蔡 毅
(河北省地質工程勘查院,河北 保定 071000)
在早期的礦山勘查工作中,空間內礦產資源含量分布受勘查技術的限制,主要依靠手工統(tǒng)計的方式對數據信息進行分析,繪制二維空間的簡單的礦區(qū)地質圖[1]。雖然取得了一定的成果,但其實施過程中,工作量巨大,效率較低,且受主觀因素影響明顯,應用效果不盡如人意[2]。隨著計算機時代的到來,信息技術飛速發(fā)展,三維成像技術得到了廣泛應用,其可以快速、準確、有效地把海量數據信息進行綜合統(tǒng)計處理,以三維圖像的形式進行表達[3],更加直觀地展現礦產資源在空間內的展布形態(tài)和變化趨勢[4],通過分析這些信息,對于預測含礦隱伏構造具有極其重要的作用[5]。
基于此,本文提出礦山地質工程中三維成像勘查系統(tǒng)設計及應用研究。將地質勘探工作的開展方式進一步拓展,以期為實際應用提供參考。
三維成像勘查系統(tǒng)核心電路由PWM控制主機、I/O主機、NRF24電阻、FSMC元件共同組成。在連通狀態(tài)下,電壓及電流參量分別進入PWM控制主機,以及電流控制設備,一部分電壓傳輸至電路外部,供下級設備應用,另一部分電壓經過采樣設備進入I/O主機。其中,核心用電設備為FSMC[6],根據NRF24的負載情況調節(jié)輸入電流,將符合應用需求的電壓傳輸至FSMC。具體電路如圖1所示。
采樣控制芯片是三維成像勘查系統(tǒng)中的信息采集控制元件[7],由ARM板件、數據傳輸管腳、PWM板件、SPI附屬元件以及應用電阻組成[8]。其中,4個ARM板件以兩兩并列方式連接,1個ARM板件僅作為參與性結構,用于提供傳輸連接。傳輸管腳通過對松弛度進行轉換,實現對ARM板件連接狀態(tài)的協(xié)調控制。在PWM板件中的SPI元件負責調節(jié)采樣控制芯片的負載,將密集數據調度至核心區(qū),以此適應控制指令的需求。在采樣控制芯片最底層,分布有電阻,分擔系統(tǒng)中的傳輸電壓,抑制采集數據流的傳輸下降趨勢。
本文以IGBT調節(jié)裝置作為核心設備搭建數據逆變器,實現對礦山地質數據的資源分配。數據采集裝置與數據傳輸端相連,在連接狀態(tài)時,將待轉化的數據信息規(guī)整成實體。電流存儲器、電壓存儲器均為其下級負載元件,按照系統(tǒng)內待轉化數據信息數量,控制資源承載量。IGBT逆變器的傳輸導流器控制電路中電流的總量。系統(tǒng)內待轉化數據總量增加時,傳輸導流器進入極值調試狀態(tài),吸收系統(tǒng)內的所有可利用傳輸電子。
CPLD控制面板的主控芯片與數據逆變器、采樣控制芯片相連,按照傳輸需求,更改相連設備的狀態(tài)。CPLD主控芯片上的數據平衡裝置,可按照指令更改數據的排列,指揮ARM板件控制數據交流,提高鄰節(jié)點數據的敏感度。接入插口連接采樣控制芯片,傳輸系統(tǒng)指令的同時,將對不必要的電子進行分散。
首先,通過控制芯片,對現場的地質數據進行采集,數據包含采集方向、角度、電位、視電阻率等。在數據采集過程中,本文采用SPI作為提取采集區(qū)域中心的核心,借助SPI的數字處理能力,高速準確地提取采集區(qū)域中心,同時由CPLD控制面板進行數據轉化,提高系統(tǒng)的速度和精度。其具體流程為,首先,CPLD控制面板發(fā)出采集命令,采集芯片占用總線,采集數據到ARM。結束后CPLD控制面板通知SPI占用總線,采樣控制芯片的SPI開始對ARM中的采集區(qū)域數據進行處理,CPLD控制面板同時喚醒數據逆變器,為下一步數據處理做準備。SPI處理結束,通知CPLD控制面板占用總線,CPLD控制面板讀取ARM中處理后的數據,準備構建礦山三維圖像,同時采集芯片開始新一輪采集。
