楊 楠 王 磊 王亞東

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司；2.河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司)

·地質(zhì)·測量·

河北鋼鐵礦業(yè)公司數(shù)字礦山建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

楊 楠1王 磊2王亞東1

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司；2.河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦有限公司)

數(shù)字礦山是數(shù)字地球理念及技術(shù)在礦山勘探、開發(fā)及生產(chǎn)管理中的具體應(yīng)用，是礦山開采與管理的新模式。詳細(xì)分析了河北鋼鐵礦業(yè)公司數(shù)字礦山建設(shè)的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)及取得的階段性成果，并闡述了數(shù)字礦山未來的發(fā)展趨勢，為該公司礦山的后續(xù)數(shù)字化建設(shè)提供參考。

數(shù)字礦山 數(shù)字地球 規(guī)劃設(shè)計(jì) 發(fā)展趨勢

隨著全球化知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，信息技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)字化進(jìn)程加快推進(jìn)，給傳統(tǒng)礦業(yè)帶來了巨大的沖擊，數(shù)字礦山概念的提出，為礦山企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了技術(shù)保障[1-4]。部分礦山適應(yīng)時(shí)代需求，將數(shù)字礦山技術(shù)理念充分應(yīng)用于礦山生產(chǎn)建設(shè)過程中，已建成用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)環(huán)網(wǎng)和各種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用現(xiàn)代智能決策和控制理論，實(shí)現(xiàn)了礦山安全、高效、可持續(xù)發(fā)展。河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司自2008年9月組建成立以來，相繼建成ERP企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)、OA辦公系統(tǒng)、井下安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)、尾礦庫安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)并投入使用。通過對(duì)該公司數(shù)字礦山建設(shè)的整體設(shè)計(jì)以及取得的成果進(jìn)行分析，為類似礦山提供參考。

1 數(shù)字礦山定義

數(shù)字礦山的概念可以表述為3個(gè)層次：①礦山數(shù)字化信息系統(tǒng)；②反映真實(shí)礦山整體及相關(guān)現(xiàn)象的虛擬礦山；③無人礦井的遠(yuǎn)程遙控操作和自動(dòng)化采礦。數(shù)字礦山建設(shè)的實(shí)質(zhì)是在建立一個(gè)礦山信息模型，描述礦山中每一點(diǎn)的全部信息，并提供有效、方便和直觀的檢索手段和顯示手段，方便工程技術(shù)人員更快速、準(zhǔn)確地獲取礦山各方面的信息。

2 數(shù)字礦山建設(shè)內(nèi)容及總體規(guī)劃

2.1 數(shù)字礦山建設(shè)內(nèi)容

2.1.1 信息化

數(shù)字礦山建設(shè)與信息化建設(shè)及其維護(hù)高度相關(guān)。礦業(yè)公司及其子公司運(yùn)用了較為成熟的企業(yè)基礎(chǔ)管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)、工程項(xiàng)目管理系統(tǒng)及企業(yè)管理信息系統(tǒng)等。司家營鐵礦設(shè)立的生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，是全礦的生產(chǎn)指揮中心，負(fù)責(zé)組織、指揮、協(xié)調(diào)全礦各個(gè)車間、部門的生產(chǎn)關(guān)系。調(diào)度室指揮中心主要包括大屏幕系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、音響擴(kuò)聲系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)。生產(chǎn)車間主要由中控系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)組成。生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括了露天卡調(diào)系統(tǒng)、破碎自動(dòng)化系統(tǒng)、選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)等。

2.1.2 自動(dòng)化

信息化是現(xiàn)代化礦山的實(shí)質(zhì)，所有的信息都將以數(shù)字化的形式表現(xiàn)出來。河北鋼鐵礦業(yè)的新礦山自設(shè)計(jì)建設(shè)之初便建立了自動(dòng)化系統(tǒng)，應(yīng)用較為深入，擁有多個(gè)較為完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)間無法協(xié)同，不可避免地出現(xiàn)了在同一區(qū)域或者不同礦山間自動(dòng)化的孤島性。舊礦山將自動(dòng)化底層傳感器數(shù)據(jù)失真等現(xiàn)象逐一處理，例如機(jī)電檢修公司分別設(shè)有尾礦在線管理系統(tǒng)、燃油管理控制系統(tǒng)、以及巖土外運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)，各系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，但相互間獨(dú)立，形成孤島性。

