蒼山鐵礦地下開采地質修圖自動化與三維模型建立和應用

趙亞妮 何正崗 權土生

摘 要：山東礦業是一個現代化的國有大中型礦山，礦體形態已基本摸清，在選礦生產中和采礦生產中都實現了大型機械化，而地質工作中工作量大的修圖和計算礦量的工作還靠人工在電腦上用CAD的基本功能完成，對此，在AutoCAD的基礎上開發了自動修圖功能，和三維模型建立使用一系列功能，成功實現了修圖、切圖、礦量計算等地質工作的自動化，大大提高了地質工作效率。解放了勞動力。

關鍵詞：平剖面修圖、切圖、礦體半離散模型

一、概況

中鋼集團山東礦業有限公司蒼山鐵礦是200×104t/a的采選聯合企業。礦區保有資源儲量約7800×104t。屬地下開采礦山。2012年實現達產。礦區泰山群山草峪組（Ar4ts）為區內鐵礦含礦層位，有Fe2、Fe3兩個主礦體，含礦層厚度均較穩定。礦區內斷裂構造較為發育，含礦層被斷層切割，造成背斜狀含礦層垂直錯開及水平錯動，對含礦層影響較大的斷層為F4、F17及F3、F18。礦體呈鞍狀，形態簡單。礦體分布于0～-350m標高間，長2592m，兩翼傾角30°～52°，平均厚度12.63m和9.53m。Fe3礦體位于Fe2號礦上盤，Fe3相對規模較小。

地質專業技術人員使用CAD基本功能實現地質作圖和計算，速度較慢，工作量較大。

礦體是沉積后經歷沿勘探線方向斷層錯動的緩傾斜的薄礦體，在平面上是礦體總體沿走向延伸，但經斷層有向內或向外的錯動，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的，用垂面法來直接計算礦體體積和礦量的算法是不準確的。鑒于以上這些因素，公司與西安建筑科技大學對地測采等方面的作圖計算等工作進行研發，地質方面實現了修圖自動化和礦體三維模型建立顯示計算計算礦量的問題。

二、修圖自動化

地質工作主要是通過現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循環往復的平剖面互切來不斷完善礦體的圖形的。地質人員平時尤其是在基建期要完成大量的平剖修圖工作，工作量大，重復性強，用CAD的基本功能完成有大量的量距工作，一個最簡單的平面圖轉剖面的過程需要量取至少9組距離，記錄6組數據，用時至少10分鐘。而軟件使這個過程自動化，運用軟件的地質系統——平面與剖面投影轉換——平面圖中三維線對剖面卡點功能，通過選擇勘探線，選中四條三維礦體界線，在不到一分鐘的時間內準確完成對剖面的轉換。而剖面轉平面是這個的逆過程，可以達到同樣節約時間的效果。并可以一次在一分鐘內完成系統里保存的近40個剖面的這個高程的所有點的轉平面圖過程，而對于一個含全區的近40個勘探線剖面的平面圖也只需要不到一分鐘的時間就可以形成，而切一張這樣的平面圖用傳統的方法需要一個人一整天的工作量。

程序還開發了一些很實用的為我們快速修圖的功能。如圖紙整理里的專業圖層建立，解決了快速建立圖層和圖層名稱建立不統一的問題;刪除遠處圖元功能，解決了我們原有的圖形遠處有好多無用的遺留的圖元不好刪除的問題;平面坐標大轉小，平面坐標小轉大，解決了我們測量的圖形和地質圖形平面坐標不統一，粘貼時互轉速度慢的問題。

三、三維模型建立和礦量計算

對于地下礦的開采，老方法礦體的立體形態是靠地測采人員對于平剖面圖組合起來在腦海里的空間想象得到的，對一些地測采專業以外的人員，要了解一下我們礦床的樣子，軟件實現了構建一個礦體的直觀可見的立體模型供他們觀看，還有把對礦量的計算不再用人工通過垂直剖面法進行計算而是通過實體直接計算。使得礦量計算更直接和準確。

