1、煤矿数字化矿山建设方案报告煤矿数字化矿山建设方案报告1 数字矿山建设的必要性 21.1 背景 21.1.1 矿山信息化的发展情况 21.1.2 矿山信息化存在的问题 31.1.3 国外数字矿山建设情况 31.2 数字矿山涵 41.2.1 数字矿山的含义 41.2.2 数字矿山建设目标 61.2.3 数字矿山对安全生产及辅助决策的意义 72XX煤矿数字矿山建设 82.1 XX煤矿数字矿山现状 82.2 采用3DGIS数字矿山系统建设XX煤矿数字矿山 92.2.1建立XX矿井数据自动采集和更新系统 112.2.2 搭建XX煤矿矿用监控数据中心 122.2.3 搭建XX煤矿矿用空间数据中心 142.
2、2.4 构建XX煤矿各种专业算法库 142.4.5 构建XX煤矿数字矿山基础信息平台 152.4.6 构建XX煤矿数字矿山专业应用软件 153数字矿山系统简介及应用 163.1 数字矿山平台 163.1.1 2DGIS数字矿山平台 163.1.2 3DGIS数字矿山平台 163.1.3 3DGIS数字矿山基础信息平台 173.2 3DGIS数字矿山核心应用系统 183.2.1 全矿井三维可视化系统 183.2.2 3DGIS查询管理分析系统 213.2.3 全矿井三维综合自动化系统 253.2.4 瓦斯地质规律分析与编图系统 283.2.5 智能化矿井通防系统 293.2.6 矿井电力设计系统
3、 301 数字矿山建设的必要性1.1 背景1.1.1 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多万，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上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。由于煤矿井下作业处于地表深处，地
4、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。尤其是对地面地物类和地下地质体对象掌握不清楚，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，由此也引发了象通风、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
5、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、地面设施以及地下的煤岩层、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
6、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（Enterprise Resource Planning）概念的简单复制，而是一个包含二者部分特性的崭新概念。1.1.2 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”。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-
7、智能决策-控制生产的数字化闭环系统，有些信息化容，也都是一些信息孤岛，虽然有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。1.1.3 国外数字矿山建设情况目前世界上常用的GIS软件也已达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，国较著名的有MAP/GIS、Geostar、Supermap和CITYSTAR等，但均不适合矿山应用；尽管有一些矿山空间管理软件，如国外的Minescape软件、Coalsoft软件、MOSS软件、GEMCOM软
8、件、MICROMINE、Sparc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、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、硐室、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
9、、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，虽然，经过近几年的开发，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。1.2