2.2 總體規(guī)劃

數(shù)字礦山的總體思路是將礦山管理分為技術(shù)管理、生產(chǎn)管理、企業(yè)管理3個(gè)層面，建設(shè)藍(lán)圖分為經(jīng)營決策層、企業(yè)管理層、生產(chǎn)執(zhí)行層、自動(dòng)化過程控制層和設(shè)備作業(yè)層等5個(gè)層面，同時(shí)對(duì)應(yīng)了信息化基礎(chǔ)平臺(tái)、安全生產(chǎn)自動(dòng)化控制平臺(tái)、礦山技術(shù)管理平臺(tái)、礦山生產(chǎn)管理平臺(tái)、企業(yè)管理平臺(tái)、企業(yè)決策支持平臺(tái)等6個(gè)平臺(tái)的建設(shè)，礦業(yè)公司信息化建設(shè)的重點(diǎn)在經(jīng)營決策層與企業(yè)管理層，礦山信息化建設(shè)的重點(diǎn)在生產(chǎn)執(zhí)行層、過程控制層與設(shè)備作業(yè)層，并實(shí)現(xiàn)與企業(yè)管理層的銜接。顧及到集團(tuán)公司、礦業(yè)公司、礦山、采區(qū)上下關(guān)系層級(jí)較多，于是采用多級(jí)部署的方式，充分體現(xiàn)了多級(jí)的資源優(yōu)勢，根據(jù)多級(jí)的不同職能進(jìn)行管理與建設(shè)定位。利用生產(chǎn)調(diào)度與通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)控，利用各級(jí)礦山平行系統(tǒng)、MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與礦業(yè)公司ERP銜接，利用MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)各級(jí)職能的分工與定位，利用礦山平行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)管理、安環(huán)管理、調(diào)度指揮、應(yīng)急指揮的信息化，提高了礦山的生產(chǎn)管理水平與指揮調(diào)度水平。礦業(yè)公司數(shù)字礦山建設(shè)總體規(guī)劃見圖1。

圖1 數(shù)字礦山總體規(guī)劃

3 數(shù)字礦山建設(shè)成果

3.1 安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)

河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司所屬的多個(gè)礦山均為井下開采或即將轉(zhuǎn)入井下開采，同時(shí)還將新建多座地下礦山，該類礦山地質(zhì)條件復(fù)雜，基建生產(chǎn)條件惡劣，給礦山的安全生產(chǎn)帶來了極大威脅，亟需建立礦山井下安全避險(xiǎn)信息系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山井下安全避險(xiǎn)信息系統(tǒng)由監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)組成?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山安全避險(xiǎn)信息體系(圖2)集井下環(huán)境參數(shù)監(jiān)測監(jiān)控、井下人員定位系統(tǒng)為一體。特點(diǎn)有：①智能型監(jiān)測監(jiān)控分站實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場設(shè)備及環(huán)境參數(shù)的可靠監(jiān)測及傳輸；②全隔離、高速CAN總線通訊實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)合一，不同系統(tǒng)間通過光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)采用千兆自愈光纖環(huán)網(wǎng)全面提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在井下光纖斷裂后，環(huán)網(wǎng)能夠在50 ms內(nèi)重新建立新的連接，保證通訊暢通；③自主開發(fā)的三維監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)，能夠直觀展示井下監(jiān)測數(shù)據(jù)；④人員定位分站、識(shí)別卡等設(shè)備的研制解決了井下人員定位精度低的問題，可及時(shí)掌握井下人員的分布情況。

