《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书：特大型镍矿数字化矿山建设与进展》是《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书》的第八册，主要介绍了金川特大型镍矿数字化矿山建设及研究进展。《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书：特大型镍矿数字化矿山建设与进展》全面介绍了金川镍矿在数字化矿山建设方面所取得的成果及安全生产管理与风险控制方面的理论研究与工程实践成果。首先介绍了金川矿山信息化概况；然后介绍了金川矿区数字化矿山建设的框架结构；在此基础上，分别介绍了三维可视化系统、智能化控制系统、网络通信系统及监测与监控系统等；最后介绍了金川矿区数字化矿山发展展望。
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《特大型镍矿充填法开采技术著作丛书：特大型镍矿数字化矿山建设与进展》：
第1章 绪论
1.1 概述
金川集团公司作为我国重要的有色金属生产基地，矿产资源丰富，但矿体厚大、矿岩破碎不稳固、矿体埋藏深、地应力高，由此给矿产资源开发带来严重困难。随着二矿区二期工程的建设，采矿深度增加，开采深度接近千米，开采面积达到10万平方米。因此，金川矿产资源的安全、高效开发和综合利用，不仅关系到金川集团公司的发展，而且必将影响我国有色金属在国际上的竞争力。随着信息时代的到来，数字化矿山的构建已经成为实现矿山企业安全、高效、绿色开采的有效途径，是当今采矿科学、信息科学、人工智能、计算机技术和3S技术高度结合的产物，它将深刻地改变传统的采矿生产活动和人们的生活方式。因此，构建金川数字矿山，不仅有利于矿山的科学管理和安全生产，而且能够提高矿山采矿生产能力。金川镍矿自建成投产以来，十分重视采矿技术攻关及科学技术在采矿生产中的应用。
几十年来不断技术攻关，不仅解决了一期工程建设中的技术难题，实现了一期工程无矿柱大面积连续开采，而且在二期工程的开发建设中，也成功解决了1150m中段以上厚大矿体的安全开采，成功推广了一期工程的大面积连续开采经验。针对二期工程的采矿技术条件，开展了广泛而深入的研究。研究开发了金川二矿区安全信息管理系统，实现了金川采矿生产和数据管理信息化；首次引进数字矿山建模软件，构建了金川矿产资源的三维地质模型，实现了矿产资源的信息化评估和可视化设计；首次采用光纤光栅传感技术，建立了二矿区采场围岩和充填体的变形监测网，开发了变形监测信息的预警预报系统，实现了采矿生产过程的动态监测和灾变预警；2000年建立全矿地表GPS变形监测网，进行长期动态、实时监测，并开发信息管理系统，实现地表沉降信息的监测与监控；在二矿区膏体充填系统中，引进和完善充填自动控制系统，实现充填系统的精确控制。
这些技术的研究与发展，不仅大大提高了金川镍矿生产管理信息化、数字化、网络化水平，而且为金川数字化矿山的建设与发展奠定了坚实基础。随着金川矿区开采深度的逐步增加，采矿难度增大，深井采矿面临严峻考验，潜在诸多技术难题和安全隐患。因此，金川二矿区深井矿床开采，不仅需要继续开展重大技术难题攻关，更重要的是开发建设金川数字化矿山。通过采用先进的信息技术、人工智能、数值分析和3S技术综合集成系统，进行采矿方案优化设计、生产调度系统规划、回采过程动态管理、监测信息动态监测监控，从而实现二矿区千米深井采场地压的有效控制、采场灾变风险的最优决策，为金川大型难采矿床的安全、高效开采提供可靠的保证。
1.2数字化矿山的概念
综观历史，采矿业曾受到大大小小技术进步的巨大冲击。如今数字地球（digital earth，DE）和数字中国（digital China，DC）战略的提出及数字农业、数字海洋、数字交通、数字长江、数字城市等一系列示范工程的着手实施，不断激励人们进行数字化矿山的开发与建设。数字化矿山（digital mine，DM）是数字地球在矿山开发中的应用，所以定义数字化矿山首先要理解数字地球。数字地球是指“一个多种分辨率、三维的表述方式，使人们能嵌入巨大数量的地理坐标系数据系统”，就是指在全球范围内建立一个以空间位置为主线，将信息组织起来的复杂系统，即按照地球坐标整理并构造一个全球的信息模型，描述地球上每一点的全部信息，按地理位置组织、存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段，使每一个人都可以快速、准确、充分和完整地了解及利用地球上各方面的信息。
