廣泛的多維的數(shù)字地球，為各種應用目的服務。數(shù)字化礦山的特征與數(shù)字地球是一致的，只是尺度和范圍上不同。
　　所謂數(shù)字化礦山就是指在礦山范圍將礦山信息以三維坐標為主線，構(gòu)建成一個礦山信息模型，來描述礦山中每一點的全部信息，按三維坐標組織，存儲起來，并提供有效、方便和直觀的檢索手段和顯示手段，使有關人員都可以快速準確、充分和完整地了解及利用礦山各方面的信息。從這個意義上說，數(shù)字化礦山就是一個礦山范圍內(nèi)的以三維坐標信息及其相互關系為基礎而組成的信息框架，并在該框架內(nèi)嵌入所獲得的信息的總稱。因此，可以從三個層次上來理解數(shù)字化礦山。（1） 第一個層次是將數(shù)字化礦山中的固有信息（即與空間位置直接有關的固定的信息，如地面地形、井下地形、地質(zhì)、開采方案、已完成井下工程等）數(shù)字化，按三維坐標組織起來形成一個數(shù)字化三維空間，全面、詳盡描述礦山及采掘工作體系。（2） 第二個層次是在此數(shù)字化三維空間上再嵌入所有相關信息（即與空間位置間接有關的相對變動的信息——網(wǎng)絡化離散的管理信息數(shù)據(jù)，如井下監(jiān)測監(jiān)控、供電管理、通風管理、排水管理、生產(chǎn)管理、調(diào)度管理等）。（3） 第三個層次是數(shù)字化空間的動態(tài)性和業(yè)務、管理的多元化。數(shù)字化礦山是一個動態(tài)的概念。因為新的數(shù)據(jù)不斷更新，采掘面不斷更新，數(shù)字化三維空間和空間中的數(shù)據(jù)都在發(fā)生變化。從這個角度來講，數(shù)字化礦山首先是資源的數(shù)字化，以大量信息構(gòu)成的資源量可直觀顯示出來；其次是信息資源的立體化，而不是平面的；最后業(yè)務在這個數(shù)字化空間中是多層次、多角度的，管理也是多層次、多角度的，這個數(shù)字化空間是多元的。
　　用一些場景來真實感受以下各數(shù)字化空間：技術(shù)人員可以使用鼠標在模擬的三維礦井中下礦，真實地感受礦井的工作現(xiàn)場和查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場安全檢測設備處于礦山中的何種位置，發(fā)揮著何種作用，設備狀態(tài)如何，誰在進行操作，如何使設備在礦山中獲得最佳配置等信息資源。把人事管理“嵌入”數(shù)字化空間中，可以實現(xiàn)扁平化、透視化。礦山中的人力資源分布，各種人員的流動性圖表，獲得最佳勞動力組合。財務管理、營銷管理也可以“嵌入”這個數(shù)字化空間。在礦山設計、建設開采過程中，模擬三維礦井條件，進行有效的表述，不再要求親自深入井巷工作面，辦公室內(nèi)就可觸摸工作面礦床，不再非要礦井建成后再去體驗，“礦井未建先下井巡視一番”已成為可能，可以把礦井建設得更科學合理。在技術(shù)研討中，生產(chǎn)中的技術(shù)管理往往要反復進行多方案對比，參與人員觀察問題的角度增加了，如果一個技術(shù)問題在三維的多元化空間中分析，可以醞釀得更充分，那么對技術(shù)問題的認識也會更深刻，專家可以從各個角度描述問題，使得技術(shù)問題更加全面，并可以對研討對象進行精確刻畫，形成多種備選方案。
　　1.3數(shù)字化礦山的體系無論從業(yè)務層面、數(shù)據(jù)層面還是從技術(shù)層面，數(shù)字化礦山都是一個復雜的巨大系統(tǒng)，它所涉及的是多知識的融合、多學科的交叉。圖1.1所示為大多數(shù)數(shù)字化礦山系統(tǒng)架構(gòu)圖，通常數(shù)字化礦山系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成。
　　圖1.1數(shù)字化礦山系統(tǒng)
　　1. 高速寬帶網(wǎng)絡支撐體系數(shù)字化礦山的建設與礦山業(yè)務運行以高速企業(yè)局域網(wǎng)為基礎，在數(shù)字化系統(tǒng)中所處理的業(yè)務不但有語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務，還有大量的與模型庫交互的三維數(shù)據(jù)。建立寬帶、高速和雙向的通信網(wǎng)絡，確保海量礦山數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部甚至是與IP網(wǎng)絡快速傳遞都是十分必要的。高速寬帶網(wǎng)絡是數(shù)字化礦山的基石。因此，高速企業(yè)網(wǎng)技術(shù)是數(shù)字化礦山建設的關鍵之一。
　　2. 三維數(shù)據(jù)原庫和應用模型結(jié)合礦山安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)標準，整合安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場GIS信息，并采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立三維數(shù)據(jù)模型庫，將為礦業(yè)工程、生產(chǎn)、安全、經(jīng)營、管理、決策等服務的各類專業(yè)應用模型納入模型庫，為礦山數(shù)字空間提供原庫調(diào)用服務。在三維的礦山3D原庫中，用關聯(lián)和拓撲的方式組織相關的原庫。礦山信息的拓撲查詢、分析與應用及許多采礦安全問題的模擬、分析與預測等，均以礦山3D實體的屬性、幾何與拓撲數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織為基礎。因此，可以立足礦山3D數(shù)據(jù)的矢柵集成，完成礦山3D拓撲描述、表達、組織與維護。
