苍山铁矿地下开采地质修图自动化与三维模型建立和应用

赵亚妮 何正岗 权土生

摘 要：山东矿业是一个现代化的国有大中型矿山，矿体形态已基本摸清，在选矿生产中和采矿生产中都实现了大型机械化，而地质工作中工作量大的修图和计算矿量的工作还靠人工在电脑上用CAD的基本功能完成，对此，在AutoCAD的基础上开发了自动修图功能，和三维模型建立使用一系列功能，成功实现了修图、切图、矿量计算等地质工作的自动化，大大提高了地质工作效率。解放了劳动力。

关键词：平剖面修图、切图、矿体半离散模型

一、概况

中钢集团山东矿业有限公司苍山铁矿是200×104t/a的采选联合企业。矿区保有资源储量约7800×104t。属地下开采矿山。2012年实现达产。矿区泰山群山草峪组（Ar4ts）为区内铁矿含矿层位，有Fe2、Fe3两个主矿体，含矿层厚度均较稳定。矿区内断裂构造较为发育，含矿层被断层切割，造成背斜状含矿层垂直错开及水平错动，对含矿层影响较大的断层为F4、F17及F3、F18。矿体呈鞍状，形态简单。矿体分布于0～-350m标高间，长2592m，两翼倾角30°～52°，平均厚度12.63m和9.53m。Fe3矿体位于Fe2号矿上盘，Fe3相对规模较小。

地质专业技术人员使用CAD基本功能实现地质作图和计算，速度较慢，工作量较大。

矿体是沉积后经历沿勘探线方向断层错动的缓倾斜的薄矿体，在平面上是矿体总体沿走向延伸，但经断层有向内或向外的错动，而在剖面上保持马鞍状背斜。因此，矿体在走向方向上不是渐变连续的，用垂面法来直接计算矿体体积和矿量的算法是不准确的。鉴于以上这些因素，公司与西安建筑科技大学对地测采等方面的作图计算等工作进行研发，地质方面实现了修图自动化和矿体三维模型建立显示计算计算矿量的问题。

二、修图自动化

地质工作主要是通过现场巷道见矿情况在平面上绘制矿体界线和勘探线上的钻探工程见矿情况剖面上绘制矿体界线的，然后用平面上和剖面上的已知矿体通过这样一个循环往复的平剖面互切来不断完善矿体的图形的。地质人员平时尤其是在基建期要完成大量的平剖修图工作，工作量大，重复性强，用CAD的基本功能完成有大量的量距工作，一个最简单的平面图转剖面的过程需要量取至少9组距离，记录6组数据，用时至少10分钟。而软件使这个过程自动化，运用软件的地质系统——平面与剖面投影转换——平面图中三维线对剖面卡点功能，通过选择勘探线，选中四条三维矿体界线，在不到一分钟的时间内准确完成对剖面的转换。而剖面转平面是这个的逆过程，可以达到同样节约时间的效果。并可以一次在一分钟内完成系统里保存的近40个剖面的这个高程的所有点的转平面图过程，而对于一个含全区的近40个勘探线剖面的平面图也只需要不到一分钟的时间就可以形成，而切一张这样的平面图用传统的方法需要一个人一整天的工作量。

程序还开发了一些很实用的为我们快速修图的功能。如图纸整理里的专业图层建立，解决了快速建立图层和图层名称建立不统一的问题;删除远处图元功能，解决了我们原有的图形远处有好多无用的遗留的图元不好删除的问题;平面坐标大转小，平面坐标小转大，解决了我们测量的图形和地质图形平面坐标不统一，粘贴时互转速度慢的问题。

三、三维模型建立和矿量计算

对于地下矿的开采，老方法矿体的立体形态是靠地测采人员对于平剖面图组合起来在脑海里的空间想象得到的，对一些地测采专业以外的人员，要了解一下我们矿床的样子，软件实现了构建一个矿体的直观可见的立体模型供他们观看，还有把对矿量的计算不再用人工通过垂直剖面法进行计算而是通过实体直接计算。使得矿量计算更直接和准确。