在这个意义上，数字地球就是一个全球范围的以地球位置及其相联系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入所能获得的信息的总称。因此，可以从两个层次上来理解数字地球。一个层次是将地球表面每个点上的固有信息（即与空间位置直接有关的相对固定的信息，如地形、地貌、植被、建筑、水文等）数字化，按地理坐标组织起来一个三维的数字地球，全面、详尽地刻画人们居住的这个星球，也即通常所指的地球本身；另一个层次是在此基础上再嵌入所有相关信息（即与空间位置间接有关的相对变动的信息，如人文、经济、政治、军事、科学技术乃至历史等）组成一个意义更加广泛的多维的数字地球，为各种应用目的服务。数字化矿山的特征与数字地球是一致的，只是尺度和范围上不同。
所谓数字化矿山就是指在矿山范围将矿山信息以三维坐标为主线，构建成一个矿山信息模型，来描述矿山中每一点的全部信息，按三维坐标组织，存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段，使有关人员都可以快速准确、充分和完整地了解及利用矿山各方面的信息。从这个意义上说，数字化矿山就是一个矿山范围内的以三维坐标信息及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入所获得的信息的总称。因此，可以从三个层次上来理解数字化矿山。（1） 第一个层次是将数字化矿山中的固有信息（即与空间位置直接有关的固定的信息，如地面地形、井下地形、地质、开采方案、已完成井下工程等）数字化，按三维坐标组织起来形成一个数字化三维空间，全面、详尽描述矿山及采掘工作体系。（2） 第二个层次是在此数字化三维空间上再嵌入所有相关信息（即与空间位置间接有关的相对变动的信息——网络化离散的管理信息数据，如井下监测监控、供电管理、通风管理、排水管理、生产管理、调度管理等）。（3） 第三个层次是数字化空间的动态性和业务、管理的多元化。数字化矿山是一个动态的概念。因为新的数据不断更新，采掘面不断更新，数字化三维空间和空间中的数据都在发生变化。从这个角度来讲，数字化矿山首先是资源的数字化，以大量信息构成的资源量可直观显示出来；其次是信息资源的立体化，而不是平面的；最后业务在这个数字化空间中是多层次、多角度的，管理也是多层次、多角度的，这个数字化空间是多元的。
用一些场景来真实感受以下各数字化空间：技术人员可以使用鼠标在模拟的三维矿井中下矿，真实地感受矿井的工作现场和查看现场数据，如现场安全检测设备处于矿山中的何种位置，发挥着何种作用，设备状态如何，谁在进行操作，如何使设备在矿山中获得最佳配置等信息资源。把人事管理“嵌入”数字化空间中，可以实现扁平化、透视化。矿山中的人力资源分布，各种人员的流动性图表，获得最佳劳动力组合。财务管理、营销管理也可以“嵌入”这个数字化空间。在矿山设计、建设开采过程中，模拟三维矿井条件，进行有效的表述，不再要求亲自深入井巷工作面，办公室内就可触摸工作面矿床，不再非要矿井建成后再去体验，“矿井未建先下井巡视一番”已成为可能，可以把矿井建设得更科学合理。在技术研讨中，生产中的技术管理往往要反复进行多方案对比，参与人员观察问题的角度增加了，如果一个技术问题在三维的多元化空间中分析，可以酝酿得更充分，那么对技术问题的认识也会更深刻，专家可以从各个角度描述问题，使得技术问题更加全面，并可以对研讨对象进行精确刻画，形成多种备选方案。
1.3数字化矿山的体系无论从业务层面、数据层面还是从技术层面，数字化矿山都是一个复杂的巨大系统，它所涉及的是多知识的融合、多学科的交叉。图1.1所示为大多数数字化矿山系统架构图，通常数字化矿山系统由以下几部分构成。
图1.1数字化矿山系统
1. 高速宽带网络支撑体系数字化矿山的建设与矿山业务运行以高速企业局域网为基础，在数字化系统中所处理的业务不但有语音、视频、数据业务，还有大量的与模型库交互的三维数据。建立宽带、高速和双向的通信网络，确保海量矿山数据在企业内部甚至是与IP网络快速传递都是十分必要的。高速宽带网络是数字化矿山的基石。因此，高速企业网技术是数字化矿山建设的关键之一。
