计算机技术在采矿中的应用

计算机技术在采矿专业的应用摘要：介绍了国内外近年来计算机在采矿工程中的应用现状，并着重讨论计算机在矿床资源评价及经济效益分析、地下开采、露天开采、矿山企业管理等方面的应用及其应用的发展趋势。关键词：计算机；采矿工业；应用现状；发展趋势1引言采矿工程专业学生就业岗位一般都是基层一线单位的技术与管理工作，他们是本单位的专业技术人员，不但从事繁琐的一线数据整理分析任务，而且很多管理类的报表都是由他们完成的，因此，采矿工程专业的学生不仅应具备的计算机知识，而且能够在生产和管理实际中熟练应用所学知识。近年来由于微型计算机具有价格低、体积小、功能强大、对环境要求不高、使用方便等诸多优势，随着计算机工业的大力发展，微型机在采矿工业中的应用也越来越广泛，其应用深度和广度也日益增加。计算机在采矿工业中应用的一个重要方面是矿山系统工程。矿山系统工程始于50年代，源于计算机与运筹学在矿业中的应用，当时只是运用运筹学的一些方法来解决那些运算工作量不很大的采矿工业中的一些实际问题；到了70年代中期，计算机在采矿工业中得到了应用，从而促进了矿山系统工程的发展，与此同时，涌现出了一批从事矿山系统工程工作的工程技术人员，初步形成了一支矿山系统工程的研究队伍；到了70年代末80年代初，采矿工业中已应用大中型计算机来解决科研、设计、生产中的一些复杂与运算工作量很大的实际问题，我国的矿山系统工程有了进一步的发展；近几年来微型计算机的普遍使用，多种计算机技术的引进与开发使得矿山系统工程向纵深发展，计算机在采矿工业中的应用亦更广泛、更深入，几乎涉及到了采矿工业中的各个方面，科研、设计、生产中的应用软件也像雨后春笋般地涌现出来。2计算机技术在采矿工业中应用的现状2.1在矿床资源评价及经济效益分析方面目前计算机在矿床资源评价和经济效益分析方面的应用主要有：对矿床的综合评价及矿体边界品位的确定，矿块经济模型的建立及块值的计算，可行性研究及方案选择中的经济效益分析，经济指标的合理确定等。下面仅以边界品位的动态优化为例论述计算机技术在此方面的应用。边界品位是用于区分矿石和废石的临界品位。与边界品位相互作用的因素很多，如采、选、冶成本，产品价格，时间因素，品位空间分布，采、选、冶生产能力及开采计划等。传统的成本法（即生产成本等于产品价值）所确定的边界品位是一个只考虑成本与价格的单一静态品位。由于产品价格与生产成本不会是一成不变的，资金也具有时间价值，成本法无法真实的反映这些变化。因此，利用该法所确定的边界品位不能获得应有的经济效益。成本法所确定的边界品位没有反映开采计划的影响，而恰恰是开采计划决定了与边界品位密切相关的入选矿石品位与数量，若边界品位的确定没有考虑开采计划因素，这样会给配矿带来困难，陷入为满足短期用矿指标而使采掘关系失调的生产困境。由于边界品位的影响面广，所涉及的因素复杂，它的合理确定是一个自60年代就一直被许多学者关注的重要课题。针对静态成本法的严重欠缺，国外先后出现了考虑采、选、冶生产能力的以最大净现值为优化目标的矿体边界品位动态优化方法，以及将开采能力与边界品位同时优化的动态规划法等。目前，边界品位合理确定的研究趋势是：以最大净现值为目标，考虑采、选、冶生产能力、品位分布及开采计划要求的系统优化方法，建立生产组织优化模型，用计算机进行求解。由于边界品位动态优化的模型极其巨大，像如此大规模的线性规划问题在微机上尚无较好的求解方法，但神经网络方法的引入为这类优化问题的求解开辟了一条新道路。2.2在地下开采方面随着计算机技术的不断发展，其在矿床地下开采中的应用也在逐步增多，主要是在采矿方法选择中的应用。此外，也广泛地应用于放矿过程的模拟，矿井服务年限的确定，地下开采生产规划的优化及通风、压气系统的网络计算等。采矿方法对矿山生产的许多生产指标（如矿山生产规模、矿石损失率、贫化率、劳动生产率、成本及安全等）都有很重要的影响。所以采矿方法选择的合理、正确与否，将直接关系到企业的经济效果及其成败。