地质建模知识在采矿工程人才培养中的教学实践

孙振明

摘要：针对中国矿业大学（北京）在采矿工程人才培养过程中对地质建模知识方法的教学问题，简要介绍了地质建模技术现状，总结了地质建模技术在地质资料管理、储量估算、采矿设计、找矿预测等采矿工程实践中的应用，明确了地质建模知识的重要性。结合在采矿工程人才培养过程中的教学实践，对地质建模知识的教育教学进行了探讨，并提出了进一步重视相关知识教学的建议。

关键词：地质建模；采矿工程；人才培养；高等教育

中圖分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）26-0168-03

一、引言

高校是培养高层次复合型人才的重要阵地，中国矿业大学（北京）作为中国煤炭高等教育重点高校之一，为煤炭行业输送了大量高层次人才。但是作为教育工作者，始终要考虑如何更好地培养优秀人才[1]。在采矿工程学科培养过程中，面临学科发展滞后于煤炭科技的进步、到现场工作后动手能力和创新能力相对较差等问题[2-4]。比如，三维地质建模是一项涉及到众多国民经济关键行业的基础性技术[5]，该技术对于众多行业的技术进步具有控制作用，对采矿工程来说，是地质资料管理、固体矿床资源预测、采矿工程设计、综合动态管理和资源合理利用的重要工具[6]，企业现场已应用Surpac、Valcun、3D Mine等成熟的商业化软件[7]，但是现有培养体系对相关知识重视不足，仅在部分专业方向开展相关课程。因此，本文首先介绍了地质建模的基本知识，分析了其在采矿工程实践中的重要作用，提出了在采矿工程人才培养中需要关注的知识内容，最后针对教学实际及地质建模知识的特点，探讨了教育教学的方式方法。

二、三维地质建模技术

三维地质建模（3D Geology Modeling）是运用计算机技术，在虚拟三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析与预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术。三维地质建模的相关技术在20世纪80年代就开始研究，90年代初加拿大学者Houlding提出“三维地质建模”这个概念后，相关技术得到了快速发展，逐步走向成熟，并开展了商业工程应用[5]。常见的三维空间地质模型总体上可以分为表面模型（Facial Model）、实体模型（Volumetric Model）和混合模型（Mixed Model）三大类体系，如图1所示。其中，表面模型是对物体表面形态以数字表达的集合，通常为格网或者三角网的形式。表面模型对地质对象的形状控制较易，因此，在实际应用中多用此模型表达三维地质体形态。采用表面模型可以表达地质体形态，但是难以解决地质体内部属性等问题，并且在断层、褶皱等地质构造上需要专门的处理方法。在研究地质体属性相关信息时，通常采用实体模型，尤其以块段模型为主。块段模型是将研究的立方空间分割成规则的三维立方网格，每个块段内部具有模拟的属性信息，其属性值在钻探、物探等数据基础上，通过克里格法、距离加权法、平均法等方法获得。

三、地质建模在采矿工程实践中的应用

随着地质建模理论和软件技术的不断发展，地质建模软件对采矿行业的影响力在不断增大，在生产过程中其发挥的作用不再仅仅是配角，而是重要的一部分。现在已有许多国际知名软件公司开发的软件产品应用于工程实际中，比较具有代表性的有：Micromine、Surpac、Vulcan、EarthVision、GOCAD等。这些软件都已经具有地质体模型的构建、露天矿和地下矿的开采设计、生产计划的规划、二三维的可视化展示等功能。以Surpac为例，作为地质和矿山规划软件，其应用到了多个国家的露天和地下矿开采及勘探项目中。软件提供了三维图形绘制及工作流程自动化处理机制，功能涉及地质模型构建、测量数据管理等多个方面，包括钻孔数据管理、地质建模、块体建模、地质统计学、矿山设计、矿山规划、资源量估算等。在Surpac中所有的任务可以结合具体流程和数据要求，进行自动化方式的管理。利用Surapc构建的某金矿的矿体块段模型如图2所示。

下面从地质建模在地质资料管理、储量估算、采矿设计、找矿预测等方面进行简单介绍。

1.地质建模在地质资料管理中的应用。地质资料是矿山企业开展生产活动的第一手资料，既包括地质勘探过程中积累的各种地质方面的文字和图件，也包括生产过程中不断揭露的新资料[8]。以前这些资料多为纸制手绘，随着信息化技术的发展，逐渐变为了电子图形文件。由于地质资料获取积累较长，在资料的储存、修改、传递、应用过程中，往往会经历多个单位、多个部门、多个人员的过程。大量的资料不仅查阅起来不方便，甚至存在数据冲突的情况。地质模型构建采用地质数据库存储基础数据，通过将相关海量的地学信息标准化、数字化、集成化、网络化，然后通过模型构建技术，将数据信息充分反映到地质模型中，不仅能够达到快速、直观查阅的目的，还能随时补充修改，更能获得直观的印象。

