数字矿⼭的研究现状和发展趋势
摘要：分析了随着科技进步、矿产资源消费急剧增长，开采加⼯难度⽇益增⼤, 促使采矿逐渐⾛向数字化和智能化。介绍了数字矿⼭的内涵、研究意义、国内外研究现状和存在的问题，并探讨了未来数字矿⼭的发展趋势。 1 前⾔
2011高中数学联赛进⼊21世纪以来, 信息技术迅速发展，给采矿业带来了巨⼤的冲击。随着科技进步、矿产资源消费的急剧增长和开采加⼯难度的⽇益增⼤, 促使采矿逐渐⾛向数字化和智能化。早在1998年，美国前副总统⼽尔就提出了/数字地球0 (Digital Earth)的概念, 之后1999年召开的⾸届/国际数字地球0⼤会上⼜提出了/数字矿⼭0 (Digital Mine)的概念[ 1 ]。/数字矿⼭0作为信息时代的必然产物，在矿业中发挥出越来越⼤的作⽤，是矿业发展的⽬标和⽅向。
2 数字矿⼭的内涵和研究意义
2 . 1 数字矿⼭的内涵
⽬前，对于/数字矿⼭0国内外还没有⼀个准确和公认的定义。东北⼤学的孙豁然教授认为: /数字矿⼭是以计算机及其⽹络为⼿段, 把矿⼭的所有空间和有⽤属性数据实现数字化存储、传输、表述和深加⼯，应⽤于各个⽣产环节与管理和决策之中，以达到⽣产⽅案优化、管理⾼效和决策科学化的⽬的[ 2]。0通俗地讲, 数字矿⼭就是在⼀个矿⼭范围内, 以三维坐标信息及其相互关系为基础⽽组成的信息数据库，以及在该数据库内所嵌⼊的矿⼭信息的总称。著名的矿⼭⼯程设计专家、中国⼯程院院⼠于润沧认为: /根据矿业发达国家对矿⼭信息化建设的不同战略设想和不同学者对数字矿⼭概念的表达, 对数字矿⼭的概念可以表述为由初级到⾼级的三个层次：矿⼭数字化信息系统、反映真实矿⼭整体及相关现象的虚拟矿⼭、⽆⼈矿井的远程遥控操作和⾃动化采矿。0东北⼤学吴⽴新教授采⽤/五化0来描述数字矿⼭的发展⽬标, 即/数字化的集成管理和共享利⽤各类矿⼭数据与信息资源, 可视化的三维模拟和虚拟再现矿⼭地质采矿环境、过程及其相关现象，仿真化地模拟分析矿⼭采掘活动、采动影响与灾变过程, 智能化地分析提取采动影响规律及环境与⼯艺参数,⾃动化地预警矿⼭灾害和启动安全预案[ 3]。 2 . 2 研究数字矿⼭的意义
( 1)数字矿⼭在资源可持续发展⽅⾯发挥出巨⼤的作⽤。数字矿⼭可以将矿产资源的储量和开采情况数字化地表现出来, 根据这些信息判断需要优先开发哪些资源，做到矿产资源的稳定供应、合理利⽤和低环境破坏，以保证国民经济可持续发展，解决资源供应紧张与不断增长的资源消耗之间的⽭盾。
( 2)数字矿⼭可以减少和避免矿⼭安全事故。信息不灵，情况不明是当前矿⼭事故居⾼不下的主要原因。实施数字矿⼭建设能将地质信息、⼒学信息、以及其他与开采有关的信息综合地表现出来，为决策提供全⽅位的信息，避免投⼊的盲⽬性，提⾼决策的科学性。数字矿⼭能适应⽇益增多的深井开采条件, 使矿⼯远离⾼温和岩爆威胁等恶劣环境，彻底改善矿⼯的安全和健康状况。在数字矿⼭的基础上运⽤⾃动化开采技术，实现⽆⼈开采和遥控开采，减少灾害和⼈员伤亡事故。
( 3)数字矿⼭可以实现矿产资源开发与环境协调发展。对矿⼭开采引起的地表形态破坏、植被破坏、⼟地退化、⽔⼟流失、粉尘污染、⽔体污染、采场滑坡、尾矿库溃坝等进⾏数字化，在此基础上通过对相关信息的科学分析，制定出矿⼭的⽣态重建⽅案、灾害评价与
预测预报体系和现代管理体系, 实现矿产资源开发与环境协调发展。
3 数字矿⼭的研究现状和存在的问题
3 . 1 数字矿⼭的研究现状
3 . 1 . 1 国外数字矿⼭的研究现状
