数字化矿山建设及软件二次开发探索

冒立朝，高进远，彭 伦，张永龙，吴志全

(金川集团股份有限公司龙首矿，甘肃金昌 737100)

1 引言

数字化矿山(Digital Mine)或简称为“数字矿山”，是对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现。数字矿山的任务是在矿业信息的基础上，充分利用现代空间分析、数据采矿、虚拟现实、可视化、网络、多媒体和科学计算技术，为矿产资源评估、矿山规划、开拓设计、生产安全和决策管理提供新的技术平台［1］。20世纪90年代初，加拿大国际镍公司(Inco)开始研究遥控采矿技术，目标是实现整个采矿过程的遥控操作［2］。

随着工业进程的加快，人类对金属矿业的发展需求快速增加，对资源综合开采、有效利用日益重视，对数字矿山的建立提出了迫切要求。利用三维数字化模型，充分研究地质与成矿原理，指导矿山深部及周边找矿工作，增加矿山储量，对矿山可持续发展具有重要意义［3－4］。

Surpac软件作为一套在矿业领域内具有国际领先水平的大型数字化矿山工程软件，它拥有先进的、强大的三维立体建模工具，能够将矿山勘探和三维地质模型建立、工程数据库构建、露天和地下矿山开采设计、采矿生产和开采进度计划等工作完全图形化［5］。

龙首矿是一个已开采50多年的老矿山，先后采用了多种采矿方法，各采区空间位置也相对独立，积累了大量的采空区数据、地质平面图、地质剖面图、地质消耗矿量计算等地质数据需要处理。因此，针对龙首矿数字化矿山建设过程中存在的数据处理流程复杂、繁琐，重复操作多，作业效率低等诸多问题，采用TCL及SCL语言，设计开发基于Surpac软件可输入参数、具有可视化窗口界面的功能模块来有效解决这些问题。

2 研究区的建设程度

龙首矿西二采区前期已经在地质数据库、矿体模型、块体模型、地表模型、工程模型、以及采空区模型的建立等方面做了大量数字化建设工作，尤其自开采以来采空区模型已经建立，在西二采区全面推广应用三维矿业工程软件具备优越条件［6］。

在Surpac平台，矿体模型的建立采用以下几种方法［7］:

(1)根据原始钻孔资料，生成地质数据库，在地质数据库的基础上组合钻孔数据，根据品位、岩性等重新解译地质剖面，确定矿体范围和地质界线。

(2)根据矿山勘探线剖面图中的地质界线圈定矿体范围，生成矿体模型。

(3)根据矿体外围轮廓线，大致圈定矿体，然后根据块体模型圈定矿体的精确范围。

将方法(2)加以改进，综合矿山已有的勘探线剖面图和地质平面图，提取各标高的地质界线，得到一系列标高的平面地质界线，连接生成矿体模型。

根据原始钻孔资料和穿脉取样成果，建立地质数据库，组合钻孔数据，用西二采区矿体模型进行约束，采用距离幂次反比法为块体模型的Cu品位、Ni品位属性估值［8］，然后根据Cu品位、Ni品位属性为矿岩比重、矿岩类型、估值次数等属性赋值。为了检查块体模型的准确性，对采区内各采场块段储量和矿石消耗量的Surpac计算结果与传统方法计算结果进行了对比，数据显示，误差均在5%以内，可以满足日常技术工作需要。

建立了西二采区3DWeb浏览系统。将西二采区矿体模型、工程模型、采空区模型以及分层设计模型处理后，矿内用户登录固定的IP地址就可以在浏览器中查看西二采区数字化模型成果(图1)，及时了解到采场的回采进度(图2)。

图1 西二矿体模型和采空区模型浏览效果

图2 1534分段4分层空区模型和分层设计浏览效果

3 存在的问题与软件二次开发

3.1 平面图与剖面图相互转换的模块开发

在建立矿体模型的过程中，需要将原有的*.dwg格式的地质剖面图转换为Surpac支持的*.str格式文件。块体模型建立后，切割出各个勘探线和水平面上的矿体界线图，需要转换为AutoCAD可识别的*.dwg格式文件，与原有资料反复进行对比，找出差异，不断修改，使块体模型的矿体界线能够最大程度地接近真实情况。所以，在建立矿体模型的过程中，需要对平面图与剖面图反复进行转换，工作流程复杂且参数多，工作量大，极易出错。

本模块采用TCL语言及Surpac中的SCL语言，开发设计了可视化窗口界面模块，将剖面图和平面图相互转换的繁锁过程简化，具体开发思路如下:

(1)生成选择文件及输入参数的窗口界面。

(2)在surpac中将*.dxf文件导入。

(3)将*.str文件中的Y、Z坐标互换并保存文件。利用Surpac的线文件2D转换功能将其转换到具有真实坐标的三维空间位置中。

(4)Surpac中生成的剖面图转换成AutoCAD平面图的过程与上述转换过程相反。

通过开放的用户接口将该模块定制到Surpac工具栏，生成用户自定义按钮。应用时调用命令，确定对应的转换类型和参数，调用转换文件即可完成转换。该模块不但能够实现将剖面图转换到真实的三维空间，而且也可以将真实三维空间中的剖面图转换为AutoCAD可编辑的平面图，同时该模块具有文件批量处理功能，图形文件处理效率高。图3所示为平面剖面转换模块可视化界面。

图3 平面剖面转换模块界面

3.2 计算块段储量模块开发

在Surpac中计算块段储量的方法是，调用现有实体模型作为约束文件，报告实体模型范围内的矿量、品位及金属量。在实际工作中，龙首矿各采区的矿石储量管理是以勘探线为分界线，而现有Surpac软件版本不能以勘探线为约束条件计算各个采场的储量，采场层矿量计算以及单条进路矿量的计算就更加繁琐。

