矿山数字模型doc.docx

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矿山数字模型doc

数字矿山方案

1、方案提出的背景

1.1矿山信息化的发展情况

建国以来，中国矿业经过半个世纪的快速发展，已建成国有矿山近万座，集体矿山和其他非国有矿山20多万座，年开采矿石量超过50亿t，从业人员2100多刀，带动了300余座以采矿和矿产品加工为支柱产业的矿业城市的兴起，其中煤炭城市54座，煤炭产量位居世界第一。

仅就煤炭生产而言，我国的生产水平和自动化程度就有高有低、参差不齐，既有几千座完全靠人工作业的年产几万吨的小煤井，也有几百座年产几十万或七百万吨的普采或高档普采矿井，还有上百个年产几百万吨的综合机械化矿井，甚至又有年产上千万吨的综合自动化矿井。

由与煤矿井下作业处于地表深处，地质条件复杂，环境恶劣，瓦斯、粉尘、水害、顶底板事故、火灾隐患难以探测和辨识，大型事故时有发生，给我国煤矿生产造成了重大损失，也危及了煤矿工人的人身安全。

尤其是对地面地质和地下地质对象掌握不清楚，了解不充分，并且对其变化规律没有充分的认识，所以无论是开拓设计、巷道布置、采掘设计、接替安排，还是进尺计划都没有充分安全性、可靠性和合理性，由此也引发了通风、防尘、运输、排水、支护、注浆、供电等系统的设计不合理、配套性不好、连动性不强、反映迟缓，造成避灾措施不利、系统抗灾能力差。

根据各学科的特点和发展现状，我们认为要想从根本上解决煤矿的安全生产和高效生产问题，除了技术更新和技术改造外，更重要的是建立一个完整的矿山数字化系统，以实现地面地下所有时间空间对象的透明管理，使得矿区的气象、地形、水文、建筑、道路、桥梁、地面设施以及地F的煤岩层、断层、裂隙、陷落柱、水体、瓦斯和各类地下工程和地下设施尽在掌握中，从而使整个矿山从设计、生产到管理都能很好地兼顾工艺的先进性、设备的可靠性和生产的安全性，大幅度地提高抗灾能力和生产效率。

随着计算机技术、信息技术、通讯技术、自动控制技术、3S（GIS、GPS、RS）技术、网络技术的发展，及在社会经济其他行业应用研究的展开，在美国前副总统戈尔提出"数字地球"概念以后，国内众多研究机构和学者相应提出了"数字矿山"的概念，对"数字矿山"建设的关键技术和建设方案从不同角度提出了各自的看法及思路。

由于矿山是一个以资源为开发对象的离散生产系统，因此，数字矿山即不是"数字地球"概念的简单延伸，也不是普通ERP

（EnterpriseResourcePlanning）概念的简单复制，而是一个包含二者部分特性的崭新概念。

1．2矿山信息化存在的问题

1、有些企业重硬件轻软件，可以花很多钱进行硬件购置和网络建设，就是不舍得进行软件投资。

2、对"数字矿山"理解不深刻，有些企业领导认为上了一部分自动化项目或监测项目、实现了财务管理或资产管理电算化、实现了部分专业的计算机绘图和办公自动化等就是"数字矿山川。

3、没有实现基于地质地理空间信息系统的，数据采集-模型建立-智能决策控制生产的数字化闭环系统，有些信息化内容，也都是一些信息孤岛，虽然些矿号称实现了信息集成，只是各种信息系统的简单连接，没有实现信息的真正共享。

4、面向采矿行业的系统开发商还没有给用户提供一个真正实用的数字矿山集成平台。

2、建设数字矿山的意义

2.1数字矿山的含义

数字矿山是数字地球的一部分，但数字矿山不同于数字城市、数字海洋和数字农业等，数字矿山是综合利用网络技术、计算机技术、软件技术、虚拟现实技术、科学计算可视化技术、运筹学与控制论技术、自动化技术、现代管理学技术、矿山生产技术、矿山安全技术、危险源辩识和应急指挥技术等构成的技术集成体，数字矿山是根据矿山生产的时空特点，基于四维空间框架、以宽带网络为载体、以数字化为形式表达和管理矿山井上下所有自然、地质、工程与设施的信息高度集成和信息高效利用的数字化系统。