美国、加拿⼤、澳⼤利亚等矿业发达国家在数字矿⼭⽅⾯的研究起步较早, 美国⾸先提出/数字地球0的概念, 随后被许多专家学者引⽤。之后, 世界上许多国家结合各⾃的实际，分别进⼀步提出了数字矿⼭
的发展规划和建设⽬标。⽬前, 矿业发达国家建设数字矿⼭的重点是实现远程遥控和⾃动化采矿。20世纪90年代初, 加拿⼤国际镍公司( Inco)开始研究遥控采矿技术,⽬标是实现整个采矿过程的遥控操作[ 4]。美国已成功开发出⼀个⼤范围的采矿调度系统，采⽤计算机、⽆线数据通讯、调度优化以及全球卫星定位系统(GPS)技术进⾏露天矿⽣产的计算机实时控制与管理，并成功应⽤于⼯业中, 已使露天矿近乎实现了⽆⼈采矿。加拿⼤已制订出⼀项拟在2050年实现的远景规划，即在加拿⼤北部边远地区建设⼀个⽆⼈化矿⼭，通过卫星操控矿⼭的所有设备，实现机械破碎和⾃动采矿。20世纪90年代以来, 世界上⼀些矿业发达国家已经开发出了许多数字矿⼭建设⽅⾯的软件，并且已经在很多矿⼭得到了成功应⽤。其中具有代表性的软件有: 英国Datamine公司开发的Data m i ne采矿软件、澳⼤利亚Maptek公司开发的Vulcan软件、澳⼤利亚Surpac公司开发的Surpac软件、美国Intergraph公司开发的Intergraph交互式图形处理系统、加拿⼤Lynx公司开发的MI NC AD系统、美国罗克韦尔(Rockwell)公司开发的WhittleFour2 D露天矿优化设计软件等。
3 . 1 . 2 国内数字矿⼭的研究现状
2001年以来, 国内有关学术组织相继召开了⼀系列以数字矿⼭为主题的学术会议。2001年, 中国矿业联合会组织召开了⾸届国
际矿业博览会, 其中包括⼀个以/数字矿⼭0为主题的分组会。2002年，以/数字矿⼭战略及未来发展0为
主题的中国科协第86次青年科学家论坛召开, 2006年, 煤炭⼯业技术委员会和煤矿信息与⾃动化专业委员会在新疆乌鲁⽊齐召开了/数字化矿⼭技术研讨会0, 提出了建设安全、⾼效、绿⾊、和谐的新型现代化矿井的⽬标。20世纪末以来，国家主要科研资助机构和相关⾏业部门相继⽴项⽀持了⼀批数字矿⼭课题。包括2000年开始的⼀项国家⾃然基⾦课题、2006年开始的⼀项863 课题和⼀项/⼗⼀五0⽀撑课题等。2000年以来, 国内多所⾼等院校、科研院所、企事业单位相继设⽴了与数字矿⼭有关的研究所、研究中⼼、实验室或⼯程中⼼。主要有: 2000年设⽴于中国矿业⼤学(北京)资源与安全⼯程学院的/ 3S与沉陷⼯程研究所0、2005年设⽴于中南⼤学资源与安全⼯程学院的/数字矿⼭实验室0、2007年设⽴于东北⼤学资源与⼟⽊⼯程学的/ 3S与数字矿⼭研究所0和2007年设⽴于中国矿业⼤学(徐州)计算机科学与技术学院的/矿⼭数字化教育部⼯程研究中⼼0等。⼭东新汶矿业集团泰⼭能源股份有限公司翟镇煤矿是我国第⼀座数字矿⼭, 与北京⼤学遥感与地理信息系统研究所合作, 在国内⾸开数字化矿井技术应⽤之先河。在数字矿⼭建设⽅⾯，煤炭⾏业⽐⾮煤矿⼭投⼊的⼒度⼤, ⼴泛应⽤各种先进⽤的信息技术，有效提升了全⾏业的⽣产效率和管理⽔平, 数字化建设已经取得了⼀些喜⼈的成果, 如: 神华集团神东公司的综合⾃动化采煤系统、开滦集团的企业信息化与电⼦矿图系统、枣庄柴⾥矿的⽣产与安全集中监测监控系统、伊敏露天矿的卡车调度系统等。潞安集团漳村煤矿综合⾃动化与信息管理数字化在国内、甚⾄在国际上都处于领先地位。⾮煤矿⼭近⼏年⼀些⼤型企业集团已经具备了相当⾼的信息化⽔平并取得了⼀定的成果，如:⾸钢矿业公司的GI S2 MES2 ERP2 OA集成系统和⼭东招⾦集团的三维地测采⽣产辅助决策系统等。此外, 中国矿业⼤学等单位相继开展了采矿机器⼈、矿⼭地