井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)包括CO濃度監(jiān)測、風(fēng)速監(jiān)測、井下避難峒室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測等，現(xiàn)場采用多種傳感器對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行檢測，同時(shí)利用開發(fā)的專用接口采集采空區(qū)地表沉降和井下地壓監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，通過微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并利用通訊控制器將數(shù)據(jù)傳輸至井下CAN通訊網(wǎng)絡(luò)，最終傳輸至地面控制中心主機(jī)，主機(jī)具有數(shù)據(jù)顯示、傳輸、存儲(chǔ)、處理、打印、聲光報(bào)警、控制等功能。

人員定位系統(tǒng)采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)，能夠遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象。有源識(shí)別卡主動(dòng)間歇發(fā)射射頻識(shí)別信號(hào)，當(dāng)其進(jìn)入讀卡器的作用范圍時(shí)，讀卡器即檢測到該信號(hào)，其中包含了唯一的個(gè)人識(shí)別碼以及電池電量等信息。讀卡器將獲取的數(shù)據(jù)初步處理后，通過CAN通訊網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測中心進(jìn)行處理，再通過以太網(wǎng)發(fā)送至客戶端。通過互聯(lián)網(wǎng)，人員定位系統(tǒng)將具有遠(yuǎn)程瀏覽的功能。

圖2 礦山井下六大避險(xiǎn)系統(tǒng)

3.2 熱電廠自動(dòng)化系統(tǒng)

熱電廠發(fā)電的基本流程為化學(xué)制水—鍋爐—輸煤—除渣除塵—發(fā)電。主要輸出產(chǎn)品有輸送地壓蒸汽至選廠，往公司內(nèi)部各部門輸送電。司家營鐵礦熱電廠現(xiàn)有一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)，主要包括鍋爐燃燒系統(tǒng)、鍋爐汽水系統(tǒng)、爐膛吹掃、鍋爐MFT首出、減溫減壓系統(tǒng)、給水除氧系統(tǒng)、循環(huán)水泵房系統(tǒng)、熱網(wǎng)采暖換熱站、熱力系統(tǒng)、參數(shù)表、報(bào)警畫面等。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)供水溫度、回水溫度、熱量、流量、蒸汽壓力及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。

3.3 尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)

礦山建立了尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)了尾礦庫降雨量、水位、浸潤線、變形位移等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、調(diào)度指揮中心實(shí)時(shí)查看、Web查詢報(bào)表分析等功能，從宏觀上實(shí)時(shí)控制、監(jiān)督、指揮調(diào)度，微觀上實(shí)時(shí)監(jiān)控尾礦庫的安全運(yùn)行，從安全監(jiān)測技術(shù)和安全管理的角度消除了尾礦庫的安全隱患。同時(shí)充分利用現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)與無線廣播系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控尾礦庫情況，發(fā)生緊急情況時(shí)可采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

4 數(shù)字礦山建設(shè)措施

(1)優(yōu)化信息化平臺(tái)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分運(yùn)用于建設(shè)礦山信息管理系統(tǒng)，將所有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。依托云計(jì)算技術(shù)，將多個(gè)礦山綜合監(jiān)控管理統(tǒng)一平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互共享。上述技術(shù)的實(shí)現(xiàn)還應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的機(jī)房進(jìn)行升級(jí)改造，提高網(wǎng)絡(luò)的安全系數(shù)。

(2)優(yōu)化自動(dòng)化控制系統(tǒng)。礦山生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、通訊、分析、決策與控制等多個(gè)環(huán)節(jié)。礦業(yè)公司各礦山生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括外委車輛GPS定位系統(tǒng)、汽車燃油消耗監(jiān)測系統(tǒng)、卡車裝載運(yùn)輸計(jì)量系統(tǒng)、露天邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、地壓與爆破震動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)、無人值守供電系統(tǒng)、無人值守皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、無人值守排水系統(tǒng)、安環(huán)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、采場視頻監(jiān)控、卡調(diào)系統(tǒng)、選礦自動(dòng)化系統(tǒng)。改進(jìn)措施有：①建立無人值守皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，通過安裝高清攝像頭，采用監(jiān)測裝置防治皮帶跑偏、打滑、撕裂、堵漏，實(shí)現(xiàn)皮帶自動(dòng)糾偏、皮帶機(jī)斷帶保護(hù)、語音報(bào)警等功能，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；②司家營鐵礦、研山鐵礦露天采礦待最終邊幫形成后，可修建固定的水泵房、排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)排水無人值守。

