礦山水工環地質勘查技術要求分析

白耀丹

（甘肅省有色金屬地質勘查局蘭州礦產勘查院，甘肅 蘭州 730046）

中國是世界上礦產資源種類齊全、儲量豐富的國家之一。然而，隨著工業化進程的加快和經濟的持續高速增長，對礦物的需求量呈逐年上升趨勢。有研究表明，我國礦產資源的進口總依存度高達20%，特別是石油、鐵礦石、銅、鋁等涉及國家安全的礦產資源供需差距持續加大[1]。從我國工業發展和經濟發展的現狀來看，礦產資源需求缺口在相當長時期內難以緩解，需要資源的持續、有效支撐，才能保證發展的質量與速度。中國有龐大的人口，所以人均資源占有率很低。因此，加速地質勘探工作，探明更多的礦產資源，并且高效、合理利用現有礦產資源，促進社會進步和經濟發展是我國的時代背景。礦山水工環地質勘查就是探明地質環境，發現礦產資源、提升礦產資源開發效率的有力手段，需要深入研究，不斷進步。計算機的發展大大解放了人們的雙手，使之能夠投入到更具有理論性的腦力工作中去，推動了全人類的發展。礦山地質勘察工作具有一定的危險性，如果將計算機技術投入到礦產勘查工作中來，一定會有事半功倍的效果。本文在總結前人經驗的基礎上，結合崗位工作實際，分析研究礦山水工環地質勘查技術要求的方法，為礦山的綠色開發、高效開發提供技術支持。

1 礦山水工環地質勘查方法研究

傳統的礦山地質勘查工作已經發展了許久，前人的理論和經驗方法以及一些算法，在今天依舊適用。因此，梳理了幾種傳統地質勘探的方法，為后文的計算機技術輔助設計做理論基礎。

1.1 測斜計算算法研究

真實的鉆井軌跡是一條連續平滑的空間曲線，但在鉆井工程中，只能獲取每個分散測量點的傾斜角參數，并不能準確描述真實鉆井軌跡中的每個測量剖面的實際形狀[2]。圓柱螺旋井眼軌跡模型假設被測斷面為圓柱螺旋，傳統圓柱螺旋測量算法的數學模型為恒定螺旋角的圓柱螺旋，分別計算測點的刀面角和任意點的傾角和方位角。實行這一步驟的目的是為了使用測量得到的數據和已經選擇好的軌跡模型，對任意點的空間系坐標進行確定。

1.2 地質勘探防碰撞算法研究

在鉆井防碰撞領域，有許多針對定向井、水平井和聚類井的防碰撞算法。這些算法流程有自身的優劣性，如果只使用一種算法流程進行礦井軌跡的掃描工作，必然會出現比較大的誤差，不能準確反映礦井下的真實情況。設置井段編號為Lii+1。

第一種方式，假設測段間井眼軌跡為直線，模型圖如下：

圖1 直線差值圖

第二，計算井段為空間斜平面上的圓弧曲線，該算法也稱作最小曲率法。模型圖如下：

圖2 圓弧差值圖

第三，因為無論正視還是俯視投影都是圓弧形狀，所以設井段為空間圓柱螺線。模型圖如下：

圖3 圓柱差值圖

以上三種插值算法的應用條件并不相同。因為不同的鉆孔方法會影響到井眼的形狀，所以在進行插值計算時，一定要先觀測好井眼的軌跡走向，再選擇合適的算法，保證測斜算法的數學模型與插值算法對應。

2 礦山水工環地質勘查技術實現過程

上文介紹了傳統的地質勘察方法，本節將計算機可視化技術與傳統計算方法結合，將地質勘探人員的雙手轉移到安全的計算機操作上，借助信息技術實現水工環地質勘查技術的新應用。

2.1 可視化地質導向技術

地質導向軟件幾個模塊之間的邏輯結構設計如圖4所示。

圖4 功能設計圖

功能中可以提取包括電阻電壓比率、工程數據和起亞測量參數等數據[3]。還可以設置顏色、曲線厚度和形狀等個人習慣的問題。

在比較實際鉆井軌跡和模擬井眼軌跡方面，把兩者的圖像和實測照片放在同一平面下進行光照，就能夠判斷二者的軌跡是不是一樣的。

2.2 數字礦山虛擬勘查技術

為了在操作過程中更具有真實性，有必要構建一個立體可視化的場景。立體場景有利于工作人員更加具體地觀察到礦山內的實際情況。因為整個礦山模擬場景的體量過大，所以對運行內存的要求較高。但在實際使用中，當用戶在虛擬環境中體驗時，計算機并不需要一直顯示整個模型網格。例如，可以用簡化的模型替換遠處的山坡或汽車，而用精煉的模型顯示離用戶較近的模型，在不影響用戶體驗的情況下，極大地優化了圖像的渲染速度，減少了渲染時間[4]。這樣一來，不同精度的模型就可以為多個渲染細節服務。具體的指標可以是計算機與用戶之間的距離定位或者其他，創建了用戶之后，就可以在模擬場景中操縱搖桿調整場景視角和距離。

