田 鵬

(湖南宏業(yè)石膏礦業(yè)有限公司，湖南 常德市 415300)

1 中小礦山數(shù)字化發(fā)展歷程

1.1 我國(guó)中小型礦山發(fā)展現(xiàn)狀

截至2012年，我國(guó)共有非油氣持證礦山企業(yè)103795個(gè)，其中，大型礦山企業(yè)3913個(gè)，中型礦山企業(yè)5563個(gè)，小型礦山企業(yè)52543個(gè)，小礦(規(guī)模不超過小型礦山企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模上限1/10的礦山企業(yè))41776個(gè)[1]。

中小型礦山占據(jù)了我國(guó)礦山企業(yè)的大多數(shù)，在我國(guó)礦業(yè)生產(chǎn)中舉足輕重。這是因?yàn)槲覈?guó)礦產(chǎn)資源分布不平衡，大中型礦床少，小型礦床多，還有許多薄礦層、雞窩礦、構(gòu)造復(fù)雜的小礦體和邊角礦，這些礦體由于礦床地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、儲(chǔ)量小、礦層薄、品位低、礦體零散分布、開采難度大、成本高、無法進(jìn)行機(jī)械化開采[2]。

如何開發(fā)利用好這些邊緣零星的、寶貴的、不可再生的礦產(chǎn)資源？這一重要責(zé)任不可避免地落在了中小型礦山身上，一方面有利于礦產(chǎn)資源的充分有效利用，另一方面為農(nóng)村安排剩余勞動(dòng)力，給農(nóng)民脫貧致富、就地就業(yè)提供了出路。

1.2 國(guó)家政策

黨的十九大報(bào)告明確指出，毫不動(dòng)搖鼓勵(lì)、支持、引導(dǎo)非公有制經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使市場(chǎng)在資源配置中起決定性作用，更好發(fā)揮政府作用，推動(dòng)新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展，主動(dòng)參與和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程，發(fā)展更高層次的開放型經(jīng)濟(jì)，不斷壯大我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國(guó)力。

由此可見，采礦行業(yè)正在由經(jīng)驗(yàn)型、傳統(tǒng)型向科學(xué)型、定量分析與處理、 自動(dòng)化控制方向發(fā)展，對(duì)于中小型礦山而言，通過技術(shù)改革達(dá)到國(guó)家政策的硬性指標(biāo)，成為其能否繼續(xù)生存的關(guān)鍵，同時(shí)，對(duì)于有能力的礦山，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，由機(jī)械化向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，進(jìn)行科學(xué)化管理，提高資源和設(shè)備的綜合利用率、降低能耗、提高生產(chǎn)安全性、降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化的根本目的。

1.3 數(shù)字礦山的發(fā)展情況

“數(shù)字礦山”的概念最早于1999 年首屆“國(guó)際數(shù)字地球 ”大會(huì)上被提出，此后，眾多礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛利用信息技術(shù)來改造和提升本國(guó)采礦業(yè)，先后制定了“智能化礦山”或“無人化礦山”的發(fā)展規(guī)劃，例如： 加拿大已制訂出一項(xiàng)擬在2050 年實(shí)現(xiàn)的規(guī)劃，將加拿大北部邊遠(yuǎn)地區(qū)的一個(gè)礦山實(shí)現(xiàn)為無人礦井，從薩得伯里通過衛(wèi)星操縱礦山的所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)破碎和自動(dòng)切割采礦；芬蘭采礦行業(yè)宣布了自己的智能采礦技術(shù)方案；瑞典也制定了向礦山自動(dòng)化進(jìn)軍的“Grountecknik 2000”戰(zhàn)略計(jì)劃，不僅變革了傳統(tǒng)礦業(yè)沿襲百年的生產(chǎn)工藝和組織管理模式,而且極大地提高了礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全水平[3-6]。

現(xiàn)在，遙控采礦、無人工作面甚至無人礦井等已在加拿大、瑞典、美國(guó)、智利、澳大利亞等國(guó)成為現(xiàn)實(shí)。智利的Teniente 銅礦，其自動(dòng)化采礦示范采區(qū)只有兩人在地表控制室操縱井下的智能設(shè)備，日出礦達(dá)1萬t。加拿大國(guó)際鎳公司實(shí)現(xiàn)了從400 km 以外的多倫多對(duì)地下鎳礦的采、掘、運(yùn)活動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。自動(dòng)化采礦徹底解決了礦山生產(chǎn)的安全問題，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，提高了設(shè)備工時(shí)利用率，大大降低了能耗，也會(huì)使礦工的社會(huì)地位發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變[6-9]。