本模块采用TCL语言及Surpac中的SCL语言，开发设计了可视化窗口界面模块，简化了计算块段储量的过程，具体做法如下:

(1)生成选择文件及输入参数的窗口界面。

(2)将采区的勘探线文件准备好，勘探线范围要能够覆盖全部矿体模型。

(3)以实体模型为约束条件，对西二采区的块体模型的矿量、金属量、品位进行报告。

(4)根据实际需要，以其中两个勘探线为约束条件，在一定标高范围内对采区块体模型的矿量、金属量、品位进行报告。

(5)用宏命令录制上述计算过程。宏文件引用窗口界面中相应的参数。

该模块在计算块段储量时，输入勘探线号和标高范围，就能够方便快捷地计算出所需勘探线间某标高范围内的块段储量;添加实体模型约束条件，就能直接计算实体模型范围内的块段储量。该模块实现了利用勘探线和进路设计模型为约束条件进行块段储量计算，使操作流程简化，能更好地满足将来基于矿业软件的采矿三维设计和损失贫化管理工作的需要。图4所示为采区块段储量计算界面。

图4 块段储量计算模块界面

3.3 空区模型数据处理模块开发

矿山已有空区资料是矿山生产过程中的重要技术资料，对矿山持续开采、周边部地质找矿及编制矿山闭坑报告等意义重大。因此建立已有空区三维模型是数字化矿山建设的重要工作之一。但是要把矿山已有工程的模型建立起来，要处理海量的数据、将.dxf格式的矢量化文件转换成.str格式文件、对.str格式文件进行点的冗余处理及线的闭合处理过程中，要进行大量的机械性重复操作，工作量大。而现有矿业软件并不具有对矢量化扫描图件的批量处理能力，使得建立已有工程的三维模型工作效率很难提高。

本模块采用TCL语言及Surpac中的SCL语言开发设计了可视化窗口界面模块，简化了文件处理的过程，具体做法如下:

(1)生成选择文件及输入参数的窗口界面。

(2)将*.dxf文件转换为*.str文件、进行*.str文件合并、清理冗余点和线的闭合处理。

(3)用宏命令录制上述处理过程。宏文件引用窗口界面中相应的参数。

针对采空区工程模型建立的数据处理模块，能批量处理矢量化扫描图件，处理效率大大提高。该模块实现了.dxf格式文件到.str格式文件的一键批量转换(图5)。同时，开发了图形冗余点和断线批量处理模块，该模块实现了对.str格式文件的一键批量合并和冗余点清理(图6)，工作效率成倍提高。

图5 批量转换文件模块界面图

图6 批量合并线文件模块界面

3.4 采矿工程设计模块开发

利用现有模块进行采矿单体设计时，需要事先绘制好所需的断面文件，再以中心线和剖面联结三角网。在调用断面线文件及更改参数时，极为不便。

采用TCL语言及Surpac中的SCL语言，设计开发了本模块，简化了采矿三维设计的繁锁过程，使断面文件的参数能够实时调节，具体做法如下:

(1)生成选择文件及输入参数的窗口界面。

(2)调用窗口界面中的参数，根据不同的断面类型，绘制不同的临时断面线文件。

(3)在surpac中调用“使用中线与剖面”连接三角网的命令，使用临时断面线文件，选择一条中线，生成实体模型。

(4)用宏命令录制上述处理过程。宏文件引用窗口界面中相应的参数。

应用本模块进行采矿设计，可以灵活地选择工程断面，也可以自定义断面的类型(图7)，且断面参数可以调整，非常灵活。确定断面参数以后，选择设计工程中线即可生成设计工程三维模型，解决了Surpac软件不能实时调整设计工程断面类型和参数的问题，工程设计时不需绘制断面文件，确定参数即可，提高了效率。

图7 采矿设计工程建模模块界面

4 结论

对基于surpac软件进行平面图与剖面图相互转换、计算块段储量、空区模型数据处理、采矿工程设计等模块的本土化二次开发及应用实践，使地质、测量、采矿技术工作在工作模式、数据处理方法等方面有了很大的改进，提高了矿山技术和管理的效率，实现了生产、技术管理的精细化，提高了矿产资源综合利用水平，为数字化矿山工作的进一步开展打下了坚实的基础。

［1］ 吴立新.数字地球、数字中国与数字矿区［J］.矿山测量，2000(1):6－9.

［2］ Shuey S A .Mining technology for the 21st century:Inco digs deep in sudbury［J］.Eng＆Mining J－ China.1999(2).

［3］ M.Cxlpsett，CxR.Baiden Ming information system development［J］.CIM Bulletin，2001，91(1046):63 －66.

［4］ 刘亭，朱来东，王永智.小铁山矿三维数字化模型的建立与应用［J］.采矿技术，2012，12(1):9 －19.

［5］ 丁威，陈广平.利用Surpac软件打造数字化金属矿山［J］.矿业快报，2006，3(3):11 －13.

［6］ 贾福聚，秦德先，黎应书，等.都龙锡矿曼家寨矿段品位模型的建立［J］.矿业研究与开发，2007，27(4):54 －56.

［7］ 潘冬，李向东.基于SURPAC的矿山三维地质模型开发［J］.采矿技术，2006，6(3):499 －201.

［8］ 孙家驹，殷跃，孙江，等.SURPAC在数字矿山的应用研究［J］.2011(146):5－7.