劉佶林 譚碧峰

摘要：介紹了數(shù)字礦山技術(shù)的背景，以華聯(lián)鋅銦公司銅曼露天礦為例，闡述了數(shù)字礦山技術(shù)的發(fā)展歷程和應用現(xiàn)狀，對礦山當前面臨的問題進行分析并提出建議，展望了數(shù)字礦山技術(shù)今后一段時期的發(fā)展方向，為同行企業(yè)數(shù)字礦山建設工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：露天礦;數(shù)字礦山;礦業(yè)軟件;數(shù)字礦床模型;智能化

引 言

進入信息主導的21世紀，“數(shù)字化”已成為知識經(jīng)濟的重要標志[1]。信息技術(shù)的飛速發(fā)展給采礦業(yè)帶來了新機遇，礦山企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展方式正經(jīng)歷著從規(guī)模速度型粗放增長向質(zhì)量效率型集約增長轉(zhuǎn)變的過程。數(shù)字礦山是在測量、地質(zhì)、采礦、安全等各專業(yè)技術(shù)資料較為完備的基礎上，以礦產(chǎn)資源開發(fā)過程數(shù)字化信息為基礎，對資源、規(guī)劃、設計、生產(chǎn)和管理進行數(shù)字化的建模、仿真、評估和優(yōu)化，并持續(xù)應用于礦山生產(chǎn)全過程的新型礦山技術(shù)體系和生產(chǎn)組織方式。

云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司（下稱“華聯(lián)鋅銦公司”）位于云南省馬關(guān)縣都龍鎮(zhèn)，是云南錫業(yè)集團（控股）有限責任公司下屬的集采礦、選礦為一體的國有控股企業(yè)。華聯(lián)鋅銦公司旗下的銅街—曼家寨露天礦（下稱“銅曼露天礦”）屬國內(nèi)大型有色金屬露天礦山，盛產(chǎn)錫、鋅、銅、鎢、銀和銦等礦產(chǎn)，資源豐富、種類繁多。

銅曼露天礦年采剝總量超過3 500萬t，裝備了國內(nèi)外先進大型鏟裝、運輸設備。在數(shù)字礦山建設方面，已初步建立了三維礦床模型、卡車調(diào)度系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等模塊，為進一步的數(shù)字礦山建設工作打下了基礎。但是在追求質(zhì)量效益型增長的浪潮中，華聯(lián)鋅銦公司面臨著安全生產(chǎn)、礦產(chǎn)資源高效利用、綠色環(huán)保、大型裝備生產(chǎn)效率提升等諸多方面的挑戰(zhàn)，因此亟需通過數(shù)字礦山技術(shù)的開發(fā)應用來解決生產(chǎn)、管理及與外部系統(tǒng)協(xié)同等方面的問題。

1 華聯(lián)鋅銦公司數(shù)字礦山建設發(fā)展歷程

歷年來華聯(lián)鋅銦公司在礦山地質(zhì)建模、三維軟件應用、智能化管理系統(tǒng)等數(shù)字礦山建設工作方面進行努力和嘗試，并取得了較為豐碩的成果。2005年，華聯(lián)鋅銦公司率先引進國外先進的Surpac軟件，采用三維礦業(yè)軟件進行輔助設計，對銅曼露天礦的主要礦體建立了地質(zhì)模型并投入使用?；赟urpac軟件建立的礦體地質(zhì)模型見圖1。

2008年，華聯(lián)鋅銦公司應用了更符合國內(nèi)用戶操作習慣的國產(chǎn)三維礦業(yè)軟件3DMine，建立了更為翔實的銅曼露天礦三維地質(zhì)模型，直觀地呈現(xiàn)礦床、地形、礦山工程的三維空間關(guān)系，為三維采礦設計提供基礎，實現(xiàn)技術(shù)管控效率與水平的提升?；?DMine軟件建立的礦區(qū)地質(zhì)模型見圖2。由于2012年地質(zhì)模型建模完成后未對模型動態(tài)更新，隨著勘探程度的提升，礦體形態(tài)、礦石品質(zhì)均發(fā)生較大變化，地質(zhì)模型精確度和可靠性逐漸降低，后逐漸停止使用。