数字矿山的几个主要特征:

有一个高效可靠的计算机网络平台，用于传输和管理矿山安全生产的多源的海量信息。

有一个个四维时空地理信息系统平台，用于管理地面地下的气象、交通、水文、地形、地物、地质、采掘工程、危险源、生产设施和生产进度等内容的静态和动态模型和数据，实现各种拓扑分析、网络分析、综合查询和专题统计。

有一套完善的数据采集系统和手段，用于适时地收集和获取矿山安全生产中一切有用的信息和数据，主要技术包括航测、遥感、卫星定位、钻探、三维地质、微震、物探、化探、电洲、射频以及常规的测量、水文、瓦斯、矿压、火区和各种监测监控技术等。

有一套完整的高智能的核心应用软件，用于矿山勘察、规划、设计、生产、安全、管理、经营和生产过程监控的决策智能化，主要包括地质保障系统、协同设计系统、生产技术管理系统、安全管理系统、调度管理系统和矿山ERP系统等。

有一套可靠的工业自动化系统，用于采、掘、机、通、安、运输提升、输配电和防排水的自动化和无人化，主要包括电力自动化系统、采据自动化系统、运输自动化系统、提升自动化系统、供排水自动化系统、压风自动化系统、注浆自动化系统、瓦斯抽放自动化系统、通风防尘自动化系统、均压灭火自动化系统、空调降温自动化系统等。

有一套系统集成平台，实现工业自动化、管理信息化和查询可视化的强集成，实现多环节、多系统、多专业的信息共享和自动连动，实现真正的监测、决策到控制的管控一体化闭环运行。

有一套高性能的三维建模引擎和图形工作站，用于四维矿山模型的建立和民坝，通过强大的可视化分析功能实现安全、生产、救灾等工作的指挥调度，实现真实矿山的虚拟管理。

2.2国内外数子矿山建设情况

目前世界上常用的GIS软件也己达400多种，它们大小不一，风格各异，如国外较著名的有ARC/INFO、GENAMAP、MGE等，国内较著名的有MAP/GIS、Geostar、Supermap和CITYSTAR等，但均不适合矿山应用;尽管有'些矿山空间管理软件，如国外的Minescape软件、Coalsof软件、MOSS软件、GEMCOM软件、MICROMINE、Spalc和MinCom软件等，但由于受专业知识的限制和技术的制约，所有这些软件都只考虑了单一专业的局部应用，没有考虑相关专业的联动性，所用平台起点低、内容少，智能性差，不便于扩展。

其系统就没有考虑如何管理象山体、水体、建筑、道路、桥梁、管网和设备等地面对象，也没有考虑象巷道、桐室、煤岩层、矿体、断层、陷落柱、各种含水层和富水区、瓦斯赋存区以及采、掘、机、运、通等地下对象的属性内容，所以利用这些软件就不能有效地解决采矿设计、通风防尘、防治水、供电、运输、支护和环境保护等专业的信息共享和专业联动问题，最终还是消除不了信息孤岛，信息不能重复利用，对相关专业提供不了真正的辅助分析、辅助设计和决策支持。

离安全保障系统和数字矿山的需求相差甚远。

国内，虽然，经过近几年的卅发，中国矿山行业的信息化建设有了较大发展，大多数现代矿井和大型集团公司都实现了瓦斯监测系统联网，有些公司实现了部分综合自动化;有些公司实现了部分ERP项目、设备管理或资产管理:

大部分公司都实现了计算机辅助地测制图;有些公司已经开始实施地理信息系统建设。

但是，总体状况仍然很不乐观，由于，中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化领域与发达采矿国家的差距越来越大，中国矿山既没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发和利用，更没有形成系统性能稳定、信息资源充足的矿山信息基础设施。

2.3建设数字矿山的经济效益和社会效益

建设"数字矿山"的重要意义在于:

1、实现安全管理的数字化，为打造本质安全型矿井提供信息保障

一旦建立了包括完整的地质信息、危险源信息和牛，产信息的4D时空虚拟矿山模型，所有开采设计都能够预先模拟出开采进度的动态结果，包括安全隐患的预先显现，开采结果的预先模拟，可把大多数安全隐患消除在设计阶段和采掘之前。