理信息系统、三维地学模拟、矿⼭虚拟现实、矿⼭定位等⽅⾯的技术开发与应⽤。国内的⾼等院校和研究设计单位
也都在不同程度上开展了矿业软件的开发研究⼯作，但仍处于起步阶段。
3 . 2 存在的问题
( 1)数字矿⼭的内涵未统⼀。从1999年提出数字矿⼭的概念到现在已经10a了, 国内外对数字矿⼭的定义尚未完全统⼀, 对具体包含的⼯作内容的认识也不尽相同，在研究、构建数字矿⼭⽅⾯存在差异和分歧。
( 2)我国部分矿⼭企业对进⾏数字矿⼭建设的积极性不⾼。部分矿⼭的经营者、管理者和⼯程技术⼈员，对数字矿⼭建设的重要性认识不⾜，加之进⾏数字矿⼭建设需要投⼊⼤量的⼈⼒、物⼒和财⼒，导致他们对⽤信息技术改造传统矿业的积极性不⾼，没有把数字矿⼭建设作为矿⼭发展的战略任务来对待，缺少长远规划和发展⽬标，影响了数字矿⼭建设的进程。
( 3)构建数字矿⼭的对象具有不确定性, 很难进⾏精确的测量与控制。矿床开采是⼀个复杂、多变、信息隐蔽、难以预测的巨型系统, 因此从信息采集、传输、处理、集成、显⽰到应⽤, 涉及的领域⾮常⼴泛, 需要创新、多学科交叉和经验的积累。
4 数字矿⼭的发展趋势
( 1)建设数字矿⼭的同时, 朝着构建⽣态矿业⼯程⽅向发展。⽣态矿业⼯程就是当⼈类开发矿产资源引起⾃然⽣态平衡破坏时，建⽴⼈为的⽣态平衡，构建⽣态矿业⼯程对实现可持续发展具有⾮常重要的现实意义。
( 2)在数字矿⼭建设中实现⽣产过程管理和控制⼀体化。矿⼭⽣产过程管控⼀化是指应⽤可视化技术，实现⽣产过程、⼯艺、设备、仪器的⾃动监测与控制。
渝州大学
( 3)开发各种功能的矿⼭应⽤软件。矿⼭信息的分析与应⽤、矿⼭⽣产的评估与监控、矿⼭⼯程的模拟与决策等，均以各类应⽤软件和相关模型为⼯具。必须针对不同的应⽤和矿⼭⼯程需求, 研究开发适合不同⽤户、具有不同功能的矿⼭应⽤软件，如采矿C AD、虚拟矿⼭、采矿仿真、⼯程计算、⼈⼯智能和科学可视化等软件⼯具[ 5]。
( 4)虚拟条件下矿⼭模拟开采研究。以地质及矿床模型为基础，结合其它关键信息构造虚拟矿⼭，进⾏数字模拟开采，完成矿⼭开采计划编制、巷道标准断⾯、硐室、开拓、采矿⽅法、穿爆、通风、管道、灾变应变预案等设计⼯作。
( 5)实现⽆⼈采矿和遥控采矿。随着当前制造业成本上升⽽机器⼈产品价格不断下降，世界上倾向于少
⽤⼈⼯⽽多⽤机器⼈, 未来⼈们追求更舒适的⼯作条件，恶劣、危险的劳动环境需要⽤机器⼈代替⼈⼯[ 6]。利⽤电⼦与机械技术的结合把⼯业机器⼈⽤于⽣产，实现遥控机器⼈采矿，使机械化转向⾃动化，可以⼤⼤提⾼⽣产率，降低成本，增加矿产资源效益。
( 6)⼈⼯智能技术研究。⾃20世纪80年代中后期以来,⼈们已开始应⽤⼈⼯智能理论与技术来解决采矿⼯业中的各种实际问题，并逐步显⽰出⽆法取代的优越性。运⽤数据挖掘与知识发现、专家系统等⼈⼯智能技术实现⽣产调度指挥、资源预测、安全警⽰、突发事件处理等决策⽀持功能，实现矿⼭的智能化。加雷沙星
5 结语汤静
新福林>贵州师范大学学报当前，矿产资源开采条件越来越恶劣,⾦属含量⾼的矿⽯越来越少，对采矿安全环境的要求也越来越严格，所以数字矿⼭是矿业发展的必然趋势。数字矿⼭的最终⽬标是实现矿⼭真正安全、⾼效、经济开采，既能满⾜⼈类对矿产资源的需求，也能适应⽣态、环境的承载⼒, 达到可持续发展的⽬标。尽管⼗多年来，数字矿⼭的发展取得了骄⼈的成果，但是数字矿⼭的建设总体上仍处于起步阶段。数字矿⼭的发展前景⾮常⼴阔，但同时也充满了挑战。