2014年，華聯(lián)鋅銦公司應用露天礦山卡車調(diào)度系統(tǒng)（見圖3），按照“最優(yōu)路徑-車流規(guī)劃-實時調(diào)度”的優(yōu)化調(diào)度理論和方法，結(jié)合礦山生產(chǎn)調(diào)度方法及管理經(jīng)驗，對所有礦用工程設備實行優(yōu)化調(diào)度，降低了生產(chǎn)成本和能源消耗，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。

2017年，華聯(lián)鋅銦公司系統(tǒng)地完成了銅曼露天礦三維地質(zhì)模型重建（見圖4），初步實現(xiàn)礦床三維地質(zhì)建模、儲量計算與動態(tài)管理、采礦設計等工作的數(shù)字化，為實現(xiàn)礦產(chǎn)資源的綜合利用和生產(chǎn)方案優(yōu)化決策，探索適合華聯(lián)鋅銦公司數(shù)字礦山發(fā)展的模式提供了參考。

2 數(shù)字礦山技術(shù)應用及成效

近年來，華聯(lián)鋅銦公司不斷探索和利用數(shù)字礦山技術(shù)，以三維礦床模型、三維礦業(yè)軟件平臺（3DMine）為基礎，綜合運用現(xiàn)代信息技術(shù)、自動控制技術(shù)，結(jié)合先進的管理理念，以構(gòu)建安全、高效、經(jīng)濟的智能礦山為最終目標，在地質(zhì)資源管理、計劃管理、生產(chǎn)過程管理、安全生產(chǎn)保障及生產(chǎn)經(jīng)營信息管理等方面初步實現(xiàn)了數(shù)字化、信息化、自動化。

2.1 數(shù)字礦山技術(shù)的應用

數(shù)字礦山技術(shù)應用主要以三維地質(zhì)礦床模型為基礎，結(jié)合其他關(guān)鍵信息構(gòu)造虛擬礦山[2]，借此完成礦山開采計劃編制、穿孔爆破設計、安全應急預案等工作，對礦山資源綜合利用、減少采礦損失貧化、生產(chǎn)組織優(yōu)化等具有重要意義?；跀?shù)字礦山技術(shù)及三維礦業(yè)軟件平臺，華聯(lián)鋅銦公司在銅曼露天礦開展了中長期生產(chǎn)規(guī)劃、邊坡穩(wěn)定性分析、數(shù)字化配礦等研究工作。

2.1.1 中長期生產(chǎn)規(guī)劃

根據(jù)礦山的生產(chǎn)能力，如何科學合理地開采一個礦床，確定每個時期工作幫的推進位置，合理確定露天礦開采工程的時空順序關(guān)系，是中長期生產(chǎn)規(guī)劃的重要研究內(nèi)容[3]。在三維礦業(yè)軟件平臺下，采用圖論算法定義經(jīng)濟模型后，輸入經(jīng)濟與技術(shù)參數(shù)，可生成最優(yōu)化境界模型及相應圖形與數(shù)值結(jié)果（見圖5），為露天采場設計提供參考。

該模塊以數(shù)字礦床模型為基礎，以實現(xiàn)全境界開采凈現(xiàn)值最大為目標，通過對境界內(nèi)工作幫組成的空間約束，對采剝礦巖按生產(chǎn)時期進行空間位置劃分，自動生成采剝計劃最優(yōu)方案。其原理是通過對塊體模型攜帶的空間、品位等屬性按幾何約束的錐體集合進行組合，并搜索各組合中品位最小值進行排除，使境界范圍逐步減小，形成境界開采現(xiàn)狀系列，然后對現(xiàn)狀系列的開采凈現(xiàn)值進行動態(tài)規(guī)劃算法尋優(yōu)，最終得出符合開采凈現(xiàn)值最大為目標的全境界采剝計劃。