(3)升級(jí)技術(shù)管理平臺(tái)。礦山技術(shù)管理平臺(tái)建設(shè)以礦產(chǎn)資源、采選工藝、采礦工程、計(jì)劃編制三維可視化動(dòng)態(tài)管理為主要目標(biāo)。目前數(shù)字采礦軟件主要應(yīng)用于司家營礦區(qū)地質(zhì)建模，但除司家營鐵礦外，其他礦山都未應(yīng)用已建立的模型及3Dmine數(shù)字采礦軟件。建議其他礦山引進(jìn)該軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)勘探、礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)、礦山測量與生產(chǎn)計(jì)劃編制的三維可視化與管理；引進(jìn)礦山技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)管理系統(tǒng)，以便對(duì)礦山資源進(jìn)行經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，建立量、本、利、安全、環(huán)保五位一體的礦山技術(shù)經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)評(píng)級(jí)體系，為企業(yè)經(jīng)營決策提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

(4)改進(jìn)生產(chǎn)管理平臺(tái)。礦山已基本完成了井下安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)、卡調(diào)、計(jì)量、品位檢測、通風(fēng)、排水、選廠自動(dòng)化等系統(tǒng)的建設(shè)，但各系統(tǒng)建設(shè)相對(duì)獨(dú)立，建議引進(jìn)礦山平行系統(tǒng)，對(duì)礦山各系統(tǒng)進(jìn)行集成，構(gòu)建礦業(yè)公司、礦山2級(jí)平行的應(yīng)用系統(tǒng)。

5 數(shù)字礦山發(fā)展趨勢

(1)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控采礦和自動(dòng)化采礦。隨著制造業(yè)成本的上升，機(jī)器人產(chǎn)品價(jià)格的不斷下降，使得以在危險(xiǎn)地區(qū)自主方式工作為特征的機(jī)器人自動(dòng)化采礦展現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)可行性，將電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人采礦，通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握遙控機(jī)器人采礦情況以及礦井設(shè)備的運(yùn)行情況，可大大提高生產(chǎn)效率。

(2)構(gòu)建數(shù)字礦山的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)安全、高效、可持續(xù)開采，朝著構(gòu)建和諧礦山、綠色礦山的方向邁進(jìn)。遵循科技進(jìn)步、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、不斷提高資源利用水平和環(huán)境保護(hù)水平的理念，將數(shù)字礦山與綠色礦山高度互聯(lián)，將在我國環(huán)境保護(hù)的實(shí)踐中發(fā)揮積極作用。

6 結(jié) 語

數(shù)字礦山建設(shè)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山真正安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采，既能滿足人類對(duì)礦產(chǎn)資源的需求，又能適應(yīng)生態(tài)、環(huán)境的承載力，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。依托數(shù)字礦山技術(shù)，河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司形成了礦山數(shù)字化建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)，并全面推進(jìn)數(shù)字礦山建設(shè)，相繼建成了信息化平臺(tái)、自動(dòng)化控制平臺(tái)、企業(yè)管理平臺(tái)，使得礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理呈現(xiàn)出安全、高效、可持續(xù)發(fā)展的局面。通過對(duì)該公司數(shù)字礦山的階段性成果進(jìn)行深入分析，為類似礦山提高數(shù)字化建設(shè)水平提供參考。

[1] 朱 超，吳仲雄，張?jiān)妴ⅲ當(dāng)?shù)字礦山的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2010(2)：25-27

[2] 金茂箐，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展態(tài)勢分析[J].機(jī)器人應(yīng)用與技術(shù)，2001(2)：6-8.

[3] 梁 宵，袁艷斌，張 帆，等．?dāng)?shù)字礦山應(yīng)用及其現(xiàn)狀研究[J].中國礦業(yè)，2010(9)：94-97．

[4] 孫豁然，徐 帥.論數(shù)字礦山[J].金屬礦山，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)

楊 楠(1985—)，女，助理工程師，063000 河北省唐山市灤縣。