蒼山鐵礦地下開采地質(zhì)修圖自動(dòng)化與三維模型建立和應(yīng)用

趙亞妮 何正崗 權(quán)土生

摘 要：山東礦業(yè)是一個(gè)現(xiàn)代化的國有大中型礦山，礦體形態(tài)已基本摸清，在選礦生產(chǎn)中和采礦生產(chǎn)中都實(shí)現(xiàn)了大型機(jī)械化，而地質(zhì)工作中工作量大的修圖和計(jì)算礦量的工作還靠人工在電腦上用CAD的基本功能完成，對(duì)此，在AutoCAD的基礎(chǔ)上開發(fā)了自動(dòng)修圖功能，和三維模型建立使用一系列功能，成功實(shí)現(xiàn)了修圖、切圖、礦量計(jì)算等地質(zhì)工作的自動(dòng)化，大大提高了地質(zhì)工作效率。解放了勞動(dòng)力。

關(guān)鍵詞：平剖面修圖、切圖、礦體半離散模型

一、概況

中鋼集團(tuán)山東礦業(yè)有限公司蒼山鐵礦是200×104t/a的采選聯(lián)合企業(yè)。礦區(qū)保有資源儲(chǔ)量約7800×104t。屬地下開采礦山。2012年實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)。礦區(qū)泰山群山草峪組（Ar4ts）為區(qū)內(nèi)鐵礦含礦層位，有Fe2、Fe3兩個(gè)主礦體，含礦層厚度均較穩(wěn)定。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，含礦層被斷層切割，造成背斜狀含礦層垂直錯(cuò)開及水平錯(cuò)動(dòng)，對(duì)含礦層影響較大的斷層為F4、F17及F3、F18。礦體呈鞍狀，形態(tài)簡單。礦體分布于0～-350m標(biāo)高間，長2592m，兩翼傾角30°～52°，平均厚度12.63m和9.53m。Fe3礦體位于Fe2號(hào)礦上盤，F(xiàn)e3相對(duì)規(guī)模較小。

地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員使用CAD基本功能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)作圖和計(jì)算，速度較慢，工作量較大。

礦體是沉積后經(jīng)歷沿勘探線方向斷層錯(cuò)動(dòng)的緩傾斜的薄礦體，在平面上是礦體總體沿走向延伸，但經(jīng)斷層有向內(nèi)或向外的錯(cuò)動(dòng)，而在剖面上保持馬鞍狀背斜。因此，礦體在走向方向上不是漸變連續(xù)的，用垂面法來直接計(jì)算礦體體積和礦量的算法是不準(zhǔn)確的。鑒于以上這些因素，公司與西安建筑科技大學(xué)對(duì)地測采等方面的作圖計(jì)算等工作進(jìn)行研發(fā)，地質(zhì)方面實(shí)現(xiàn)了修圖自動(dòng)化和礦體三維模型建立顯示計(jì)算計(jì)算礦量的問題。

二、修圖自動(dòng)化

地質(zhì)工作主要是通過現(xiàn)場巷道見礦情況在平面上繪制礦體界線和勘探線上的鉆探工程見礦情況剖面上繪制礦體界線的，然后用平面上和剖面上的已知礦體通過這樣一個(gè)循環(huán)往復(fù)的平剖面互切來不斷完善礦體的圖形的。地質(zhì)人員平時(shí)尤其是在基建期要完成大量的平剖修圖工作，工作量大，重復(fù)性強(qiáng)，用CAD的基本功能完成有大量的量距工作，一個(gè)最簡單的平面圖轉(zhuǎn)剖面的過程需要量取至少9組距離，記錄6組數(shù)據(jù)，用時(shí)至少10分鐘。而軟件使這個(gè)過程自動(dòng)化，運(yùn)用軟件的地質(zhì)系統(tǒng)——平面與剖面投影轉(zhuǎn)換——平面圖中三維線對(duì)剖面卡點(diǎn)功能，通過選擇勘探線，選中四條三維礦體界線，在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確完成對(duì)剖面的轉(zhuǎn)換。而剖面轉(zhuǎn)平面是這個(gè)的逆過程，可以達(dá)到同樣節(jié)約時(shí)間的效果。并可以一次在一分鐘內(nèi)完成系統(tǒng)里保存的近40個(gè)剖面的這個(gè)高程的所有點(diǎn)的轉(zhuǎn)平面圖過程，而對(duì)于一個(gè)含全區(qū)的近40個(gè)勘探線剖面的平面圖也只需要不到一分鐘的時(shí)間就可以形成，而切一張這樣的平面圖用傳統(tǒng)的方法需要一個(gè)人一整天的工作量。

程序還開發(fā)了一些很實(shí)用的為我們快速修圖的功能。如圖紙整理里的專業(yè)圖層建立，解決了快速建立圖層和圖層名稱建立不統(tǒng)一的問題;刪除遠(yuǎn)處圖元功能，解決了我們原有的圖形遠(yuǎn)處有好多無用的遺留的圖元不好刪除的問題;平面坐標(biāo)大轉(zhuǎn)小，平面坐標(biāo)小轉(zhuǎn)大，解決了我們測量的圖形和地質(zhì)圖形平面坐標(biāo)不統(tǒng)一，粘貼時(shí)互轉(zhuǎn)速度慢的問題。

三、三維模型建立和礦量計(jì)算

對(duì)于地下礦的開采，老方法礦體的立體形態(tài)是靠地測采人員對(duì)于平剖面圖組合起來在腦海里的空間想象得到的，對(duì)一些地測采專業(yè)以外的人員，要了解一下我們礦床的樣子，軟件實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建一個(gè)礦體的直觀可見的立體模型供他們觀看，還有把對(duì)礦量的計(jì)算不再用人工通過垂直剖面法進(jìn)行計(jì)算而是通過實(shí)體直接計(jì)算。使得礦量計(jì)算更直接和準(zhǔn)確。

