《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(shè)與進(jìn)展》：
　　第1章 緒論
　　1.1 概述
　　金川集團(tuán)公司作為我國(guó)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(yīng)力高，由此給礦產(chǎn)資源開發(fā)帶來嚴(yán)重困難。隨著二礦區(qū)二期工程的建設(shè)，采礦深度增加，開采深度接近千米，開采面積達(dá)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(guān)系到金川集團(tuán)公司的發(fā)展，而且必將影響我國(guó)有色金屬在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著信息時(shí)代的到來，數(shù)字化礦山的構(gòu)建已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)礦山企業(yè)安全、高效、綠色開采的有效途徑，是當(dāng)今采礦科學(xué)、信息科學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)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(dòng)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(xué)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(guān)及科學(xué)技術(shù)在采礦生產(chǎn)中的應(yīng)用。
　　幾十年來不斷技術(shù)攻關(guān)，不僅解決了一期工程建設(shè)中的技術(shù)難題，實(shí)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(shè)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(yàn)。針對(duì)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(shí)現(xiàn)了金川采礦生產(chǎn)和數(shù)據(jù)管理信息化；首次引進(jìn)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(shí)現(xiàn)了礦產(chǎn)資源的信息化評(píng)估和可視化設(shè)計(jì)；首次采用光纖光柵傳感技術(shù)，建立了二礦區(qū)采場(chǎng)圍巖和充填體的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，開發(fā)了變形監(jiān)測(cè)信息的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采礦生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和災(zāi)變預(yù)警；2000年建立全礦地表GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并開發(fā)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地表沉降信息的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控；在二礦區(qū)膏體充填系統(tǒng)中，引進(jìn)和完善充填自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)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(luò)化水平，而且為金川數(shù)字化礦山的建設(shè)與發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。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(yán)峻考驗(yàn)，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(guān)，更重要的是開發(fā)建設(shè)金川數(shù)字化礦山。通過采用先進(jìn)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(jìn)行采礦方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)規(guī)劃、回采過程動(dòng)態(tài)管理、監(jiān)測(cè)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)二礦區(qū)千米深井采場(chǎng)地壓的有效控制、采場(chǎng)災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)步的巨大沖擊。如今數(shù)字地球（digital earth，DE）和數(shù)字中國(guó)（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(zhǎng)江、數(shù)字城市等一系列示范工程的著手實(shí)施，不斷激勵(lì)人們進(jìn)行數(shù)字化礦山的開發(fā)與建設(shè)。數(shù)字化礦山（digital mine，DM）是數(shù)字地球在礦山開發(fā)中的應(yīng)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(gè)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(biāo)系數(shù)據(jù)系統(tǒng)”，就是指在全球范圍內(nèi)建立一個(gè)以空間位置為主線，將信息組織起來的復(fù)雜系統(tǒng)，即按照地球坐標(biāo)整理并構(gòu)造一個(gè)全球的信息模型，描述地球上每一點(diǎn)的全部信息，按地理位置組織、存儲(chǔ)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(gè)人都可以快速、準(zhǔn)確、充分和完整地了解及利用地球上各方面的信息。
