矿山企业与其他生产企业的重要区别之一就是矿山生产 (特别是地下开采 ) 有许多难以探测和辨识的危险源 , 有诸如冲击地压、冒顶和塌方、突水透水和淹井、火灾、瓦斯突出和爆炸、煤尘突出和爆炸以及机电运输等事故隐患 , 大型伤亡事故时有发生 , 严重威胁着人身安全。

本质安全保障体系与本质安全检查体系有本质的区别 , 保障体系是借助先进的四维地理信息系统 , 实现地面地下所有对象的透明管理 , 从而使整个矿山从设计、生产到管理都能很好地兼顾工艺的先进性、设备的可靠性、环境的安全性 , 大幅提高抗灾能力和生产效率 , 在精细的管控体系下 , 以严格规范的管理、完善实用的方法、先进科学的技术真正实现人员无失误、设备无故障、系统无缺陷、管理无漏洞的人、机、环境和管理高度融合的矿井恒久性安全目标。其具体内容如下。

1) 建立本质安全的检查、监督和评价体系。

2) 建立重大灾害事故发生机理研究和事故仿真体系。

3) 建立危险源辨识和灾害预警体系。

4) 建立隐患排查和事故预测预报体系。

5) 建立灾害防治关键技术决策支持体系。

6) 建立煤矿本质安全信息化保障系统。

7) 建立煤矿本质安全长效管理体系。

生产技术管理系统是数字矿山的核心内容 , 主要包括地测地理信息系统、采矿协同设计系统、智能化矿井通防系统、输配电地理信息系统、工业管网地理信息系统等。

但要注意的是此生产技术管理不是把手工方法搬到计算机上 , 而要实现科学的规范管理和高智能的技术支持。例如 , 地测地理信息系统不是地测制图 , 而是通过精细化的矿山测量和地质勘探 , 达到矿床、地质体、危险源和井巷工程的精确圈定和可视化计算 , 可以自动完成各种测量改正、误差预计、测量平差、地表沉陷预计等计算 , 并实现所有计算的所见即所得 , 而且可以自动生成任意比例尺的各种矿图 , 为矿山的生产、安全和管理提供地质保障; 基于三维地理信息系统的采矿协同设计系统可以完成包括巷道布置、岩移预计、保护矿柱(煤柱 ) 计算、支护选型以及采、掘、机、运、通、安等各类设计 , 并生成相关文件等; 智能化矿井通防系统的主要目的就是保证正常生产时期和灾变时期的实时按需供风; 输配电地理信息系统的主要功能是任意复杂电网实现设备的最优选型、故障电流计算、电压和能量损失计算、电容电流计算、动稳定热稳定计算和保护装置整定计算 , 配合供电SCADA系统实现遥信、遥测、遥调和遥控; 其他系统依次类推。这些都是模仿人工方法所不能完成的。

矿山 ERP系统是实现精细管理的信息保障系统 , 主要包括人力资源管理系统、设备管理系统、50卢新明等: 数字矿山的定义、内涵与进展 2010年第 1期物资管理系统、运销管理系统、生产计划管理系统、物业管理系统、预算与成本管理系统、财务管理系统、办公自动化系统等。其特点是必须和其他系统实现无缝集成 , 例如人力资源管理、生产计划管理、物资需求、预算与成本管理必须以设计成果、生产技术为基础 , 设备管理、物资管理、运销管理必须借助于地理信息系统才能实现现场管理和最优配送 , 其他子系统也是类似的 , 要么是基础数据来源于其他系统 , 要么为其他系统服务 , 它们均可通过数据仓库进行无缝集成 , 否则就变成了信息孤岛。

数字矿山的综合指挥调度系统并不是把监测监控、工业自动化、人员定位和通信系统进行一些简单集成 , 外加一些诸如生产调度日志和报表。而是基于三维可视化平台 , 实现监测监控、通信和人员定位系统 , 以及生产技术管理、安全管理和矿山ERP的强集成 , 主要实现下列功能。

1) 正常生产时期: 可以通过一个调度界面看到当天和累计的安全信息、产量信息、成本信息、储量信息、设备信息、煤质 (矿石品质 ) 信息、销售信息和三维矿山模型中的地质模型、井巷工程、采场或工作面、生产设备、人员分析和各种监测监控系统 , 如果需要可以钻取任何部位、任何时间的详细数据 , 并自动生成所需要的统计图表。

2) 决策分析时期: 只要输入业务需求 , 系统就可以利用数据挖掘工具自动调出所需要的数据、文档、图形、多媒体和三维模型供决策团队进行叠置、剖切、变换、计算和模拟等分析 , 必要时可以调用相关的方法库进行辅助决策。