這個(gè)是我們用勘探線剖面上礦體線做出的礦體三維實(shí)體模型，紅色是上面的Fe3礦體，綠色的Fe2礦體俯于Fe3礦體之下。

三維礦體模型通過地質(zhì)系統(tǒng)——三維實(shí)體模型建立菜單里的一對(duì)一分段實(shí)體建立和繪制構(gòu)造線功能可以很快地用相鄰兩個(gè)剖面的礦體閉合線用直線型的構(gòu)造線連起來點(diǎn)擊一對(duì)一分段實(shí)體建立菜單，繪制出礦體三維實(shí)體來，可以看圖，建立好的三維礦體可以很快速的利用軟件的功能進(jìn)行切剖和體積計(jì)算、礦量計(jì)算。

這個(gè)菜單里為實(shí)體建立和實(shí)體切剖提供了方便的工具使實(shí)體建立和切剖變得很容易。面域轉(zhuǎn)為二維線這個(gè)工具，可以將實(shí)體切剖形成的面域輪廓線轉(zhuǎn)為二維線，易于對(duì)線條做需要的修改。二維線轉(zhuǎn)三維線用于礦體閉合線的繪制。

有了實(shí)體后，運(yùn)用軟件當(dāng)前實(shí)體任意切割剖面功能進(jìn)行任意方向的剖面切割，也適合于礦房實(shí)體剖面空區(qū)切割修圖，平時(shí)利用率非常高。用老方法至少需要量距二十多個(gè)，記錄數(shù)據(jù)十多個(gè)，用時(shí)需要半小時(shí)，而用軟件可以在半分鐘之內(nèi)完成，提高速度幾十倍。

三維實(shí)體建立的礦體實(shí)體模型能反映一些簡單區(qū)域礦體形態(tài)，在斷層較多的礦段，礦體的連續(xù)性差，平面沿脈工程已經(jīng)揭露出來的礦體細(xì)節(jié)變化在實(shí)體中不能反映出來，還存在實(shí)體模型占用內(nèi)存大，交并差運(yùn)算容易出錯(cuò)的問題。軟件為我們又研發(fā)了半離散礦床模型的功能，運(yùn)用平面上礦體頂?shù)装寰€和剖面上礦體的頂?shù)装寰€對(duì)應(yīng)交匯形成的四邊形形成孔斯曲面網(wǎng)方法形成礦體的網(wǎng)面模型，對(duì)網(wǎng)面模型進(jìn)行離散實(shí)現(xiàn)礦床模型的模型顯示，礦量計(jì)算和快速切割及剖切截取。

根據(jù)我們已經(jīng)形成的準(zhǔn)確詳細(xì)的平剖面礦體線運(yùn)用孔斯曲面網(wǎng)的方法做出了礦區(qū)-140米以上的礦體網(wǎng)面模型，再針對(duì)我們礦體特征，采取了在垂直方向上連續(xù)，水平方向上離散的半離散礦體模型，該模型能真實(shí)反映礦體的細(xì)節(jié)形態(tài)，具有占內(nèi)存小，精度高，易于正確計(jì)算礦量和快速剖切及切割截取的功能。

軟件里在半離散模型菜單下，用構(gòu)建礦體半離散模型、礦體半離散模型線顯示、礦體半離散模型柱顯示、半離散模型布爾運(yùn)算、半離散模型截面切割、半離散模型剖切截取工具，能實(shí)現(xiàn)礦體半離散模型的建立、礦體形態(tài)顯示、多種體的運(yùn)算、平剖面的切剖、礦量的計(jì)算等功能。

半離散模型布爾運(yùn)算在計(jì)算如充填站、斜坡道保安礦柱壓礦等的復(fù)雜礦體的交并運(yùn)算時(shí)很容易，且比較準(zhǔn)確，而用傳統(tǒng)切圖的方法是無法實(shí)現(xiàn)的。而且很直觀，容易接受。

半離散模型截面切割里的二級(jí)菜單，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦體的水平及垂直切割，計(jì)算速度更快，對(duì)于全區(qū)礦體水平切割一次只需不到一分鐘的時(shí)間，而用老方法切圖需要一天時(shí)間。運(yùn)用半離散切圖，比實(shí)體切圖更快，切出的平剖面更準(zhǔn)確。半離散模型剖切截取，有水平、垂直剖切截取等，可以把礦體模型切成很多需要的塊，把需要的塊的體積和礦量算出來就可以計(jì)算出我們需要的儲(chǔ)量，直觀快速，而傳統(tǒng)的方法，需要在每個(gè)剖面上按高程圈出面積，再用相鄰剖面逐一計(jì)算體積，光是做剖面圈圖都比軟件計(jì)算體積和礦量時(shí)間長幾十倍。

除此之外，軟件里還對(duì)于地質(zhì)鉆孔工程由表上圖和采樣及樣品品位上圖，地質(zhì)儲(chǔ)量計(jì)算的問題也給出了結(jié)合圖紙的自動(dòng)上圖和自動(dòng)計(jì)算的功能。

四、結(jié)論

中鋼山東礦業(yè)和西安建筑科技大學(xué)研發(fā)的基于CAD上的三維軟件能夠使礦山地質(zhì)的大部分內(nèi)業(yè)修圖計(jì)算工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是一款很成熟的軟件。從平臺(tái)的選擇到礦體模型建立方法的探索都是一個(gè)很有適用性很有技術(shù)含量的軟件，能解決復(fù)雜礦體模型建立的一款軟件。而軟件在對(duì)我礦山的斷層方面的研究和展示還比較薄弱，在對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的匹配兼容方面還有待改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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