矿山地质开采条件及地质参数之间的关系研究

许芳钰

（山东科技大学，山东 泰安 271000）

随着以矿石作为原料的矿产工业的飞速发展，矿产资源的开采技术也有待提升，矿产资源的需求扩大导致市面上的矿供不应求。在工业市场中企业竞争性不断加剧的前提下，对矿山地质开采条件的研究日益加深，资源的开采既要满足市场对矿产的需求[1]，也要满足可持续发展的要求。保证矿产资源的可持续利用，对促进矿产行业的经济发展具有现实经济意义。因此很多学者对矿山地质开采条件和地质参数之间的关系进行研究，首先要对矿山的地质参数的重要性进行分析，并对地质条件中的水文地质条件进行重点探讨，对矿山的历史数据进行分析，并通用数值分析模型对地质参数进行分析，分析建设中和生产中地质参数的变化对矿山地质开采的影响，研究分析矿山的条件对安全的开采方式进行研究。最终提出地质环境的治理办法[2]，预测在合理的地质参数下，矿山的地质开采条件是否发生变化。基于地质学原理中地质参数变异特点，对矿产品的开采方向进行分析。

1 对矿山地质开采条件及地质参数的关系进行建模

1.1 模型模拟范围的确定

矿山的地质开采活动对地质环境结构会产生一定的破坏，矿产品开采初期进行矿井基建工作，巷道和井筒的挖掘会导致地质的破坏，尤其是地下的含水层。在开采工作进行的时候，采空区的土层被掏空会导致坍塌。地表的覆岩被开采行为破坏，冒裂带形成会导致地下含水层的水涌入矿井中，导致矿井漏水[3]。在采矿活动的影响下，底板承压的压力超过阈值会导致地质遭受到破坏，采空区漏水塌陷。矿山开采对地质的影响很大，开采过程中对地质破坏是最大的，在矿石被采出之后，破坏机理为矿区下方变成了中空状态。围岩周围的固定压强和原始应力都产生变化，覆岩层的平衡也因形态改变而被破坏。地层发生变形和破坏，周边地区的地层会产生塌陷位移，地层之间出现分带。示意图如图1所示。

图1 围岩示意图

矿山模型范围的划定，要考虑矿山企业为了提升竞争力而引入自动化设备的情况。自动化设备可以实现矿山生产的开采条件数据的共享，和矿山矿石的开采的数据共享，管理层可通过智能化的系统进行数据的查看。但对于模型模拟范围确定来说，信息的共享程度还不够，信息共享的欠缺被称为矿山地质条件信息孤岛现象。采用矿山的数字化勘查设备进行开采条件的数据采集，自动化的集成设备更有利于提升数据采集的速度和准确性。关系模型的研究范围为矿山以及周边1km2范围内，同一地质条件中可存在多个矿山，在统一地质参数范围中矿山不同位置基岩构造不同。矿区通道中岩层破碎，矿区研究不拘泥于开采与否，尚未开采的矿山，但已经探明矿产也在研究的范围内[4]，为了保证模型的研究精度，将参数的取值精度缩小为矿山以及周边1km2范围内。并根据地质变化的单位进行圈定。

1.2 建立地质开采数学模型

基于模拟范围的确定，分析所采集到的地质开采的相关数据。利用数学模型的求解比较复杂，需要代入具体数值进行计算。因此在进行模型离散化的时候可在小单元基础上进行集合的算法计算，或者采用插值法对数学模型的差分和变分进行计算。微分方程是数学模型中计算起来较为简便的方程[5]，方程的初始条件为矿山的地质参数。边界条件为矿山地质开采条件，边界条件会随着实际情况发生变化，而初始条件则不会变。数字矩阵是将实际问题进行数字化转化的一种方式，矿山的土层示意图如下图所示。

如图2所示，将图2中的信息进行数学模型的转化，使用Waterloo软件扫描图2的信息并融合到数字化矩阵中，并对模型的可视性进行处理，构建可视化的数字模型。利用解算器进行模型分析，对矿山的开采情况进行数值模拟，在平台中输入数据和数据分类，最终得到可视化输出结果，数学模型的结果与文字相比更加直观。很多地质参数例如水文因素都可以在模型中进行模拟，如矿山地下的含水层，矿山周围的水库，该地区的降水等数据，矿山的地质灾害防治数据也进行了收集，在涌水量预测中可根据矿体的开采条件进行矿体参数的预测评价，基于数学模型的可视化特征进行数学模型结构分析。

图2 矿山的土层示意图

1.3 进行模型的三维可视化转化

模型的三维可视化转化的结果更方便模型的观察者对结果的判断，并对矿山地质开采条件产生更深刻和准确地理解，三维可视化技术是一种对人脑对事物构造的仿真技术，可视化的效果也比较符合人的视觉习惯。采用图像的技术在计算机中将数字化的模型进行可视化处理，而图像和图形信息又可以转化成三维图像，直接将数字进行了两个维度的跨越，在进行开采条件及地质参数之间的关系研究的时候更方便观察，模型的三维可视化转化是数据交互和图形转化两项技术的结合。因此涉及图像处理和计算机视觉交互技术两个领域。进行可视化转化首先要进行可视化的中心问题的处理，对数学模型中的信息进行图像的勾勒，三维可视化技术的简略图如图3所示。

