矿山水工环地质勘查技术要求分析

白耀丹

（甘肃省有色金属地质勘查局兰州矿产勘查院，甘肃 兰州 730046）

中国是世界上矿产资源种类齐全、储量丰富的国家之一。然而，随着工业化进程的加快和经济的持续高速增长，对矿物的需求量呈逐年上升趋势。有研究表明，我国矿产资源的进口总依存度高达20%，特别是石油、铁矿石、铜、铝等涉及国家安全的矿产资源供需差距持续加大[1]。从我国工业发展和经济发展的现状来看，矿产资源需求缺口在相当长时期内难以缓解，需要资源的持续、有效支撑，才能保证发展的质量与速度。中国有庞大的人口，所以人均资源占有率很低。因此，加速地质勘探工作，探明更多的矿产资源，并且高效、合理利用现有矿产资源，促进社会进步和经济发展是我国的时代背景。矿山水工环地质勘查就是探明地质环境，发现矿产资源、提升矿产资源开发效率的有力手段，需要深入研究，不断进步。计算机的发展大大解放了人们的双手，使之能够投入到更具有理论性的脑力工作中去，推动了全人类的发展。矿山地质勘察工作具有一定的危险性，如果将计算机技术投入到矿产勘查工作中来，一定会有事半功倍的效果。本文在总结前人经验的基础上，结合岗位工作实际，分析研究矿山水工环地质勘查技术要求的方法，为矿山的绿色开发、高效开发提供技术支持。

1 矿山水工环地质勘查方法研究

传统的矿山地质勘查工作已经发展了许久，前人的理论和经验方法以及一些算法，在今天依旧适用。因此，梳理了几种传统地质勘探的方法，为后文的计算机技术辅助设计做理论基础。

1.1 测斜计算算法研究

真实的钻井轨迹是一条连续平滑的空间曲线，但在钻井工程中，只能获取每个分散测量点的倾斜角参数，并不能准确描述真实钻井轨迹中的每个测量剖面的实际形状[2]。圆柱螺旋井眼轨迹模型假设被测断面为圆柱螺旋，传统圆柱螺旋测量算法的数学模型为恒定螺旋角的圆柱螺旋，分别计算测点的刀面角和任意点的倾角和方位角。实行这一步骤的目的是为了使用测量得到的数据和已经选择好的轨迹模型，对任意点的空间系坐标进行确定。

1.2 地质勘探防碰撞算法研究

在钻井防碰撞领域，有许多针对定向井、水平井和聚类井的防碰撞算法。这些算法流程有自身的优劣性，如果只使用一种算法流程进行矿井轨迹的扫描工作，必然会出现比较大的误差，不能准确反映矿井下的真实情况。设置井段编号为Lii+1。

第一种方式，假设测段间井眼轨迹为直线，模型图如下：

图1 直线差值图

第二，计算井段为空间斜平面上的圆弧曲线，该算法也称作最小曲率法。模型图如下：

图2 圆弧差值图

第三，因为无论正视还是俯视投影都是圆弧形状，所以设井段为空间圆柱螺线。模型图如下：

图3 圆柱差值图

以上三种插值算法的应用条件并不相同。因为不同的钻孔方法会影响到井眼的形状，所以在进行插值计算时，一定要先观测好井眼的轨迹走向，再选择合适的算法，保证测斜算法的数学模型与插值算法对应。

2 矿山水工环地质勘查技术实现过程

上文介绍了传统的地质勘察方法，本节将计算机可视化技术与传统计算方法结合，将地质勘探人员的双手转移到安全的计算机操作上，借助信息技术实现水工环地质勘查技术的新应用。

2.1 可视化地质导向技术

地质导向软件几个模块之间的逻辑结构设计如图4所示。

图4 功能设计图

功能中可以提取包括电阻电压比率、工程数据和起亚测量参数等数据[3]。还可以设置颜色、曲线厚度和形状等个人习惯的问题。

在比较实际钻井轨迹和模拟井眼轨迹方面，把两者的图像和实测照片放在同一平面下进行光照，就能够判断二者的轨迹是不是一样的。

2.2 数字矿山虚拟勘查技术

为了在操作过程中更具有真实性，有必要构建一个立体可视化的场景。立体场景有利于工作人员更加具体地观察到矿山内的实际情况。因为整个矿山模拟场景的体量过大，所以对运行内存的要求较高。但在实际使用中，当用户在虚拟环境中体验时，计算机并不需要一直显示整个模型网格。例如，可以用简化的模型替换远处的山坡或汽车，而用精炼的模型显示离用户较近的模型，在不影响用户体验的情况下，极大地优化了图像的渲染速度，减少了渲染时间[4]。这样一来，不同精度的模型就可以为多个渲染细节服务。具体的指标可以是计算机与用户之间的距离定位或者其他，创建了用户之后，就可以在模拟场景中操纵摇杆调整场景视角和距离。

