1.6 New Achievements of Mining Science Research
The mining science theory research is on the basis of geological statistics, geo-mechanics, operation research, computer technology etc.
1.Computer technology
The Pitlsburgh Research Center (PRC), in partnership with Carnegie Mellon University, is developing a mapping system to obtain two- and three-dimensional geometric information about the mine environment and produce two-dimentional (2-D) mine maps and three-dimensional (3-D) geometric models of mine areas. It is also developing mine visualization systems.
In its current stage of development, the sensor and computer hardware can gather 2-D and 3-D data as it is transported about the mine environment. Yhe driver transporting the sensor through the mine need only stop for seconds during each scan, to allow the gimbaled mount of the sensor to settle, thereby eliminating errors due to sensor tilt. Post-processing software can compile the geometrical data and construct an extensive 2-D map. The final map is similar to mine maps generated by hand measurements today. However, the resolution and rate at which data are acquired result in maps that are more representative of the true shape of coal pillars, intersections, and corners. The 3-D geometric models are of sufficient resolution to support accurate volumetric calculations, navigation information, and assessment of structural size and conditions.
Typhoon Laser Range-Finder
The heart of this mine mapping and modeling system is the Typhoon laser range-finder. It includes a gallium arsenide laser light source that is directed by a rotating and tilting mirror. The light source that is directed by a rotating and tilting mirror. The angular position of this mirror precisely directs the laser light about a full rotation of 360ordm; and vertical tilt of 40ordm; . This movement, along with the necessary time-of-flight measuring components, produces range measurements to a 3-D area about the sensor.
The Typhoon is able to acquire its high-resolution geometrical information at remarkably fast rates. It collects up to 2,048 points per horizontal scan and can do this at 200 discrete vertical positions. Given its scan rate of 10Hz, a full 2,048times;200 scan(409.6K range readings ) of the immediate area about the sensor is performed in merely 20 sec. The sensor has a range of 1.5~4.5 m and is accurate to less than 5 cm. The Typhoon also has a programmable controller interface, which permits dynamic selection of scan resolutions and tilt positions. This feature allows the sensor to 'look' in the direction that the mapping software selects.
Although the Typhoon sensor is unequaled in many of its performance capabilities, the mapping software is the most unique part of the mapping system. For 2-D mine mapping, this software construct detailed and accurate polyline maps by 'quilting' together many 2-D scans from (he Typhoon sensor at multiple locations. The mapping software is capable of recognizing the overlaps of the Typhoon scan; Therefore, as the Typhoon sensor is moved throughout a room-and-pillar type mine section, H repeatedly gathers range data, produces a
new local map, fits the new map to the previous map, and thereby causes the previous map to grow in size and resolution. As more and more range data are gathered, the map becomes more defined. The output is a mine map much more detailed and representative of the mine area than those generated by hand today, and the map is generated without the need of constant surveying of the sensor location. Survey points add certainty to me map fitting algorithms, and they are accepted as input during post-processing; however, they are not required for the mapping to be successful and complete.
Although the Typhoon sensor also gathers 3-D data, the previous mapping application has not been extended to 3-D farm. Mine maps in general are most useful in 2-D form. The 3-D data gathered by the Typhoon are used for other diverse purposes. The data are currently viewable in an on-screen 3-D viewer, which allows a user to zoom in/out or rotate about the information.
The high resolution of the 3-D scans results in uncanny realistic images of the mine environment, in addition to the visually detailed mine geometries, these images displayed visually recognizable equipment. Even small physical-details such as tracks, CO monitors, cribbing and roof supports. For this reason, the Typhoon may become applicable for post-disaster surveillance. When placed on a post-disaster, teleoperated vehicle, the 3-D modeling system is capable of providing 3-D range data back to the remote operator. The resolution of the data easily supports visual assessments of the physical conditions and feedback for guidance of the vehicle. Tins is especially useful when cameras are not feasible for use because of dust or lighting conditions.
Visualization systems for mining
The ultimate purpose of a visualization system is to provide visual feedback to the operator of a remotely-controlled mining machine. To accomplish this, these visualization tools generate animated images to depict the time-varying behavior of mining machines operating in an underground mine environment.
The first visualization system of its kind was CAMVS(computer assisted mining visualization system), a 3-D visualization system developed and integrated into the Reduced Exposure Mining System control system in 1994. The second system is DAVIS (data acquisition and visualization system), a 2-D visualization and mapping system for highwall mining. DAVIS is currently nearing final revisions as it undergoes field modifications.