10、 数字矿山涵1.2.1 数字矿山的含义所谓数字矿山就是指在矿山围建立一个以三维坐标为主线，将矿山信息构建成一个矿山信息模型。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。在这个意义上说，数字矿山就是一个矿山围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，并在该框架嵌入我们所获得的信息的总称。因此，我们可以从两个层次上来理解数字矿山。一个层次是将数字矿山中的固有信息（即与空间位置直接有关的相固定的信息，如地面地形,井下地质、开采方案、已完成井下工程等）数字化，按三维坐标组织
11、起来一个数字矿山，全面、详尽地刻画矿山及矿体；另一个层次是在此基础上再嵌入所有相关信息（即空间位置间接有关的相对变动的信息，如安全监测监控系统、电力监控系统、胶带集控系统、人员定位监控系统等生产过程中的设备、环境、人员信息）组成一个意义更加广泛的多维的数字矿山。通过对数字矿山的概念理解，数字矿山是在井田围在统一的三维空间坐标参考下，对矿山每一特征点的固有信息和动态信息的展示和利用，也就是要再现矿井的本来面目，要实现这一目标，需要展示和处理庞大海量的多维数据，同时会涉及许多新技术的应用，包括地理信息系统的应用，在此基础上，从事煤炭行业信息化的一些业人士普遍认为“数字矿山”具有以下特征：1)建设贯
12、穿井上和井下的高速企业网络：“数字矿山”的建设与矿山信息化运行是以高速企业网（Intranet）为基础。100M/1000M高速光纤网络是确保“数字矿山”实施和海量矿山数据在企业部、外部快速传递的前提。2)建立矿井基础数据采集和更新手段：采集矿井基础原始数据和及时更新是保证“数字矿山”基础数据共享的前提。多源异质和动态变化是矿山数据的基本特点，所以必须以矿山测量（RS、GPS、数字摄影测量、常规地面测量和井下测量等）、地质勘探（钻探、槽探、山地工程、地球物理物探、化探等）、工业传感（指各类接触式与非接触式矿山专用传感与监视设备/ 仪器采集系统，如应力传感、应变传感、瓦斯传感、自动监测、机械信号
13、与故障传感、工业电视等）和文档录入（法规、法令、文件、档案、统计数据等）等为综合手段，来建立精确、动态和全面的矿山综合信息采集与数据更新系统。3)建立矿井基础数据及模型：基于3D GIS和3D GMS的空间构模技术以及数据挖掘技术对原始数据进行“加工过滤”来建立煤矿井田地表地形、地面工业广场、矿体与采区巷道及开挖空间矢栅整合的真三维整体模型与重点细节模型；同时考虑采掘工作面场景、机电设备、通风设施、电缆管线等模型的建立与可视化。4)GIS技术是系统集成支撑平台：以3D GIS为集成技术，融合全矿井自动化系统，在统一的时空参照下，调度和控制各专业子系统，确保系统高效运行。5)开放的软件平台：矿井
14、基础数据的检索、展示和利用需要统一的具有开放性能的平台软件来承载，要求系统的开放性是保证“数字矿山”良性发展的前提，一是系统本身的数据格式向第三方集成商开放，二是系统要兼容主流的GIS空间数据格式和模型数据格式，三是系统部各模块之间通过接口可以互相通讯。6)建立各专业专家分析系统，为煤矿安全生产经营管理提供决策支持：以采、掘、机、运、通为主线的各子系统构成了煤矿生产系统，在基于3D 模型、可视化技术与虚拟现实技术全面展示矿井的同时，基于3D GIS空间分析功能，对采、掘、机、运、通各子系统的工作原理进行仿真模拟，在此基础上建立各专业的专家系统，为煤矿安全生产经营管理提供决策支持。1.2.2 数
15、字矿山建设目标随着计算机技术在采矿业的不断应用，采矿业正由经验型、传统型向科学型、定量分析与处理、自动化方向发展。我们根据矿山生产的实际情况，将下一步数字化矿山建设目标定位于：以计算机及其网络技术为手段，把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表达和深加工，并应用于各个生产环节的管理和决策之中，以实现矿山生产的系统优化，达到提高资源的综合利用率、降低生产成本、实现利润最大化的目的。高效快速的推进矿山网络化、数字化、智能化、信息化、综合自动化在煤矿的整体应用。数字矿山建设的最终目标如下图所示。（XX煤矿数字矿山的最终具体目标见2.2章）图 1.2-1 数字矿山建设目标1.2.3 数字
16、矿山对安全生产及辅助决策的意义建设“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、危险源信息和生产信息的3D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、突水透水等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
17、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容变成可见得，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
