地質(zhì)建模知識在采礦工程人才培養(yǎng)中的教學(xué)實(shí)踐

孫振明

摘要：針對中國礦業(yè)大學(xué)（北京）在采礦工程人才培養(yǎng)過程中對地質(zhì)建模知識方法的教學(xué)問題，簡要介紹了地質(zhì)建模技術(shù)現(xiàn)狀，總結(jié)了地質(zhì)建模技術(shù)在地質(zhì)資料管理、儲量估算、采礦設(shè)計(jì)、找礦預(yù)測等采礦工程實(shí)踐中的應(yīng)用，明確了地質(zhì)建模知識的重要性。結(jié)合在采礦工程人才培養(yǎng)過程中的教學(xué)實(shí)踐，對地質(zhì)建模知識的教育教學(xué)進(jìn)行了探討，并提出了進(jìn)一步重視相關(guān)知識教學(xué)的建議。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)建模；采礦工程；人才培養(yǎng)；高等教育

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）26-0168-03

一、引言

高校是培養(yǎng)高層次復(fù)合型人才的重要陣地，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）作為中國煤炭高等教育重點(diǎn)高校之一，為煤炭行業(yè)輸送了大量高層次人才。但是作為教育工作者，始終要考慮如何更好地培養(yǎng)優(yōu)秀人才[1]。在采礦工程學(xué)科培養(yǎng)過程中，面臨學(xué)科發(fā)展滯后于煤炭科技的進(jìn)步、到現(xiàn)場工作后動手能力和創(chuàng)新能力相對較差等問題[2-4]。比如，三維地質(zhì)建模是一項(xiàng)涉及到眾多國民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵行業(yè)的基礎(chǔ)性技術(shù)[5]，該技術(shù)對于眾多行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有控制作用，對采礦工程來說，是地質(zhì)資料管理、固體礦床資源預(yù)測、采礦工程設(shè)計(jì)、綜合動態(tài)管理和資源合理利用的重要工具[6]，企業(yè)現(xiàn)場已應(yīng)用Surpac、Valcun、3D Mine等成熟的商業(yè)化軟件[7]，但是現(xiàn)有培養(yǎng)體系對相關(guān)知識重視不足，僅在部分專業(yè)方向開展相關(guān)課程。因此，本文首先介紹了地質(zhì)建模的基本知識，分析了其在采礦工程實(shí)踐中的重要作用，提出了在采礦工程人才培養(yǎng)中需要關(guān)注的知識內(nèi)容，最后針對教學(xué)實(shí)際及地質(zhì)建模知識的特點(diǎn)，探討了教育教學(xué)的方式方法。

二、三維地質(zhì)建模技術(shù)

三維地質(zhì)建模（3D Geology Modeling）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在虛擬三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析與預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。三維地質(zhì)建模的相關(guān)技術(shù)在20世紀(jì)80年代就開始研究，90年代初加拿大學(xué)者Houlding提出“三維地質(zhì)建模”這個概念后，相關(guān)技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐步走向成熟，并開展了商業(yè)工程應(yīng)用[5]。常見的三維空間地質(zhì)模型總體上可以分為表面模型（Facial Model）、實(shí)體模型（Volumetric Model）和混合模型（Mixed Model）三大類體系，如圖1所示。其中，表面模型是對物體表面形態(tài)以數(shù)字表達(dá)的集合，通常為格網(wǎng)或者三角網(wǎng)的形式。表面模型對地質(zhì)對象的形狀控制較易，因此，在實(shí)際應(yīng)用中多用此模型表達(dá)三維地質(zhì)體形態(tài)。采用表面模型可以表達(dá)地質(zhì)體形態(tài)，但是難以解決地質(zhì)體內(nèi)部屬性等問題，并且在斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造上需要專門的處理方法。在研究地質(zhì)體屬性相關(guān)信息時，通常采用實(shí)體模型，尤其以塊段模型為主。塊段模型是將研究的立方空間分割成規(guī)則的三維立方網(wǎng)格，每個塊段內(nèi)部具有模擬的屬性信息，其屬性值在鉆探、物探等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過克里格法、距離加權(quán)法、平均法等方法獲得。

