白耀丹

（甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局蘭州礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730046）

中國是世界上礦產(chǎn)資源種類齊全、儲量豐富的國家之一。然而，隨著工業(yè)化進程的加快和經(jīng)濟的持續(xù)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(chǎn)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(chǎn)資源供需差距持續(xù)加大[1]。從我國工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)狀來看，礦產(chǎn)資源需求缺口在相當(dāng)長時期內(nèi)難以緩解，需要資源的持續(xù)、有效支撐，才能保證發(fā)展的質(zhì)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(zhì)勘探工作，探明更多的礦產(chǎn)資源，并且高效、合理利用現(xiàn)有礦產(chǎn)資源，促進社會進步和經(jīng)濟發(fā)展是我國的時代背景。礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查就是探明地質(zhì)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)資源、提升礦產(chǎn)資源開發(fā)效率的有力手段，需要深入研究，不斷進步。計算機的發(fā)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(fā)展。礦山地質(zhì)勘察工作具有一定的危險性，如果將計算機技術(shù)投入到礦產(chǎn)勘查工作中來，一定會有事半功倍的效果。本文在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合崗位工作實際，分析研究礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)要求的方法，為礦山的綠色開發(fā)、高效開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查方法研究

傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)勘查工作已經(jīng)發(fā)展了許久，前人的理論和經(jīng)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(tǒng)地質(zhì)勘探的方法，為后文的計算機技術(shù)輔助設(shè)計做理論基礎(chǔ)。

1.1 測斜計算算法研究

真實的鉆井軌跡是一條連續(xù)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(shù)，并不能準(zhǔn)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(shè)被測斷面為圓柱螺旋，傳統(tǒng)圓柱螺旋測量算法的數(shù)學(xué)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(shù)據(jù)和已經(jīng)選擇好的軌跡模型，對任意點的空間系坐標(biāo)進行確定。

1.2 地質(zhì)勘探防碰撞算法研究

在鉆井防碰撞領(lǐng)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(yōu)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(xiàn)比較大的誤差，不能準(zhǔn)確反映礦井下的真實情況。設(shè)置井段編號為Lii+1。

第一種方式，假設(shè)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(shè)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(yīng)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(shù)學(xué)模型與插值算法對應(yīng)。

2 礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)實現(xiàn)過程

上文介紹了傳統(tǒng)的地質(zhì)勘察方法，本節(jié)將計算機可視化技術(shù)與傳統(tǒng)計算方法結(jié)合，將地質(zhì)勘探人員的雙手轉(zhuǎn)移到安全的計算機操作上，借助信息技術(shù)實現(xiàn)水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)的新應(yīng)用。

2.1 可視化地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)

地質(zhì)導(dǎo)向軟件幾個模塊之間的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 功能設(shè)計圖

功能中可以提取包括電阻電壓比率、工程數(shù)據(jù)和起亞測量參數(shù)等數(shù)據(jù)[3]。還可以設(shè)置顏色、曲線厚度和形狀等個人習(xí)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(shù)字礦山虛擬勘查技術(shù)

為了在操作過程中更具有真實性，有必要構(gòu)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(nèi)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(nèi)存的要求較高。但在實際使用中，當(dāng)用戶在虛擬環(huán)境中體驗時，計算機并不需要一直顯示整個模型網(wǎng)格。例如，可以用簡化的模型替換遠(yuǎn)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(yōu)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(xì)節(jié)服務(wù)。具體的指標(biāo)可以是計算機與用戶之間的距離定位或者其他，創(chuàng)建了用戶之后，就可以在模擬場景中操縱搖桿調(diào)整場景視角和距離。

在礦山水工環(huán)地質(zhì)勘查中，靈活使用計算機虛擬模型可以依據(jù)已經(jīng)取得的水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算、分析，模擬出待勘查區(qū)段的近似情況，建立虛擬模型，為技術(shù)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(shù)手段，指導(dǎo)勘查工作。當(dāng)完成緊鄰區(qū)段的勘查后，將勘查數(shù)據(jù)與計算機模擬數(shù)據(jù)進行對比，如果真實數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)一致，則表明計算機的模擬數(shù)據(jù)符合該區(qū)段的實際情況，水工環(huán)地質(zhì)環(huán)境沒有突變誘發(fā)因素，處于正常狀態(tài)。如果真實數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)不一致，則需要深入分析數(shù)據(jù)異常原因。

