矿山测量数字化应用问题探讨

董应文

（内蒙古伊泰集团有限公司 煤炭生产事业部，内蒙古 鄂尔多斯017000）

1 数字矿山及其战略意义

所谓数字化矿山是采用现代信息技术、数据库技术、传感器网络技术和过程智能化控制技术等，在矿山企业生产活动的三维尺度范围内，对矿山生产、经营与管理的各个环节与生产要素实现网络化、数字化、模型化、可视化、集成化和科学化管理，根据实际的应用要求，建立矿山规划设计、矿山安全生产管理、矿山应急救援指挥、矿山经营管理、矿山办公自动化等应用系统。 从而将企业的安全生产与经营管理业务流程数字化并加工成新的信息资源，迅速准确地提供给各层次的管理者及时掌握动态业务中的一切信息，以做出有利于生产要素组合优化的决策，使企业资源合理配置，从而使企业能够适应瞬息万变的市场经济竞争环境，求得最大的经济效益。 特别是在矿山安全生产过程中的实时信息监测、收集、分析、预警、决策等方面发挥重大作用。

2 数字矿山的特征和基本组成

基于DM 的定义，DM 应具有以下六大特征∶以高速企业网为“路网”；以采矿CAD(MCAD)、虚拟现实(VR)、仿真(CS)、科学计算(SC)与可视化(VS)为“车辆”；以矿业数据和矿业应用模型为“货物”；以真三维地学模拟(3DGM)和数据挖掘为“包装”；以多源异质矿业数据采集与更新系统为“保障”和以矿山GIS(MGIS)为“调度”。 DM 的最终表现为矿山的高度信息化、自动化和高效率，以至到无人采矿和遥控采矿。

DM 的基本组成可大致为采集系统、调度系统、功能系统、包装系统和核心系统五部分。

2.1 采集系统

负责数据采集与处理,包括测量、勘探、传感和文档四类基础数据采集子系统；其关键是所有数据的数字化。

2.2 调度系统

指MGIS,负责提供拓扑建立与维护、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、开放接口和生产调度与指挥管理等。

2.3 功能系统

负责提供各类专业模拟与分析功能，包括MCAD、VM、MS、SC、AI和SV 等。

2.4 包装系统

负责提供3D 空间建模工具、多源异质矿山数据的空间融合环境和数据过滤、组合与封装机制，包括3DGM 和数据挖掘工具。

2.5 核心系统

负责统一管理数据和模型,决策分析与支持等。

可以看出，数字矿山的核心是数据。 与矿山相关的地理空间数据仓库和属性数据仓库是DM 的基础。地理空间数据仓库用来管理海量的井上、下矿山地物的几何信息、拓扑信息。

3 矿山测量任务

矿山测量因具有一定的的特殊性和多学科交叉性，曾单独为一个专业，它的发展和进步与三个方面密切相关∶一是，采矿技术和矿业工程的发展及要求；二是，测绘科学技术与仪器设备的发展；三是，其它学科的发展与影响。矿山测量工作者担负着矿山地面和地下三维空间的测量、定位与制图，矿体几何，储量管理及开采监督，开采沉陷观测及开采损害防护等任务。 近十多年来,资源、环境、灾害和人口问题成为人类社会发展的四个重大问题。 国内外资料表明，矿山测量工作者在矿区和工矿城市环境的动态综合监测，环境评价，及矿区环境信息管理，矿区开采信息管理系统,开采沉陷区综合治理等方面做了大量的工作，起到了重要作用。

目前， 以3S 为主导的空间信息技术将逐渐应用于矿山测量及矿山建设与生产中；对现代化采矿工业起到优质高效服务和辅助决策的作用。 现代矿山测量的主要任务可概括为∶在矿山勘测、设计、开发和生产运营阶段，对矿区地面和地下空间资源(以矿产资源和土地资源为主)和环境信息进行采集、存储、处理、显示、分析、利用，为合理有效的开发资源、保护资源、保护环境、治理环境服务，为工矿区可持续发展服务。