這個是我們用勘探線剖面上礦體線做出的礦體三維實體模型，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系統——三維實體模型建立菜單里的一對一分段實體建立和繪制構造線功能可以很快地用相鄰兩個剖面的礦體閉合線用直線型的構造線連起來點擊一對一分段實體建立菜單，繪制出礦體三維實體來，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行切剖和體積計算、礦量計算。

這個菜單里為實體建立和實體切剖提供了方便的工具使實體建立和切剖變得很容易。面域轉為二維線這個工具，可以將實體切剖形成的面域輪廓線轉為二維線，易于對線條做需要的修改。二維線轉三維線用于礦體閉合線的繪制。

有了實體后，運用軟件當前實體任意切割剖面功能進行任意方向的剖面切割，也適合于礦房實體剖面空區切割修圖，平時利用率非常高。用老方法至少需要量距二十多個，記錄數據十多個，用時需要半小時，而用軟件可以在半分鐘之內完成，提高速度幾十倍。

三維實體建立的礦體實體模型能反映一些簡單區域礦體形態，在斷層較多的礦段，礦體的連續性差，平面沿脈工程已經揭露出來的礦體細節變化在實體中不能反映出來，還存在實體模型占用內存大，交并差運算容易出錯的問題。軟件為我們又研發了半離散礦床模型的功能，運用平面上礦體頂底板線和剖面上礦體的頂底板線對應交匯形成的四邊形形成孔斯曲面網方法形成礦體的網面模型，對網面模型進行離散實現礦床模型的模型顯示，礦量計算和快速切割及剖切截取。

根據我們已經形成的準確詳細的平剖面礦體線運用孔斯曲面網的方法做出了礦區-140米以上的礦體網面模型，再針對我們礦體特征，采取了在垂直方向上連續，水平方向上離散的半離散礦體模型，該模型能真實反映礦體的細節形態，具有占內存小，精度高，易于正確計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、半離散模型布爾運算、半離散模型截面切割、半離散模型剖切截取工具，能實現礦體半離散模型的建立、礦體形態顯示、多種體的運算、平剖面的切剖、礦量的計算等功能。

半離散模型布爾運算在計算如充填站、斜坡道保安礦柱壓礦等的復雜礦體的交并運算時很容易，且比較準確，而用傳統切圖的方法是無法實現的。而且很直觀，容易接受。

半離散模型截面切割里的二級菜單，可以實現對礦體的水平及垂直切割，計算速度更快，對于全區礦體水平切割一次只需不到一分鐘的時間，而用老方法切圖需要一天時間。運用半離散切圖，比實體切圖更快，切出的平剖面更準確。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算出我們需要的儲量，直觀快速，而傳統的方法，需要在每個剖面上按高程圈出面積，再用相鄰剖面逐一計算體積，光是做剖面圈圖都比軟件計算體積和礦量時間長幾十倍。

除此之外，軟件里還對于地質鉆孔工程由表上圖和采樣及樣品品位上圖，地質儲量計算的問題也給出了結合圖紙的自動上圖和自動計算的功能。

四、結論

中鋼山東礦業和西安建筑科技大學研發的基于CAD上的三維軟件能夠使礦山地質的大部分內業修圖計算工作實現自動化，是一款很成熟的軟件。從平臺的選擇到礦體模型建立方法的探索都是一個很有適用性很有技術含量的軟件，能解決復雜礦體模型建立的一款軟件。而軟件在對我礦山的斷層方面的研究和展示還比較薄弱，在對計算機系統的匹配兼容方面還有待改進。

參考文獻

[1]李角群等 蒼山鐵礦地下開采三維模型建立與應用研究 西安建筑科技大學 2019年6月

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[3]孫曉紅 孟令剛等中鋼集團山東礦業有限公司（蘭陵小閆莊鐵礦資源開發利用方案（變更）2020年3月