对于地下开采的矿山设计，选择技术上可行、经济上合理的采矿方法是设计中必不可少的重要环节。由于采矿方法的选择受诸多因素的制约又具有相当大的不确定性，故选择最合适的采矿方法不但要有比较广泛的专家知识还要从经济效益出发，用数据说话。影响采矿方法选择的因素很多，一类为自然条件，如矿体的地质状况、赋存条件以及与市场密切相关的矿石价值等；另一类是人为要求，如地表的保护要求、技术上可行的前提下投资者（决策者）的倾向性要求等。诸多因素的共同点是与采矿方法之间难以建立起确切的函数关系，某些因素相互制约并具有较大的模糊性。因此目前大部分工程设计依然依赖于个人经验或沿用实例类比方式。近些年来，人们在采矿工程领域引入了人工智能来解决领域内经验判断问题，即不确定性推理问题。一些典型的应用有多目标决策线性规划、灰色系统理论、基于规则的专家系统等。北京有色冶金设计研究总院的顾秀华等人结合采矿设计的工艺特点开发了一套帮助设计者根据矿山资源条件进行采矿方法初选并对初选出的几种采矿方法进行经济比较并决策的专家系统。本系统首先合理细化了采矿方法及方案的分类，将基于规则的专家系统引入采矿工程设计，并在技术条件允许的前提下，给投资者（决策者）以倾向性选择的机会，由此初选出推荐方案，再对推荐方案进行经济优化选择。用经济评价的方法选择采矿方法的基本过程如下：（1）建立采矿方法（方案）名称库、常用采掘设备库、常用材料单价库及各种采矿方法的采掘单耗库。（2）在已知各种采矿方法的材料单耗及主要经济指标的前提下作经济比较，给出经济上更合理的采矿方法。经济评价的方法有二种：其一为比“盈利”法。其基本思想是：根据开采每吨矿石的盈利金额来确定经济效益最好的采矿方法。其二为比“还贷时间”法。其基本思想是：对于不同的采矿方法、采矿设备、生产能力，将一个采场所需的采矿、掘进设备作为采场的一次性资金投入，在考虑投资利率的条件下比较哪种采矿方法的偿还期短。（3）建立计算结果数据库。当然，矿山设计和矿床开采的最终目的是选用一个或多个方案确定矿床开采中有关的各项工作，以得到所期望的经济收益。地下开采也不例外，计算机在该方面应用的目的是建立和编制计算机模型验证矿山生产的各个方面，利用这些模型对采场进行设计和经济分析；预测各个采矿方法和采矿作业活动情况和采矿方法的单位成本；按矿山的某一生产率计算利润率；并在经营范围和净现值计算的基础上，将不同的采矿方法进行比较和对比；最后确定技术上合理、经济上可行的采矿方法。2.3在露天开采方面就计算机在露天矿应用范畴而言，更多的似乎是露天矿开采设计及生产计划的优化，而优化这一术语不仅是指开采过程中的有效设计和计划，而且普遍地与经济可采境界等许多方面密切相关联。自20世纪50年代后期开发的计算机模型开始，至今已进行了大量的研究工作。从浮动锥法、勒奇斯-格罗斯曼三维论算法以及某些启发式算法的发展与应用，直到现今正在兴起的人工智能技术，已取得了大量的成果，且计算机应用于露天开采的方法也日益成熟，如露天境界的圈定，长短期采剥进度计划的编制，运输系统的优化，铲车模拟及其选型计算，生产能力的优化等。下面以江西德兴铜矿于1998年正式启用的卡车计算机系统为例论述计算机在运输系统优化中的应用。在该矿随着大型采矿设备的投入使用以及露采规模的进一步扩大，对大型采矿设备进行动态监视和调度的要求十分迫切。尽管1993年从美国摩托罗拉公司引进的一个具有6个信道的800MHz无线集群通讯系统对卡车、电铲等主要采矿设备进行调度与人工调度相比大大前进了一步，但还不能从根本上解决车、铲的最佳配合和设备中途出现问题后的动态重组问题。为此，公司于1998年从美国模块采矿系统公司引进安装了卡车计算机调度系统（DISPATCH）。采矿生产过程的各种参数，如设备的状态、采场道路情况、天气情况、矿石、废石的性质和块度等，都对生产起着约束作用，如何在这些众多的约束条件下，取得最高的设备作业效率，就需要每时每刻实时地对整个参加生产的设备的搭配进行调整，使之最大限度地发挥作用，提高整个采矿作业的台时效率，这就是一个动态优化过程。