數(shù)字化礦山建設(shè)及軟件二次開發(fā)探索

冒立朝，高進遠，彭 倫，張永龍，吳志全

(金川集團股份有限公司龍首礦，甘肅金昌 737100)

1 引言

數(shù)字化礦山(Digital Mine)或簡稱為“數(shù)字礦山”，是對真實礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認識與數(shù)字化再現(xiàn)。數(shù)字礦山的任務是在礦業(yè)信息的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代空間分析、數(shù)據(jù)采礦、虛擬現(xiàn)實、可視化、網(wǎng)絡、多媒體和科學計算技術(shù)，為礦產(chǎn)資源評估、礦山規(guī)劃、開拓設(shè)計、生產(chǎn)安全和決策管理提供新的技術(shù)平臺［1］。20世紀90年代初，加拿大國際鎳公司(Inco)開始研究遙控采礦技術(shù)，目標是實現(xiàn)整個采礦過程的遙控操作［2］。

隨著工業(yè)進程的加快，人類對金屬礦業(yè)的發(fā)展需求快速增加，對資源綜合開采、有效利用日益重視，對數(shù)字礦山的建立提出了迫切要求。利用三維數(shù)字化模型，充分研究地質(zhì)與成礦原理，指導礦山深部及周邊找礦工作，增加礦山儲量，對礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［3－4］。

Surpac軟件作為一套在礦業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有國際領(lǐng)先水平的大型數(shù)字化礦山工程軟件，它擁有先進的、強大的三維立體建模工具，能夠?qū)⒌V山勘探和三維地質(zhì)模型建立、工程數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、露天和地下礦山開采設(shè)計、采礦生產(chǎn)和開采進度計劃等工作完全圖形化［5］。

龍首礦是一個已開采50多年的老礦山，先后采用了多種采礦方法，各采區(qū)空間位置也相對獨立，積累了大量的采空區(qū)數(shù)據(jù)、地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)消耗礦量計算等地質(zhì)數(shù)據(jù)需要處理。因此，針對龍首礦數(shù)字化礦山建設(shè)過程中存在的數(shù)據(jù)處理流程復雜、繁瑣，重復操作多，作業(yè)效率低等諸多問題，采用TCL及SCL語言，設(shè)計開發(fā)基于Surpac軟件可輸入?yún)?shù)、具有可視化窗口界面的功能模塊來有效解決這些問題。

2 研究區(qū)的建設(shè)程度

龍首礦西二采區(qū)前期已經(jīng)在地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、礦體模型、塊體模型、地表模型、工程模型、以及采空區(qū)模型的建立等方面做了大量數(shù)字化建設(shè)工作，尤其自開采以來采空區(qū)模型已經(jīng)建立，在西二采區(qū)全面推廣應用三維礦業(yè)工程軟件具備優(yōu)越條件［6］。

在Surpac平臺，礦體模型的建立采用以下幾種方法［7］:

(1)根據(jù)原始鉆孔資料，生成地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，在地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上組合鉆孔數(shù)據(jù)，根據(jù)品位、巖性等重新解譯地質(zhì)剖面，確定礦體范圍和地質(zhì)界線。

(2)根據(jù)礦山勘探線剖面圖中的地質(zhì)界線圈定礦體范圍，生成礦體模型。

(3)根據(jù)礦體外圍輪廓線，大致圈定礦體，然后根據(jù)塊體模型圈定礦體的精確范圍。

將方法(2)加以改進，綜合礦山已有的勘探線剖面圖和地質(zhì)平面圖，提取各標高的地質(zhì)界線，得到一系列標高的平面地質(zhì)界線，連接生成礦體模型。

根據(jù)原始鉆孔資料和穿脈取樣成果，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，組合鉆孔數(shù)據(jù)，用西二采區(qū)礦體模型進行約束，采用距離冪次反比法為塊體模型的Cu品位、Ni品位屬性估值［8］，然后根據(jù)Cu品位、Ni品位屬性為礦巖比重、礦巖類型、估值次數(shù)等屬性賦值。為了檢查塊體模型的準確性，對采區(qū)內(nèi)各采場塊段儲量和礦石消耗量的Surpac計算結(jié)果與傳統(tǒng)方法計算結(jié)果進行了對比，數(shù)據(jù)顯示，誤差均在5%以內(nèi)，可以滿足日常技術(shù)工作需要。