　　在這個(gè)意義上，數(shù)字地球就是一個(gè)全球范圍的以地球位置及其相聯(lián)系為基礎(chǔ)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(gè)層次上來理解數(shù)字地球。一個(gè)層次是將地球表面每個(gè)點(diǎn)上的固有信息（即與空間位置直接有關(guān)的相對(duì)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(biāo)組織起來一個(gè)三維的數(shù)字地球，全面、詳盡地刻畫人們居住的這個(gè)星球，也即通常所指的地球本身；另一個(gè)層次是在此基礎(chǔ)上再嵌入所有相關(guān)信息（即與空間位置間接有關(guān)的相對(duì)變動(dòng)的信息，如人文、經(jīng)濟(jì)、政治、軍事、科學(xué)技術(shù)乃至歷史等）組成一個(gè)意義更加廣泛的多維的數(shù)字地球，為各種應(yīng)用目的服務(wù)。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(biāo)為主線，構(gòu)建成一個(gè)礦山信息模型，來描述礦山中每一點(diǎn)的全部信息，按三維坐標(biāo)組織，存儲(chǔ)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(guān)人員都可以快速準(zhǔn)確、充分和完整地了解及利用礦山各方面的信息。從這個(gè)意義上說，數(shù)字化礦山就是一個(gè)礦山范圍內(nèi)的以三維坐標(biāo)信息及其相互關(guān)系為基礎(chǔ)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(gè)層次上來理解數(shù)字化礦山。（1） 第一個(gè)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(guān)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(biāo)組織起來形成一個(gè)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(gè)層次是在此數(shù)字化三維空間上再嵌入所有相關(guān)信息（即與空間位置間接有關(guān)的相對(duì)變動(dòng)的信息——網(wǎng)絡(luò)化離散的管理信息數(shù)據(jù)，如井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控、供電管理、通風(fēng)管理、排水管理、生產(chǎn)管理、調(diào)度管理等）。（3） 第三個(gè)層次是數(shù)字化空間的動(dòng)態(tài)性和業(yè)務(wù)、管理的多元化。數(shù)字化礦山是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。因?yàn)樾碌臄?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(gè)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(wù)在這個(gè)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(gè)數(shù)字化空間是多元的。
　　用一些場(chǎng)景來真實(shí)感受以下各數(shù)字化空間：技術(shù)人員可以使用鼠標(biāo)在模擬的三維礦井中下礦，真實(shí)地感受礦井的工作現(xiàn)場(chǎng)和查看現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)設(shè)備處于礦山中的何種位置，發(fā)揮著何種作用，設(shè)備狀態(tài)如何，誰在進(jìn)行操作，如何使設(shè)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(shí)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(dòng)性圖表，獲得最佳勞動(dòng)力組合。財(cái)務(wù)管理、營(yíng)銷管理也可以“嵌入”這個(gè)數(shù)字化空間。在礦山設(shè)計(jì)、建設(shè)開采過程中，模擬三維礦井條件，進(jìn)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(yàn)，“礦井未建先下井巡視一番”已成為可能，可以把礦井建設(shè)得更科學(xué)合理。在技術(shù)研討中，生產(chǎn)中的技術(shù)管理往往要反復(fù)進(jìn)行多方案對(duì)比，參與人員觀察問題的角度增加了，如果一個(gè)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(duì)技術(shù)問題的認(rèn)識(shí)也會(huì)更深刻，專家可以從各個(gè)角度描述問題，使得技術(shù)問題更加全面，并可以對(duì)研討對(duì)象進(jìn)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(wù)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(gè)復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，它所涉及的是多知識(shí)的融合、多學(xué)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(luò)支撐體系數(shù)字化礦山的建設(shè)與礦山業(yè)務(wù)運(yùn)行以高速企業(yè)局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，在數(shù)字化系統(tǒng)中所處理的業(yè)務(wù)不但有語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還有大量的與模型庫(kù)交互的三維數(shù)據(jù)。建立寬帶、高速和雙向的通信網(wǎng)絡(luò)，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(luò)快速傳遞都是十分必要的。高速寬帶網(wǎng)絡(luò)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(shè)的關(guān)鍵之一。
　　2. 三維數(shù)據(jù)原庫(kù)和應(yīng)用模型結(jié)合礦山安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，整合安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)GIS信息，并采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立三維數(shù)據(jù)模型庫(kù)，將為礦業(yè)工程、生產(chǎn)、安全、經(jīng)營(yíng)、管理、決策等服務(wù)的各類專業(yè)應(yīng)用模型納入模型庫(kù)，為礦山數(shù)字空間提供原庫(kù)調(diào)用服務(wù)。在三維的礦山3D原庫(kù)中，用關(guān)聯(lián)和拓?fù)涞姆绞浇M織相關(guān)的原庫(kù)。礦山信息的拓?fù)洳樵�、分析與應(yīng)用及許多采礦安全問題的模擬、分析與預(yù)測(cè)等，均以礦山3D實(shí)體的屬性、幾何與拓?fù)鋽?shù)據(jù)的統(tǒng)一組織為基礎(chǔ)。因此，可以立足礦山3D數(shù)據(jù)的矢柵集成，完成礦山3D拓?fù)涿枋觥⒈磉_(dá)、組織與維護(hù)。