有研究者將數(shù)字化礦山分為3個(gè)層次： 第一個(gè)層次是礦山數(shù)字化信息系統(tǒng)，這是初級(jí)階段；第二個(gè)階段是虛擬礦山，就是說，把真實(shí)礦山的整體以及和它相關(guān)的現(xiàn)象都能夠集成起來，通過數(shù)字化體現(xiàn)出來，借此來了解整個(gè)礦山的動(dòng)態(tài)運(yùn)作情況；第三個(gè)階段就是遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦[9]。

對(duì)于中小型礦山而言，是不可能一步到位直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦的，一方面資金投入難以達(dá)到要求，另一方面各類專業(yè)技術(shù)人才嚴(yán)重不足，也正是由于這個(gè)原因，實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字化變得極為重要，通過多維可視化、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使礦山圖紙由二維向三維轉(zhuǎn)變，一目了然將巷道的空間組成和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來，很好的展示了巷道之間、地表建筑之間的相互關(guān)系，可以使礦山管理人員快速的了解工作面現(xiàn)場(chǎng)的情況；有利于地下采空區(qū)規(guī)模、分布特征、穩(wěn)定性情況調(diào)查和分析；有利于加快新員工對(duì)礦山地下情況的熟悉，在安全培訓(xùn)中可以做到形象的展示；亦可以使周邊百姓以及政府官員直觀的了解到采空區(qū)的情況，更好的對(duì)中小型礦山進(jìn)行管理。

目前，國(guó)內(nèi)國(guó)外專業(yè)的礦業(yè)軟件很多[10-11]，但是，大多價(jià)格不菲、操作復(fù)雜，這對(duì)中小型礦山來說，成本過高，而且沒有專業(yè)的軟件工程師，后期維護(hù)難度大。美國(guó)的Auto CAD 在我國(guó)的市場(chǎng)占有率高、功能強(qiáng)大、技術(shù)成熟、可以很容易的獲取到，本文為了降低操作復(fù)雜程度，沒有使用二次開發(fā)工具，而是通過新版Auto CAD 中的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)三維建模，雖然降低了精度和準(zhǔn)確性，但是，所涉及到的操作都很簡(jiǎn)單基礎(chǔ)，即使從來沒有接觸過Auto CAD的人，通過短期培訓(xùn)也能夠達(dá)到所需的技術(shù)要求，考慮到許多中小型礦山基礎(chǔ)地質(zhì)資料不全和技術(shù)力量薄弱的現(xiàn)狀，基于《礦山資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告》和《礦山儲(chǔ)量年報(bào)》等資料，進(jìn)行塊段建模，難度小、投入少、見效快、簡(jiǎn)單實(shí)用，可以有效的解決一些采礦過程中遇到的問題，也為以后由CAD礦圖向GIS礦圖的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 Auto CAD在宏業(yè)礦的應(yīng)用

2.1 宏業(yè)礦情況簡(jiǎn)介

湖南宏業(yè)石膏礦業(yè)有限公司是一家集石膏開采、深加工、銷售于一體的礦山企業(yè)，公司旗下的宏業(yè)石膏礦距石門縣城約30 km，最高峰為100 m，石膏礦層呈層狀、似層狀產(chǎn)于第三系古新統(tǒng)中，房柱法開采，礦山水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、工程地質(zhì)條件中等，環(huán)境地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

2.2 數(shù)字化建設(shè)過程

2.2.1 地表數(shù)字化

將《礦山資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告》中的資源儲(chǔ)量估算圖用掃描儀掃描成JPEG格式，作為光柵圖像參照插入到Auto CAD 2018中,將圖像校正后，調(diào)整到合適的比例，建立圖層，矢量化地形底圖，進(jìn)行放樣，使地表地形三維可視化，然后通過面域、拉伸等命令繪制出其余的地物(見圖1)。

圖1 地表數(shù)字化

2.2.2 礦層及井巷工程數(shù)字化

關(guān)閉地表圖層后，建立一組新的圖層，將資源儲(chǔ)量估算圖上的底板等高線矢量化，通過放樣，繪制出礦區(qū)底板圖。

將資源儲(chǔ)量估算圖中各個(gè)儲(chǔ)量資源估算塊段進(jìn)行矢量化，按照各個(gè)塊段在資源儲(chǔ)量估算圖上給定的平均厚度繪制出頂板圖。

將資源儲(chǔ)量估算圖中的巷道、車場(chǎng)、采空區(qū)等井巷工程矢量化，通過面域、拉升、剖切等一系列命令繪制出地下井巷工程(見圖2)。

圖2 礦層及井巷工程數(shù)字化

2.2.3 后期修正

檢查繪制出的礦山模型有無錯(cuò)誤，按照實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行修改，使模型與現(xiàn)實(shí)更加吻合(見圖3)。