三、地質(zhì)建模在采礦工程實(shí)踐中的應(yīng)用

隨著地質(zhì)建模理論和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)建模軟件對采礦行業(yè)的影響力在不斷增大，在生產(chǎn)過程中其發(fā)揮的作用不再僅僅是配角，而是重要的一部分。現(xiàn)在已有許多國際知名軟件公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品應(yīng)用于工程實(shí)際中，比較具有代表性的有：Micromine、Surpac、Vulcan、EarthVision、GOCAD等。這些軟件都已經(jīng)具有地質(zhì)體模型的構(gòu)建、露天礦和地下礦的開采設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃的規(guī)劃、二三維的可視化展示等功能。以Surpac為例，作為地質(zhì)和礦山規(guī)劃軟件，其應(yīng)用到了多個國家的露天和地下礦開采及勘探項(xiàng)目中。軟件提供了三維圖形繪制及工作流程自動化處理機(jī)制，功能涉及地質(zhì)模型構(gòu)建、測量數(shù)據(jù)管理等多個方面，包括鉆孔數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)建模、塊體建模、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、礦山設(shè)計(jì)、礦山規(guī)劃、資源量估算等。在Surpac中所有的任務(wù)可以結(jié)合具體流程和數(shù)據(jù)要求，進(jìn)行自動化方式的管理。利用Surapc構(gòu)建的某金礦的礦體塊段模型如圖2所示。

下面從地質(zhì)建模在地質(zhì)資料管理、儲量估算、采礦設(shè)計(jì)、找礦預(yù)測等方面進(jìn)行簡單介紹。

1.地質(zhì)建模在地質(zhì)資料管理中的應(yīng)用。地質(zhì)資料是礦山企業(yè)開展生產(chǎn)活動的第一手資料，既包括地質(zhì)勘探過程中積累的各種地質(zhì)方面的文字和圖件，也包括生產(chǎn)過程中不斷揭露的新資料[8]。以前這些資料多為紙制手繪，隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，逐漸變?yōu)榱穗娮訄D形文件。由于地質(zhì)資料獲取積累較長，在資料的儲存、修改、傳遞、應(yīng)用過程中，往往會經(jīng)歷多個單位、多個部門、多個人員的過程。大量的資料不僅查閱起來不方便，甚至存在數(shù)據(jù)沖突的情況。地質(zhì)模型構(gòu)建采用地質(zhì)數(shù)據(jù)庫存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過將相關(guān)海量的地學(xué)信息標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化，然后通過模型構(gòu)建技術(shù)，將數(shù)據(jù)信息充分反映到地質(zhì)模型中，不僅能夠達(dá)到快速、直觀查閱的目的，還能隨時補(bǔ)充修改，更能獲得直觀的印象。

2.地質(zhì)建模在儲量估算中的應(yīng)用。礦產(chǎn)資源儲量指礦產(chǎn)資源的蘊(yùn)藏量，它既是礦產(chǎn)資源管理部門的工作基礎(chǔ)、核心內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是礦山企業(yè)存在的基石。依據(jù)劃分單元的不同和計(jì)算方法的差異，形成了多種不同的儲量估算方法，常用的方法有斷面法（包括水平斷面法和垂直斷面法）、算術(shù)平均法、地質(zhì)塊段法、多邊形法等[8，9]。在開采過程中，企業(yè)的資源儲量是動態(tài)變化的，既有隨著開采已經(jīng)消耗的資源量，又有不斷探明的新資源量，相關(guān)數(shù)據(jù)的更新也帶來了較大的工作內(nèi)容。傳統(tǒng)手工計(jì)算方式費(fèi)事費(fèi)力，而通過地質(zhì)建模，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲量估算工作，能極大地減輕工作強(qiáng)度。利用地質(zhì)資料，構(gòu)建地質(zhì)模型之后，首先通過克里格法、距離加權(quán)法等插值算法進(jìn)行相關(guān)屬性計(jì)算，然后技術(shù)人員可以根據(jù)國家要求、生產(chǎn)要求，對地質(zhì)模型進(jìn)行不同的塊段劃分，如按照可靠度、經(jīng)濟(jì)意義等，軟件系統(tǒng)可以依據(jù)模型快速計(jì)算體積、儲量等所需數(shù)據(jù)。在儲量估算時，也可以采用多種不同的計(jì)算方法，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。在資源量估算的基礎(chǔ)上，還可以對任意塊段和礦區(qū)資源量進(jìn)行分類管理和品位噸位曲線統(tǒng)計(jì)等工作。