随着采矿生产的不断推进，可以根据各种监测监控系统和检查检测系统返回的动态数据，利用"数字矿山"系统提供模型库、方法库对岩体变形、瓦斯突出、突水透水将危险等因素进行实时分析，对各种安全隐患进行超前预测预报，对不安全因素提前进行整改，同时对有危险性较大的区域进行重点监控，对无法避免的灾变可以快速启动相应的应急预案进行紧急救援。

对必须生产的危险区域，可以启用远控装备和无人化作业。

总之，一旦完成了数字矿山建设，不仅可为井上井下作业人员创造一个安全舒适的工作环境，更重要得是把整个矿山变成了一个透明体，指挥人员只要对着计算机屏幕就可看到井下的一切内容，如果加上虚拟现实设备，就可以随时到达"现场"的任何角落，进行"现场"作业和指挥。

因此，数字矿山的建设使地下的一切内容变成可见的，使一切危险因素变成可知的，使一切操作过程变成可控的，使矿井生产变成本质安全型的。

2、实现生产管理的精细化，为打造高产高效矿井提供决策手段

在精细的动态三维地质模型基础上，利用数据仓库提供的完整信息和"数字矿山"系统的智能化工具，包括定额管理、计划管理、物资管理、人力资源管理、设备管理、生产技术管理-、经营管理、成本管理和调度管理等系统，实现开采设计的智能化和最优化、矿山生产的信息化和自动化、矿山管理的规范化和科学化，达到生产效率的最高化和生产成本的最低化。

由此可见，建立数字矿山的意义是巨大的，但值得注意的是数字矿山建设不是一蹦而就的，也不是靠炒概念能建成的，数字矿山建设不仅要有巨大的资金投入，也同时需要政府的支持，更需要技术力量强大的软硬件厂商和先进的管理理念，用户的密切配合。

3、数字矿山建设方案

数字矿山的建设是一个庞大的系统工程，结合我国矿山生产的具体情况，从实用性和先进性的角度考虑，拟定数字矿山的建设如下：

图1数字矿山系统结构示意图

从图1可看出，数字矿山建设项目按完成情况可分为以完成，需完善和新建项目三部分内容，按功能结构可划分网络平台建设、工业自动化建设、企业信息化建设和系统集成建设四大类。

总的建设原则为：

1、采用成熟的计算机软件系统，实现从矿山资源、开采方案优化、设计生产计划与开采环境的数字化、模型化与可视化。

2、建立以光纤、泄漏电缆或无线通信为主体的多媒体通讯网络，形成语音、视频与数据同网传输的网络体系。

实现矿山数据的分布式共享。

3、采用先进传感器网络技术，实现矿山生产过程、设备、安全与开采环境等数据的自动采集、智能分析与可视化处理

4、采用工业以太网、PLC智能控制及视频监视系统，实现对矿井提升、运输、通风、排水等系统及设备的智能化集中控制。

5、采用先进的生产管理系统，实现矿山生产人员与移动设备的定位、跟踪及生产过程智能化调度与控制，全面提升矿山的生产管理与决策的科学性。

具体建设内容为：

3.1井上下千兆工业以太网建设

1、为保证井上下的数据信息的快速传输，保证数字矿山的顺利实现，

矿山应投入一定的资金，建立井上下无缝交换的1000M工业以太环网，具体组成如下。

地面网络采用1000M工业以太环网，以光纤为传输介质、地面光纤在办公区域形成一个环网，基本包括在办公区的每个分站，光纤在调度指挥控制中心会合，通过地面网关交换机把每个子系统的信息汇总传送到调度指挥中心的服务器。

地面环网设置一台赫斯曼骨干交换机和多台SCALANCEX-400以太网交换机。

地面子系统本着就进接入交换机的原则，具体网络结构如图2所示。

图2井上千兆工业以太网

2井下网络采用1000M工业以太环网，

以光纤为传输介质，交换机布置以几个变电所为核心，在井下形成一个环网，最后光纤在副井口汇合上到地面直接连到地面调度指挥中心网关交换机上。

通过地面网关交换机把每个子系统的信号汇总传送到调度指挥控制中心服务器。

地面设置一台赫斯曼骨干网络交换机，井下设置多套井下以太网交换机，井下子系统本着就进接入的原则，具体网络结构如图3所示

图3井下千兆工业以太环网

3.2数字矿山系统平台建设

矿山信息系统应在统一的安全支撑、服务支撑、标准支撑和管理支撑平台上开发运行，是整合平台框架体系的运行基础，将支撑体系统一整合到信息资源管理平台作为一个整体，使矿山信息系统协调运转。