The CAMVS system currently displays 3-D wireframe and solid model representations of a continuous mining machine. The position, location, and behavior (eg. appendage movement, conveyor movement ) of the mining machine are determined in re
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1.6矿业科学研究的新成果
矿业科学理论研究是在地质统计、地质力学、运筹学、计算机技术等基础上进行的。
1.6.1计算机技术
匹兹堡研究中心正在与卡内基梅隆大学合作开发一个可以获得有关矿山环境的二维和三维几何信息，并生成二维（2-D）和三维（3-D）矿区几何模型的绘图系统。这个系统将逐渐发展成为矿山可视化系统。
在目前的开发阶段，传感器和计算机硬件可以采集到关于矿山环境的二维和三维数据。在每一次扫描过程中，将传感器传输到矿井的驱动程序只需要停留几秒钟，就能让传感器的万向支架固定下来，从而消除传感器倾斜造成的误差。后处理软件可以对几何数据进行编译，并构建一个广泛的二维地图。最终形成的地图与今天手工测量产生的地图类似。然而，数据获取的分辨率和速率更能代表真实形状的煤柱、十字路口和角落。三维几何模型具有足够的分辨率来支持精确的体积计算、导航信息以及结构尺寸和条件的评估。
1.6.2 Typhoon 激光测距仪
这个矿山测绘和建模系统的核心是台风激光测距仪。它包括一个由旋转和倾斜镜导向的砷化镓激光光源。这个反射镜的角度位置精确地指示360°的全旋转和40°的垂直倾斜的激光。该运动与必要的飞行时间测量部件一起，对传感器周围的三维区域进行距离测量。
Typhoon 能够以惊人的速度获得高分辨率的几何信息。它每水平扫描收集多达2048个点，可以在200个离散的垂直位置上做到这一点。鉴于其扫描速度为10Hz，传感器周围区域2048times;200的全部扫描（409.6K范围读数）仅需20秒即可完成。传感器的范围可以精确到小于5厘米即1.5〜4.5米。Typhoon 也有一个可编程控制器接口，允许动态选择扫描的分辨率和倾斜位置。该功能使传感器可以按照地图软件选择的方向“查看”。
虽然Typhoon 传感器在许多性能上都是无与伦比的，但是测绘软件是测绘系统中最独特的部分。对于二维地图的绘制，该软件将多台Typhoon 传感器的多台二维扫描仪“拼接”在一起，构造出详细而准确的折线图。该软件能够识别Typhoon 扫描的重叠部分，因此，当Typhoon 传感器移动到整个房柱式矿区时，它会反复收集范围数据，产生新的局部地图，将新地图与之前的地图相匹配，从而使之前的地图在尺寸和分辨率上增长。随着越来越多的范围数据的收集，地图变得更加明确。最终输出的是一个比今天手工绘制的矿区更详细、更具有代表性的矿井图，而且地图是在不需要测量传感器位置的情况下生成的。调查点增加了主体对地图拟合算法的确定性，在后期处理中被接受为输入，但是映射的成功和完成并不需要它们。
虽然Typhoon传感器也收集三维数据，但以前的绘图应用还没有扩展到三维方面。一般来说，矿山地图的二维形式是最有用的。Typhoon采集的三维数据用于其他多种用途。该数据目前可以在屏幕上的3-D查看器中观看，这允许用户放大/输出或旋转信息。
三维扫描的高分辨率导致矿山环境图像的逼真，除了视觉上详细的矿山几何形状，这些图像还显示了视觉上可识别的设备。即使是小的物理细节，如轨道、一氧化碳监测器、抄棚支护等也可看到。因此，Typhoon可能适用于灾后监视。当放置在灾难后的远程操作的车辆上时，3D建模系统能够向远程操作员提供3D范围数据。数据的分辨率很容易支持视觉评估车辆的物理条件和反馈以指导车辆。当监控摄像头由于灰尘或照明条件而不能使用时，它是尤其有用的。
1.6.3矿山可视化系统
可视化系统的最终目的是为遥控采矿机的操作员提供视觉反馈。为了实现这一点，这些可视化工具生成动画图像来描绘在地下矿山环境中运行的采矿机的时变行为。
第一个可视化系统是CAMVS（计算机辅助开采可视化系统），它是一个在1994年开发并集成到减少暴露采矿系统控制系统中的三维可视化系统。第二个系统是DAVIS（数据采集和可视化系统），一个用于高强度采矿的二维可视化和绘图系统。DAVIS目前正在进行现场修改以完成最终修订。
