許芳鈺

（山東科技大學，山東 泰安 271000）

隨著以礦石作為原料的礦產工業(yè)的飛速發(fā)展，礦產資源的開采技術也有待提升，礦產資源的需求擴大導致市面上的礦供不應求。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的需求[1]，也要滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。保證礦產資源的可持續(xù)利用，對促進礦產行業(yè)的經濟發(fā)展具有現(xiàn)實經濟意義。因此很多學者對礦山地質開采條件和地質參數(shù)之間的關系進行研究，首先要對礦山的地質參數(shù)的重要性進行分析，并對地質條件中的水文地質條件進行重點探討，對礦山的歷史數(shù)據(jù)進行分析，并通用數(shù)值分析模型對地質參數(shù)進行分析，分析建設中和生產中地質參數(shù)的變化對礦山地質開采的影響，研究分析礦山的條件對安全的開采方式進行研究。最終提出地質環(huán)境的治理辦法[2]，預測在合理的地質參數(shù)下，礦山的地質開采條件是否發(fā)生變化?；诘刭|學原理中地質參數(shù)變異特點，對礦產品的開采方向進行分析。

1 對礦山地質開采條件及地質參數(shù)的關系進行建模

1.1 模型模擬范圍的確定

礦山的地質開采活動對地質環(huán)境結構會產生一定的破壞，礦產品開采初期進行礦井基建工作，巷道和井筒的挖掘會導致地質的破壞，尤其是地下的含水層。在開采工作進行的時候，采空區(qū)的土層被掏空會導致坍塌。地表的覆巖被開采行為破壞，冒裂帶形成會導致地下含水層的水涌入礦井中，導致礦井漏水[3]。在采礦活動的影響下，底板承壓的壓力超過閾值會導致地質遭受到破壞，采空區(qū)漏水塌陷。礦山開采對地質的影響很大，開采過程中對地質破壞是最大的，在礦石被采出之后，破壞機理為礦區(qū)下方變成了中空狀態(tài)。圍巖周圍的固定壓強和原始應力都產生變化，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備的情況。自動化設備可以實現(xiàn)礦山生產的開采條件數(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條件信息孤島現(xiàn)象。采用礦山的數(shù)字化勘查設備進行開采條件的數(shù)據(jù)采集，自動化的集成設備更有利于提升數(shù)據(jù)采集的速度和準確性。關系模型的研究范圍為礦山以及周邊1km2范圍內，同一地質條件中可存在多個礦山，在統(tǒng)一地質參數(shù)范圍中礦山不同位置基巖構造不同。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，但已經探明礦產也在研究的范圍內[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。并根據(jù)地質變化的單位進行圈定。

1.2 建立地質開采數(shù)學模型

基于模擬范圍的確定，分析所采集到的地質開采的相關數(shù)據(jù)。利用數(shù)學模型的求解比較復雜，需要代入具體數(shù)值進行計算。因此在進行模型離散化的時候可在小單元基礎上進行集合的算法計算，或者采用插值法對數(shù)學模型的差分和變分進行計算。微分方程是數(shù)學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參數(shù)。邊界條件為礦山地質開采條件，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行數(shù)字化轉化的一種方式，礦山的土層示意圖如下圖所示。

如圖2所示，將圖2中的信息進行數(shù)學模型的轉化，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行處理，構建可視化的數(shù)字模型。利用解算器進行模型分析，對礦山的開采情況進行數(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果，數(shù)學模型的結果與文字相比更加直觀。很多地質參數(shù)例如水文因素都可以在模型中進行模擬，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)，礦山的地質災害防治數(shù)據(jù)也進行了收集，在涌水量預測中可根據(jù)礦體的開采條件進行礦體參數(shù)的預測評價，基于數(shù)學模型的可視化特征進行數(shù)學模型結構分析。

圖2 礦山的土層示意圖

1.3 進行模型的三維可視化轉化

模型的三維可視化轉化的結果更方便模型的觀察者對結果的判斷，并對礦山地質開采條件產生更深刻和準確地理解，三維可視化技術是一種對人腦對事物構造的仿真技術，可視化的效果也比較符合人的視覺習慣。采用圖像的技術在計算機中將數(shù)字化的模型進行可視化處理，而圖像和圖形信息又可以轉化成三維圖像，直接將數(shù)字進行了兩個維度的跨越，在進行開采條件及地質參數(shù)之間的關系研究的時候更方便觀察，模型的三維可視化轉化是數(shù)據(jù)交互和圖形轉化兩項技術的結合。因此涉及圖像處理和計算機視覺交互技術兩個領域。進行可視化轉化首先要進行可視化的中心問題的處理，對數(shù)學模型中的信息進行圖像的勾勒，三維可視化技術的簡略圖如圖3所示。