2.地质建模在储量估算中的应用。矿产资源储量指矿产资源的蕴藏量，它既是矿产资源管理部门的工作基础、核心内容和关键环节，也是矿山企业存在的基石。依据划分单元的不同和计算方法的差异，形成了多种不同的储量估算方法，常用的方法有断面法（包括水平断面法和垂直断面法）、算术平均法、地质块段法、多边形法等[8，9]。在开采过程中，企业的资源储量是动态变化的，既有随着开采已经消耗的资源量，又有不断探明的新资源量，相关数据的更新也带来了较大的工作内容。传统手工计算方式费事费力，而通过地质建模，利用计算机进行储量估算工作，能极大地减轻工作强度。利用地质资料，构建地质模型之后，首先通过克里格法、距离加权法等插值算法进行相关属性计算，然后技术人员可以根据国家要求、生产要求，对地质模型进行不同的块段划分，如按照可靠度、经济意义等，软件系统可以依据模型快速计算体积、储量等所需数据。在储量估算时，也可以采用多种不同的计算方法，对计算结果进行对比分析，保证计算的准确性。在资源量估算的基础上，还可以对任意块段和矿区资源量进行分类管理和品位吨位曲线统计等工作。

3.地质建模在采矿设计中的应用。由于矿产资源的成因、规模、形态、构造等各不相同，给采矿设计工作带来较大的困难。传统设计在图纸基础之上进行，需要较强的空间思维能力及专业知识能力，而随着地质建模技术的应用，结合计算机图形、图像及可视化技术，使开采的地质体情况能直观、明了地展现在采矿设计的技术工作者面前[8]。露天开采设计的主要内容均可以在构建的地质模型基础上开展工作，比如开采境界的圈定、露天采场设计、采掘顺序优化、爆破设计、露天矿坑终了图输出等，如图3、图4所示。同样，地下开采的盘区（或采场）划分、采矿工程布置、底部结构设计、爆破设计等也可以根据构建的地质模型开展工作，并能有效地提高工作质量与效率，减少设计的失误和错误。

以露天矿开采的境界优化为例，其应用流程为：对露天矿矿床地质资料进行分析整理，通过地质模型构建技术，建立矿床块段模型，利用地质统计学等插值算法，结合产品价格、经营成本等数据，赋予各块段对应的价值属性，利用几何约束及LG图论法，计算适合开采的最优境界范围。

4.地质建模在找矿预测中的应用。由于矿体通常都埋藏于地下，人们无法直接查看其空间分布特征及变化规律，而且其空间分布规律的预测也较困难，使矿山勘探工作常陷入被动局面，增加了勘探的工作量及风险程度[8]。整理已有勘探數据及矿山生产过程中积累的各类地质资料，充分考虑地质各要素的空间异质性，利用地质建模技术构建三维模型，不仅能够将地质体直观形象地表达出来，而且能让人更加深刻地认识与理解其空间展布规律。基于构建的地质体模型，结合研究地质对象的异常特征，利用叠置分析、缓冲区计算等分析工具，可以判断空间内的某个控矿地质因素是否与矿化有关，如地层、断层、电阻率等。在同一个三维地质空间内，分析不同地质要素之间的关联程度，就可建立控矿要素与矿化分布间泛函关系的定量预测模型，开展矿化分布的预测，为找矿的勘探工作提供依据[9]。

四、采矿工程人才培养中地质建模教育教学的探讨

中国矿业大学（北京）采矿工程专业的培养目标是培养掌握采矿工程建设的基本理论与方法，具有资源开发工程领域科技人员的基本能力，在采矿工程领域从事矿山（井工、露天、金属）工程设计、工程监理、生产、技术管理、环境保护的高等工程科技人员及管理人才。而这样的专业人才，需要具备利用恰当的信息技术工具，对采矿工程中的复杂问题进行分析、解决的能力。在教学实践中，学校开展了《信息技术应用基础》、《C语言程序设计》、《工程制图》、《工程CAD》等信息化技术相关基础课程，但针对在采矿工程实践及科学研究中具有实用价值的地质建模知识，仅在采矿工程的露天开采方向开展了《露天矿建模与优化技术》课程，其他专业方向并没有讲解相关技术及其在采矿工程应用的课程。

五、结语

信息化是现代社会发展的趋势，地质建模技术在采矿工程实践中的应用也是发展趋势。在满足现有本科教学需求的基础上，应完善传统培养模式，加强重视地质建模知识在学术培养过程中的作用，针对采矿工程各方向学生全面开展教学活动，将理论教学知识与工程实践操作相结合，引导学生掌握科学的思维方法，提高学生的实践动手水平，培养学生利用现代化工具分析问题、解决问题的能力，从而提升采矿工程人才培养的质量，培养出符合现代高科技矿山企业的高素质专业人才。

参考文献：

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