2.3 應(yīng)用效果

2.3.1 直觀性

很多中小型礦山位于村鎮(zhèn)中，許多礦工也是從周圍村鎮(zhèn)招收的，在對(duì)這些礦工進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，利用礦山數(shù)字化的成果，可以極大地降低教學(xué)成本，提高教學(xué)效果，使平面的礦圖立體化，就像從二維電影發(fā)展成3D電影，直觀性的提高可以使員工快速的了解井巷情況，熟悉避災(zāi)路線。老技術(shù)人員，可以加深對(duì)礦井三維結(jié)構(gòu)的了解，新技術(shù)人員，可以更加容易的建立起井下采掘工程的三維概念。

在處理礦群工作時(shí)，由于群眾大多看不懂礦圖，借助礦山數(shù)字化模型，可以讓周邊群眾很容易了解礦山當(dāng)前開采情況，采空區(qū)形狀和位置，礦山未來開采計(jì)劃，對(duì)構(gòu)建和諧礦區(qū)極為有利(見圖4)。

政府部門來檢查工作或礦領(lǐng)導(dǎo)在向公司匯報(bào)工作時(shí)，結(jié)合礦山數(shù)字化模型演示，展示井下情況，形象生動(dòng)，效果好。

圖3 后期修正

圖4 井上井下對(duì)照

2.3.2 效率性

傳統(tǒng)的手工繪圖速度慢、出圖周期長(zhǎng)、工作量大、成圖后難以修改，礦山數(shù)字化則解決了這些問題，尤其是對(duì)于重復(fù)性內(nèi)容，成圖出圖速度極大提高，修改亦很便捷，可以隨意調(diào)整比例，方便的進(jìn)行方案比選，短時(shí)間內(nèi)完成多種礦圖的設(shè)計(jì)、修改、成圖，進(jìn)行模擬開采和開采方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2.3.3 經(jīng)濟(jì)性

礦山的數(shù)字化建設(shè)全部通過計(jì)算機(jī)完成，擺脫了手工制圖所需要種種耗材，縮短了成圖時(shí)間，降低了工作強(qiáng)度，提高了準(zhǔn)確率，低碳環(huán)保，綜合成本低，對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益也明顯提高。

利用數(shù)字礦山可以對(duì)新方法、新工藝進(jìn)行模擬，以對(duì)新方法、新工藝的效果進(jìn)行評(píng)估，減少直接將新方法、新工藝用于礦山生產(chǎn)所帶來的損失，規(guī)避了決策的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.4 準(zhǔn)確性

在廣大中小型礦山中，技術(shù)人員十分缺乏，能看懂礦圖的人不多，而且，需要靠想象來建立采區(qū)井巷工程的空間位置，既不準(zhǔn)確，也容易出錯(cuò)，尤其是在地質(zhì)條件復(fù)雜，井巷工程繁雜的地段，對(duì)讀圖者的空間想象力要求很高。

礦山數(shù)字化使二維礦圖三維化,各采掘工程之間的位置關(guān)系形象、準(zhǔn)確，使技術(shù)人員能夠更好更準(zhǔn)確地了解井下巷道的空間布局，避免了通過主觀想象所帶來的各種問題；有利于高效進(jìn)行井巷設(shè)計(jì)，增加工作效率，降低決策成本，提高決策和管理科學(xué)化水平；交接班或進(jìn)行班前會(huì)議時(shí)，可以使礦工們更好地明白巷道現(xiàn)場(chǎng)，有利于布置任務(wù)(見圖5)。

利用《礦山儲(chǔ)量年報(bào)》等資料，進(jìn)行塊段建模，通過實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確地了解礦山儲(chǔ)量變化，更好地為企業(yè)決策提供依據(jù)。

圖5 局部采區(qū)

2.3.5 便捷性

原有的紙質(zhì)資料利用率低、容易污損，礦山數(shù)字化后，使得礦圖資料的復(fù)制、交流、利用變得更加方便，但也給資料的管理帶來了新的問題，既要防止數(shù)字化資料因隨意拷貝、誤操作、黑客、病毒等造成企業(yè)資料外泄，更要時(shí)刻保持更新，與礦山最新開采狀況保持動(dòng)態(tài)一致。

3 結(jié) 論

數(shù)字礦山是未來礦山的發(fā)展方向，雖然對(duì)中小礦山目前產(chǎn)生的影響并不明顯，但是潛力巨大，因此，宏業(yè)石膏礦積極利用信息化的手段，實(shí)現(xiàn)了礦圖數(shù)字化、可視化、三維化，對(duì)提高礦山的生產(chǎn)效率、經(jīng)營(yíng)效益和采空區(qū)管理具有積極意義，為礦領(lǐng)導(dǎo)決策提供了更加科學(xué)準(zhǔn)確的依據(jù)，提高了管理效率，對(duì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化管理帶來積極的影響。為其他中小型礦山數(shù)字化建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn) ，對(duì)以后全面建設(shè)數(shù)字化礦山具有重要意義。