2. 三维数据原库和应用模型结合矿山安全生产数据标准，整合安全监测数据和现场GIS信息，并采用虚拟现实技术，建立三维数据模型库，将为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服务的各类专业应用模型纳入模型库，为矿山数字空间提供原库调用服务。在三维的矿山3D原库中，用关联和拓扑的方式组织相关的原库。矿山信息的拓扑查询、分析与应用及许多采矿安全问题的模拟、分析与预测等，均以矿山3D实体的属性、几何与拓扑数据的统一组织为基础。因此，可以立足矿山3D数据的矢栅集成，完成矿山3D拓扑描述、表达、组织与维护。
3. 矿山知识挖掘知识挖掘是利用基于知识工程（knowledge based engineering，KBE）技术和人工智能，从矿山海量数据中为用户挖掘有用的数据、获取决策信息，以及建立求解各类具体工程、生产、管理与经营等问题的应用模型，是本系统的实用化工具。只有当数字化矿山能够方便、快速地从其数据仓库中提取用户所需的显式数据与模型，智能、快速地从其数据仓库中重新组织并产生用户所需的隐式数据与模型时，数字化矿山的海量矿山信息才能被未经过特别培训的用户和各业务部门所共享。由于矿山空间信息的上述特点，为了从矿山数据仓库中快速提取专题信息、发掘隐含规律、认识未知现象和进行时空发展预测等，数据挖掘技术提供了这种高效、智能、透明、符合矿山思维的服务。
4. 中间处理层中间处理层是空间和应用数据的合成基地，负责统一管理数据和模型，即空间数据原库和应用模型库，提供数据资源的载入；完成空间拓扑建立与维护、空间查询与分析、制图与输出等GIS基本功能，并进行数据访问控制、开放接口；分析组织各个空间原库，将离散动态数据库载入空间。中间处理层同时还完成三维数字化空间视图，即在统一的空间参照下进行采矿动态组织与管理，并调度和控制各类三维原库和应用模型的使用和运行，完成业务数据的管理与封装等系统功能；为统一的OA、CDS一体化中心，提供各种应用功能空间载体，如在此空间可设计实时开采模拟、作业安排与监测、资源动态管理、通风网络体系模拟、排水系统模拟、开采沉陷动态模拟、地表数据整合、生态恢复和矿区可持续发展多目标决策等。
5. 三维基础数据及业务环境提供者矿山企业应用系统中已形成了不同层次、具有不同功能的应用系统和软件模块，如虚拟现实（VR）、三维地学模拟（3D geoscience modelling，3DGM）、矿山GIS（MGIS）、虚拟仪器，并形成海量数据与海量模型。可采用三维地学模拟进行数据与模型的过滤和重组。应用三维地学模拟，将采掘资料、地震资料、开挖设计数据及各类物探、化探资料建成矿井、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的3D模型库，可实现海量矿山地物的几何信息、拓扑信息和属性信息的虚拟再现。运用VR和并行计算技术，并嵌入虚拟仪器、各类专业应用模型，如开采沉陷计算、开采沉陷预计、顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络解算、涌水计算等。经过上述的处理，对矿山采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟与虚拟分析。形成各个基础的三维模型库、应用模型库。为统一的数字化矿山业务处理（OA）、指挥调度系统（CDS）一体化中心提供业务视图环境和业务管理方式。
6. 数字化矿山业务处理和指挥调度系统一体化信息管理中心数字化矿山的根本目标是为企业高效管理决策提供支持。在数字化矿山中，把办公自动化和指挥调度系统进行一定的绑定。在可视的环境中，形成全矿山、全过程、全周期的数字化管理、作业、指挥与调度，做到信息数据、管理业务流程相互协调、相互融合。
7. 安全体系整个应用体系都是构建在安全体系之中的，具有良好的安全保障体系。整个系统的安全设计从以下两个方面来考虑：一是硬件平台，即提供三维空间网络QoS的同时，如何保证系统的服务可靠和稳定；二是软平台，即身份的统一认证、授权、加密、审计和监测等方面。
8. 管理业务体系在应用处理过程中分为三个层面：数据层、业务处理层、业务管理层。为企业的业务管理、高层决策提供服务。在系统的构成中，整个系统采用分层的结构，每一层向上一层提供服务，各层之间按照运营管理体系的规范交互。运营管理系统是数字化矿山运营管理的支撑体系。这三个层次贯穿于整个四级网络体系中，并形成三个系统。各业务管理层相互协调、相互促进。在业务管理层中，网络数据层是监测和诊断中心的数据源，为局矿两级的相关专家人员、工程人员提供信息服务，而决策层是在这些数据的共享平台中高度共享和利用这些信息。
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