地下矿山开采的智能化及其实施技术

ＩＳＳＮ　１ｏ０５—２７６３　ＣＮ４３—１２１５／　ｒＤ　矿业研究与开发第２７卷第３期　ＭＩＮＩＮＧ　Ｒ＆Ｄ，Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．３　２００７年６月　Ｊｕｎ．２００７　地下矿山开采的智能化及其实施技术　荆永滨，王李管，魏建伟，曾庆田，代碧波　（中南大学资源与安全工程学院，　湖南长沙４１００８３）　摘要：在开采信息数字化的基础上实现矿山开采的智能　化矿山技术计划。该计划的主要目的是通过实现硬　化，能够保证矿山的高效、低耗、安全生产，是矿山企业的发　展方向。分析了智能化矿山的概念，针对复杂的地下矿山的　岩露天矿和地下矿山的实时生产控制、矿山设备自　动化以及采用高新技术提高矿山生产效率和经济效　益。智能化矿山就是根据矿山历史信息、开采现场　信息和市场信息实时控制达到最优经济生产的自动　化高技术的露天矿和地下矿‘３　Ｊ。图ｌ为智能化矿山　的总体构架。　开采条件，在现有技术的基础上，提出了一套可行的、井下开　采智能化的解决方案。　关键词：智能矿山；综合通信；生产自动化；实时控制　中图分类号：ＴＤ８０３，ＴＤ６７９　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００５—２７６３（２ｏｏ７）０３—００４９—０４　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｌ　｝＝　＞［　垂　ｌ竺兰　兰　Ｉ　Ｊｉｎｇ　Ｙｏｎｇｂｉｎ，Ｗａｎｇ　Ｌｉｇｕａｎ，Ｗｅｉ　Ｊｉａｎｗｅｉ，　Ｚｅｎｇ　Ｑｉｎｇｔｉａｎ，Ｄａｉ　Ｂｉｂｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ，Ｃｈａｔｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｉｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｎ　ｅｎｓｕｒｅ　ａ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｌｏｗ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，　ＳＯ　ｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．Ｉｎ　ｔｉｓ　ｐａ—ｈ　厂—　三　＿—Ｆ　巳至亘　：］ｃ　｛兰兰鳖鳌錾堡耋萎竺竺ｌ　ｌ　！　竺竺竺兰！竺三！　（＝　集成化　亟五］　＝ｌ＝：＞厂—＞ｌ　　囊爵　戛甄‘磊　’　巍　啦１ｌ　人手　垂生产自　譬差统动调度　Ｉ　（重至五：］［：≥ｌ＝　嚣　轮　ｌｌ｛ｉ鬟　＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝　容釜　｝＝　＞［匿垂亘　智能化和无人矿山　图１智能化矿山的总体架构　ｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｉｇｅｎｔ　ｍｉｎｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｉｎｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｓｏｌｕ—　智能化的矿山的基本要素是：　（１）全矿信息与数据收集系统；　（２）高速双向全矿通讯与信息系统网络（实时　监测和控制）；　ｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｉｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒ－　ｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍｉｎｅ，Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔ—　ｗｏｒｋ，Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　（３）计算机化信息管理、矿山计划、控制和维修　系统；　随着矿山转入深部矿床开采，由于深井开采存　在着高地应力、高温的突出问题，使采矿作业遇到一　系列技术难题，要解决以上问题，关键是要建立和完　（４）与矿山信息网络联网的自动和遥控的机械　设备；　（５）与公共网络联网的通讯和监测系统。　善一套对矿井作业过程和环境状况进行系统科学的　实时动态监测、分析以及有效控制的技术体系，以数　２．１资源评估与开采计划　使用近来新兴的地理信息系统、三维可视化和　字化、信息化、虚拟化和集成化为基础，实现计算机　网络管理的管控一体化的智能化开采　］。　计算机辅助设计技术，能够使复杂的地质体和矿体　空间信息更容易理解，更容易使用。采用地质统计　学的插值方法，将地质结构和矿石品位分布直观的　显示在所建立的三维模型上。进而，指定区域的矿　２地下矿山智能化开采的技术实现　１　智能化矿山的概念　为了保持采矿业的竞争优势，芬兰提出了智能　收稿日期：２００５一ｌｌ－２９　作者简介：荆永滨（１９８１一），男，河南郑州人，硕士，主要从事矿山可视化分析研究，Ｅｍａｉｌ：ｃｓｕｊｙｂ＠２１ｃｎ．ｔｏｍ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

５０　矿业研究与开发　石储量通过地质统计工具计算得到。计算机辅助的　地质和岩石力学建模技术，提高矿区初始布置、支护　矿山的传感器采用适应井下特殊情况的基于Ｉｎｔｅｒ－　ｎｅｔ的嵌入式传感器技术，即在传统传感器的基础上　实现信息化、网络化、智能化和微型化，其核心是使　传感器本身实现ＴＣＰ／ＩＰ网络通信协议，将传感器　作为网络节点直接与计算机网络通信。　嵌入式传感器的一个重要特性就是即插即用功　能，即传感器节点连通后自动在系统中注册，这就保　证了井下监测监控系统的灵活性、可扩容性　Ｊ。　２．３构建井下综合通信网络　条件以及后续扩展的设计速度，从而降低投资费用。　目前，已有许多整合这些功能的商业软件包，例如：　Ｍｉｃｒｏｍｉｎｅ—Ｄａｔａｍｉｎｅ、Ｓｕｒｐａｃ、Ｍｉｎｅｓｉｇｈｔ。都可以用　来进行三维开采设计，地质体建模，资源评估和矿山　计划　引。　２．２快速准确的信息收集系统　与全部开采过程有关的信息的数字化，是实施　地下矿山智能化开采的基础，而开采现场信息的数　字化是难点，也是实施智能化监测、控制与调度的关　键。为此必须建立基于传感器技术的信息收集　系统。　传感器是井下监测、监控系统的神经末梢，是信　息获取终端。传感技术产生于多种技术，如：用视　频、激光、雷达、热成像来感知环境；机械、热力、核　能、光学、化学和电气传感来定义地质及矿物参量；　超声波感知空气质量。　智能矿山的主体部分是全矿范围内的、高速度、　大容量的双向通信网络，通称为井下综合通信网络。　２．３．１井下综合通信网络　井下综合通信网络具有以下３层含义：　（１）传输信息类型的综合性，即同一网络应能　够同时传输语音、图像、数据等各种信息，使语音、视　频、数据三网合一；　（２）通信接人方式综合：普通有线与无线接人　方式；　（３）能够实现直接、双向的ＴＣＰ＼ＩＰ网络通讯，　从而构建矿山井下Ｉｎｔｒａｎｅｔ，并通过网关接人Ｉｎｔｅｒ—　为了监测数据在网络的发布和共享，从而实现　矿山安全的远程监测，以网络为平台的远程专家事　故会诊，设备提供商的远程设备运行状况监测等功　能，进而把测控网和信息网有机的结合起来，智能化　ｎｅｔ。图２是综合通信网络的一个示例。　图２井下综合通信网络　维普资讯 http://www.cqvip.com