3.地質(zhì)建模在采礦設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。由于礦產(chǎn)資源的成因、規(guī)模、形態(tài)、構(gòu)造等各不相同，給采礦設(shè)計(jì)工作帶來較大的困難。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在圖紙基礎(chǔ)之上進(jìn)行，需要較強(qiáng)的空間思維能力及專業(yè)知識能力，而隨著地質(zhì)建模技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形、圖像及可視化技術(shù)，使開采的地質(zhì)體情況能直觀、明了地展現(xiàn)在采礦設(shè)計(jì)的技術(shù)工作者面前[8]。露天開采設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容均可以在構(gòu)建的地質(zhì)模型基礎(chǔ)上開展工作，比如開采境界的圈定、露天采場設(shè)計(jì)、采掘順序優(yōu)化、爆破設(shè)計(jì)、露天礦坑終了圖輸出等，如圖3、圖4所示。同樣，地下開采的盤區(qū)（或采場）劃分、采礦工程布置、底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)等也可以根據(jù)構(gòu)建的地質(zhì)模型開展工作，并能有效地提高工作質(zhì)量與效率，減少設(shè)計(jì)的失誤和錯誤。

以露天礦開采的境界優(yōu)化為例，其應(yīng)用流程為：對露天礦礦床地質(zhì)資料進(jìn)行分析整理，通過地質(zhì)模型構(gòu)建技術(shù)，建立礦床塊段模型，利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等插值算法，結(jié)合產(chǎn)品價格、經(jīng)營成本等數(shù)據(jù)，賦予各塊段對應(yīng)的價值屬性，利用幾何約束及LG圖論法，計(jì)算適合開采的最優(yōu)境界范圍。

4.地質(zhì)建模在找礦預(yù)測中的應(yīng)用。由于礦體通常都埋藏于地下，人們無法直接查看其空間分布特征及變化規(guī)律，而且其空間分布規(guī)律的預(yù)測也較困難，使礦山勘探工作常陷入被動局面，增加了勘探的工作量及風(fēng)險(xiǎn)程度[8]。整理已有勘探數(shù)據(jù)及礦山生產(chǎn)過程中積累的各類地質(zhì)資料，充分考慮地質(zhì)各要素的空間異質(zhì)性，利用地質(zhì)建模技術(shù)構(gòu)建三維模型，不僅能夠?qū)⒌刭|(zhì)體直觀形象地表達(dá)出來，而且能讓人更加深刻地認(rèn)識與理解其空間展布規(guī)律?；跇?gòu)建的地質(zhì)體模型，結(jié)合研究地質(zhì)對象的異常特征，利用疊置分析、緩沖區(qū)計(jì)算等分析工具，可以判斷空間內(nèi)的某個控礦地質(zhì)因素是否與礦化有關(guān)，如地層、斷層、電阻率等。在同一個三維地質(zhì)空間內(nèi)，分析不同地質(zhì)要素之間的關(guān)聯(lián)程度，就可建立控礦要素與礦化分布間泛函關(guān)系的定量預(yù)測模型，開展礦化分布的預(yù)測，為找礦的勘探工作提供依據(jù)[9]。

四、采礦工程人才培養(yǎng)中地質(zhì)建模教育教學(xué)的探討

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)掌握采礦工程建設(shè)的基本理論與方法，具有資源開發(fā)工程領(lǐng)域科技人員的基本能力，在采礦工程領(lǐng)域從事礦山（井工、露天、金屬）工程設(shè)計(jì)、工程監(jiān)理、生產(chǎn)、技術(shù)管理、環(huán)境保護(hù)的高等工程科技人員及管理人才。而這樣的專業(yè)人才，需要具備利用恰當(dāng)?shù)男畔⒓夹g(shù)工具，對采礦工程中的復(fù)雜問題進(jìn)行分析、解決的能力。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)校開展了《信息技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)》、《C語言程序設(shè)計(jì)》、《工程制圖》、《工程CAD》等信息化技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)課程，但針對在采礦工程實(shí)踐及科學(xué)研究中具有實(shí)用價值的地質(zhì)建模知識，僅在采礦工程的露天開采方向開展了《露天礦建模與優(yōu)化技術(shù)》課程，其他專業(yè)方向并沒有講解相關(guān)技術(shù)及其在采礦工程應(yīng)用的課程。

五、結(jié)語

信息化是現(xiàn)代社會發(fā)展的趨勢，地質(zhì)建模技術(shù)在采礦工程實(shí)踐中的應(yīng)用也是發(fā)展趨勢。在滿足現(xiàn)有本科教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)完善傳統(tǒng)培養(yǎng)模式，加強(qiáng)重視地質(zhì)建模知識在學(xué)術(shù)培養(yǎng)過程中的作用，針對采礦工程各方向?qū)W生全面開展教學(xué)活動，將理論教學(xué)知識與工程實(shí)踐操作相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的思維方法，提高學(xué)生的實(shí)踐動手水平，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代化工具分析問題、解決問題的能力，從而提升采礦工程人才培養(yǎng)的質(zhì)量，培養(yǎng)出符合現(xiàn)代高科技礦山企業(yè)的高素質(zhì)專業(yè)人才。

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