建立了西二采區(qū)3DWeb瀏覽系統(tǒng)。將西二采區(qū)礦體模型、工程模型、采空區(qū)模型以及分層設(shè)計模型處理后，礦內(nèi)用戶登錄固定的IP地址就可以在瀏覽器中查看西二采區(qū)數(shù)字化模型成果(圖1)，及時了解到采場的回采進度(圖2)。

圖1 西二礦體模型和采空區(qū)模型瀏覽效果

圖2 1534分段4分層空區(qū)模型和分層設(shè)計瀏覽效果

3 存在的問題與軟件二次開發(fā)

3.1 平面圖與剖面圖相互轉(zhuǎn)換的模塊開發(fā)

在建立礦體模型的過程中，需要將原有的*.dwg格式的地質(zhì)剖面圖轉(zhuǎn)換為Surpac支持的*.str格式文件。塊體模型建立后，切割出各個勘探線和水平面上的礦體界線圖，需要轉(zhuǎn)換為AutoCAD可識別的*.dwg格式文件，與原有資料反復進行對比，找出差異，不斷修改，使塊體模型的礦體界線能夠最大程度地接近真實情況。所以，在建立礦體模型的過程中，需要對平面圖與剖面圖反復進行轉(zhuǎn)換，工作流程復雜且參數(shù)多，工作量大，極易出錯。

本模塊采用TCL語言及Surpac中的SCL語言，開發(fā)設(shè)計了可視化窗口界面模塊，將剖面圖和平面圖相互轉(zhuǎn)換的繁鎖過程簡化，具體開發(fā)思路如下:

(1)生成選擇文件及輸入?yún)?shù)的窗口界面。

(2)在surpac中將*.dxf文件導入。

(3)將*.str文件中的Y、Z坐標互換并保存文件。利用Surpac的線文件2D轉(zhuǎn)換功能將其轉(zhuǎn)換到具有真實坐標的三維空間位置中。

(4)Surpac中生成的剖面圖轉(zhuǎn)換成AutoCAD平面圖的過程與上述轉(zhuǎn)換過程相反。

通過開放的用戶接口將該模塊定制到Surpac工具欄，生成用戶自定義按鈕。應用時調(diào)用命令，確定對應的轉(zhuǎn)換類型和參數(shù)，調(diào)用轉(zhuǎn)換文件即可完成轉(zhuǎn)換。該模塊不但能夠?qū)崿F(xiàn)將剖面圖轉(zhuǎn)換到真實的三維空間，而且也可以將真實三維空間中的剖面圖轉(zhuǎn)換為AutoCAD可編輯的平面圖，同時該模塊具有文件批量處理功能，圖形文件處理效率高。圖3所示為平面剖面轉(zhuǎn)換模塊可視化界面。

圖3 平面剖面轉(zhuǎn)換模塊界面

3.2 計算塊段儲量模塊開發(fā)

在Surpac中計算塊段儲量的方法是，調(diào)用現(xiàn)有實體模型作為約束文件，報告實體模型范圍內(nèi)的礦量、品位及金屬量。在實際工作中，龍首礦各采區(qū)的礦石儲量管理是以勘探線為分界線，而現(xiàn)有Surpac軟件版本不能以勘探線為約束條件計算各個采場的儲量，采場層礦量計算以及單條進路礦量的計算就更加繁瑣。

本模塊采用TCL語言及Surpac中的SCL語言，開發(fā)設(shè)計了可視化窗口界面模塊，簡化了計算塊段儲量的過程，具體做法如下:

(1)生成選擇文件及輸入?yún)?shù)的窗口界面。

(2)將采區(qū)的勘探線文件準備好，勘探線范圍要能夠覆蓋全部礦體模型。

(3)以實體模型為約束條件，對西二采區(qū)的塊體模型的礦量、金屬量、品位進行報告。

(4)根據(jù)實際需要，以其中兩個勘探線為約束條件，在一定標高范圍內(nèi)對采區(qū)塊體模型的礦量、金屬量、品位進行報告。

(5)用宏命令錄制上述計算過程。宏文件引用窗口界面中相應的參數(shù)。

該模塊在計算塊段儲量時，輸入勘探線號和標高范圍，就能夠方便快捷地計算出所需勘探線間某標高范圍內(nèi)的塊段儲量;添加實體模型約束條件，就能直接計算實體模型范圍內(nèi)的塊段儲量。該模塊實現(xiàn)了利用勘探線和進路設(shè)計模型為約束條件進行塊段儲量計算，使操作流程簡化，能更好地滿足將來基于礦業(yè)軟件的采礦三維設(shè)計和損失貧化管理工作的需要。圖4所示為采區(qū)塊段儲量計算界面。

