河北钢铁矿业公司数字矿山建设的规划设计

杨 楠 王 磊 王亚东

(1.河北钢铁集团矿山设计有限公司；2.河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司)

·地质·测量·

河北钢铁矿业公司数字矿山建设的规划设计

杨 楠1王 磊2王亚东1

(1.河北钢铁集团矿山设计有限公司；2.河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司)

数字矿山是数字地球理念及技术在矿山勘探、开发及生产管理中的具体应用，是矿山开采与管理的新模式。详细分析了河北钢铁矿业公司数字矿山建设的整体规划设计及取得的阶段性成果，并阐述了数字矿山未来的发展趋势，为该公司矿山的后续数字化建设提供参考。

数字矿山 数字地球 规划设计 发展趋势

随着全球化知识经济时代的到来，信息技术快速发展，数字化进程加快推进，给传统矿业带来了巨大的冲击，数字矿山概念的提出，为矿山企业的进一步发展提供了技术保障[1-4]。部分矿山适应时代需求，将数字矿山技术理念充分应用于矿山生产建设过程中，已建成用于数据传输的工业环网和各种分布式传感器网络，运用现代智能决策和控制理论，实现了矿山安全、高效、可持续发展。河北钢铁集团矿业有限公司自2008年9月组建成立以来，相继建成ERP企业资源计划系统、OA办公系统、井下安全避险六大系统、尾矿库安装在线监测系统并投入使用。通过对该公司数字矿山建设的整体设计以及取得的成果进行分析，为类似矿山提供参考。

1 数字矿山定义

数字矿山的概念可以表述为3个层次：①矿山数字化信息系统；②反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山；③无人矿井的远程遥控操作和自动化采矿。数字矿山建设的实质是在建立一个矿山信息模型，描述矿山中每一点的全部信息，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段，方便工程技术人员更快速、准确地获取矿山各方面的信息。

2 数字矿山建设内容及总体规划

2.1 数字矿山建设内容

2.1.1 信息化

数字矿山建设与信息化建设及其维护高度相关。矿业公司及其子公司运用了较为成熟的企业基础管理网络设施和生产调度管理系统、工程项目管理系统及企业管理信息系统等。司家营铁矿设立的生产调度管理系统的自动化程度较高，是全矿的生产指挥中心，负责组织、指挥、协调全矿各个车间、部门的生产关系。调度室指挥中心主要包括大屏幕系统、视频监控系统、音响扩声系统、中控系统、调度电话系统。生产车间主要由中控系统、调度电话系统组成。生产自动化控制系统包括了露天卡调系统、破碎自动化系统、选矿厂自动化系统等。

2.1.2 自动化

信息化是现代化矿山的实质，所有的信息都将以数字化的形式表现出来。河北钢铁矿业的新矿山自设计建设之初便建立了自动化系统，应用较为深入，拥有多个较为完善的自动化控制系统，但系统间无法协同，不可避免地出现了在同一区域或者不同矿山间自动化的孤岛性。旧矿山将自动化底层传感器数据失真等现象逐一处理，例如机电检修公司分别设有尾矿在线管理系统、燃油管理控制系统、以及岩土外运监控系统，各系统的自动化程度较高，但相互间独立，形成孤岛性。

2.2 总体规划

数字矿山的总体思路是将矿山管理分为技术管理、生产管理、企业管理3个层面，建设蓝图分为经营决策层、企业管理层、生产执行层、自动化过程控制层和设备作业层等5个层面，同时对应了信息化基础平台、安全生产自动化控制平台、矿山技术管理平台、矿山生产管理平台、企业管理平台、企业决策支持平台等6个平台的建设，矿业公司信息化建设的重点在经营决策层与企业管理层，矿山信息化建设的重点在生产执行层、过程控制层与设备作业层，并实现与企业管理层的衔接。顾及到集团公司、矿业公司、矿山、采区上下关系层级较多，于是采用多级部署的方式，充分体现了多级的资源优势，根据多级的不同职能进行管理与建设定位。利用生产调度与通信系统实现多级联控，利用各级矿山平行系统、MES系统实现与矿业公司ERP衔接，利用MES系统实现安全生产各级职能的分工与定位，利用矿山平行系统实现了矿山生产管理、安环管理、调度指挥、应急指挥的信息化，提高了矿山的生产管理水平与指挥调度水平。矿业公司数字矿山建设总体规划见图1。

