礦山地質(zhì)開采條件及地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系研究

許芳鈺

（山東科技大學(xué)，山東 泰安 271000）

隨著以礦石作為原料的礦產(chǎn)工業(yè)的飛速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的開采技術(shù)也有待提升，礦產(chǎn)資源的需求擴(kuò)大導(dǎo)致市面上的礦供不應(yīng)求。在工業(yè)市場中企業(yè)競爭性不斷加劇的前提下，對礦山地質(zhì)開采條件的研究日益加深，資源的開采既要滿足市場對礦產(chǎn)的需求[1]，也要滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。保證礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用，對促進(jìn)礦產(chǎn)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有現(xiàn)實經(jīng)濟(jì)意義。因此很多學(xué)者對礦山地質(zhì)開采條件和地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，首先要對礦山的地質(zhì)參數(shù)的重要性進(jìn)行分析，并對地質(zhì)條件中的水文地質(zhì)條件進(jìn)行重點(diǎn)探討，對礦山的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通用數(shù)值分析模型對地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，分析建設(shè)中和生產(chǎn)中地質(zhì)參數(shù)的變化對礦山地質(zhì)開采的影響，研究分析礦山的條件對安全的開采方式進(jìn)行研究。最終提出地質(zhì)環(huán)境的治理辦法[2]，預(yù)測在合理的地質(zhì)參數(shù)下，礦山的地質(zhì)開采條件是否發(fā)生變化?；诘刭|(zhì)學(xué)原理中地質(zhì)參數(shù)變異特點(diǎn)，對礦產(chǎn)品的開采方向進(jìn)行分析。

1 對礦山地質(zhì)開采條件及地質(zhì)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行建模

1.1 模型模擬范圍的確定

礦山的地質(zhì)開采活動對地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的破壞，礦產(chǎn)品開采初期進(jìn)行礦井基建工作，巷道和井筒的挖掘會導(dǎo)致地質(zhì)的破壞，尤其是地下的含水層。在開采工作進(jìn)行的時候，采空區(qū)的土層被掏空會導(dǎo)致坍塌。地表的覆巖被開采行為破壞，冒裂帶形成會導(dǎo)致地下含水層的水涌入礦井中，導(dǎo)致礦井漏水[3]。在采礦活動的影響下，底板承壓的壓力超過閾值會導(dǎo)致地質(zhì)遭受到破壞，采空區(qū)漏水塌陷。礦山開采對地質(zhì)的影響很大，開采過程中對地質(zhì)破壞是最大的，在礦石被采出之后，破壞機(jī)理為礦區(qū)下方變成了中空狀態(tài)。圍巖周圍的固定壓強(qiáng)和原始應(yīng)力都產(chǎn)生變化，覆巖層的平衡也因形態(tài)改變而被破壞。地層發(fā)生變形和破壞，周邊地區(qū)的地層會產(chǎn)生塌陷位移，地層之間出現(xiàn)分帶。示意圖如圖1所示。

圖1 圍巖示意圖

礦山模型范圍的劃定，要考慮礦山企業(yè)為了提升競爭力而引入自動化設(shè)備的情況。自動化設(shè)備可以實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的開采條件數(shù)據(jù)的共享，和礦山礦石的開采的數(shù)據(jù)共享，管理層可通過智能化的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看。但對于模型模擬范圍確定來說，信息的共享程度還不夠，信息共享的欠缺被稱為礦山地質(zhì)條件信息孤島現(xiàn)象。采用礦山的數(shù)字化勘查設(shè)備進(jìn)行開采條件的數(shù)據(jù)采集，自動化的集成設(shè)備更有利于提升數(shù)據(jù)采集的速度和準(zhǔn)確性。關(guān)系模型的研究范圍為礦山以及周邊1km2范圍內(nèi)，同一地質(zhì)條件中可存在多個礦山，在統(tǒng)一地質(zhì)參數(shù)范圍中礦山不同位置基巖構(gòu)造不同。礦區(qū)通道中巖層破碎，礦區(qū)研究不拘泥于開采與否，尚未開采的礦山，但已經(jīng)探明礦產(chǎn)也在研究的范圍內(nèi)[4]，為了保證模型的研究精度，將參數(shù)的取值精度縮小為礦山以及周邊1km2范圍內(nèi)。并根據(jù)地質(zhì)變化的單位進(jìn)行圈定。

1.2 建立地質(zhì)開采數(shù)學(xué)模型

基于模擬范圍的確定，分析所采集到的地質(zhì)開采的相關(guān)數(shù)據(jù)。利用數(shù)學(xué)模型的求解比較復(fù)雜，需要代入具體數(shù)值進(jìn)行計算。因此在進(jìn)行模型離散化的時候可在小單元基礎(chǔ)上進(jìn)行集合的算法計算，或者采用插值法對數(shù)學(xué)模型的差分和變分進(jìn)行計算。微分方程是數(shù)學(xué)模型中計算起來較為簡便的方程[5]，方程的初始條件為礦山的地質(zhì)參數(shù)。邊界條件為礦山地質(zhì)開采條件，邊界條件會隨著實際情況發(fā)生變化，而初始條件則不會變。數(shù)字矩陣是將實際問題進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化的一種方式，礦山的土層示意圖如下圖所示。