图3 三维可视化技术原理

如图3所示，三维图像需要在计算机中进行处理，实现数据向可视化图像的转化，快速生成相关信息的图像，图像的建立有利于对关系直接的分析。在三维的图像上进行分析操作，可视化的分析方式可以提升人们对模型的分析效率。如图3所示，在三维可视化图像的数据预处理中，需要对矿山的原始数据进行噪声过滤，这一步是不可以省略的，数据的误差对后续的模型建立有很大的影响。需要对错误的数据进行剔除，并将剩余的数据进行必要的修改和调整。在对模型的模拟范围进行确定的步骤中，采集矿山地质条件数据的数据源不同，因此数据的格式也不是统一的，为了保证可视化模型的精确性，需要将数据来源不同的数据进行格式的统一调整。必要的情况下还需要对数据进行压缩。

为了使可视化图片更加地规范化，在可视化图像建立的时候进行图像的规范化数据处理。形成数据的映射后的矿山地质条件的几何图元，是矿山外形的几何立体的描述方式。矿山的可视化转换可以采用静态转换的方式，静态的可视化图像虽然不及动态的可视化图像的信息表达实时性高，但静态可视化的图像更加真实。可以对于着重分析的部分进行目标重点分析，数据也属于静态化的元素，因此进行静态化分析的图像更符合矿山关系分析的实际情况。而空间变化和地质条件的变化要采用虚拟现实技术进行交互式分析，动态分析比静态分析多出了对虚拟语言的处理。两种分析方式结合在一起对矿山地形进行三维可视化表达。并以原数据作为数据支撑，对矿山的模型进行可视化的转换。可在图像上进行轨迹的预先定义。

2 基于可视化结果进行参数关系离散分析

2.1 基于可视化结果进行真实图像的离散处理

本文建立的数学模型的模拟范围为整体的地质参数，因此模拟的范围较大。为保证模拟精度并在精度质量可以保证的前提下简化运算步骤，对矿山进行网格化处理，网格化处理的原则为：地质条件简单的直接进行网格划分，地质条件复杂的部分细化区域，例如矿坑附近区域主要单元格外边界线与地质分界线重合。中心节点位于剖分点，对数学模型进行参数关系离散分析要将垂直离散和平面离散区分开，将离散分析的载体长方体[6]。水平网格尺寸根据矿区的大小，正常矿山进行300m×300m网格区分，小型矿山进行150m×150m的网格区分，大型矿山采用400m×400m的网格区分。矿山的剖分单元在5000左右，平面的行列在200个以上。在矿区进行数据收集的时候要进行北斗系统精准卫星定位。并分析定位数据，将奇特数据一并输入数学模型各层中。数据导入模拟软件生成矿区的三维模型。对数学模型进行参数关系离散分析。三维模型的真实图像的离散数据处理可以采用数学处理方式和三维图像处理方式相结合的方式。首先将图像的几何描述输入到进行数据处理的计算机当中，由于图像的几何描述的真实性与真实图像的绘制速度是成正比的，且准确度也和图像的几何描述相关联，因此在计算机输入数据之前，一定要保证数据描述和矿山地质场景是相互对应的，真实图像才是更加还原实际情况的。透视变换是将描述数据转化为三维透视图的有效手段，对场景中的视域之外的不相关数据通过消除算法进行消除。以及将矿山中不可见面的数据显示在可视面上，为了使真实图像更加还原，矿山可见面投射到计算机中的三维模型应具有光学物理所产生的色彩变化，色彩的变化也是地质条件改变的标志之一，因此，屏幕显示的颜色值也是进行离散分析的关键。处理完模型的颜色后实现图像的可视化处理。

2.2 参数的坐标转换

地质参数之间的关系研究需要对高程参数进行转变的转换，用户在对模型进行研究时为了方便观察必定会进行模型的旋转。因此左边投射到参数点会产生一定的偏差，为了保证坐标转换的实时性明细要对参数的转换方法进行优化。

在进行参数转换时，参数的旋转投影落到了旋转之后的表面上。为了地质观察中在计算机的显示器上进行旋转的是等比例状态的旋转，参数中的刻度需要大小合适，因此，对可视化的图像进行显示范围的坐标限定。通常采用常用的图像作为矿山模型的框架。在模型的周围不显示框架的形状，但该框架是真实存在的。而坐标系中多出来的坐标值就是为了对框架进行标定，在设备坐标系中该窗口实现旋转坐标的实时转化。

3 地质开采条件与地质参数关系研究结果

通过离散分析得到地质开采条件与参数的关系，如表1所示。

表1 关系研究结果指数

关系指数如表1所示，在矿区的开采过程中，地质参数越好，开采成功的概率越高。开采势必会带来对基础岩体的影响。根据表1的模拟分析结果可知，矿山开采后，地下径流的水力梯度会增加。地下水发生变化的位置与矿体分布的位置一致，垂直方向上，基岩构造裂隙发育程度表现出较强的垂向分带性，越靠近地心，渗透性越强。沉积变质岩在采矿中遭受破坏，呈现明显的三维特征，采动对基岩含水层影响最大，水位表现为整体式下降。

4 结语

本文通过对矿山的采矿条件和地质参数进行分析，了解采矿条件对地质参数所造成的影响，有利于对矿山地质情况进行了解，数学模型的使用提升了矿山的研究精度，也是矿山研究领域模型建立的创新点。为日后矿山开采管理提供了数据支撑。