这个是我们用勘探线剖面上矿体线做出的矿体三维实体模型，红色是上面的Fe3矿体，绿色的Fe2矿体俯于Fe3矿体之下。

三维矿体模型通过地质系统——三维实体模型建立菜单里的一对一分段实体建立和绘制构造线功能可以很快地用相邻两个剖面的矿体闭合线用直线型的构造线连起来点击一对一分段实体建立菜单，绘制出矿体三维实体来，可以看图，建立好的三维矿体可以很快速的利用软件的功能进行切剖和体积计算、矿量计算。

这个菜单里为实体建立和实体切剖提供了方便的工具使实体建立和切剖变得很容易。面域转为二维线这个工具，可以将实体切剖形成的面域轮廓线转为二维线，易于对线条做需要的修改。二维线转三维线用于矿体闭合线的绘制。

有了实体后，运用软件当前实体任意切割剖面功能进行任意方向的剖面切割，也适合于矿房实体剖面空区切割修图，平时利用率非常高。用老方法至少需要量距二十多个，记录数据十多个，用时需要半小时，而用软件可以在半分钟之內完成，提高速度几十倍。

三维实体建立的矿体实体模型能反映一些简单区域矿体形态，在断层较多的矿段，矿体的连续性差，平面沿脉工程已经揭露出来的矿体细节变化在实体中不能反映出来，还存在实体模型占用内存大，交并差运算容易出错的问题。软件为我们又研发了半离散矿床模型的功能，运用平面上矿体顶底板线和剖面上矿体的顶底板线对应交汇形成的四边形形成孔斯曲面网方法形成矿体的网面模型，对网面模型进行离散实现矿床模型的模型显示，矿量计算和快速切割及剖切截取。

根据我们已经形成的准确详细的平剖面矿体线运用孔斯曲面网的方法做出了矿区-140米以上的矿体网面模型，再针对我们矿体特征，采取了在垂直方向上连续，水平方向上离散的半离散矿体模型，该模型能真实反映矿体的细节形态，具有占内存小，精度高，易于正确计算矿量和快速剖切及切割截取的功能。

软件里在半离散模型菜单下，用构建矿体半离散模型、矿体半离散模型线显示、矿体半离散模型柱显示、半离散模型布尔运算、半离散模型截面切割、半离散模型剖切截取工具，能实现矿体半离散模型的建立、矿体形态显示、多种体的运算、平剖面的切剖、矿量的计算等功能。

半离散模型布尔运算在计算如充填站、斜坡道保安矿柱压矿等的复杂矿体的交并运算时很容易，且比较准确，而用传统切图的方法是无法实现的。而且很直观，容易接受。

半离散模型截面切割里的二级菜单，可以实现对矿体的水平及垂直切割，计算速度更快，对于全区矿体水平切割一次只需不到一分钟的时间，而用老方法切图需要一天时间。运用半离散切图，比实体切图更快，切出的平剖面更准确。半离散模型剖切截取，有水平、垂直剖切截取等，可以把矿体模型切成很多需要的块，把需要的块的体积和矿量算出来就可以计算出我们需要的储量，直观快速，而传统的方法，需要在每个剖面上按高程圈出面积，再用相邻剖面逐一计算体积，光是做剖面圈图都比软件计算体积和矿量时间长几十倍。

除此之外，软件里还对于地质钻孔工程由表上图和采样及样品品位上图，地质储量计算的问题也给出了结合图纸的自动上图和自动计算的功能。

四、结论

中钢山东矿业和西安建筑科技大学研发的基于CAD上的三维软件能够使矿山地质的大部分内业修图计算工作实现自动化，是一款很成熟的软件。从平台的选择到矿体模型建立方法的探索都是一个很有适用性很有技术含量的软件，能解决复杂矿体模型建立的一款软件。而软件在对我矿山的断层方面的研究和展示还比较薄弱，在对计算机系统的匹配兼容方面还有待改进。

参考文献

[1]李角群等 苍山铁矿地下开采三维模型建立与应用研究 西安建筑科技大学 2019年6月

[2]梁栋彬 孔繁众等山东省苍峄铁矿小闫庄矿段资源储量核实报告 中钢集团山东矿业有限公司 编写单位 山东省地质矿产勘察开发局第三水文地质工程地质大队（山东省鲁南地质工程勘察院） 2018年10月

[3]孙晓红 孟令刚等中钢集团山东矿业有限公司（兰陵小闫庄铁矿资源开发利用方案（变更）2020年3月