CAMVS系统目前显示连续采矿机的三维线框和实体模型表示。采矿机的状态、位置和行为（如附件运动、输送机运动）是由机器传感器数据实时确定的。数据是从控制系统比如连续采矿机传感器和连续采矿机模拟器共享的存储区获得的。采矿机的连续运动是通过频繁刷新图形显示以反映变化来实现的。DAVIS系统在运行上相似，但是它以二维方式显示图像，并且可以更容易地配置为其他控制方案的接口。
这些作为计算机辅助采矿控制器的开发工具已经允许研究人员开发。在地下进行昂贵的测试之前，需要测试并观察新开发或改进的导航和控制算法的性能。作为远程控制采矿系统的一部分，他们会让矿场操作员对连续的采矿机和周围环境的关系有个直观“视觉感受”。这种反馈是必不可少的，因为操作员将被安全地放置在可能位于视觉接触之外的遥控室中。
在过去，中国的研究人员依靠使用摄像机的实际图像来观察远程位置的采矿机行为。然而，准确表示连续采矿机和矿山环境的三维可视化工具的合成图像提供了比摄像机/环境视角更有用的信息，而不是由具有平移/缩放的机器安装摄像机提供的有限视图。借助这一功能，可视化工具可以更好地为矿工提供必要的反馈信息，以便了解机器/环境的关系和相互作用，并安全地观察和控制除煤过程。可视化工具不受恶劣的光照条件、灰尘、水、机器振动、机器音高和滚动、安装限制、布线困难、防爆规则、矿井生存能力或有限的能见度等因素的影响，这些都曾在过去的摄像机应用中阻碍了成功。即使有这些限制，用于远程控制采矿的完整可视化系统也将包括摄像机视图以及此处所述的可视化工具。由于相机的投影图像是实时的，因此它为操作人员提供了一个模拟图像无法实现的安全意识。
可视化工具是在Silicon Graphics（SG）工作站上开发的。SG工作站位于控制室内，从中控制采矿机。该控制室屋位于一个偏远的地方，通常在工作面的视线之外，从而将操作人员的健康和安全风险降至最低。
可视化软件是用C语言编写的，并广泛使用了SG IRIS图形库(GL)。 IRIS GE是一个用来绘制2d和3d彩色图形场景的程序库。它与大多数SG工作站上的操作系统捆绑在一起。图形用户界面软件是使用X windows编程工具编写的。
研究人员将确定是否可以通过将可视化工具移植到个人计算机或其他平台来获得更多的采矿业软件用户。计算机速度和IRIS GL兼容性方面的最新技术进步使这一选择成为可能。
1.6.4矿山优化软件
位于墨尔本的小型澳大利亚公司Whittle Programming被认为是矿山优化软件领域的领导者。第一个推出的产品是Three-D。Three-D有能力检查大量的采矿数据，并产生最佳的坑设计和完成该设计的计划。该产品已经对市场产生了重大影响，因为它解决并防止了以前的方法所遇到的问题。
Four-D系统通过提供检查随时间变化的能力来提供额外的功能。Four-D有Three-D的特点。但第四个元素时间给用户带来更大的波动和其他变量。Four-D设计一个坑时，会考虑到所有这些因素，并提供一个将防范潜在的问题的嵌套的坑计划。
Opti-Cut的引入为Whittle为采矿优化领域带来的力量增加了另一个维度。Opti-Cut通过提高发送到工厂的边际切割等级以及储存在经济切割和优化切割之间失败的材料来优化切割等级。其实际效果是在早期关键的时候提高现金流量，从而提高净现值（NPV）。 净现值增加通常在2％至10％的范围内。
Whittle的最新发展是允许对每个元素进行单独检查，而不是选择一个主导产品的Four-D的多元素版本Four-X。在不仅仅存在一个商业元素的情况下，第一次为用户提供一个完整的矿坑优化工具。
1.6.5澳大利亚地理科学和矿物信息光盘
AESIS是澳大利亚国家地质科学矿物和石油工业参考数据库。它包含了大约140000条勘探人员、矿工、冶金学家、环境科学家、矿物经济学家和研究人员所感兴趣的参考读物。AESIS始于1976年，但覆盖范围可追溯至1975年及以前，尤其是涉及开放式报告和澳大利亚地球科学学会出版物。AESIS由澳大利亚矿业基金会（Australian Minerals Foundation）负责管理。澳大利亚矿业基金会是一个行业支持的国家组织，为矿产业的各个方面提供信息服务和教育。
AESIS扫描的材料包括主要来自澳大利亚国家地质调查局和澳大利亚地质调查局的书籍、期刊论文、会议文件、技术报告、地图、论文以及未公布的部门报告和公司开放式报告。