2.1.2 排土運輸規(guī)劃

提高排土工作效率、降低排土運輸成本，是提高露天礦經(jīng)濟效益十分重要的環(huán)節(jié)[4]。當?shù)V山的采剝計劃制定后，每個時期巖土剝離位置剝離量就隨之確定，但是，對于每個時期巖土運輸?shù)穆肪€及巖土排放到排土場哪個位置最優(yōu)的問題，還需通過排土運輸規(guī)劃來確定。利用數(shù)字礦山技術(shù)，可以對剝離物可能的運輸路線及其在排土場內(nèi)的堆置方式，按最小運輸功進行整體優(yōu)化計算，從而獲得以排土運輸功最小為目標函數(shù)的最優(yōu)理論方案，找到排土費用最優(yōu)的區(qū)域及對應的運輸路線。銅曼露天礦利用數(shù)字礦山技術(shù)建立的排土運輸規(guī)劃模型見圖6。

2.1.3 露天采場設計

基于三維礦業(yè)軟件平臺，可以完成露天采礦設計的絕大部分工作。在生產(chǎn)現(xiàn)狀模型上，可以快速進行各種斜坡道與開段溝、排土場、最優(yōu)運輸路徑的設計與計算，自動計算礦巖量、品位，實現(xiàn)分礦種、分臺階單獨計算與匯總，還可以根據(jù)需要進行動態(tài)調(diào)整，快速更新露天現(xiàn)狀模型。所有的設計和計算結(jié)果可以直接與打印模塊關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)設計、計算、制圖、報告流程化。

三維礦業(yè)軟件平臺的露天爆破設計模塊（見圖7）具有方便快捷的孔網(wǎng)參數(shù)選擇，可以快速完成炮孔設計，模擬顯示裝藥和填塞效果，生成炸藥用量報告，按照爆破方式和雷管延遲時間進行聯(lián)網(wǎng)爆破模擬，以及爆破效果和時差分析。

2.1.4 邊坡穩(wěn)定性分析

銅曼露天礦東幫邊坡穩(wěn)定性問題，一直困擾和制約著安全生產(chǎn)。一般情況下，提高邊坡穩(wěn)定性最有效的手段之一是減緩采場邊坡角。但是，減緩邊坡角，必然會增加剝離費用，影響開采的經(jīng)濟效益[5]。因此，境界收益與邊坡風險存在此消彼長的關(guān)系。充分利用三維模型和三維礦業(yè)軟件，在安全性和經(jīng)濟性之間找到一個平衡點，既能保證邊坡的穩(wěn)定，又能保證經(jīng)濟性。在生產(chǎn)階段采取必要風險控制措施應對邊坡變化帶來的風險，是一個很值得深入研究的課題。

2.1.5 邊界品位優(yōu)化及敏感性分析

數(shù)字礦山技術(shù)的發(fā)展和普及，使得地質(zhì)統(tǒng)計學、礦產(chǎn)經(jīng)濟學等理論的應用實現(xiàn)了程序化，為銅曼露天礦在原有成果基礎上進一步提升綜合邊界品位管理和應用水平、實現(xiàn)資源綜合利用的精細化管理提供了新的解決方案，使邊界品位優(yōu)化工作從提高礦床塊體資料的準確性、相關(guān)經(jīng)濟指標的動態(tài)分析與預測等方面得到改善（見圖8）。

2.1.6 數(shù)字化配礦

銅曼露天礦將礦山現(xiàn)行的經(jīng)驗法、試湊法等配礦方法科學合理化、程序化，建立生產(chǎn)配礦數(shù)學模型，研究出靈活、有效、實用的配礦方法，開發(fā)了適用于銅曼露天礦的配礦優(yōu)化程序（見圖9），以3DMine模型、設計規(guī)劃數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)生產(chǎn)計劃指標快速制定生產(chǎn)配礦計劃，大大提高配礦技術(shù)工作效率。

2.1.7 儲量計算與礦石質(zhì)量預報

利用三維礦業(yè)軟件中的塊段法和斷面法進行資源儲量估算（見圖10），完全符合中國的儲量分級計算標準，可有效減少工程技術(shù)人員野外實測、室內(nèi)計算的工作量，提高工作效率。

