大數(shù)據(jù)時(shí)代下礦山開采的智能化技術(shù)研究分析

歐 建

（重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究有限公司，重慶 401331）

礦山行業(yè)在大數(shù)據(jù)時(shí)代的大力推動(dòng)下逐漸向集約化、精細(xì)化、智能化方向轉(zhuǎn)變[1]。而這對(duì)礦山開采智能化技術(shù)提出了更高的要求。而我國智能化開采技術(shù)起步較晚，也面對(duì)成套設(shè)備穩(wěn)定性不足，智能化開采技術(shù)普遍適用性不強(qiáng)以及智能化開采觀念滯后等系列問題，因此對(duì)礦山開采智能化技術(shù)予以研究至關(guān)重要。

1 礦山工程及其信息化發(fā)展的歷程

礦山工程主要是以礦產(chǎn)資源為主要對(duì)象，在礦山區(qū)域進(jìn)行資源開發(fā)作業(yè)的過程[2]。整體工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括井塔、壓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等多個(gè)地面工程，同時(shí)包括硐室、井巷等地下工程。經(jīng)過多年的技術(shù)革新發(fā)展，我國的采礦系統(tǒng)應(yīng)用已涉及采礦工程的多個(gè)領(lǐng)域，礦山的地質(zhì)研究、規(guī)劃與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、管理等多個(gè)系統(tǒng)均在礦山工程當(dāng)中有較大程度地應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果[3]。在通常情況下，礦山工程作業(yè)區(qū)域多選擇于地下深處，有時(shí)甚至可達(dá)地下千米之處，作業(yè)面較為分散，同時(shí)受多種因素影響。采礦行業(yè)的作業(yè)環(huán)境較為艱苦，作業(yè)管理過程中的危險(xiǎn)因素及生產(chǎn)技術(shù)短板存在于整個(gè)礦山工程管理過程中，影響整體施工進(jìn)度與質(zhì)量，因此需在礦山工程中應(yīng)用信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山工程信息化施工管理[4]。

自動(dòng)化、數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用是礦山工程信息化的基礎(chǔ)，通過應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人采礦和遙控采礦，以此達(dá)到智能礦山的基本需求。智能礦山屬于礦山工程高度信息化、自動(dòng)化、智能化，以整體礦山開采作業(yè)高效、安全為目標(biāo)，是礦山工程綜合信息化發(fā)展的必然方向。而隨著當(dāng)前社會(huì)自動(dòng)化、數(shù)字化信息技術(shù)不斷革新發(fā)展，礦山工程信息化發(fā)展正不斷推進(jìn)。

2 智能礦山關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展路徑

2.1 大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及云計(jì)算技術(shù)支撐的智慧礦山

智慧礦山概念屬于數(shù)字化礦山基礎(chǔ)上的擴(kuò)展。與數(shù)字化礦山開采有所區(qū)別的是聯(lián)合應(yīng)用了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及云計(jì)算技術(shù)等核心技術(shù)，不僅解決了各個(gè)系統(tǒng)之間的互通、架構(gòu)問題，同時(shí)強(qiáng)化了針對(duì)數(shù)據(jù)的處理及高級(jí)運(yùn)算的問題。智慧礦山是數(shù)字化礦山在原有架構(gòu)基礎(chǔ)之上，對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，以此完成智慧決策支持平臺(tái)的架構(gòu)。因此，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及云計(jì)算技術(shù)等核心技術(shù)的研究應(yīng)用程度，對(duì)智慧礦山的發(fā)展具有直接影響。

2.2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

當(dāng)前社會(huì)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)已充分普及，“互聯(lián)網(wǎng)+”基礎(chǔ)之上的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用，為智慧礦山的信息傳輸工作提供了有效保障。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)智慧礦山的大數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，精確性可有效提升，同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)傳輸工作及時(shí)完成，以此保障智慧礦山系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。因此智慧礦山物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用過程中，必須達(dá)到統(tǒng)一指揮、精準(zhǔn)定位、協(xié)調(diào)統(tǒng)一，同時(shí)可對(duì)綜合地理信息進(jìn)行有效整合[5]。

目前，我國所應(yīng)用的精確定位技術(shù)主要有Wifi定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、Zig Bee定位技術(shù)以及超寬帶定位技術(shù)。每一項(xiàng)定位技術(shù)在各自應(yīng)用領(lǐng)域中均具有各自特點(diǎn)，并取得相應(yīng)的應(yīng)用效果。而礦山作業(yè)過程中，對(duì)于定位的精準(zhǔn)度和時(shí)間分辨率具有較高要求，Zig Bee定位技術(shù)和超寬帶定位技術(shù)在此方面具有一定優(yōu)勢，對(duì)于礦山開采的井下無線定位就有很大幫助，是未來智慧礦山發(fā)展的有效途徑。