AESIS被包含在GEOPAC CD-ROM中，其中还包含许多其他数据库，其中包含对开放文件和部门报告的参考。这些是来自新南威尔士省矿产资源部的MINFINDER COREFINDER和TITLEFINDER。来自昆士兰州矿产部干旱能源的QERI，以及来自南澳大利亚矿业与能源部的SAMREF。
GEOPAC包含在一张光盘中，每年更新两次。每次更新都是以前版本的完整替代品。目前该CD使用基于DOS的检索软件，该软件适用于布尔检索、组合检索集合以及打印或下载检索的参考文献。目前正在开发Windows界面，计划于1996年10月发布。
对于澳大利亚矿业基金会的成员，他每年GEOPAC CD-ROM订阅价格为1450澳元或900澳元。多订阅和多用户版本可以享受打折优惠。
1.6.6使用优化和混合进行调度
长期以来，线性规划一直被认为是确定选矿时间表的有用工具。即使计算速度足够快并且算法设计得到改进，它在实践中仍然很少使用。这是因为商业线性规划软件包所需的现实的矿井调度问题是复杂而耗时的。而且，结果在非图形环境下难以验证。Datamine现在已经完成了克服这些问题的产品开发，并为短期、中期和长期规划提供了实际的结果。该软件足够灵活，可应用于需要混合和优化的各种情况，以确保可靠和最佳的提取顺序。
确定采矿顺序的传统方法通常包括使用电子数据表或基于图形的调度程序包来手动选择部分可用的采矿区块，直到找到能够产生特定时间单位所需的吨位和等级的混合物。许多商业软件包提供帮助以确保不会违反物理约束条件。这些限制通常很多，包括诸如设备容量和位置、材料可及性和工厂限制等。经验丰富的工程师习惯于以这种方式生成时间表，但在处理复杂的产品目标、多种材料来源以及确保控制其他物理约束时，这样做会大大增加所需时间。
数学规划（其中线性规划是其一个子集）指的是最小化或最大化一系列受约束的变量的函数。在矿山调度模型中进行优化的功能可以是等级字段或置信因子的最大化，或者最小化废物移动或特定机器的使用。自20世纪60年代以来，数学规划在确定最佳采矿序列方面的适用性得到了认可，但在实践中很少使用。使用数学编程方法的优点是可以提供解决方案，任何指定的约束都将始终得到满足，并找到最佳解决方案。缺乏在实际应用中使用这些方法的主要原因是：
（1）计算机在解决现实问题方面的成本很高；
（2）将调度模型编制成商业数学编程包所需的抽象形式所涉及的困难和问题；
（3）数学程序包的文本输出的解释和验证。
1.6.7新的DATAMINE系统
计算机硬件和降低成本方面的最新进展，加上解决数学编程模型的算法的改进，已经消除了第一个限制。到目前为止，还没有一种可以使用数学编程方法编写、解决和解释矿井调度问题的易于使用的图形软件包可用。Datamine系列采矿软件产品的生产商Mineral Industries Computing Limited现已完成此类产品的开发。作为对已经成功的Interactive Production Sequencer和Face Advance Module的最新增强版本的扩展，该产品已完全合并导入Datamine的图形化矿山设计程序GUIDE。GUIDE在Windows或UNIX下运行时有一个简单易懂的用户界面。
来自于评估的轮廓线或实体线框的可分配的进度表的输入材料称为块，预定义为“吨位区”，用于储存模型和可在可变利率下提高的采矿面。在评估之前，使用逻辑表达式来描述材料的类别。举例来说，一个矿石类别可能是以几个等级高于特定值和低于特定值的污染物为条件。数字和字母数字数据的任何组合都可以用来定义一个评估类别。
根据块、模型或钻孔样本数据对块进行评估，以确定每个块内不同类别的材料的数量。最多可以为块和吨位区域分配多达50个用户定义的属性，以模拟诸如倾斜区域工作台或机器类型等项目。每个类别的默认目的地都可以选择定义，以便能够检查被排定在废料堆和加工厂的材料的数量和质量。
能够使用用户定义的类别、目的地和属性的混合的优势使得该软件可以非常灵活的被应用于任何应用。数学模型输入的表述完全通过图形用户界面完成，避免了构建复杂输入文件的问题。
约束或目标通过输入面板来定义，如表1.4和1.5所示。可以为任何定义的目的地或属性上的任意数量的字段设置目标。可以定义最小值和/或最大值的组合。其中一个字段可以选择最小化或最大化。如果需要的话，可以在不同的时间段内改变目标。
表1.4 机器的目标条目
表1.5 目标条目
在必要的情况下，可以在两个块之间定义依赖关系，以确保提取不会从一个块开始，然后在物
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