数字矿山建设的研究及实现*

刘同文，姚明朝，潘宝玉，白立飞

(1．山东省地质测绘院，山东 济南 250002;2．江苏东海县招标办，江苏 连云港 222300)

0 引言

数字矿山伴随数字地球而诞生，是信息时代与知识经济的必然产物。“十二五”期间，国家科技部继续加大对数字矿山建设的支持力度，并指出数字矿山的5 个主攻方向，即数字矿山集成平台、采矿模拟仿真系统、露天矿全自动化系统、井下定位与导航技术、采场环境智能感知技术。数字矿山建设是当前国际矿产资源开发研究的热点，也是提升中国矿山国际竞争能力的重要措施。

1 数字矿山内涵

吴立新教授曾在2000 年、2003 年、2012 年先后3 次讨论过数字矿山的建设［1-3］，提出“数字矿山是在统一的时空框架下，对真实矿山整体及其相关现象的统一理解、表达与数字化再现”，进一步明确“数字矿山的核心是在统一的时间参照与空间框架下，科学有序地组织、管理、维护和通过真三维可视化表达等不同手段获取海量、异质、异构、多维、动态的矿山信息，并建立矿山信息的分布式共享、协同与利用机制，形成多种灵活便捷的数字方法与模拟工具……”［4］。同时指出:“数字矿山建设的总体目标是实现矿山的高效、安全、绿色与可持续。数字矿山建设是一个由初级、中级到高级的发展过程”［2］。

2 数字矿山建设基本内容

2．1 数字矿山建设总体架构

数字矿山建设是不同层面上应用系统的集成，是一个复杂的系统工程。数字矿山建设涉及基础数据层、模型层、执行与控制层、管理层、决策支持层等多个层次。因此，数字矿山建设应当整体设计、分布实施。国内外有许多学者已对矿山地理信息系统、智能矿山开采、矿体/矿床三维建模与可视化方面做了大量研究工作［5-11］，进一步加快了数字矿山建设的步伐。本文数字矿山建设以地质点源数据库建设为核心，并且与矿床模型建设及矿山生产过程管控一体化建设紧密结合。数字矿山建设基本架构，见图1。

2．2 地质点源数据库建设

矿产资源是矿山赖以存在的最基本物质资源，矿山的一切活动都是围绕矿产资源的勘查、开发进行的，而矿产资源储量的多少、分布状况如何都是通过地质勘探基础数据计算得到的。所以矿山勘查数据库建设应是数字矿山建设最基础、最重要的一项工程。吴冲龙教授将地质点源数据库定义为“以矿山为数据基本采集点，以资源勘查、开发资料为主要存储、管理对象的基础数据库”［12］。可以说，如果没有信息齐备的矿山地质点源数据库，一切高超的功能处理技术都将成为空中楼阁。

图1 数字矿山建设总体架构Fig．1 The overall architecture of digital mine construction

本文以“山东省莱州市焦家金矿床”作为研究对象，融合矿山的海量多源异构信息建立了地质点源数据库。该数据库包含了地质勘查Access 格式的钻孔数据(见图2)、MapGIS 格式的矿床勘探线地质剖面图与矿体水平投影图等图件(见图2)，解决了大量多源异构数据的集成与共享问题［13］。

图2 勘查数据的数据库内容Fig．2 The database content of exploration data

矿产资源储量是矿业项目评价、矿床开发和生产中最主要的指标之一，精确快速地估算矿产资源储量对矿山生产管理和规划具有重要的指导意义。根据建立的地质点源数据库，利用地质学传统储量计算方法中的“块段法”估算矿体的资源储量［14］，克服了手工计算工作量大、错误频出等缺点，极大地提高了矿产资源储量估算的效率。估算结果，见图3。

2．3 矿床模型建设

图3 估算结果对照图Fig．3 The contrast diagram of estimated results

矿区下面存在大量的形状极其不规则的地层、结构面、矿体等地质体，传统的矿山地质信息系统常常借助二维图件来描述。但是，二维图件不能将矿体地下实际分布状况表达清楚，而且也不易于直观地查看地下矿体的元素品位、矿石量等属性信息。矿床模型的三维重构与可视化在地质、矿藏研究和资源勘探等领域中具有十分重要的意义［15-16］。它为地质工作者进行分析和解释研究区域内的地质构造提供了一条可靠的现实途径，将地质工作者从繁重的地质解释工作中解放出来，也能为工程项目立项及可行性认证等提供决策依据。一旦实现了层状实体模型的三维重构，许多地质(矿藏)信息的可视化与分析问题就迎刃而解。本文利用矿山地质点源数据对矿床的模型进行建设，可进行平视、俯视及任意方向观看矿体分布状况，可进行量测矿体的大小、方位、品位、储量等信息。也可以对矿体进行任意方式的切割，在三维可视化的模型中可方便地分析矿体的剖面情况及成矿规律。矿体及钻孔三维模型，见图4、图5。