通過礦粉數(shù)據(jù)庫生成的爆區(qū)質(zhì)量預報圖表，可以根據(jù)不同的品位區(qū)間，快速生成爆區(qū)實體模型，報告品位、礦石量等信息。借助三維礦床模型，可以顯示采場生產(chǎn)現(xiàn)狀面上任意一點的礦石品位信息并按需要進行分類顯示，現(xiàn)場技術(shù)人員可快速區(qū)分采場區(qū)塊礦石品位高低、礦體號、儲量級別等信息，提高現(xiàn)場技術(shù)工作效率。

三維礦業(yè)軟件和三維礦床模型為其他更深層次的研究提供了基礎，以往許多需要手工計算的數(shù)據(jù)，可通過三維模型和軟件進行計算，極大地提高了計算效率。此外，以優(yōu)化生產(chǎn)要素配置為目的，建立與銅曼露天礦生產(chǎn)實際相符的數(shù)學模型，開發(fā)相關(guān)的配套計算軟件，開展對已知資源信息的分析計算，是現(xiàn)階段銅曼露天礦極具實用價值的研究內(nèi)容。

2.2 數(shù)字礦山技術(shù)應用效果

2.2.1 技術(shù)經(jīng)濟效益

1）提高技術(shù)工作效率。傳統(tǒng)手工方法圈定礦體、儲量估算、品位計算，以及繪制各類平面圖、剖面圖等圖件，速度慢、精度低，質(zhì)量因人而異，隨機性大[6]，基于三維礦業(yè)軟件可快速完成剖面圖、平面圖繪制，快速報告資源儲量，大幅提升工作效率和計算精度。礦山企業(yè)可根據(jù)市場變化情況進行礦產(chǎn)資源經(jīng)濟分析，及時對現(xiàn)有資源狀況進行重新評價并調(diào)整生產(chǎn)經(jīng)營方向。同時，資料數(shù)據(jù)的動態(tài)查詢、快速成圖、動態(tài)報表等礦山生產(chǎn)管理工作，均可以通過數(shù)字礦山技術(shù)高效完成，降低日常管理、技術(shù)工作的勞動強度，大幅提高技術(shù)工作效率。

2）奠定地質(zhì)綜合分析基礎。礦山數(shù)據(jù)庫的建立，將鉆孔勘探資料集成管理，為地質(zhì)找礦綜合分析研究、勘查設計提供基礎依據(jù)。礦體、巖體、構(gòu)造等三維地質(zhì)模型的應用，為地質(zhì)成礦規(guī)律研究、盲礦體及廢石資源預測等綜合分析工作奠定了基礎。

3）資源得到充分回收利用。實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的動態(tài)管理和多目標規(guī)劃，降低采礦損失率和礦石貧化率。配合精細化采礦工作，將現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟條件下能產(chǎn)生經(jīng)濟效益的超低品位礦石（廢石資源）采出，經(jīng)跳汰回收工藝富集后供給選廠，提高礦產(chǎn)資源利用率。

4）三維坑道及采空區(qū)模型的應用，有效預防工程設備陷落采空區(qū)，保障設備運行安全，節(jié)省設備維修成本;作穿孔爆破工作的“偵察兵”，方便及時調(diào)整爆破參數(shù)，改善爆破效果;資源儲量管理中，可作為核減坑道和采空區(qū)資源量的重要依據(jù)，使儲量信息更為精準。

5）三維礦床模型有助于查明礦體品位組分的空間分布規(guī)律，提高礦山建設的可預見性，減少生產(chǎn)鉆孔、探礦坑道工程量，節(jié)約生產(chǎn)探礦投資。

2.2.2 社會效益

1）科學、合理、充分利用礦石資源，降低礦石貧化率，減少礦石流失，延長礦山服務年限，有助于保障礦山與社會環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，規(guī)避或化解社會風險，為區(qū)域經(jīng)濟創(chuàng)造利稅，發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟。

2）通過三維模型優(yōu)化采剝設計，降低采礦損失率與礦石貧化率，減少廢石排放量;合理利用排土場，減少土地壓覆面積，保護綠色植被。

2.3 后續(xù)工作建議

1）建立良好的管理機制，合理應用數(shù)字礦山技術(shù)成果。大力推廣數(shù)字礦山技術(shù)，加強軟件的培訓、學習，提高工程技術(shù)人員對相關(guān)三維礦業(yè)軟件的熟練程度。