在礦山水工環地質勘查中，靈活使用計算機虛擬模型可以依據已經取得的水工環地質數據為基礎，通過計算、分析，模擬出待勘查區段的近似情況，建立虛擬模型，為技術人員提供研究分析的工具，確立下一階段的勘查方法和適宜采用的技術手段，指導勘查工作。當完成緊鄰區段的勘查后，將勘查數據與計算機模擬數據進行對比，如果真實數據與模擬數據一致，則表明計算機的模擬數據符合該區段的實際情況，水工環地質環境沒有突變誘發因素，處于正常狀態。如果真實數據與模擬數據不一致，則需要深入分析數據異常原因。

首先確定勘查區段內是否存在礦藏、巖質變化、地下水系等可以干擾數據組成的因素，引發水工環地質數據異常，并根據實際勘查數據的指向性，縮小范圍，在數據異變的分界點沿數據增長態勢的方向建立詳查點位列表，并根據數據異變的特征注明可能的誘變因素，以便有針對性地制定勘查計劃，準備勘查設備、儀器等工具。通過逐點位詳細勘查，確定導致數據異常的真正因素，將勘查到的點位水工環地質數據帶入到計算機虛擬模型中，對模型數據進行修正，并建立勘查到的帶有點位詳細數據的補充虛擬模型，方便后續礦山開發以及深入的地質勘查。另一方面，如果經過詳細勘查并沒有發現引發數據突變的顯著影響因素，則需要對第一階段的水工環地質勘查計劃、方法、實施步驟進行復盤推演，分析研究勘查過程中是否存在不適用于當地礦山的勘查方法、技術手段，整理成為勘查工作總結，錄入虛擬系統中，作為知識積累記錄下來，以便后續對礦山的深入勘查中加以借鑒。計算機虛擬模型在不斷的知識積累和數據儲備中，其豐富程度得以持續加強，隨著信息量的加大，模型能夠提供的數據支持服務得以不斷擴展，形成完整、實用的虛擬礦山水工環地質模型。

基于以上的方法與流程設計，實現水工環地質勘查技術與計算機技術的結合。

3 實驗

3.1 實驗準備

上述設計的數字礦山虛擬探測技術進行功能和運行仿真實驗。該程序在商用計算機上進行測試。導航系統的測試重點考察導航系統能夠精確定位用戶在礦井中的任意位置，通過移動到礦井各個巷道中對導航系統進行測試。礦壓監測的關鍵是數據采集的時效性與可靠性，以及數據處理的及時性與綜合性。

由于礦山壓力場是隨工作面推進而演化的，礦壓監測儀器也需要經常移動。

虛擬端準備好之后，還需要在實際工作場景設置相關人員進行參數對照，以此來驗證虛擬技術的正確性。每一次虛擬進入礦場進行操作時，要保證在真實的工作場景中有礦山狀況檢測人員站在對應點上進行數據收集工作，將各個礦山測量點的實時壓力值以及施工板的參數和巷道周圍巖石變化情況一一記錄。并根據所記錄的數據制定可行的預防措施，人工選擇合適的施工材料和搭建方式，每一個測量點設置三個以上的測量和建議提出人員。

虛擬探測技術也不能獨立完成工作，因此為了實現礦山人員和設備的進步程度的調配與管理，應該實時掌握工作人員和移動設備的運行位置和狀態。管理層人員需要能夠觀測到整個工作區的礦體和工作人員情況。將人員或設備位置信息接入礦井虛擬沙盤程序，即可定位顯示功能。通過定位方法確定并實時顯示井下人員和設備的位置，跟蹤目標路徑。

3.2 實驗結論

虛擬現實系統在礦山管理方面的應用側重于生產調度、環保、安全及設備管理等方面。實現這些方面的功能，主要利用虛擬現實系統實時監控和生成動態場景，并具備自然交互能力，所需要的數據可由相應的數據庫提供，并由局域網實時傳輸。

虛擬現實生成的場景可在控制室展示，決策者可實時對當前的生產進度、規劃等進行評估、控制與決策。對數字礦山虛擬現實技術界面、導航等各功能進行測試，各個功能模塊正常工作。

4 結語

隨著時代的發展，技術的進步，互聯網技術和數字礦山虛擬技術的應用是當前發展的大趨勢。計算機技術在礦山預測方面的應用，對獲取礦山內的實際數據具有重要的作用，既能準確采集信息，又能保障員工的人身安全。虛擬技術的全覆蓋還能使管理人員更加直觀地了解到企業的整體情況，便于他們進行管理和決策，提升礦山整體的工作運作效率。結合挖掘大數據處理技術，挖掘數據背后的規則和知識，可視化數據挖掘結果，為生產安全管理和決策提供及時有效的依據，構建完善的災害監測預報預警系統，并為水工環地質勘查提供的方便、快捷、全面、準確的數據支撐，可以簡化后續的地質勘查工作，因此是礦山開發、地質研究的新型輔助手段，具有廣闊的應用前景。