　　3. 礦山知識(shí)挖掘知識(shí)挖掘是利用基于知識(shí)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(yíng)等問題的應(yīng)用模型，是本系統(tǒng)的實(shí)用化工具。只有當(dāng)數(shù)字化礦山能夠方便、快速地從其數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)中重新組織并產(chǎn)生用戶所需的隱式數(shù)據(jù)與模型時(shí)，數(shù)字化礦山的海量礦山信息才能被未經(jīng)過特別培訓(xùn)的用戶和各業(yè)務(wù)部門所共享。由于礦山空間信息的上述特點(diǎn)，為了從礦山數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中快速提取專題信息、發(fā)掘隱含規(guī)律、認(rèn)識(shí)未知現(xiàn)象和進(jìn)行時(shí)空發(fā)展預(yù)測(cè)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(wù)。
　　4. 中間處理層中間處理層是空間和應(yīng)用數(shù)據(jù)的合成基地，負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)和模型，即空間數(shù)據(jù)原庫(kù)和應(yīng)用模型庫(kù)，提供數(shù)據(jù)資源的載入；完成空間拓?fù)浣�立與維護(hù)、空間查詢與分析、制圖與輸出等GIS基本功能，并進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問控制、開放接口；分析組織各個(gè)空間原庫(kù)，將離散動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)載入空間。中間處理層同時(shí)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(jìn)行采礦動(dòng)態(tài)組織與管理，并調(diào)度和控制各類三維原庫(kù)和應(yīng)用模型的使用和運(yùn)行，完成業(yè)務(wù)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(yīng)用功能空間載體，如在此空間可設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)開采模擬、作業(yè)安排與監(jiān)測(cè)、資源動(dòng)態(tài)管理、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)體系模擬、排水系統(tǒng)模擬、開采沉陷動(dòng)態(tài)模擬、地表數(shù)據(jù)整合、生態(tài)恢復(fù)和礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展多目標(biāo)決策等。
　　5. 三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)環(huán)境提供者礦山企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中已形成了不同層次、具有不同功能的應(yīng)用系統(tǒng)和軟件模塊，如虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、三維地學(xué)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。可采用三維地學(xué)模擬進(jìn)行數(shù)據(jù)與模型的過濾和重組。應(yīng)用三維地學(xué)模擬，將采掘資料、地震資料、開挖設(shè)計(jì)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(kù)，可實(shí)現(xiàn)海量礦山地物的幾何信息、拓?fù)湫畔⒑蛯傩孕畔⒌奶摂M再現(xiàn)。運(yùn)用VR和并行計(jì)算技術(shù)，并嵌入虛擬儀器、各類專業(yè)應(yīng)用模型，如開采沉陷計(jì)算、開采沉陷預(yù)計(jì)、頂板垮落計(jì)算、圍巖運(yùn)動(dòng)模型、儲(chǔ)量計(jì)算、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算、涌水計(jì)算等。經(jīng)過上述的處理，對(duì)礦山采礦活動(dòng)造成的地層環(huán)境影響進(jìn)行大規(guī)模模擬與虛擬分析。形成各個(gè)基礎(chǔ)的三維模型庫(kù)、應(yīng)用模型庫(kù)。為統(tǒng)一的數(shù)字化礦山業(yè)務(wù)處理（OA）、指揮調(diào)度系統(tǒng)（CDS）一體化中心提供業(yè)務(wù)視圖環(huán)境和業(yè)務(wù)管理方式。
　　6. 數(shù)字化礦山業(yè)務(wù)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(biāo)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(dòng)化和指揮調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)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(wù)流程相互協(xié)調(diào)、相互融合。
　　7. 安全體系整個(gè)應(yīng)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(gè)系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)從以下兩個(gè)方面來考慮：一是硬件平臺(tái)，即提供三維空間網(wǎng)絡(luò)QoS的同時(shí)，如何保證系統(tǒng)的服務(wù)可靠和穩(wěn)定；二是軟平臺(tái)，即身份的統(tǒng)一認(rèn)證、授權(quán)、加密、審計(jì)和監(jiān)測(cè)等方面。
　　8. 管理業(yè)務(wù)體系在應(yīng)用處理過程中分為三個(gè)層面：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)處理層、業(yè)務(wù)管理層。為企業(yè)的業(yè)務(wù)管理、高層決策提供服務(wù)。在系統(tǒng)的構(gòu)成中，整個(gè)系統(tǒng)采用分層的結(jié)構(gòu)，每一層向上一層提供服務(wù)，各層之間按照運(yùn)營(yíng)管理體系的規(guī)范交互。運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)是數(shù)字化礦山運(yùn)營(yíng)管理的支撐體系。這三個(gè)層次貫穿于整個(gè)四級(jí)網(wǎng)絡(luò)體系中，并形成三個(gè)系統(tǒng)。各業(yè)務(wù)管理層相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)。在業(yè)務(wù)管理層中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)層是監(jiān)測(cè)和診斷中心的數(shù)據(jù)源，為局礦兩級(jí)的相關(guān)專家人員、工程人員提供信息服務(wù)，而決策層是在這些數(shù)據(jù)的共享平臺(tái)中高度共享和利用這些信息。
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