荆永滨，等：　地下矿山开采的智能化及其实施技术　５１　２．３．２漏泄电缆技术　统；计算机网络、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ访问、ＩＰ摄像机、ＩＰ电话和　人员设备追踪统一到一个网络。　２．４智能开采系统功能实现　移动通信在地下矿山开采中起着非常重要的作　用。目前，矿山井下移动通信方式主要有低频感应　通信，中频载波通信和超低频无线通信，然而它们都　由于这样或那样的局限性，用它们来构建井下综合　通信网络具有很大的难度和很高的成本。　漏泄电缆是一种外导体不屏蔽信号的同轴电　缆，能够在线缆长度方向均匀的发射或接受无线电　以覆盖全矿的传感器网络和大容量的综合通信　网络为基础，控制中心处理生产过程中产生的数据，　确保连续实时监控、生产优化、远程控制以及自动　运行。　２．４．１　人员和设备的定位跟踪系统　信号。用这种技术，移动设备即可在漏泄线缆的铺　设范围内传输信号到线缆或者接受线缆发出的信　号。线缆有特性阻抗及甚高频损失，无限信号发射　和接受的损失通过在线缆上每隔一定距离的放大器　来弥补。因此，使用漏泄电缆可以覆盖整个矿山，电　缆在巷道内的铺设总长度可以达到１００～２００　ｋｍ之　多　。　新兴的漏泄电缆系统能够提供多达６４个语音／　数据信道和２４个视频信道，系统安装简单，操作方　便，并且易于维护和扩展，只需经过培训的矿山人员　即可。　２．３．３工业以太网　目前应用的以太网定义了３种数据速率：１０　Ｍｂｐｓ一１０Ｂａｓｅ—Ｔ；１００　Ｍｂｐｓ一快速以太网；１０００　Ｍｂｐｓ一千兆以太网　．８　Ｊ。图３是一个典型的无线以　太网通信网络。　图３无线以太网通信网络　使用工业以太网作为通信骨干有以下好处：与　公共通信网络兼容；通过构建以：　网和ＴＣＰ／ＩＰ协　议，使得语音、视频和数据在一个网络上传送；能够　适应各种范围的通信系统速度；使得安全系统的安　装更快速，更方便，例如传感器和人员设备追踪系　人员、设备的定位跟踪系统包括硬件和软件两　部分。硬件主要包括标签和读卡器。标签用于传送　携带者ＩＤ号码，而读卡器主要用于记录这些．ＩＤ号　码，并将数据传送到中心办公室或主控室的ＰＣ机　上。标签通常集成在矿帽内或者固定在车辆和其它　设备上。读卡器安装在矿井人口处和井下巷道内，　当矿工或者车辆经过时，系统根据读卡器接收到的　标签ＩＤ报告其所在的位置，其定位精度取决于读卡　器之间的距离。人员、设备的定位跟踪系统软件主　要用于存储所有的记录情况和实时位置。软　件可提供给使用者分类、过滤、搜索和报告生成等功　能，并利用这些功能完成数据的实现和全面的记录，　从而有效组织生产和调度。　２．４．２远程控制和自动化　远程控制使得地下金属矿山大型无支护采场的　开采成为可能。辅助以远程视频监控，所有的开采　和生产操作都可以通过地表的控制中心来执行，包　括测量、开拓、爆破和铲运机装卸等。从而较大程度　地提高生产率，降低成本。采矿机械的自动化对于　设计、生产和经济效益有很重要的影响。机械上安　装车载的监测、控制和追踪系统，并连接到通信网　络。计算机控制端根据响应传感器采集到的信息操　纵机械运行。远程控制和自动化减少了系统内人员　的数量，同时缩短换班时间、休息时间，减轻工人劳　动强度，提高设备的利用。　２．４．３生产环境监测预警系统　生产环境监测通过网络中的各种传感器对井下　温度、湿度、有害气体、微震等进行监测。通过有线　和无线的网络传感器，获得对监测对象的信息传送　至控制中心。当温度、湿度或者有害气体超出设置　的范围时，系统立即发出警报。利用ＧＩＳ技术，根据　传感器或摄像机的ＩＰ地址即可在计算机显示器上　展示其所在位置。系统将监测信息存储进数据库，　操纵人员可以通过网页报表的形式查看图表。　维普资讯 http://www.cqvip.com