圖4 塊段儲量計算模塊界面

3.3 空區(qū)模型數(shù)據(jù)處理模塊開發(fā)

礦山已有空區(qū)資料是礦山生產(chǎn)過程中的重要技術(shù)資料，對礦山持續(xù)開采、周邊部地質(zhì)找礦及編制礦山閉坑報告等意義重大。因此建立已有空區(qū)三維模型是數(shù)字化礦山建設(shè)的重要工作之一。但是要把礦山已有工程的模型建立起來，要處理海量的數(shù)據(jù)、將.dxf格式的矢量化文件轉(zhuǎn)換成.str格式文件、對.str格式文件進行點的冗余處理及線的閉合處理過程中，要進行大量的機械性重復操作，工作量大。而現(xiàn)有礦業(yè)軟件并不具有對矢量化掃描圖件的批量處理能力，使得建立已有工程的三維模型工作效率很難提高。

本模塊采用TCL語言及Surpac中的SCL語言開發(fā)設(shè)計了可視化窗口界面模塊，簡化了文件處理的過程，具體做法如下:

(1)生成選擇文件及輸入?yún)?shù)的窗口界面。

(2)將*.dxf文件轉(zhuǎn)換為*.str文件、進行*.str文件合并、清理冗余點和線的閉合處理。

(3)用宏命令錄制上述處理過程。宏文件引用窗口界面中相應的參數(shù)。

針對采空區(qū)工程模型建立的數(shù)據(jù)處理模塊，能批量處理矢量化掃描圖件，處理效率大大提高。該模塊實現(xiàn)了.dxf格式文件到.str格式文件的一鍵批量轉(zhuǎn)換(圖5)。同時，開發(fā)了圖形冗余點和斷線批量處理模塊，該模塊實現(xiàn)了對.str格式文件的一鍵批量合并和冗余點清理(圖6)，工作效率成倍提高。

圖5 批量轉(zhuǎn)換文件模塊界面圖

圖6 批量合并線文件模塊界面

3.4 采礦工程設(shè)計模塊開發(fā)

利用現(xiàn)有模塊進行采礦單體設(shè)計時，需要事先繪制好所需的斷面文件，再以中心線和剖面聯(lián)結(jié)三角網(wǎng)。在調(diào)用斷面線文件及更改參數(shù)時，極為不便。

采用TCL語言及Surpac中的SCL語言，設(shè)計開發(fā)了本模塊，簡化了采礦三維設(shè)計的繁鎖過程，使斷面文件的參數(shù)能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)，具體做法如下:

(1)生成選擇文件及輸入?yún)?shù)的窗口界面。

(2)調(diào)用窗口界面中的參數(shù)，根據(jù)不同的斷面類型，繪制不同的臨時斷面線文件。

(3)在surpac中調(diào)用“使用中線與剖面”連接三角網(wǎng)的命令，使用臨時斷面線文件，選擇一條中線，生成實體模型。

(4)用宏命令錄制上述處理過程。宏文件引用窗口界面中相應的參數(shù)。

應用本模塊進行采礦設(shè)計，可以靈活地選擇工程斷面，也可以自定義斷面的類型(圖7)，且斷面參數(shù)可以調(diào)整，非常靈活。確定斷面參數(shù)以后，選擇設(shè)計工程中線即可生成設(shè)計工程三維模型，解決了Surpac軟件不能實時調(diào)整設(shè)計工程斷面類型和參數(shù)的問題，工程設(shè)計時不需繪制斷面文件，確定參數(shù)即可，提高了效率。

圖7 采礦設(shè)計工程建模模塊界面

4 結(jié)論

對基于surpac軟件進行平面圖與剖面圖相互轉(zhuǎn)換、計算塊段儲量、空區(qū)模型數(shù)據(jù)處理、采礦工程設(shè)計等模塊的本土化二次開發(fā)及應用實踐，使地質(zhì)、測量、采礦技術(shù)工作在工作模式、數(shù)據(jù)處理方法等方面有了很大的改進，提高了礦山技術(shù)和管理的效率，實現(xiàn)了生產(chǎn)、技術(shù)管理的精細化，提高了礦產(chǎn)資源綜合利用水平，為數(shù)字化礦山工作的進一步開展打下了堅實的基礎(chǔ)。

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