在矿山水工环地质勘查中，灵活使用计算机虚拟模型可以依据已经取得的水工环地质数据为基础，通过计算、分析，模拟出待勘查区段的近似情况，建立虚拟模型，为技术人员提供研究分析的工具，确立下一阶段的勘查方法和适宜采用的技术手段，指导勘查工作。当完成紧邻区段的勘查后，将勘查数据与计算机模拟数据进行对比，如果真实数据与模拟数据一致，则表明计算机的模拟数据符合该区段的实际情况，水工环地质环境没有突变诱发因素，处于正常状态。如果真实数据与模拟数据不一致，则需要深入分析数据异常原因。

首先确定勘查区段内是否存在矿藏、岩质变化、地下水系等可以干扰数据组成的因素，引发水工环地质数据异常，并根据实际勘查数据的指向性，缩小范围，在数据异变的分界点沿数据增长态势的方向建立详查点位列表，并根据数据异变的特征注明可能的诱变因素，以便有针对性地制定勘查计划，准备勘查设备、仪器等工具。通过逐点位详细勘查，确定导致数据异常的真正因素，将勘查到的点位水工环地质数据带入到计算机虚拟模型中，对模型数据进行修正，并建立勘查到的带有点位详细数据的补充虚拟模型，方便后续矿山开发以及深入的地质勘查。另一方面，如果经过详细勘查并没有发现引发数据突变的显著影响因素，则需要对第一阶段的水工环地质勘查计划、方法、实施步骤进行复盘推演，分析研究勘查过程中是否存在不适用于当地矿山的勘查方法、技术手段，整理成为勘查工作总结，录入虚拟系统中，作为知识积累记录下来，以便后续对矿山的深入勘查中加以借鉴。计算机虚拟模型在不断的知识积累和数据储备中，其丰富程度得以持续加强，随着信息量的加大，模型能够提供的数据支持服务得以不断扩展，形成完整、实用的虚拟矿山水工环地质模型。

基于以上的方法与流程设计，实现水工环地质勘查技术与计算机技术的结合。

3 实验

3.1 实验准备

上述设计的数字矿山虚拟探测技术进行功能和运行仿真实验。该程序在商用计算机上进行测试。导航系统的测试重点考察导航系统能够精确定位用户在矿井中的任意位置，通过移动到矿井各个巷道中对导航系统进行测试。矿压监测的关键是数据采集的时效性与可靠性，以及数据处理的及时性与综合性。

由于矿山压力场是随工作面推进而演化的，矿压监测仪器也需要经常移动。

虚拟端准备好之后，还需要在实际工作场景设置相关人员进行参数对照，以此来验证虚拟技术的正确性。每一次虚拟进入矿场进行操作时，要保证在真实的工作场景中有矿山状况检测人员站在对应点上进行数据收集工作，将各个矿山测量点的实时压力值以及施工板的参数和巷道周围岩石变化情况一一记录。并根据所记录的数据制定可行的预防措施，人工选择合适的施工材料和搭建方式，每一个测量点设置三个以上的测量和建议提出人员。

虚拟探测技术也不能独立完成工作，因此为了实现矿山人员和设备的进步程度的调配与管理，应该实时掌握工作人员和移动设备的运行位置和状态。管理层人员需要能够观测到整个工作区的矿体和工作人员情况。将人员或设备位置信息接入矿井虚拟沙盘程序，即可定位显示功能。通过定位方法确定并实时显示井下人员和设备的位置，跟踪目标路径。

3.2 实验结论

虚拟现实系统在矿山管理方面的应用侧重于生产调度、环保、安全及设备管理等方面。实现这些方面的功能，主要利用虚拟现实系统实时监控和生成动态场景，并具备自然交互能力，所需要的数据可由相应的数据库提供，并由局域网实时传输。

虚拟现实生成的场景可在控制室展示，决策者可实时对当前的生产进度、规划等进行评估、控制与决策。对数字矿山虚拟现实技术界面、导航等各功能进行测试，各个功能模块正常工作。

4 结语

随着时代的发展，技术的进步，互联网技术和数字矿山虚拟技术的应用是当前发展的大趋势。计算机技术在矿山预测方面的应用，对获取矿山内的实际数据具有重要的作用，既能准确采集信息，又能保障员工的人身安全。虚拟技术的全覆盖还能使管理人员更加直观地了解到企业的整体情况，便于他们进行管理和决策，提升矿山整体的工作运作效率。结合挖掘大数据处理技术，挖掘数据背后的规则和知识，可视化数据挖掘结果，为生产安全管理和决策提供及时有效的依据，构建完善的灾害监测预报预警系统，并为水工环地质勘查提供的方便、快捷、全面、准确的数据支撑，可以简化后续的地质勘查工作，因此是矿山开发、地质研究的新型辅助手段，具有广阔的应用前景。