智能采矿高效化关键基础系统的研究

　　智能采矿是21世纪矿业发展的重要方向和前瞻性目标。在矿床开采中，以开采环境数字化、采掘装备智能化、生产过程遥控化、信息传输网络化和经营管理信息化为特质，以实现安全、高效、经济、环保为目标的采矿工艺过程，称为智能采矿。

　　地下矿山智能化关键基础系统将打破了之前的传统思维，它将综合通讯平台，有毒有害气体的监测监控、人员设备的跟踪感知、工作生产的可视化，从硬件的层面上集成到统一的物理设施平台，从信息化管控的层面集成到三维虚拟现实平台。

　　矿山智能化关键基础系统，对矿山的高效、智能开采奠定了坚实的基础，促进了矿山企业可持续发展水平，构建一个经济的、规范的关键基础系统对矿山行业的智能化建设与发展有非常实用的价值。

　　1、地下矿山智能化国内外现状

　　1.1 国外现状

　　以电子技术和信息技术为先导的世界新技术发展成果，迅速渗透到矿业领域，发达国家在实现矿业生产工艺化、机械化、大型化的基础上，向信息化、智能化、无人化方向发展。机器人与人工智能和专家系统相接合，为矿山智能开采开辟了新的途径。高性能大型装备、计算机控制技术，以及遥控采矿为核心的地下采矿技术，极大地促进了生产效率和经济效益。

　　国际著名矿山企业——加拿大国际镍公司(inco)从20世纪90年代初开始研究遥控采矿技术，目标是实现整个采矿过程的遥控操作。inco公司给遥控采矿下的定义是：利用目前*先进的技术，包括地下通讯、定位、工艺设计、监视和控制系统，去操纵采矿设备与采矿系统。遥控采矿工艺包括自动凿岩、自动装药与爆破、自动装岩、自动转运、自动卸岩和自动支护等，其技术基础是高速地下通讯系统和高精度地下定位、定向系统(要求达到mm级)。加拿大已制订出一项拟在2050年实现的远景规划：即将加拿大北部边远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿。

　　芬兰采矿工业也于1992年宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题。

　　1.2国内现状

　　近年国家加大了整顿规范矿产资源秩序的力度，尤其是近两年开展的资源整合、国家规划矿区等工作，显示了国家对矿业企业发展的导向。此外，国家地勘体制正在深化改革，国有地勘单位内部企业化改革也正处于攻坚阶段。真正具备实力的大中型矿业企业将迎来做大做强的机遇，在经济地进行产业结构和生产经营方式的调整，参与国有矿业企业和国际矿业公司的竞争。

　　我国地下金属矿的自动化、智能化开采技术远落后于国外发达国家，严重制约了我国地下金属矿开采效率和生产安全性的提高，无法满足我国矿业快速发展的需求，因此国内已经开展了以信息化为基础，采矿装备智能化运行以及采矿生产过程智能化监控为目标的地下金属矿智能开采技术与装备研究，突破地下金属矿智能开采的关键技术，为提高我国矿业企业和开采装备制造企业的市场竞争能力，促进我国从矿业大国走向矿业强国提供技术支持。“十一五”期间，国家开展了《地下采矿设备高精度定位和无人操纵铲运机的模型技术研究》、《数字化采矿关键技术与软件开发》等与智能采矿相关的重点攻关项目;“十二五”又启动了《地下金属矿智能开采技术》863项目等。

　　国内大型矿业集团，已基本上制定了适合自身企业的矿山智能化建设的相关规划，积极地提高矿山的生产效率和生产的安全性。

　　2、地下矿山智能化关键基础系统组成

　　2.1综合通讯平台

　　矿山井下环境比较恶劣，以及井下工程结构规模庞大，可靠的通讯才能够保障井下生产活动调度与组织的正常进行和井下工作人员的生命安全，稳定的通讯环境是矿山智能化*基本的前提。综合通讯平台能够满足日常通信联络与抢险救援双重任务，井上调度人员能随时与通信系统内的任何一部电话建立联系，并可随时与上级主管部门建立联系，实现某一电话向多部电话的广播，任意两部电话之间的双向通信。