其中安全支撑主要提供统一的用户管理与授权服务、安全认证与审计服务;服务支撑提供统一资源管理与目录服务，实现信息资源的接入以及用户管理、统一的分级分类授权等一系列管理;标准支撑主要提供标准化代码、、统一数据字典、数据交换格式以及接口标准;管理支撑主要提供版本管理、项目管理、运维管理，由于数字矿山建设过程中，项目延续时间长，涉及到众多应用系统及数据管理方式，建立统一的版本管理与项目管理机制，对工程的顺利进展和成功有重要意义

建立一个系统集成软件平台?

基于千兆工业以太网和数据仓库，可以完成下列功能：

1、能够定义各种数据库结构、对角色和用户进行管理，进行流程定制，进行界面定制、进行报表定制，进行项目管理和WEB发布。

2、使其可以无缝继承各种监测监控的SCADA实时数据，通过分析和处理可以对智能设备进行有效的控制，实现对矿井提升、运输、通风、排水等系统及设备的智能化集中监控。

3、可以管理音频、视频等流媒体数据，实现数据的捕获、记录、编码、发送和点播。

4、系统可以把各种接口信息如OPC接口、DDE/letDDE接口、ODBC接口、FTP、HTTP协议、HTMI，数据、XML数据、GML数据等转换成统一的静态和动态数据供相关分析系统调用，也可把分析决策结果转换成相关的控制信号实现远程控制。

5、可以对井下工作人员进行定位管理、并实现可视化的指挥调度。

6、可以集成4D地理信息系统，实现矿山生产过程、设备、安全与开采环境监控等数据的自动采集、智能分析与可视化处理。

7、可以通过国际互联网，对矿井的生产、安全状况进行远程可视化管理，实现远程四维虚拟矿山管理。

8、高级查询引擎，可以定义导航查询界面，即根据用户的查询权限，一次登录即可全程查询己定义的规范信息。

通过查询引擎和输入的关键词，可以搜索到数据库中所有的需要信息。

3.3集成现有监测监控系统

现代化生产矿井大都已经建立了多个监测监控项目，对井下生产的大部分环节实现了工业自动化，因此需要对这些系统进行集成，并实现远程管理，主要任务是通过各种接口的开发，把现有的自动化项目接入总调度室和地理信息系统集成，实现可视化的集中监测或监控，这些系统及功能可概括包括:

3.3.1安全监测监控系统

1、显示功能

（1）实时趋势图显示

对些危险爆炸性的气体，进行实时趋势图的显示，针对不同时期的数据进行采样分析，做到安全生产。

（2）历史趋势图显示

对危害性气体如CH4、CO等数据进行历史存储，并用曲线，柱型等图形直观的显示出来，分析不同气体所占比例的大小。

（3）故障分析

在安全检测过程中，对不符合标准的信息以语音或图片的方式报警。

2、报表功能

把重要参数保存统计生成报表，提供分析的依据。

3.3.2井下皮带监控系统

1、显示功能

能实时显示各胶带机相关设施及所有信号状况，如胶带机电机电流，滚筒温度，煤仓煤位并能方便地进行多画面切换;当被测参数超限、保护动作及设备运行状态改变后出语音、文字告警提示。