4 主要研究内容与目标

在数字矿山建设中,就矿山测量而言,除常规的矿井建设、生产中的测量任务之外,应特别重视以下的研究∶矿图数字化与数字化成图—自动化矿山地学信息采集系统；矿山开采环境的综合评价与治理—矿山开采环境四维动态信息系统；GIS 和GPS(全球定位系统)结合及其在矿山开采环境监测与治理中的应用—矿山开采环境实时监测系统；矿山环境信息系统的质量模型及其精度不确定性处理—矿山开采环境信息系统的误差分析系统。

4.1 矿图数字化和数字化成图—自动化矿山地学信息系统

矿图数字化和数字化成图将成为矿山GIS 数据采集的基本手段。实现数据采集自动化是降低矿山GIS 成本的重要途径。综合利用不同的数据源(井上下测量、数字化矿图、地勘信息、航测遥感信息等)、建立适合矿山各类应用的基础地理空间信息数据库及分层信息(包括设备位置及属性信息)，建立好矿山地学信息系统。 同时注重模式识别和专家系统理论。 研究的最终目标是实现矿图数据采集、识别和处理的自动化。

4.2 矿山开采环境的综合评价与治理—矿山开采环境四维动态信息系统

矿山开采环境综合评价与治理不仅包括传统的开采沉陷预测与安全开采方案评估，矿区塌陷区综合治理与动态环境评价、矿区土地管理与区域规划等内容,更重要的是采用GIS 技术手段。 针对矿山开采空间状态是随时间和生产发展而变化的特点，在现有GIS 数据模型基础上， 研究适用于矿山开采环境的空间和时间综合四维数据模型，建立有效的矿山地理信息系统。 该系统应达到如下目标∶

1）实现各类地质采矿条件下开采沉陷的四维动态模拟，为矿山开采沉陷的综合治理(建筑物保护、安全开采方案、保护煤柱设计，采动滑坡治理等)提供依据；

2）实现矿区生产管理的动态模拟，为主管部门提供决策咨询；

3）实现矿区土地资源(地面覆盖物、地下管道工程、塌陷区生态复垦)自动化管理，为矿区开采环境的综合评价与治理提供依据。

4.3 GPS 和GIS 结合及其在矿山开采环境监测中的应用—矿山开采环境实时监测系统

GPS 定位技术是美国自20 世纪70 年代初期开始研制的新一代卫星导航和定位系统。 目前，我国已开始应用GPS 定位技术。 对于矿山开采环境研究而言， 主要是采用GPS 定位技术采集地面动态坐标数据，并采用GIS 进行数据管理和空间分析，从而获得所需信息。最终达到直接采用GPS 技术对GIS 作实时更新， 建立矿山开采环境的实时监测系统。

5 结论

随着矿山生产的发展和科学技术的进步，矿山测量向工程型转化是矿山测量事业发展的必然。即矿山测量职能除着重现代测绘仪器在矿山生产中的研究应用外,将由单一纯工程服务型向工程服务决策型转化，矿山测量工作者的素质应由专门人才向一专多能及工程型扩展。 矿区经济要可持续发展，必然要求交通运输、工业、农业及相关领域可持续发展，必然带来矿区采动，地表建设如厂房、高速公路、楼群建筑等新的疑难问题，采矿工程、矿山测量工程、岩土工程相结合来解决这类新型边缘问题势在必行,矿业可持续发展过程必然是矿山测量工程化发展过程,也是多学科穿插重新组合形成新门类学科的过程。 矿山测量工作者将在矿山边坡工程、矿山地压控制,开采沉陷及采矿地表建设、岩石动力学问题等发挥较重要的决策职能。

［1］郭进伟，武先利.数字矿山系统分析与建模[J].煤炭经济研究，2009（08）.