图1 数字矿山总体规划

3 数字矿山建设成果

3.1 安全避险六大系统

河北钢铁集团矿业公司所属的多个矿山均为井下开采或即将转入井下开采，同时还将新建多座地下矿山，该类矿山地质条件复杂，基建生产条件恶劣，给矿山的安全生产带来了极大威胁，亟需建立矿山井下安全避险信息系统。基于物联网技术的矿山井下安全避险信息系统由监测监控系统和人员定位系统组成。基于物联网技术的矿山安全避险信息体系(图2)集井下环境参数监测监控、井下人员定位系统为一体。特点有：①智能型监测监控分站实现了对现场设备及环境参数的可靠监测及传输；②全隔离、高速CAN总线通讯实现了多网合一，不同系统间通过光纤网络进行数据传输，同时采用千兆自愈光纤环网全面提高了数据传输的可靠性，在井下光纤断裂后，环网能够在50 ms内重新建立新的连接，保证通讯畅通；③自主开发的三维监测监控系统软件平台，能够直观展示井下监测数据；④人员定位分站、识别卡等设备的研制解决了井下人员定位精度低的问题，可及时掌握井下人员的分布情况。

井下监测监控系统包括CO浓度监测、风速监测、井下避难峒室环境参数监测等，现场采用多种传感器对上述参数进行检测，同时利用开发的专用接口采集采空区地表沉降和井下地压监测传感器数据，通过微控制器进行数据处理，并利用通讯控制器将数据传输至井下CAN通讯网络，最终传输至地面控制中心主机，主机具有数据显示、传输、存储、处理、打印、声光报警、控制等功能。

人员定位系统采用RFID射频识别技术，能够远距离自动识别目标对象。有源识别卡主动间歇发射射频识别信号，当其进入读卡器的作用范围时，读卡器即检测到该信号，其中包含了唯一的个人识别码以及电池电量等信息。读卡器将获取的数据初步处理后，通过CAN通讯网络上传至数据监测中心进行处理，再通过以太网发送至客户端。通过互联网，人员定位系统将具有远程浏览的功能。

图2 矿山井下六大避险系统

3.2 热电厂自动化系统

热电厂发电的基本流程为化学制水—锅炉—输煤—除渣除尘—发电。主要输出产品有输送地压蒸汽至选厂，往公司内部各部门输送电。司家营铁矿热电厂现有一套自动化控制系统，主要包括锅炉燃烧系统、锅炉汽水系统、炉膛吹扫、锅炉MFT首出、减温减压系统、给水除氧系统、循环水泵房系统、热网采暖换热站、热力系统、参数表、报警画面等。该系统主要实现了对供水温度、回水温度、热量、流量、蒸汽压力及设备运行状态的监测。

3.3 尾矿库监测系统

矿山建立了尾矿库在线监测系统，主要实现了尾矿库降雨量、水位、浸润线、变形位移等指标的实时监测、调度指挥中心实时查看、Web查询报表分析等功能，从宏观上实时控制、监督、指挥调度，微观上实时监控尾矿库的安全运行，从安全监测技术和安全管理的角度消除了尾矿库的安全隐患。同时充分利用现有的视频监控系统与无线广播系统，实时监控尾矿库情况，发生紧急情况时可采取相应的应急措施。

4 数字矿山建设措施

(1)优化信息化平台。将物联网技术充分运用于建设矿山信息管理系统，将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网相连接，实现智能化识别和管理。依托云计算技术，将多个矿山综合监控管理统一平台的数据进行交互共享。上述技术的实现还应对现有的机房进行升级改造，提高网络的安全系数。