2.3 大數(shù)據(jù)處理及人工智能技術(shù)

大數(shù)據(jù)處理技術(shù)是智慧礦山發(fā)展的核心技術(shù)之一。在智慧礦山應(yīng)用過程中，為加強(qiáng)對(duì)于礦山整體了解，需采用較大數(shù)量的傳感器對(duì)整個(gè)礦山進(jìn)行整體掃描，由此產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)信息流。而找到規(guī)模的數(shù)據(jù)信息。對(duì)整個(gè)智慧礦山的儲(chǔ)存、管理、分析系統(tǒng)造成了極大壓力，因此加強(qiáng)對(duì)于大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，利用此類技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和知識(shí)，為智慧礦山的生產(chǎn)、管理及決策提供有效參考[6]。

人工智能技術(shù)屬于近年來發(fā)展較為熱門的新核心技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。人工智能是在大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，開發(fā)方向?yàn)槟M、延伸、擴(kuò)展人類的智能，進(jìn)而提升信息科技的應(yīng)用，人臉識(shí)別、智能對(duì)話等均屬于人工智能研發(fā)領(lǐng)域。人工智能的核心成分是可進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自主更新與升級(jí)。智慧礦山應(yīng)用人工智能技術(shù)，可完善對(duì)于礦山開采管理系統(tǒng)的自我升級(jí)，進(jìn)而提升整體系統(tǒng)的應(yīng)用適應(yīng)性。

2.4 機(jī)器人智能化開采系統(tǒng)

機(jī)器人開采主要是為了提升礦山開采作業(yè)的安全性與效率性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于人力資源的解放。機(jī)器人開展作業(yè)必須具備以下條件，礦產(chǎn)儲(chǔ)備條件精準(zhǔn)感知、截割軌跡精準(zhǔn)調(diào)控、機(jī)器人作業(yè)群組精準(zhǔn)配合以及礦山壓力精準(zhǔn)預(yù)警[7]。在此類條件均滿足的前提下，機(jī)器人智能化開采系統(tǒng)可通過設(shè)備擬人化，完成礦產(chǎn)開采作業(yè)。機(jī)器人截割軌跡精準(zhǔn)調(diào)控、支撐系統(tǒng)有效調(diào)節(jié)、礦山壓力預(yù)警等系統(tǒng)均是為保證整體礦業(yè)開采空間的安全性，同時(shí)，對(duì)于礦產(chǎn)儲(chǔ)備條件的精準(zhǔn)感知、保證工作區(qū)域整潔、礦產(chǎn)開采、輸送速度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，均是為了保障。機(jī)器人作業(yè)群組精準(zhǔn)配合，進(jìn)而提升整體開采效率，確保機(jī)器人智能化開采系統(tǒng)的有效應(yīng)用。

3 大數(shù)據(jù)時(shí)代下數(shù)字礦山智能開采技術(shù)

近年來，我國數(shù)字礦山智能開采技術(shù)的發(fā)展速度飛快，其實(shí)際應(yīng)用效果取得了有目共睹的成就。數(shù)字礦山概念可歸納為在統(tǒng)一框架下，對(duì)礦山整體信息數(shù)據(jù)情況進(jìn)行數(shù)字化、智能化編程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化開采的整體過程，同時(shí)屬于先進(jìn)理念的應(yīng)用[8]。數(shù)字礦山開采技術(shù)其核心主要是強(qiáng)化互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，以此保障礦山開采行為高效、安全化。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，數(shù)字礦山智能開采技術(shù)主要是以礦山資源為中心，建立數(shù)字化礦山資源數(shù)據(jù)庫，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)上建立礦山立體化模型，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)于礦山資源空間信息的收集，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將礦山資源整體體現(xiàn)出來，以此建立礦山資源網(wǎng)絡(luò)智能開采系統(tǒng)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要是針對(duì)礦山的地質(zhì)情況、地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)而取得礦山資源內(nèi)礦產(chǎn)的分布情況。數(shù)字礦山智能開采技術(shù)則是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)將礦山資源整體情況進(jìn)行還原，建立礦山實(shí)景三維立體模擬模型，是礦山資源開采技術(shù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。模型的建立有利于礦山開采方式的選擇，同時(shí)可通過對(duì)礦井建設(shè)及開采過程的模擬，進(jìn)一步提升礦山開采效率和開采質(zhì)量，降低環(huán)境污染，減少資源浪費(fèi)。