18、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蹴而就的，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管理理念先进的用户的密切配合。2XX煤矿数字矿山建设2.1 XX煤矿数字矿山现状 XX煤矿为新建矿井，在数字矿山建设方面有着良好的起点和基础，按照矿井基
19、础信息的容构成的角度，可从三个方面来分析，一是采集矿井井巷和煤岩层空间数据的地测管理信息系统；二是采集矿井生产过程中的环境、设备、人员等动态信息，XX煤矿先后安装和实施了综采工作面监控系统、胶带运输监控系统（皮带保护+PLC控制系统）、供电监控系统、井下主排水监控系统、通风机监控系统、生活污水处理监控系统、井下水处理监控系统、压风、制氮监控系统、锅炉房监控系统、工业电视、大屏显示系统、井下人员管理系统、调度通信、安全监测监控系统、辅助运输信号系统、产运销管理系统等；三是采集经营管理信息；在实际业务中，客观上这三个方面信息系统都是互相共享利用的，然而在具体建设实施过程中，这些系统都是由不同的厂家
20、完成，没有从整个矿井利用信息的角度或者说从数字矿山的角度考虑和规划矿井基础信息的产生、认知、获取、表达、处理、共享、可视化、传输和增值利用，所以虽然建立了各业务子系统，但在信息共享处理，信息再利用和数据挖掘方面存在问题，缺乏必要的数据访问机制和丰富的可视化表现手段，没有发挥出矿井基础信息应有的作用，XX矿主要子系统如下：序号系统名称系统主要容接入接口通信协议控制方式子系统所在位置1综采工作面监控系统011201综采工作面RJ45OPC监测011802综采工作面RJ45OPC监测2胶带运输监控系统（皮带保护+PLC控制系统）主斜井胶带RJ45OPC监控、联动一采区十二煤胶带一采区十二煤煤仓给煤机
21、RJ45OPC011201工作面顺槽胶带RJ45OPC011802工作面顺槽胶带RJ45OPC3供电监控系统主斜井井口房10/0.4KVRJ45OPC监控制氮站10kV配电室RJ45OPC监控井下主变电所RJ45OPC监控一采区十二煤采区变电所RJ45OPC监控一采区十二煤带式输送机机头变电所RJ45OPC监控4井下主排水监控系统主排水水泵房PLC控制系统RJ45OPC监控中央水泵房5通风机监控系统通风机PLC监控系统RJ45OPC监控通风机房6生活污水处理监控系统生活污水处理系统PLC监控系统RJ45OPC监控生活污水处理站7井下水处理监控系统井下水处理PLC监控系统RJ45OPC监控井下水
22、处理站8压风、制氮监控系统压风、制氮PLC监控系统RJ45OPC监控制氮站9锅炉房监控系统锅炉PLC监控系统RJ45OPC监测锅炉房10工业电视以太网监视调度中心11大屏显示系统以太网监视调度中心12井下人员管理系统RJ45OPC监测调度中心13调度通信以太网调度调度中心14安全监测监控系统安全生产监控系统RJ45OPC监控调度中心煤矿火灾自燃监测RJ45OPC监测联合建筑光纤分布式温度监测系统RJ45OPC监测消防控制室15辅助运输信号系统胶轮车运输监控系统RJ45OPC监测联合建筑16产运销管理系统RJ45OPC监测调度中心2.2 采用3DGIS数字矿山系统建设XX煤矿数字矿山数字矿山就是
23、要站在整个矿井的高度考虑全矿井的数字化和信息化，按照数字矿山的涵就是在井田围统一的三维空间坐标参考下，对矿山每一特征点的固有信息和动态信息的展示和利用，也就是要再现矿井的本来面目，要实现这一目标，需要采集、表现、管理和处理庞大海量的多维数据，所以数字矿山不能一蹴而就，必须总体规划，分布实施。具体步骤如下：第一步：必须建立矿用数据的自动采集和更新系统；第二步：搭建矿用监测数据中心，可以灵活使用、管理各种监测监控数据，使各子系统数据实现高度融合；第三步：搭建矿用空间数据中心，可以灵活使用、管理各种固有数据（地质、测量等数据）；第四步：基于两个数据中心，构建各种专业算法库；第五步：构建数字矿山基础信
24、息平台。采用三维、二维、组态等各种形式表现数据；构建基础信息平台的另外作用是：搭建一个开放的集成平台，以后用户可以方便的在此平台上接入其他子系统。第六步：构建数字矿山专业应用系统。建设XX煤矿数字矿山的具体目标如下：1、实现数据自动化采集更新，全自动建立全矿井三维场景；2、解决信息孤岛，实现各部门数据共享使用；3、平台灵活开放，方便后期系统扩展、接入；平台覆盖整个网络，高度融入各子系统；4、实现对重要设备的状态监测和故障分析，可以实时查看设备运行参数。采用三维动画、文字、声音、光效等各种手段表现设备状态；5、实现对主要设备的控制，在权限允许的情况下，系统可以远程控制设备的开停；6、建立各种专业
25、分析库，实现生产计划、生产安全调度的最优华。给煤矿生产提供科学的决策依据。图2-2-1 数字矿山建设框架2.2.1建立XX矿井数据自动采集和更新系统多源异构和动态变化是矿山数据的基本特征，所以必须根据不同的数据来源建立不同的采集系统；对于固有信息采集，可以对地质勘探和矿井测量产生的地质、测量、水文、钻孔等基础数据通过整理或图纸矢量化等手段获取，建立地测信息化系统管理和更新矿井固有信息；目前3DGIS数字矿山系统支持三种方式的基础数据采集：1、自动识别CAD图纸，生成三维图形；2、根据地测数据库，自动生成三维图形；3、根据采掘工程平面图，手动采集数据生成三维图形。对于矿井环境、人员等动态信息，可