3) 救灾指挥时期: 一旦发生了灾变 , 除了进行决策分析、故障诊断之外 , 可以充分利用该系统的时空管理能力和快速反应功能 , 实现调度优化和可视化应急指挥软件 , 把损失降到最低。

要按照数字矿山的定义建立起一座真正的数字矿山必须有一套完整的建设规范 , 以期形成地方、行业甚至国家标准 , 使其对数字矿山有一个统一的度量。其规范应包括下列内容。

1) 数字矿山技术规范总则 , 包括原则以及组网、软件、数据采集、通信、控制等通用技术。

2) 矿山信息分类编码规范。

3) 矿山数据仓库技术规范 , 包括基本构架、数据类型、主题层、元数据格式、索引格式、数据立方体结构等。

4) 监测监控通信接口技术规范 : 采集 - 储存(实时数据库 ) - 控制等通信协议、触发机制和时限性控制等。

5) 矿山安全监测系统技术规范 , 包括各种监测内容以及空间布局、时间布局、技术指标等。

6) 矿山工业自动化子系统技术规范 , 可靠、自动、智能、闭环、联动、易集成和减人为标准。

7) 矿山四维地理信息系统技术规范 , 包括地质、储量、测量、水文、设施等动态空间信息管理。

8) 矿山生产技术管理子系统技术规范 , 除地测之外的所有生产系统。

9) 矿山本质安全保障体系以及软件系统技术规范。

10) 矿山 ERP系统技术规范。

11) 矿山信息集成方式与集成平台技术规范 ,包括联动规则等。

12) 矿山综合指挥调规范度系统技术规范。

随着计算机网络技术的发展和众多硬件厂商的努力 , 数字矿山的网络平台和有关硬件的研究已经取得了长足进展 , 无论是技术还是应用都已经基本成熟。众所周知 , 数字矿山软件系统的技术关键是先进的理念、科学的模型和快速的计算机算法 , 通过众多学者的研究 , 已经突破了包括三维精细化快速建模 , 矿体圈定和精细储量评价 , 各种矿图的自动生成 , 矿山四维地理信息系统技术规范建设 , 矿山灾害仿真、预警和事故预测预报 , 专业系统分析等一系列理论难题 , 例如 , 关于矿井通风系统及各种非线性流体网络的模型和算法文献 [ 18 - 20 ]就给出完整的研究成果 , 解决了其中的关键难题;该项目组基于完全自主版权的 CAD /GIS平台成功地开发了 《地理信息系统平台》《地测地理信息系统 》《采矿协同设计系统 》《智能化矿井通防系统 》《输配电地理信息系统 》《设备管理系统 》《人力资源管理系统 》《物资管理系统 》《成本控制系统 》《安全管理系统 》《调度管理系统 》和 《虚拟矿山系统 》等一些软件产品 , 实现了数字矿山关键技术的本质突破。

1) 兖矿集团地理信息系统建设。兖矿集团的信息化建设一直走在我国采矿行业的前列 , 为了提高安全管理和生产管理的科学性和规范性 , 兖矿集团开创性地建立了我国首个集团公司级的网络地理信息系统 , 该系统的用户可以根据自己的权限通过集团公司服务器和 Web浏览器查询到任何一个矿的采矿、地质、储量、测量、通风、机电、排水以及生产调度等专业的所有图件和完整的属性信息 ,并且可以完成各种地理信息统计分析和专业计算 ,为安全生产管理提供完整的信息支持 , 也为实现数字矿山奠定了坚实的基础。

2) 山东临沂矿业集团王楼煤矿的数字矿山建设。经过 2 a的努力 , 从制定数字矿山建设方案和数字矿山管理规范 , 到工业自动化建设和管理信息化建设 , 王楼煤矿率先建成了我国第一个真正意义上的数字矿山。不仅有比较完善的工业自动化系统 , 而且建立了包括地理信息系统平台、地测地理信息系统、采矿协同设计系统、智能化矿井通防系统、输配电地理信息系统、设备管理系统、人力资源管理系统、物资管理系统、成本控制系统、安全管理系统、调度管理系统和虚拟矿山系统等比较完善的软件系统 , 较彻底地实现了 “两化 ”融合。

另外 , 例如 , 平煤天安十二矿、淮北矿业集团青东煤矿、神华宁煤集团枣泉煤矿、山东招金集团的夏甸金矿和尹格庄金矿等都在进行真正的数字矿山建设。

概括性地描述了数字矿山的新理念、主要内容、建设规范、研究进展和应用情况 , 限于篇幅 ,有关数字矿山中的关键技术 , 如真三维地质建模、精细储量评价、专业建模和专业分析、采矿协同设计与可视化、事故仿真和灾害预警、生产计划自动编制、虚拟矿山与实时三维调度等核心内容将陆续在其他文献中叙述。

[ 1 ] 吴立新 , 殷作如 , 邓智毅 , 等 1论 21世纪的矿山: 数字矿山 [J ]. 煤炭学报 , 2000 , 25 (4) : 337 - 342.