５２　矿业研究与开发　芬兰技术开发中心．智能矿山的研究与发展［Ｊ］．国外金属　３　结　论　地下矿山智能化开采系统，综合各个领域的先　进技术，能够提高产量、降低生产成本、减少环境对　人体健康的影响，同时使矿工远离灾难。智能化开　采系统能够维持矿山企业的竞争力，并且拓展矿山　企业的生存与发展空间。　参考文献：　［１］古德生．地下金属矿采矿科学技术的发展趋势［Ｊ］．黄金，　２００４，２５（１）：１８～２２．　矿山，１９９４，ｌ１：８６～８８．　王李管，曾庆田，贾明涛．数字矿山整体实施方案及其关键技　术［Ｊ］．采矿技术，２００６，６（３）：４９３－４９８．　罗昌俊，陈希，周明天．无线传感器网络技术研究［Ｊ］．测　控技术，２００６，２５（７）：６～９．　杨杨维，冯锡生，程时昕，等．新一代全矿井无线信息系统理　扬，张申，朱永红，等．井下蓝牙语音网络分析［Ｊ］．矿　论与关键技术［Ｊ］．煤炭学报，２００４，２９（４）：５０６～５０９．　业研究与开发，２００６，２６（４）：７Ｏ～７４．　郭星歌，赵培培，李世银．工业以太网技术在矿井通信的应用　［Ｊ］．煤矿机电，２００６，２：２９～３２．　［２］吕苗荣，古德生．矿山企业信息体系结构的研究与探讨［Ｊ］．　矿业研究与开发。２００６。２６（４）：６１～６６．　（上接第７页）　的弹性模量越大，其压缩屈服面越大，承载能力越　煤矿及非煤矿山是一种先进的值得推广的技术。　（２）材料的弹性模量对地表下沉量控制有着很　大的影响；弹性模量越大，压缩屈服面越大，充填体　的承载能力越大，压缩量就越小，地表下沉量也小。　强。在充填初期，充填体侧向压力不明显，　＝　０，静水应力Ｐ很小，广义剪应力ｑ偏大，受顶板垂　＝向不均匀压力作用，单个充填体先在与顶板接触处　出现剪切屈服；随着顶板压力的不断增加，充填体侧　压增大，充填体的静水应力Ｐ增大，体积屈服也逐渐　出现。直至充填体的底部，最后单个充填体外部出现　体积屈服，内部以剪切屈服为主。　在３向受压条件下，由于硬化作用，材料的承载能力　大于材料的单轴强度。膏体材料在充填作用过程　中，首先由于受顶板的垂直压力，在局部区域出现剪　切屈服。随着材料的逐渐压缩，侧向压力的提高，充　填体内的体积屈服注浆增大，待整体稳定后，充填体　内部出现剪切屈服，外部出现体积屈服。　（３）在施工工艺上，为节约成本，进行充填时，　口一　Ｒ　．叵　１ｌｌｌＩ　适当降低矿房两端的充填体强度对充填效果没有太　大影响。减小矿房宽度、缩短开采与充填之间的时　间间隔、提高材料的初凝强度等能有效地减小顶板　下沉量。　（４）本次模拟没有考虑开采顺序对于地表下沉　图３　１０　充填体垂向应力应变　量和应力分布的影响，该问题有待另外的工作解决。　参考文献：　［１］赵才智，周华强．膏体充填材料性能的初步试验［Ｊ］．中国矿　业大学学报，２００４，３３（２）：１５９～１６１．　对地表下沉量及材料压缩量进行比较，发现地　表下沉量大于材料压缩量。分析整个模拟过程，认　为多出的下沉量是由于在开采过程中，矿房顶板自　然弯曲下沉累加所致。因此，减小矿房宽度、缩短开　［２］周华强，侯朝炯．固体废物膏体充填不迁村采煤［Ｊ］．中国矿　业大学学报，２００４，３３（２）：１５４～１５８．　采与充填之间的时间间隔、提高材料的初凝强度都　能有效地减小顶板下沉量。　［３］殷宗泽．一个土体的双屈服面应力一应变模型［Ｊ］．岩土工程　学报，１９８８，１０（４）：６４－７１．　［４］孙雨明，高广运，邱畅，等．帽子模型在强夯动应力计算中的　４结　论　（１）膏体充填能有效控制地表下沉，减少应力　集中，改善开采环境，提高采矿活动的安全性，对于　应用［Ｊ］．地下空间，２００３，２３（２）：２５～２７．　［５］张军辉，缪林昌．连云港海相软土流变特性试验及双屈服面流　变模型［Ｊ］．岩土工程学报。２００５，２６（１）：１４５～１４９．