2）專人負責管理、更新、維護三維地質(zhì)模型。地質(zhì)模型建立后，更為重要的是模型的維護與更新，因為隨著勘探控制程度的不斷提高和露天采場的不斷剝離，礦區(qū)的礦體產(chǎn)狀、形態(tài)、規(guī)模、礦石品質(zhì)等均可能發(fā)生較大的變化，因此對數(shù)據(jù)庫、三維模型進行動態(tài)更新必須作為日常工作穩(wěn)步開展。

3）由于鉆孔數(shù)據(jù)庫、三維模型的數(shù)據(jù)量大，對電腦配置要求高，應適當提升計算機硬件配置。

4）隨著數(shù)據(jù)不斷更新完善、各專業(yè)模塊的健全，搭建礦山三維管控平臺，將各生產(chǎn)系統(tǒng)進行集成搭建，將設備、生產(chǎn)和監(jiān)控信息與真三維環(huán)境相結(jié)合，實現(xiàn)礦山三維可視化條件下的生產(chǎn)管理，進一步提升華聯(lián)鋅銦公司數(shù)字礦山建設進程。

3 展 望

21世紀，礦業(yè)行業(yè)將以“構(gòu)建智能模式”全新理念，實現(xiàn)資源與開采環(huán)境數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過程控制可視化、信息傳輸網(wǎng)絡化、生產(chǎn)管理與決策科學化[7]。無論是《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020）》還是《中國制造2025》，智能化均被重點提及，智能化將是礦山行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然之路。

數(shù)字礦山建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，為了達到預期的建設目標，產(chǎn)品如何規(guī)劃構(gòu)建、如何經(jīng)濟實施、建成以后如何有效地發(fā)揮其相應作用，是數(shù)字礦山建設的重點也是難點。如何提高數(shù)字化水平、推進數(shù)字化進程是企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略問題之一，既要避免企業(yè)信息化工作落伍而使企業(yè)跌入數(shù)字化“荒漠”，又要避免企業(yè)陷入數(shù)字化“陷阱”。礦山企業(yè)尤其不能盲目跟風，必須按照提高企業(yè)競爭力和發(fā)揮現(xiàn)有資產(chǎn)、資源價值的大原則來統(tǒng)籌考慮企業(yè)信息化工作，多點聯(lián)動、長短結(jié)合、重點突破、注重實效，逐步推進企業(yè)的信息化工作。

4 結(jié) 語

華聯(lián)鋅銦公司作為數(shù)字礦山建設的“先行者”，在數(shù)字礦山建設探索方面取得的一些經(jīng)驗，可為同行企業(yè)的數(shù)字礦山建設工作提供借鑒。著眼當前，華聯(lián)鋅銦公司的數(shù)字礦山建設工作要布局遠景，目前對遠景影響最大的工作是信息共享與管理平臺的建立。在銅曼露天礦已基本具備數(shù)字化、信息化基礎的條件下，進一步提升已有系統(tǒng)的效能，以特定功能的計算機軟件為載體、以礦山生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化決策為目的開展開發(fā)與應用將是下一階段的重要工作內(nèi)容，涵蓋軟件的開發(fā)與升級、相關(guān)工作流程的建立與完善、工作班子的搭建與調(diào)整等工作?？紤]到信息技術(shù)、人工智能等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展迅猛，華聯(lián)鋅銦公司的數(shù)字礦山建設在一定時期內(nèi)會“永遠在路上”。

數(shù)字礦山技術(shù)雖不是解決礦山生產(chǎn)問題的“萬能鑰匙”，卻是目前華聯(lián)鋅銦公司發(fā)展方式轉(zhuǎn)型過程補齊短板最重要的抓手，也為徹底打破僅憑經(jīng)驗和局部信息來指導生產(chǎn)的局面，提供了全新的思路和方案。新時代、新常態(tài)下，包括華聯(lián)鋅銦公司在內(nèi)的礦山企業(yè)必須站在新的高度去探索和開發(fā)數(shù)字礦山技術(shù)，高效開發(fā)利用有限的礦產(chǎn)資源，才能取得礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新的重大突破。

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