（1）工况图显示

工况图动态显示整个系统所有胶带机、给煤机、转载胶带运行的工况，以及主要保护、煤炭产量及有关参数信息。

（2）信息图显示

实时显示各胶带机、给煤机开/停状态和煤仓煤位高度。

如胶带机开停状态、检修状态及运行速度，拖动电机电压、电流、开关时间、停机时间等参数。

（3）故障及保护显示

同时实时显示胶带机和各种保护传感器的工作状态，显示胶带机的故障类型，分站之间通信是否正常。

（4）历史查询

电机电流、电机温度、带速、产量和瞬时流量历史趋势图查看、相关数据报表显示和历史数据查询

2、控制功能

实现对胶带机的具有远程启动、停止、复位和测试功能，并可进行地面远程编程、故障（保护）屏蔽及控制方式转换、振动给煤机点动操作等功能控制。

3、故障自诊断功能

可准确判断故障类型、位置并能进行图像和语音提示以及打印输出。

4、保护功能

系统具有胶带机低速打滑、机头堆煤，满仓，超温洒水，烟雾，滚筒超温，沿线急停和跑偏等多种保护。

5、报表功能

对一些重要数据进行统计，做成报表的形式。

3.3.3主付井提升监控系统

1、显示功能

主井系统

能实时显示提升机相关设施及所有信号状况，如提升机速度，转子电流，制动压力并能方便地进行多画面切换:

当被测参数超限、保护动作及设备运行状态改变后出语音、文字告警提示。

（1）工况图显示

工况图动态显示整个提升系统运行的工况，以及主要保护、日提升钓数，日提升产量及有关参数信息。

（2）信息图显示

实时显示提升机开/停状态和提升的高度、检修状态及运行速度，油泵的油温、油位等参数。

（3）故障及保护显示

同时实时显示提升机和各种保护传感器的工作状态，显示提升机的故障类型，分站之间通信是否正常。

4历史查询

油泵油温、油泵温度、转速、日提升产量的历史趋势图查看、相关数据报表显示和历史数据查询。

2、控制功能

实现对主提升机的远程启动、停止、复位和测试功能，并可进行地面远程编程、故障（保护）屏蔽及控制方式转换等功能控制（视主提升机控制系统功能而定）。

3、故障自诊断功能

可判断故障类型、位置并能进行图像和语音提示以及打印输出。

4、报表功能

对日提升产量等数据进行综合处理，满足报表统计、曲线图、柱状图显示并能打印输出。

副井系统:

（只监视不控制）

1、显示功能

（1）实时显示提升机开/停状态和提升的高度、检修状态及运行速度，油泵的油温、油位等参数。

（2）故障及保护显示

同时实时显示提升机和各种保护传感器的工作状态，显示提升机的故障类型，站之间通信是否正常。

（3）历史查询

油泵油温、油泵温度、转速、日提升产量的历史趋势图查看、相关数据报表显示和历史数据查询。

2、报表功能

对油泵油温、转速、日提升产量等重要参数进行数据统计。

3.3.4采区变电所监控系统

1、显示功能

（1）工况图

动态显示井下变电所运行的工况，以及所涉及的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率等模拟参数数值的变化。