图4 不同品位的矿体分颜色展示Fig．4 Different grade of ore body color display

图5 04 勘探线路径切片效果图Fig．5 The path section diagram of prospecting line 04

2．4 矿山生产过程管控一体化系统建设

2．4．1 矿政办公系统

矿政办公系统主要包括:矿政收发文、办公自动化、系统通知公告，通过自动办公化功能将各类申请审批以电子表格形式实时提交到相应主管部门，节省了审批时间，提高了工作效率。矿政收发文界面，见图6。

图6 矿政收发文界面Fig．6 Mining administration document transfering management interface

2．4．2 矿区地理信息系统

矿区地理信息系统包括:矿山索引、空间信息查询和矿区导航。矿山索引以行政区划为单位，将矿山加以区分，可查看该区域内所有矿山分布及矿山相关信息;空间信息查询是在选定矿山范围后，通过矿山名称，类型，开采量，开采时间，矿区坐落等进行查询，可检索到相关矿山信息，并显示查询结果;矿区导航是通过地址栏中的起点终点，在地图上显示两点间的最短路径及相关导航结果信息，以便主管部门快速到达各矿区。矿区地理信息系统界面，见图7。

图7 矿区地理信息系统界面Fig．7 Mine area geographical information system interface

2．4．3 矿区信息管理系统

矿区信息管理是对矿区概况的介绍，针对每一个矿区设有矿区地图，还能够提供该矿区对应台账信息的查询与检索，同时能够对矿区成果资料与矿权矿证等重要工作资料进行管理登记。并且通过报表显示该矿山相应时间段内不同开采类型和开采量的统计结果。储量管理提供每年每月时间段内的矿区生产台账、采出量台账、储量动态数字台账、年度储量台账等台账信息。矿区台账信息查看界面，见图8。

2．4．4 矿山三维可视化系统

图8 矿区台账信息查看界面Fig．8 Mine area parameter information browser interface

矿山三维可视化通过虚拟现实展现矿山的真实场景，使工作人员不用到矿山企业就能真切浏览矿山景象。并且在数字矿山集成管理平台中融入了三维激光点云数据，实现了点云数据的三维可视化和精准量测功能。由于点云数据包含的信息丰富而且数据精度高，所以可以详细地查询到矿山每个细节的尺寸信息和精确的坐标数据，实现了真正意义上的全数字化精准管理模式。矿区三维可视化效果，见图9。

图9 矿区三维可视化Fig．9 Mine area 3D visualization

2．4．5 矿山安全监测系统

矿山安全监测系统主要是利用计算机可视化技术、无线通讯技术、网络远程监控技术对井下通风设备、排水设备、提升运输设备及工作人员进行实时监测与定位。并在三维虚拟场景中对各种灾情进行演练模拟，制定安全快速的逃生路线。矿山应急避灾模拟，如图10 所示。

图10 矿山应急避灾模拟Fig．10 Mine emergency and disaster prevention simulation

2．4．6 矿山模拟开采系统

以地质及矿床模型为基础，结合其它关键信息构造虚拟矿山，进行数字模拟开采，完成矿山长、中、短期开采计划编制，并且对矿山复垦后的效果进行模拟，为矿山进行综合管理与规划提供参考。图11、12 分别为矿区开采进度模拟和矿山复垦效果。

图11 矿区开采进度模拟(2009 ～2012 年)Fig．11 Mine area exploitation progress simulation from 2009 to 2012

图12 矿山复垦方案Fig．12 Mine reclamation program

3 结论

数字矿山是对真实整体及相关现象的统一性认识与数字化再现，数字矿山建设是一项复杂而又漫长的工作，需要将海量多源异构数据和不同层面的应用系统进行集成。本文首先从矿山地质点源数据库建设入手，将海量异质的矿山空间数据资源进行全面、高效和有序的数字化集成与可视化再现，为采矿设计、安全生产、过程管理与决策支持提供空间数据保障;其次，围绕矿山经营最重要的矿产资源与矿体三维模型构建做了研究工作，实现了矿产资源快速精确的估算和矿体三维模型的构建与分析;最后，围绕矿产生产过程管控一体化建设进行研究，实现了矿山信息管理数字化、矿山安全监测数字化、矿山三维可视化及矿山的模拟开采。但是，数字矿山作为一种理念、一种过程，还有许多工作有待进一步研究。将数字矿山建设与整个矿山企业的技术创新、管理改革相结合，实现矿山的高效、安全、绿色与可持续开采将是今后研究的方向。

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