　　3. 礦山知識挖掘知識挖掘是利用基于知識工程（knowledge based engineering，KBE）技術(shù)和人工智能，從礦山海量數(shù)據(jù)中為用戶挖掘有用的數(shù)據(jù)、獲取決策信息，以及建立求解各類具體工程、生產(chǎn)、管理與經(jīng)營等問題的應用模型，是本系統(tǒng)的實用化工具。只有當數(shù)字化礦山能夠方便、快速地從其數(shù)據(jù)倉庫中提取用戶所需的顯式數(shù)據(jù)與模型，智能、快速地從其數(shù)據(jù)倉庫中重新組織并產(chǎn)生用戶所需的隱式數(shù)據(jù)與模型時，數(shù)字化礦山的海量礦山信息才能被未經(jīng)過特別培訓的用戶和各業(yè)務部門所共享。由于礦山空間信息的上述特點，為了從礦山數(shù)據(jù)倉庫中快速提取專題信息、發(fā)掘隱含規(guī)律、認識未知現(xiàn)象和進行時空發(fā)展預測等，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提供了這種高效、智能、透明、符合礦山思維的服務。
　　4. 中間處理層中間處理層是空間和應用數(shù)據(jù)的合成基地，負責統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)和模型，即空間數(shù)據(jù)原庫和應用模型庫，提供數(shù)據(jù)資源的載入；完成空間拓撲建立與維護、空間查詢與分析、制圖與輸出等GIS基本功能，并進行數(shù)據(jù)訪問控制、開放接口；分析組織各個空間原庫，將離散動態(tài)數(shù)據(jù)庫載入空間。中間處理層同時還完成三維數(shù)字化空間視圖，即在統(tǒng)一的空間參照下進行采礦動態(tài)組織與管理，并調(diào)度和控制各類三維原庫和應用模型的使用和運行，完成業(yè)務數(shù)據(jù)的管理與封裝等系統(tǒng)功能；為統(tǒng)一的OA、CDS一體化中心，提供各種應用功能空間載體，如在此空間可設計實時開采模擬、作業(yè)安排與監(jiān)測、資源動態(tài)管理、通風網(wǎng)絡體系模擬、排水系統(tǒng)模擬、開采沉陷動態(tài)模擬、地表數(shù)據(jù)整合、生態(tài)恢復和礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展多目標決策等。
　　5. 三維基礎數(shù)據(jù)及業(yè)務環(huán)境提供者礦山企業(yè)應用系統(tǒng)中已形成了不同層次、具有不同功能的應用系統(tǒng)和軟件模塊，如虛擬現(xiàn)實（VR）、三維地學模擬（3D geoscience modelling，3DGM）、礦山GIS（MGIS）、虛擬儀器，并形成海量數(shù)據(jù)與海量模型�？刹捎萌�維地學模擬進行數(shù)據(jù)與模型的過濾和重組。應用三維地學模擬，將采掘資料、地震資料、開挖設計數(shù)據(jù)及各類物探、化探資料建成礦井、礦體與采區(qū)巷道及開挖空間矢柵整合的3D模型庫，可實現(xiàn)海量礦山地物的幾何信息、拓撲信息和屬性信息的虛擬再現(xiàn)。運用VR和并行計算技術(shù)，并嵌入虛擬儀器、各類專業(yè)應用模型，如開采沉陷計算、開采沉陷預計、頂板垮落計算、圍巖運動模型、儲量計算、通風網(wǎng)絡解算、涌水計算等。經(jīng)過上述的處理，對礦山采礦活動造成的地層環(huán)境影響進行大規(guī)模模擬與虛擬分析。形成各個基礎的三維模型庫、應用模型庫。為統(tǒng)一的數(shù)字化礦山業(yè)務處理（OA）、指揮調(diào)度系統(tǒng)（CDS）一體化中心提供業(yè)務視圖環(huán)境和業(yè)務管理方式。
　　6. 數(shù)字化礦山業(yè)務處理和指揮調(diào)度系統(tǒng)一體化信息管理中心數(shù)字化礦山的根本目標是為企業(yè)高效管理決策提供支持。在數(shù)字化礦山中，把辦公自動化和指揮調(diào)度系統(tǒng)進行一定的綁定。在可視的環(huán)境中，形成全礦山、全過程、全周期的數(shù)字化管理、作業(yè)、指揮與調(diào)度，做到信息數(shù)據(jù)、管理業(yè)務流程相互協(xié)調(diào)、相互融合。
　　7. 安全體系整個應用體系都是構(gòu)建在安全體系之中的，具有良好的安全保障體系。整個系統(tǒng)的安全設計從以下兩個方面來考慮：一是硬件平臺，即提供三維空間網(wǎng)絡QoS的同時，如何保證系統(tǒng)的服務可靠和穩(wěn)定；二是軟平臺，即身份的統(tǒng)一認證、授權(quán)、加密、審計和監(jiān)測等方面。
　　8. 管理業(yè)務體系在應用處理過程中分為三個層面：數(shù)據(jù)層、業(yè)務處理層、業(yè)務管理層。為企業(yè)的業(yè)務管理、高層決策提供服務。在系統(tǒng)的構(gòu)成中，整個系統(tǒng)采用分層的結(jié)構(gòu)，每一層向上一層提供服務，各層之間按照運營管理體系的規(guī)范交互。運營管理系統(tǒng)是數(shù)字化礦山運營管理的支撐體系。這三個層次貫穿于整個四級網(wǎng)絡體系中，并形成三個系統(tǒng)。各業(yè)務管理層相互協(xié)調(diào)、相互促進。在業(yè)務管理層中，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)層是監(jiān)測和診斷中心的數(shù)據(jù)源，為局礦兩級的相關專家人員、工程人員提供信息服務，而決策層是在這些數(shù)據(jù)的共享平臺中高度共享和利用這些信息。
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