（2）故障及保护显示

实时显示变电所中各种保护传感器的工作状态，显示跳阔、过载、短路等故障类型，以及查看各分站之间通信是否正常。

（3）历史显示

对各个变电所中所涉及的电压，电流、功率因数等参数进行历史查看显示。

以用来分析产生故障的原因。

2、控制功能

根据实际需要进行分合闸，以保证安全无故障产生。

3、保护功能

对过载、短路等故障设置保护。

4、报表功能

对不同时间内的电压、电流、功率因数进行数据分析统计，并以报表的形式产生，根据实际需要打印出来进行故障分析

3.3.5采区泵房监控系统

1、显示功能

（1）工况图

动态显示井下泵房运行的工况，以及水流量的大小。

（2）故障及保护显示

实时显示水泵中各种保护传感器的工作状态，并对低电压、漏电、过电流、真空度、流量开关、定子温度、轴承温度、水位超限等故障类型进行诊断分析显示。

2、控制功能

控制电动阀门的开合，以自动控制水泵的开停。

根据实际情况进行就地/自动的转换等功能。

3、保护功能

系统对水泵排水系统过程中出现的故障有保护功能。

4、报表功能

把各种模拟数据如电流，温度做成报表的格式，供操作人员查询参考。

3.3.6工业电视监视系统

此功能比较简单，不在此详细说明。

3.3.7主要扇风机房监测系统

1、显示功能

（1）工况图

工况图动态显示整个系统所有通风机运行的工况，动态显示风机静压、电机功率、风机全压、润滑油压、风机流量、排气温度、风速、风机效率等模拟参数。

（2）历史显示

对风机全压、风机流量、排气温度、风速、风机效率等参数进行历史显示查看。

方便故障查询。

2、控制功能

实现风机自动开停，控制风机的风速及风机流量等（视风机控制系统功能而定）。

3、保护功能

系统对风机运行过程中出现的故障有保护功能。

4、报表功能

对一些模拟量如风机全压，风机流量，排气温度，风速等重要数值导入数据库做成报表形式

3.3.8压风机房监测系统

1、显示功能

（1）工况图显示

工况图动态显示整个系统所有压风机运行的工况，以及主要有关模拟参数信息如总管压力、总管流量等。

（2）故障及保护显示

实时显示压风机和各种保护传感器的工作状态，显示压风机的故障类型如机柜电气故障、高压机柜故障油过滤堵塞、油细分离器堵塞、空气滤清堵塞、排气高温等故障类型以及分站之间通信是否正常。

（3）实时趋势和历史趋势图形

对每个压风机的模拟参数总管压力、总管流量进行实时曲线图的显示，并根据实际需要进行历史趋势的配置。

2、控制功能

自动实现压风机的开停等控制。

3、保护功能

系统对风机运行过程中出现的空气滤清堵塞、油细分离器堵塞等故障有保护功能。

4、报表功能

对模拟参量如排气高温等模拟参量进行处理形成报表打印并保存。

为了完善整个煤矿系统监测功能，我们对洗煤厂、信集闭系统、束管监测系统、矿井供风供水监测系统、涌水量等系统采用接入方式，集中进行监测，不控制。

根据煤矿的需要把重要信息存储到数据库中，以曲线图或报表的方式把数据信息保存并打印出来。

3.3.9地面生产监测监控系统

地面生产监测监控系统主要包括地面仓储、运销、洗选等自动化项目的监测和控制，在此不一一详述。

3.4安全监测监控系统的改造和集成

为了打造本质安全型矿井，实现真正的安全预警，除了通常的安全监测监控系统外，还需要对重大危险源的有关参数进行必要监测、分析、预警和控制，形成完整的系统，这些系统中要包括:

3.4.1矿压监测与分析系统

通过应力、应变、压力、位移等传感器和微震探测仪等设备，对各种矿山压力和微破坏进行连续监测和分析，并进行联网和集成，供矿山压力分析与控制决策支持系统使用。

3.4.2水文监测与分析系统

通过对富水区、观测孔（井）、导水通道和涌水点的压力、水位、流量等参数进行连续监测和分析，并进行联网和集成，供矿井水防治决策支持系统使用。

3.4.3矿井火灾束管监测系统

通过对煤层、火区的温度、静压、一氧化碳、氧气等参数进行连续监测和分析，并进行联网和集成，供防灭火决策支持系统用。

3.4.4瓦斯源监测系统

通过对煤岩层和地质构造附近的瓦斯压力、瓦斯含量、涌出速度等参数进行连续监测和分析，并进行联网和集成，供瓦斯灾害预测预报和防治决策支持系统使用。

3.5矿山地理信息系统建设

3.5.1二三维建模引擎与地理信息系统平台

建立矿山地理信息系统的目的是在统一的时间坐标和空间框架下，科学合理地组织矿山的各类矿山信息，将海量异质的矿山信息资源进行全面、高效和有序的管理和整合，是在矿山数据网络的基础上，充分利用现代图形学技术、空间分析、数据挖掘、知识表达、三维可视化、互连网、多媒体等新技术、新理论，建立一个包括地面的地形、气象、交通、建筑、人文、环保、地面运输、工业管路（包括通讯线路）和地下的岩层、煤层、地质构造、水体、煤层气（瓦斯〉、地面工程、地下工程、井下运输、供电、通风、防尘、避灾路线、抗灾路线、监测监控等物理层面的强大时空信息系统。

从而使得该系统不仅具有强大的绘图能力、三维建模能力和面向地理信息系统的管理，能力，平台本身可以完成各种切剖分析、叠加分析、拓扑分析、网络分析、流域分析和洪水淹没分析等，通过局域同和互连网在各工作站和调度大屏幕上显示各类矿图和属性信息、各类生产进度、主要危险源、监测的实时信息和组态动画等，而且可以进行各种分类查询、