26、以通过安全监测监控系统、人员定位系统、工业电视系统采集；对于矿井生产过程中产生的动态信息通过建立安装胶带运输、提升、洗选、供电、水泵、电液控制系统等集控系统采集，集控系统的自动化程度与装备的智能化水平相关。目前3DGIS数字矿山系统可以通过矿用监测数据中心自动对接采集国主流自动化子系统。2.2.2 搭建XX煤矿矿用监控数据中心从数字矿山的角度看，XX煤矿先后安装的了综采工作面监控系统、胶带运输监控系统（皮带保护+PLC控制系统）、供电监控系统、井下主排水监控系统、通风机监控系统、生活污水处理监控系统、井下水处理监控系统、压风、制氮监控系统、锅炉房监控系统、工业电视、大屏显示系统、井下人员管理系
27、统、调度通信、安全监测监控系统、辅助运输信号系统、产运销管理系统等是矿井生产过程中环境、设备、人员状态实时数据的采集系统，但是这些来自不同厂家的系统所采集的数据组织方式、存储格式不一样，并且这些数据客观上存在一定的关系，所以需要对这些数据进行整合，建立一个监控数据中心，天地（）自动化股份开发的全矿井综合自动化平台对各监控子系统采集的数据进行了集成，按照统一的格式进行了管理，然后制定数据发布机制，为其他系统共享、挖掘、增值利用这些数据建立了通道。可见全矿井自动化系统平台本身已经建立了一个监控数据中心和数据的访问机制，天地（）自动化股份开发的数字矿山基础信息平台可以无缝地访问监控数据中心的数据，通
28、过数据映射机制建立与空间数据关联，最后通过可视化平台形象地把矿井数据展示出来。监控数据中心与监控子系统的根据系统软件接口及标准的信息协议是软件整合能否实现的关键，对于各现场控制单元（子系统），接入组件支持业界普遍认同的一些标准接口接入。2.2.2.1 OPC接口OPC（OLE for Process Control）是被工控领域广泛遵循的一种标准，它规了应用程序与现场设备或数据源之间数据存取的接口协议，它是基于微软的组件技术（COM/DCOM）设计，采用客户/服务器体系结构。它既可存取本地OPC服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的OPC服务器，并且具有高效、安全的特点。它是目前存取现场数据
29、最理想的方法。2.2.2.2 DDE/NetDDE接口NetDDE是基于网络的动态数据交换（DDE）技术解决应用程序之间数据的动态交换。也采用客户/服务器体系结构。它既可存取本地DDE服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的DDE服务器，它比OPC在速度和安全性方面要逊色。但对一些动态刷新系统它仍不失为一种简单有效的方法。2.2.2.3 ODBC接口现场控制单元（子系统）可将一些对实时性要求不高（如统计等）信息周期性地通过数据接口写入指定的共享数据库（如MS Access 或MS SQL等）的表中，综合自动化系统通过数据库接口获取相关信息。2.2.2.4 FTP传送现场控制单元（子系统）将实时
30、数据周期性地写入指定的文件中，文件的结构符合统一的信息描述，子系统通过FTP上传至管控服务器设置好的FTP服务器。2.2.3 搭建XX煤矿矿用空间数据中心矿用空间数据中心主要是指在井田围以空间三维坐标为基础组织起来的井上、井下地理空间基础信息。主要包括空间煤层、岩层、地表、地质构造、巷道以及构成采、掘、机、运、通生产系统的矿用设备、材料、配件、设施在井巷或地表空间布置位置和拓扑关系。在煤矿这些空间数据采集是以地测信息系统中地质数据库和测量数据库为基础采集和整理的，数字矿山基础信息平台与主流的地测系统兼容（煤科总院分院、龙软科技、集灵），可以直接访问地质数据库和测量数据库，从而为井巷系统和煤层、
31、岩层等地质体等空间信息建立打下了基础。井巷系统建立起来，实际上建立起来了矿井井下的空间参考，以井巷导线点建立起来的井下空间参考作为采掘机运通等生产系统布置的坐标参考。数字矿山基础信息平台空间数据中心主要容分两个层次管理基础数据，一个层次面向关系数据库，管理和组织矿井对象的几何基础数据、空间拓扑规则和几何网络信息，另一个层次管理矿井对象，面向平台其他模块提供矿用对象使用维护功能。2.2.3.1基础空间信息的组织管理矿井生产系统由设备、设施、配件、井巷、材料、工作面、区域等对象及其相互关系构成，该功能完成基本对象的空间信息的结构定义、编码及其新增、更新、删除、查询、枚举等数据库操作。2.2.3.2矿用对象组织管理数据中心支持设备、设施、配件、井巷、材料、工作面、区域等矿用对象及其关系面向对象的管理功能，其他生产系统基于该机制使用对象，进行二次开发。2.2.4 构建XX煤矿