如圖2所示，將圖2中的信息進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)化，使用Waterloo軟件掃描圖2的信息并融合到數(shù)字化矩陣中，并對模型的可視性進(jìn)行處理，構(gòu)建可視化的數(shù)字模型。利用解算器進(jìn)行模型分析，對礦山的開采情況進(jìn)行數(shù)值模擬，在平臺中輸入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分類，最終得到可視化輸出結(jié)果，數(shù)學(xué)模型的結(jié)果與文字相比更加直觀。很多地質(zhì)參數(shù)例如水文因素都可以在模型中進(jìn)行模擬，如礦山地下的含水層，礦山周圍的水庫，該地區(qū)的降水等數(shù)據(jù)，礦山的地質(zhì)災(zāi)害防治數(shù)據(jù)也進(jìn)行了收集，在涌水量預(yù)測中可根據(jù)礦體的開采條件進(jìn)行礦體參數(shù)的預(yù)測評價，基于數(shù)學(xué)模型的可視化特征進(jìn)行數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)分析。

圖2 礦山的土層示意圖

1.3 進(jìn)行模型的三維可視化轉(zhuǎn)化

模型的三維可視化轉(zhuǎn)化的結(jié)果更方便模型的觀察者對結(jié)果的判斷，并對礦山地質(zhì)開采條件產(chǎn)生更深刻和準(zhǔn)確地理解，三維可視化技術(shù)是一種對人腦對事物構(gòu)造的仿真技術(shù)，可視化的效果也比較符合人的視覺習(xí)慣。采用圖像的技術(shù)在計算機(jī)中將數(shù)字化的模型進(jìn)行可視化處理，而圖像和圖形信息又可以轉(zhuǎn)化成三維圖像，直接將數(shù)字進(jìn)行了兩個維度的跨越，在進(jìn)行開采條件及地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系研究的時候更方便觀察，模型的三維可視化轉(zhuǎn)化是數(shù)據(jù)交互和圖形轉(zhuǎn)化兩項技術(shù)的結(jié)合。因此涉及圖像處理和計算機(jī)視覺交互技術(shù)兩個領(lǐng)域。進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)化首先要進(jìn)行可視化的中心問題的處理，對數(shù)學(xué)模型中的信息進(jìn)行圖像的勾勒，三維可視化技術(shù)的簡略圖如圖3所示。

圖3 三維可視化技術(shù)原理

如圖3所示，三維圖像需要在計算機(jī)中進(jìn)行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向可視化圖像的轉(zhuǎn)化，快速生成相關(guān)信息的圖像，圖像的建立有利于對關(guān)系直接的分析。在三維的圖像上進(jìn)行分析操作，可視化的分析方式可以提升人們對模型的分析效率。如圖3所示，在三維可視化圖像的數(shù)據(jù)預(yù)處理中，需要對礦山的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲過濾，這一步是不可以省略的，數(shù)據(jù)的誤差對后續(xù)的模型建立有很大的影響。需要對錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并將剩余的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修改和調(diào)整。在對模型的模擬范圍進(jìn)行確定的步驟中，采集礦山地質(zhì)條件數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源不同，因此數(shù)據(jù)的格式也不是統(tǒng)一的，為了保證可視化模型的精確性，需要將數(shù)據(jù)來源不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式的統(tǒng)一調(diào)整。必要的情況下還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。

為了使可視化圖片更加地規(guī)范化，在可視化圖像建立的時候進(jìn)行圖像的規(guī)范化數(shù)據(jù)處理。形成數(shù)據(jù)的映射后的礦山地質(zhì)條件的幾何圖元，是礦山外形的幾何立體的描述方式。礦山的可視化轉(zhuǎn)換可以采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換的方式，靜態(tài)的可視化圖像雖然不及動態(tài)的可視化圖像的信息表達(dá)實時性高，但靜態(tài)可視化的圖像更加真實。可以對于著重分析的部分進(jìn)行目標(biāo)重點(diǎn)分析，數(shù)據(jù)也屬于靜態(tài)化的元素，因此進(jìn)行靜態(tài)化分析的圖像更符合礦山關(guān)系分析的實際情況。而空間變化和地質(zhì)條件的變化要采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行交互式分析，動態(tài)分析比靜態(tài)分析多出了對虛擬語言的處理。兩種分析方式結(jié)合在一起對礦山地形進(jìn)行三維可視化表達(dá)。并以原數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)支撐，對礦山的模型進(jìn)行可視化的轉(zhuǎn)換。可在圖像上進(jìn)行軌跡的預(yù)先定義。