在上述地址數據采集的基礎上,將采集到的數據結果進行網格化處理,通過數據逆變器,對探測方向、探測角度的數據進行疊加逆變。以IGBT調節(jié)裝置內,利用測點的深度數據L,可將平面數據轉換為(Px,Py,Pz)三維數據,其轉換方式為
根據建立的礦山地質三維圖像,對礦山的地質環(huán)境進行分析,并作為礦山地質的勘查輸出結果。對三維圖像進行構建,流程如圖2所示。
圖2 礦山三維圖像構建流程圖
把采集和處理所得到的采集區(qū)域數據,與所其在空間的相對位置相聯系,再采用曲面逼近的方式對采集區(qū)域進行三維成像。以此實現更加直觀地展現礦山地質情況,為礦山工程提供施工依據。
為測試所提系統(tǒng)的實際應用性能,本文進行了試驗測試。同時,為提高實驗結果的可靠性,分別采用文獻[4]和文獻[5]提出的方法同時進行實驗,對比三個系統(tǒng)的實驗結果。
實驗采用某銅鎳礦區(qū)為實驗對象,礦區(qū)南北向長度為162.53公里,東西向長度為122.02公里,區(qū)域內富含豐富斷裂及褶皺構造,南向北50°至75°之間存在大角度傾陡。地表組成為主要是砂、礫石、黏土,化學原色綜合程度較高,Cu、Ni、Ag、As、Pb、Zn等均有分布,且元素之間套合強度較高。
首先,在此環(huán)境中,分別采用三種方法對礦區(qū)內的礦產資源進行勘查。分別采用三種方法進行礦區(qū)內的找礦工作,分別確定10個開采點,并計算其礦藏所在深度及存儲量。根據計算結果,并進行實際的開采工作,以不同方法的分析結果與實際情況的擬合度。
分別對比了三種方法的礦藏深度分析結果的有效性。其結構如表1所示。
表1 三種方法對礦藏深度分析結果與實際差異對比表/m
從表1中可以看出,對比三種方法對礦藏深度的分析結果,本文方法的輸出結果與實際情況的差異最小,基本穩(wěn)定在10m以內,且分析結果與實際結果的差異僅為5.3m,相對于文獻[4]和文獻[5]方法有明顯優(yōu)勢。這主要是因為本文設計的系統(tǒng)實現了對礦區(qū)地質因素的綜合分析,并建立精準的地質三維信息圖像,提高了對地質勘查的精度和準確度。
在此基礎上,對比三種方法的對地質的深層的含水量進行分析,同樣分別設計10個測試,并根據其分析結果對其進行水源探測,判斷其對于水源預測結果的可靠性,具體結果如表2所示。
表2 三種方法的含水量分析結果與實際差異對比表/m3
從表2中可以看出,對比三種方法對深層水源的探測結果,文獻[4]方法對含水量的分析結果誤差始終在100m3以上,甚至達到200 m3以上,而本文方法的誤差基本穩(wěn)定在50 m3以內,具有較高的勘查精度。這主要是因為本文方法以設計地質環(huán)境信息為基礎,建立礦區(qū)的三維地質圖像,并不斷對地質信息進行轉化,以提高其與實際情況的擬合度,以此提高地質勘查結果的可靠性。
隨著社會經濟的高速發(fā)展,對于資源的需求不斷增加,在此環(huán)境下,對于礦山的勘查工作成為提高資源開發(fā)的重要手段。本文提出礦山地質工程中的三維成像勘查系統(tǒng)設計及應用的研究。通過將三維成像技術引入到地質勘查系統(tǒng)中,提高對礦山地質分析精度,從而降低由于勘查結果誤差引起的無效施工。通過本文的研究,以期為地質勘查的相關工作提供有價值的參考。