　　在实际的工程设计与实施中，由于生产区域不断推进，将井下划分为若干个采区和掘进面，每个子采区和掘进面由无线加有线形成双回路网络，光纤基站之间通过交换机以单模光纤相连构成一个井下主干环网，主干环网接入矿山总部核心交换机，以此实现井下通讯网络与矿山局域网乃至广域网的连通。对每个子区，根据需要无线信号覆盖和网络通讯的范围，每隔一定距离、在巷道岔口或重要监测地点附近安装一台无线基站，基站之间以光纤连接，也可以利用无线基站形成自组网、自愈等无线网络系统，并与子区接入其他基站构成子区环网或子区树形网。

　　2.2 监测监控

　　监测监控主要是有毒有害气体、通风、视频的监控监测。有毒有害气体监测主要是针对回采和掘进场所的空气质量进行监测，确保人员进入这些作业场所的安全;监测内容主要包括co、o2、no2等。在工程的实际设计与实施中，有毒有害气体监测以便携式、具备wifi无线数传功能的设备为主，并且能够适应作业点多且分散、推进消失速度快、频繁爆破的现实条件，克服与生产作业间的矛盾冲突。在地面将计划用其监测的地点信息输入仪表，监测人员携带仪表在相应地点监测后，连同监测点、监测时间、监测指标予以保存，待自监测点返回至有无线信号区域时，操作发送按钮，将存储信息传回地面监控中心。

　　通风系统监测主要是针对总回风巷和各生产中段回风巷，以及通风设备进行监测，目的是监测系统运行情况;监测内容主要风速、风压和设备开停状态等。在实际的工程设计与实施中，通风监测在硬件层次将直接构建在井下综合通讯平台上，安装的通风参数智能采集分站和风速、风压传感器，以及智能电力仪表，分站与传感器和仪表之间用数据线以rs485总线方式连接。

　　视频监测的数据传输应建立在综合通讯平台上的传输，因综合通讯平台接入矿山局域网，故在任何地方均可以显示视频图像。在实际的工程设计与实施中，位于不同标高的监测感知点尽可能不共用一个视频服务器，即使距离在视频线有效通讯范围内。这主要是因为视频线没有加强材料，垂直安装时，长度过长自重过大，极易导致线路断裂，影响监控监测。

　　2.3 跟踪感知及基于虚拟现实的集成

　　跟踪感知主要是人员与井下移动设备的跟踪感知。在实际的工程设计与实施中，人员与井下移动设备，如罐笼、机车等配备wifi电子标签，无线基站网络上构建在综合通讯平台，根据基站的位置及相应算法，从而定位跟踪感知，实现人员及移动设备的出入井时间的感知及相应井下位置的感知，并形成相应的轨迹。

　　地下矿山虚拟现实就是把矿山地下工程结构与虚拟现实技术融合，通过vr功能得以扩展，通过vr发布地下工程结构信息、浏览其相应的地下工程结构空间信息，及其在相应的空间信息基础上的应用。

　　监测监控、跟踪感知基于虚拟现实的集成，完全基于三维可视化平台，与矿山已经建成的三维工程模型在数据上高度共享，以真实的三维井下场景为背景，显示各应用子系统的运行状况，并进行数据分析;高度的集成性，在统一的软件界面下，实现各应用子系统的数据管理、显示和分析。在需要详细了解各子系统运行状态和对其监测数据进行分析，协助管理人员做出决策时，在设备组中双击代表某一类子系统的某个设备，即弹出相应子系统的详细分析和操作界面。

　　3、结束语

　　尽管目前很多矿业企业已经建立了井下通讯平台、有毒有害气体及视频的监控监测、跟踪感知、矿山虚拟现实等系统，但从硬件的统一规划建设，信息的集成共享，管控的智能决策层面，都是孤立的，没有形成一个规范的关键基础系统。

　　智能采矿是矿业未来发展的主体之一，但是，实现智能采矿是一个复杂的系统工程，井下采掘运输大型装备的智能化，井下**定位导航技术，先进成熟的信息化的管控平台等，需要多个方面的融合。

　　随着微电子技术、信息技术、人工智能的快速发展，尽管已有一些井下监控监测、跟踪感知、虚拟现实的产品，但从智能采矿生产管控一体化的综合信息平台的角度，关键基础系统才是一个开始，相信未来的矿山智能化建设，关键基础系统的作用会越来越突出，同时也会涌现出相应的性能更优越、更智能的关键基础系统产品。

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