數(shù)字礦山智能開采技術(shù)應(yīng)用首先需通過專業(yè)人員的資源評(píng)估，通過評(píng)估過程對(duì)礦山整體資源進(jìn)行初步了解；其次，建立網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測點(diǎn)，收集礦產(chǎn)資源開采信息，對(duì)礦山情況進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)測；最后應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，建立數(shù)字礦山智能開采模型，對(duì)開采行為進(jìn)行相應(yīng)模擬，并確定開采方式進(jìn)行開采。數(shù)字礦山智能開采技術(shù)的應(yīng)用，可綜合考慮礦產(chǎn)資源開采過程中的多種因素，并及時(shí)采取有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而對(duì)開采現(xiàn)場發(fā)布執(zhí)行命令或?qū)﹂_采過程細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。

4 智能開采試驗(yàn)

4.1 參數(shù)選擇

數(shù)字礦山智能開采試驗(yàn)中，對(duì)信息數(shù)據(jù)的采集、整理和分析，其首要步驟為參數(shù)的選擇。礦山開采的前提需對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行評(píng)估，而資源評(píng)估工作需通過信息采集監(jiān)測點(diǎn)完成，是整個(gè)數(shù)字礦山智能開采工作的開始階段。而礦山資源的評(píng)估屬于模糊信息獲得，需應(yīng)用人工實(shí)地采集信息，信息數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性較差。因此，在礦山資源信息數(shù)據(jù)的整理、分析過程中，要將所采集信息進(jìn)行綜合性考慮，以此提升礦山資源數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行評(píng)估過程中，需采集信息種類較多，且在不同的環(huán)境、影響因素下需要不斷調(diào)整，但基礎(chǔ)參數(shù)信息選擇如表1，將所采集數(shù)據(jù)代入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，即可取得?shù)字礦山智能開采實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)參數(shù)選取表

4.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

傳統(tǒng)開采方式與智能開采方式的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉幌嗤?，將相同參?shù)代入各自模型當(dāng)中，可得出兩種開采方式的對(duì)比結(jié)果。在開采試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比過程中，需根據(jù)礦山實(shí)際情況進(jìn)行具體分析，以此選擇合適的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

模型（1）為智能開采技術(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將所采集試?yàn)參數(shù)代入到試驗(yàn)?zāi)Ｐ彤?dāng)中，可得出數(shù)字礦山智能開采技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果。

模型（2）為傳統(tǒng)開采技術(shù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將所采集試?yàn)參數(shù)代入到試驗(yàn)?zāi)Ｐ彤?dāng)中，可得出傳統(tǒng)開采技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

將礦山開采信息數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行整理分析，進(jìn)而通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒僮?，得出不同開采方式的對(duì)比結(jié)果。由表2中數(shù)據(jù)可得出傳統(tǒng)開采方法和智能化開采方法的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。并通過試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)開采方法，數(shù)字礦山智能開采技術(shù)能夠有效地達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，年采礦量達(dá)到最大化，開采回采率可有效提升，預(yù)計(jì)壓強(qiáng)降低，粘合力提升。主要是由于應(yīng)用數(shù)字礦山智能開采技術(shù)，通過礦產(chǎn)資源評(píng)估、信息采集、開采技術(shù)應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)的緊密配合，聯(lián)合高素質(zhì)人才的實(shí)際操作，可對(duì)礦山資源進(jìn)行高效率、高質(zhì)量開采，而基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)合應(yīng)用，可保障對(duì)于礦山資源最大程度地開發(fā)利用。

表2 開采試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

礦山開采智能化作為大數(shù)據(jù)時(shí)代下工業(yè)技術(shù)革新的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其不僅是礦山行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心根本內(nèi)容，而且是現(xiàn)階段我國礦上開采研究的技術(shù)重點(diǎn)。在礦山開采規(guī)模日益壯大的今天，礦山開采智能化備受關(guān)注與重視。數(shù)字礦山智能開采技術(shù)不僅能夠確保礦產(chǎn)資源開采的安全性，而且能夠提高礦山開采工程的效率和水平。在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，應(yīng)全面推廣數(shù)字礦山開采智能化技術(shù)，為礦山開采企業(yè)提供新技術(shù)。