在传统的人工调度情况下，由于调度人员难以动态地掌握前述的各约束条件，此过程靠人工来完成是难以办到的。DISPATCH系统就是借助于安装在各卡车、电铲等设备上的车载计算机，广泛收集各种数据，通过系统的无线传输链路，将这些数据实时地传送到中央计算机，由中央计算机进行快速的决策运算，实现上述优化过程的。2.4在其他方面计算机在设备选型、井巷设计、爆破、边坡稳定性分析研究方面也得到了广泛的应用，如风机、水泵、电动机、胶带运输机等设备的选型计算；列车阻力器的受力分析；计算机模拟爆破；岩体稳定性分析；实验数据处理及参数选择等。此外，还有各类数据库的建立，大区域或全行业性微机联网通讯等都取得了初步成果。3计算机技术在采矿工业中应用的发展趋势目前在我国矿业中虽然使用的计算机很多，但计算机的使用率很低，只有15%左右，且主要是用于计算，而发达国家计算机的使用率高达85%以上，其中非计算类应用占80%~90%。由此可见，就计算机技术本身来讲，大有潜力可挖，只要重视计算机技术的开发与利用，计算机在矿业中的应用将会有一个大的发展；采矿工业中遇到的各种复杂的工程问题也将有赖于计算机软件的开发和研制，计算机技术将逐步渗透到采矿工业的各个方面，其优势将得到淋漓尽致的发挥。3.1计算机辅助设计技术的广泛应用早期的计算机辅助设计主要是用于绘制工程图和二维图形显示，而今天的CAD技术可以随意产生三维图形，如三维矿床模型和露天边坡稳定性分析三维图形，使其图形显示和处理功能大大增加。21世纪是一个高速发展的信息时代，高技术的发展是突飞猛进的，采矿工业中计算机辅助设计技术也将随着计算机软件、硬件技术的发展而结合采矿作业的特殊环境不断发展和完善，以AUTOCAD为支持环境与开发工具进行二次开发的设计思想和开发方法将显示出其极强的生命力。3.2人工智能技术迅猛发展人工智能技术在采矿工业中的应用逐步显示出无法取代的优越性。重要应用分支之一的专家系统开发工具大量推向市场，开发出来的专家系统也逐步应用于矿山生产，主要有矿山设备选型决策支持专家系统，矿山锚杆支护设计与选型专家系统以及露天矿爆破专家系统等。但是，由于采矿工业中复杂的工程问题抽象出来用人工智能技术来解决还存在诸多的困难以及合适的人工智能软、硬件环境相对缺乏，采矿工业对人工智能技术的研究仍处于起步阶段。但随着人工智能技术的迅猛发展，在不久的将来，把人工智能技术应用于采矿工业中是毋庸置疑的，专家系统、知识归纳系统、基于实例的推理系统、人工神经网络系统等人工智能技术的几个应用分支也将全面融入到采矿工业的各个生产环节和方方面面。3．3系统模拟技术的日趋完善计算机技术的迅猛发展对社会的各个方面皆产生了巨大的影响，系统的离散事件模拟技术也不例外。虽然从理论上说，离散系统模拟不依赖于计算手段，但就实际应用而言，只是自60年代初数字计算机开始普及以来，离散事件模拟的实现技术才得以不断地改进、发展和应用。目前，系统模拟不仅已发展成为一个重要的学科领域，而且模拟技术已经形成了一个不断扩大的工业领域，向社会提供日益完善的模拟软件产品和技术服务。微机技术在运行速度、存储容量、面向对象的设计、可视化与图形界面、开放数据结构以及客体连接与嵌入的方面取得的巨大进展，对系统模拟技术亦相应的产生了广泛与深刻的影响，旨在解决模块可重复性、计算机辅助建模、可视化模拟、图形界面以及与其他系统的集成性等问题的面向对象的可视化模拟技术与系统便随之产生。模拟技术在矿业工程系统中的应用前景将是令人振奋的。现有商业化模拟软件系统的灵活性以及用户界面的友好性将得到进一步完善。譬如，被广泛应用的GPSS/H模拟语言的新一代产品SLX将具有分层次模拟和用户扩展等功能，构模的灵活性将得到加强，以支持面向特定应用领域的模拟工具的开发。基于图形菜单选择和鼠标拖拉操作的计算机辅助建模功能将得到不断改善，构模调试手段将更便于使用。互联网将像在其它领域中一样，也将会在矿山系统模拟中发挥重要