圖3 三維可視化技術原理

如圖3所示，三維圖像需要在計算機中進行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向可視化圖像的轉化，快速生成相關信息的圖像，圖像的建立有利于對關系直接的分析。在三維的圖像上進行分析操作，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)預處理中，需要對礦山的原始數(shù)據(jù)進行噪聲過濾，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)進行剔除，并將剩余的數(shù)據(jù)進行必要的修改和調整。在對模型的模擬范圍進行確定的步驟中，采集礦山地質條件數(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)進行格式的統(tǒng)一調整。必要的情況下還需要對數(shù)據(jù)進行壓縮。

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。礦山的可視化轉換可以采用靜態(tài)轉換的方式，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行目標重點分析，數(shù)據(jù)也屬于靜態(tài)化的元素，因此進行靜態(tài)化分析的圖像更符合礦山關系分析的實際情況。而空間變化和地質條件的變化要采用虛擬現(xiàn)實技術進行交互式分析，動態(tài)分析比靜態(tài)分析多出了對虛擬語言的處理。兩種分析方式結合在一起對礦山地形進行三維可視化表達。并以原數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)支撐，對礦山的模型進行可視化的轉換?？稍趫D像上進行軌跡的預先定義。

2 基于可視化結果進行參數(shù)關系離散分析

2.1 基于可視化結果進行真實圖像的離散處理

本文建立的數(shù)學模型的模擬范圍為整體的地質參數(shù)，因此模擬的范圍較大。為保證模擬精度并在精度質量可以保證的前提下簡化運算步驟，對礦山進行網格化處理，網格化處理的原則為：地質條件簡單的直接進行網格劃分，地質條件復雜的部分細化區(qū)域，例如礦坑附近區(qū)域主要單元格外邊界線與地質分界線重合。中心節(jié)點位于剖分點，對數(shù)學模型進行參數(shù)關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]。水平網格尺寸根據(jù)礦區(qū)的大小，正常礦山進行300m×300m網格區(qū)分，小型礦山進行150m×150m的網格區(qū)分，大型礦山采用400m×400m的網格區(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)進行數(shù)據(jù)收集的時候要進行北斗系統(tǒng)精準衛(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)學模型各層中。數(shù)據(jù)導入模擬軟件生成礦區(qū)的三維模型。對數(shù)學模型進行參數(shù)關系離散分析。三維模型的真實圖像的離散數(shù)據(jù)處理可以采用數(shù)學處理方式和三維圖像處理方式相結合的方式。首先將圖像的幾何描述輸入到進行數(shù)據(jù)處理的計算機當中，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，且準確度也和圖像的幾何描述相關聯(lián)，因此在計算機輸入數(shù)據(jù)之前，一定要保證數(shù)據(jù)描述和礦山地質場景是相互對應的，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數(shù)據(jù)通過消除算法進行消除。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中的三維模型應具有光學物理所產生的色彩變化，色彩的變化也是地質條件改變的標志之一，因此，屏幕顯示的顏色值也是進行離散分析的關鍵。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)的坐標轉換

地質參數(shù)之間的關系研究需要對高程參數(shù)進行轉變的轉換，用戶在對模型進行研究時為了方便觀察必定會進行模型的旋轉。因此左邊投射到參數(shù)點會產生一定的偏差，為了保證坐標轉換的實時性明細要對參數(shù)的轉換方法進行優(yōu)化。

在進行參數(shù)轉換時，參數(shù)的旋轉投影落到了旋轉之后的表面上。為了地質觀察中在計算機的顯示器上進行旋轉的是等比例狀態(tài)的旋轉，參數(shù)中的刻度需要大小合適，因此，對可視化的圖像進行顯示范圍的坐標限定。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。而坐標系中多出來的坐標值就是為了對框架進行標定，在設備坐標系中該窗口實現(xiàn)旋轉坐標的實時轉化。

3 地質開采條件與地質參數(shù)關系研究結果

通過離散分析得到地質開采條件與參數(shù)的關系，如表1所示。

表1 關系研究結果指數(shù)

關系指數(shù)如表1所示，在礦區(qū)的開采過程中，地質參數(shù)越好，開采成功的概率越高。開采勢必會帶來對基礎巖體的影響。根據(jù)表1的模擬分析結果可知，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，基巖構造裂隙發(fā)育程度表現(xiàn)出較強的垂向分帶性，越靠近地心，滲透性越強。沉積變質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 結語

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