首先確定勘查區(qū)段內(nèi)是否存在礦藏、巖質(zhì)變化、地下水系等可以干擾數(shù)據(jù)組成的因素，引發(fā)水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)異常，并根據(jù)實際勘查數(shù)據(jù)的指向性，縮小范圍，在數(shù)據(jù)異變的分界點沿數(shù)據(jù)增長態(tài)勢的方向建立詳查點位列表，并根據(jù)數(shù)據(jù)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(zhǔn)備勘查設(shè)備、儀器等工具。通過逐點位詳細(xì)勘查，確定導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的真正因素，將勘查到的點位水工環(huán)地質(zhì)數(shù)據(jù)帶入到計算機虛擬模型中，對模型數(shù)據(jù)進行修正，并建立勘查到的帶有點位詳細(xì)數(shù)據(jù)的補充虛擬模型，方便后續(xù)礦山開發(fā)以及深入的地質(zhì)勘查。另一方面，如果經(jīng)過詳細(xì)勘查并沒有發(fā)現(xiàn)引發(fā)數(shù)據(jù)突變的顯著影響因素，則需要對第一階段的水工環(huán)地質(zhì)勘查計劃、方法、實施步驟進行復(fù)盤推演，分析研究勘查過程中是否存在不適用于當(dāng)?shù)氐V山的勘查方法、技術(shù)手段，整理成為勘查工作總結(jié)，錄入虛擬系統(tǒng)中，作為知識積累記錄下來，以便后續(xù)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(shù)據(jù)儲備中，其豐富程度得以持續(xù)加強，隨著信息量的加大，模型能夠提供的數(shù)據(jù)支持服務(wù)得以不斷擴展，形成完整、實用的虛擬礦山水工環(huán)地質(zhì)模型。

基于以上的方法與流程設(shè)計，實現(xiàn)水工環(huán)地質(zhì)勘查技術(shù)與計算機技術(shù)的結(jié)合。

3 實驗

3.1 實驗準(zhǔn)備

上述設(shè)計的數(shù)字礦山虛擬探測技術(shù)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(dǎo)航系統(tǒng)的測試重點考察導(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)航系統(tǒng)進行測試。礦壓監(jiān)測的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)采集的時效性與可靠性，以及數(shù)據(jù)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(jiān)測儀器也需要經(jīng)常移動。

虛擬端準(zhǔn)備好之后，還需要在實際工作場景設(shè)置相關(guān)人員進行參數(shù)對照，以此來驗證虛擬技術(shù)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(yīng)點上進行數(shù)據(jù)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(shù)和巷道周圍巖石變化情況一一記錄。并根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)制定可行的預(yù)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(shè)置三個以上的測量和建議提出人員。

虛擬探測技術(shù)也不能獨立完成工作，因此為了實現(xiàn)礦山人員和設(shè)備的進步程度的調(diào)配與管理，應(yīng)該實時掌握工作人員和移動設(shè)備的運行位置和狀態(tài)。管理層人員需要能夠觀測到整個工作區(qū)的礦體和工作人員情況。將人員或設(shè)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(shè)備的位置，跟蹤目標(biāo)路徑。

3.2 實驗結(jié)論

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在礦山管理方面的應(yīng)用側(cè)重于生產(chǎn)調(diào)度、環(huán)保、安全及設(shè)備管理等方面。實現(xiàn)這些方面的功能，主要利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實時監(jiān)控和生成動態(tài)場景，并具備自然交互能力，所需要的數(shù)據(jù)可由相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫提供，并由局域網(wǎng)實時傳輸。

虛擬現(xiàn)實生成的場景可在控制室展示，決策者可實時對當(dāng)前的生產(chǎn)進度、規(guī)劃等進行評估、控制與決策。對數(shù)字礦山虛擬現(xiàn)實技術(shù)界面、導(dǎo)航等各功能進行測試，各個功能模塊正常工作。

4 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展，技術(shù)的進步，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字礦山虛擬技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)前發(fā)展的大趨勢。計算機技術(shù)在礦山預(yù)測方面的應(yīng)用，對獲取礦山內(nèi)的實際數(shù)據(jù)具有重要的作用，既能準(zhǔn)確采集信息，又能保障員工的人身安全。虛擬技術(shù)的全覆蓋還能使管理人員更加直觀地了解到企業(yè)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(jié)合挖掘大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)則和知識，可視化數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果，為生產(chǎn)安全管理和決策提供及時有效的依據(jù)，構(gòu)建完善的災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，并為水工環(huán)地質(zhì)勘查提供的方便、快捷、全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，可以簡化后續(xù)的地質(zhì)勘查工作，因此是礦山開發(fā)、地質(zhì)研究的新型輔助手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。