(2)优化自动化控制系统。矿山生产自动化系统包括数据的自动采集、通讯、分析、决策与控制等多个环节。矿业公司各矿山生产自动化系统主要包括外委车辆GPS定位系统、汽车燃油消耗监测系统、卡车装载运输计量系统、露天边坡监测系统、地压与爆破震动监测系统、无人值守供电系统、无人值守皮带运输系统、无人值守排水系统、安环监测监控系统、采场视频监控、卡调系统、选矿自动化系统。改进措施有：①建立无人值守皮带运输系统，通过安装高清摄像头，采用监测装置防治皮带跑偏、打滑、撕裂、堵漏，实现皮带自动纠偏、皮带机断带保护、语音报警等功能，提高生产效率，降低生产成本；②司家营铁矿、研山铁矿露天采矿待最终边帮形成后，可修建固定的水泵房、排水系统，实现排水无人值守。

(3)升级技术管理平台。矿山技术管理平台建设以矿产资源、采选工艺、采矿工程、计划编制三维可视化动态管理为主要目标。目前数字采矿软件主要应用于司家营矿区地质建模，但除司家营铁矿外，其他矿山都未应用已建立的模型及3Dmine数字采矿软件。建议其他矿山引进该软件实现对地质勘探、矿山生产设计、矿山测量与生产计划编制的三维可视化与管理；引进矿山技术经济指标管理系统，以便对矿山资源进行经济动态评价，建立量、本、利、安全、环保五位一体的矿山技术经济动态评级体系，为企业经营决策提供强大的技术支撑。

(4)改进生产管理平台。矿山已基本完成了井下安全避险六大系统、卡调、计量、品位检测、通风、排水、选厂自动化等系统的建设，但各系统建设相对独立，建议引进矿山平行系统，对矿山各系统进行集成，构建矿业公司、矿山2级平行的应用系统。

5 数字矿山发展趋势

(1)实现远程遥控采矿和自动化采矿。随着制造业成本的上升，机器人产品价格的不断下降，使得以在危险地区自主方式工作为特征的机器人自动化采矿展现出现实可行性，将电子技术与机械技术相结合，将工业机器人应用于生产，实现远程遥控机器人采矿，通过自动化控制系统和视频监控系统，实时掌握遥控机器人采矿情况以及矿井设备的运行情况，可大大提高生产效率。

(2)构建数字矿山的同时，实现安全、高效、可持续开采，朝着构建和谐矿山、绿色矿山的方向迈进。遵循科技进步、改进生产工艺、不断提高资源利用水平和环境保护水平的理念，将数字矿山与绿色矿山高度互联，将在我国环境保护的实践中发挥积极作用。

6 结 语

数字矿山建设的最终目标是实现矿山真正安全、高效、经济开采，既能满足人类对矿产资源的需求，又能适应生态、环境的承载力，达到可持续发展的目标。依托数字矿山技术，河北钢铁集团矿业公司形成了矿山数字化建设的顶层设计，并全面推进数字矿山建设，相继建成了信息化平台、自动化控制平台、企业管理平台，使得矿山的安全生产和经营管理呈现出安全、高效、可持续发展的局面。通过对该公司数字矿山的阶段性成果进行深入分析，为类似矿山提高数字化建设水平提供参考。

[1] 朱 超，吴仲雄，张诗启．数字矿山的研究现状和发展趋势[J]．现代矿业，2010(2)：25-27

[2] 金茂箐，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展态势分析[J].机器人应用与技术，2001(2)：6-8.

[3] 梁 宵，袁艳斌，张 帆，等．数字矿山应用及其现状研究[J].中国矿业，2010(9)：94-97．

[4] 孙豁然，徐 帅.论数字矿山[J].金属矿山，2007(2)：4-8.

Planning and Design of the Digital Mine Construction of Hebei Iron and Steel Mining Company

Yang Nan1Wang Lei2Wang Yadong1

(1.Mine Design Co.,Ltd.，Hebei Iron & Steel Group ;2.Sijiaying Yanshan Iron Mine Co.,Ltd.,HebeiIron & Steel Group)

Digital mine is the concrete application of digital earth concept and technology in mine exploration, development and production management, is a new mode of mining management. The overall planning and design digital mine of Hebei iron and steel mining company are introduced in detail, and the achievements already obtained is discussed, besides that,the development trend of digital mine in the future is also analyzed so as to provide guidance to the subsequent digitization construction of mines.

Digital mine, Digital Earth, Planning and design, Development trend

2015-04-13)

杨 楠(1985—)，女，助理工程师，063000 河北省唐山市滦县。