2 基于可視化結(jié)果進(jìn)行參數(shù)關(guān)系離散分析

2.1 基于可視化結(jié)果進(jìn)行真實圖像的離散處理

本文建立的數(shù)學(xué)模型的模擬范圍為整體的地質(zhì)參數(shù)，因此模擬的范圍較大。為保證模擬精度并在精度質(zhì)量可以保證的前提下簡化運(yùn)算步驟，對礦山進(jìn)行網(wǎng)格化處理，網(wǎng)格化處理的原則為：地質(zhì)條件簡單的直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，地質(zhì)條件復(fù)雜的部分細(xì)化區(qū)域，例如礦坑附近區(qū)域主要單元格外邊界線與地質(zhì)分界線重合。中心節(jié)點(diǎn)位于剖分點(diǎn)，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)關(guān)系離散分析要將垂直離散和平面離散區(qū)分開，將離散分析的載體長方體[6]。水平網(wǎng)格尺寸根據(jù)礦區(qū)的大小，正常礦山進(jìn)行300m×300m網(wǎng)格區(qū)分，小型礦山進(jìn)行150m×150m的網(wǎng)格區(qū)分，大型礦山采用400m×400m的網(wǎng)格區(qū)分。礦山的剖分單元在5000左右，平面的行列在200個以上。在礦區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的時候要進(jìn)行北斗系統(tǒng)精準(zhǔn)衛(wèi)星定位。并分析定位數(shù)據(jù)，將奇特數(shù)據(jù)一并輸入數(shù)學(xué)模型各層中。數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬軟件生成礦區(qū)的三維模型。對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)關(guān)系離散分析。三維模型的真實圖像的離散數(shù)據(jù)處理可以采用數(shù)學(xué)處理方式和三維圖像處理方式相結(jié)合的方式。首先將圖像的幾何描述輸入到進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計算機(jī)當(dāng)中，由于圖像的幾何描述的真實性與真實圖像的繪制速度是成正比的，且準(zhǔn)確度也和圖像的幾何描述相關(guān)聯(lián)，因此在計算機(jī)輸入數(shù)據(jù)之前，一定要保證數(shù)據(jù)描述和礦山地質(zhì)場景是相互對應(yīng)的，真實圖像才是更加還原實際情況的。透視變換是將描述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維透視圖的有效手段，對場景中的視域之外的不相關(guān)數(shù)據(jù)通過消除算法進(jìn)行消除。以及將礦山中不可見面的數(shù)據(jù)顯示在可視面上，為了使真實圖像更加還原，礦山可見面投射到計算機(jī)中的三維模型應(yīng)具有光學(xué)物理所產(chǎn)生的色彩變化，色彩的變化也是地質(zhì)條件改變的標(biāo)志之一，因此，屏幕顯示的顏色值也是進(jìn)行離散分析的關(guān)鍵。處理完模型的顏色后實現(xiàn)圖像的可視化處理。

2.2 參數(shù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系研究需要對高程參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)換，用戶在對模型進(jìn)行研究時為了方便觀察必定會進(jìn)行模型的旋轉(zhuǎn)。因此左邊投射到參數(shù)點(diǎn)會產(chǎn)生一定的偏差，為了保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的實時性明細(xì)要對參數(shù)的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行優(yōu)化。

在進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換時，參數(shù)的旋轉(zhuǎn)投影落到了旋轉(zhuǎn)之后的表面上。為了地質(zhì)觀察中在計算機(jī)的顯示器上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的是等比例狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)，參數(shù)中的刻度需要大小合適，因此，對可視化的圖像進(jìn)行顯示范圍的坐標(biāo)限定。通常采用常用的圖像作為礦山模型的框架。在模型的周圍不顯示框架的形狀，但該框架是真實存在的。而坐標(biāo)系中多出來的坐標(biāo)值就是為了對框架進(jìn)行標(biāo)定，在設(shè)備坐標(biāo)系中該窗口實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的實時轉(zhuǎn)化。

3 地質(zhì)開采條件與地質(zhì)參數(shù)關(guān)系研究結(jié)果

通過離散分析得到地質(zhì)開采條件與參數(shù)的關(guān)系，如表1所示。

表1 關(guān)系研究結(jié)果指數(shù)

關(guān)系指數(shù)如表1所示，在礦區(qū)的開采過程中，地質(zhì)參數(shù)越好，開采成功的概率越高。開采勢必會帶來對基礎(chǔ)巖體的影響。根據(jù)表1的模擬分析結(jié)果可知，礦山開采后，地下徑流的水力梯度會增加。地下水發(fā)生變化的位置與礦體分布的位置一致，垂直方向上，基巖構(gòu)造裂隙發(fā)育程度表現(xiàn)出較強(qiáng)的垂向分帶性，越靠近地心，滲透性越強(qiáng)。沉積變質(zhì)巖在采礦中遭受破壞，呈現(xiàn)明顯的三維特征，采動對基巖含水層影響最大，水位表現(xiàn)為整體式下降。

4 結(jié)語

本文通過對礦山的采礦條件和地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，了解采礦條件對地質(zhì)參數(shù)所造成的影響，有利于對礦山地質(zhì)情況進(jìn)行了解，數(shù)學(xué)模型的使用提升了礦山的研究精度，也是礦山研究領(lǐng)域模型建立的創(chuàng)新點(diǎn)。為日后礦山開采管理提供了數(shù)據(jù)支撐。