[ 2 ] 吴立新 1数字地球、数字中国与数字矿区 [J ]. 矿山测量 ,2000 (1) : 6 - 9.

[ 3 ] 吴立新 , 殷作如 , 钟亚平 1再论数字矿山: 特征、框架与关键技术 [J ]. 煤炭学报 , 2003, 28 (1) : 1 - 7.

[ 4 ] 王 青 , 吴惠城 , 牛京考 1数字矿山的功能内涵及系统构成 [J ]. 中国矿业 , 2004, 13 (1) : 7 - 10.

[ 5 ] 毕思文 , 殷作如 , 何晓群 , 等 1数字矿山的概念、框架、内涵及应用示范 [J ]. 科技导报 , 2004, 22 (6) : 39 - 41.

[ 6 ] 汪云甲 1数字矿山与矿区资源绿色开发 [ J ]. 科技导报 ,2004, 22 (6) : 42 - 44.

[ 7 ] 吴立新 , 朱旺喜 , 张瑞新 1数字矿山与我国矿山未来发展[J ]. 科技导报 , 2004, 22 (7) : 29 - 31.

[ 8 ] 曹代勇 , 余志伟 , 赵 扬 , 等 1数字矿山及其关键技术探讨 [J ]. 铜业工程 , 2005, 21 (1) : 10 - 12.

[ 9 ] 左仁广 1浅析数字矿山的几个核心技术 [J ]. 中国矿山工程 , 2005, 34 (2) : 31 - 34.

[ 10 ] 秦德先 , 陈爱兵 , 燕永锋 , 等 1矿山数字化信息系统及其应用研究 [J ]. 中国工程科学 , 2005, 7 ( 4 ) : 47 - 53,63.

[ 11 ] 僧德文 , 李仲学 , 张顺堂 , 等 1数字矿山系统框架与关键技术研究 [J ]. 金属矿山 , 2005 (12) : 47 - 501

[ 12 ] 王李管 , 曾庆田 , 贾明涛 1数字矿山整体实施方案及其关键技术 [J ]. 采矿技术 , 2006, 6 (3) : 493 - 498.

[ 13 ] 郑彬彬 , 张俊文 1现代化矿山: 数字矿山的概念及其基本结构 [J ]. 煤炭技术 , 2007, 26 (7) : 2 - 4.

[ 14 ] 张 申 , 丁恩杰 , 赵小虎 , 等 1数字矿山及其两大基础平台建设 [J ]. 煤炭学报 , 2007, 32 (9) : 997 - 1001.

[ 15 ] 吴立新 1中国数字矿山进展 [ J ]. 地理信息世界 , 2008(5) : 6 - 13.

[ 16 ] 刁鑫鹏 , 贾朋风 1“数字矿山 ”基本框架及其构建技术的研究 [J ]. 企业导报 , 2009 (4) : 115 - 117.

[ 17 ] 骆 力 1数字矿山特征及建设探析 [ J ]. 金属矿山 ,2009, 44 (5) : 36 - 39, 59.

[ 18 ] 孟耀伟 , 田胜利 , 王山东 1数字矿山框架及演进过程研究[J ]. 现代矿业 , 2009 (6) : 64 - 66.

[ 19 ] 卢新明 1矿井通风系统最优调节问题的研究 [J ]. 煤炭学报 , 1985, 10 (1) : 56 - 64.

[ 20 ] 卢新明 1非线性管道网络中的数学规划问题及解法 [ J ].应用数学学报 , 1989, 12 (3) : 281 - 291.

[ 21 ] 卢新明 1一类非线性动力网络方程组的性质与解法及其应用 [J ]. 系统工程学报 , 1991, 6 (2) : 99 - 107.

作者简介: 卢新明 (1961 - ) , 男 , 河南济源人 , 教授 , 博士生导师 , 从事数字矿山方面的教学与研发工作。 Tel: 0538 -8503766, E - mail: lionkingsoft@2631net