地質建模知識在采礦工程人才培養中的教學實踐

孫振明

摘要：針對中國礦業大學（北京）在采礦工程人才培養過程中對地質建模知識方法的教學問題，簡要介紹了地質建模技術現狀，總結了地質建模技術在地質資料管理、儲量估算、采礦設計、找礦預測等采礦工程實踐中的應用，明確了地質建模知識的重要性。結合在采礦工程人才培養過程中的教學實踐，對地質建模知識的教育教學進行了探討，并提出了進一步重視相關知識教學的建議。

關鍵詞：地質建模；采礦工程；人才培養；高等教育

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

一、引言

高校是培養高層次復合型人才的重要陣地，中國礦業大學（北京）作為中國煤炭高等教育重點高校之一，為煤炭行業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優秀人才[1]。在采礦工程學科培養過程中，面臨學科發展滯后于煤炭科技的進步、到現場工作后動手能力和創新能力相對較差等問題[2-4]。比如，三維地質建模是一項涉及到眾多國民經濟關鍵行業的基礎性技術[5]，該技術對于眾多行業的技術進步具有控制作用，對采礦工程來說，是地質資料管理、固體礦床資源預測、采礦工程設計、綜合動態管理和資源合理利用的重要工具[6]，企業現場已應用Surpac、Valcun、3D Mine等成熟的商業化軟件[7]，但是現有培養體系對相關知識重視不足，僅在部分專業方向開展相關課程。因此，本文首先介紹了地質建模的基本知識，分析了其在采礦工程實踐中的重要作用，提出了在采礦工程人才培養中需要關注的知識內容，最后針對教學實際及地質建模知識的特點，探討了教育教學的方式方法。

二、三維地質建模技術

三維地質建模（3D Geology Modeling）是運用計算機技術，在虛擬三維環境下，將空間信息管理、地質解譯、空間分析與預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，并用于地質分析的技術。三維地質建模的相關技術在20世紀80年代就開始研究，90年代初加拿大學者Houlding提出“三維地質建模”這個概念后，相關技術得到了快速發展，逐步走向成熟，并開展了商業工程應用[5]。常見的三維空間地質模型總體上可以分為表面模型（Facial Model）、實體模型（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以數字表達的集合，通常為格網或者三角網的形式。表面模型對地質對象的形狀控制較易，因此，在實際應用中多用此模型表達三維地質體形態。采用表面模型可以表達地質體形態，但是難以解決地質體內部屬性等問題，并且在斷層、褶皺等地質構造上需要專門的處理方法。在研究地質體屬性相關信息時，通常采用實體模型，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則的三維立方網格，每個塊段內部具有模擬的屬性信息，其屬性值在鉆探、物探等數據基礎上，通過克里格法、距離加權法、平均法等方法獲得。

三、地質建模在采礦工程實踐中的應用

隨著地質建模理論和軟件技術的不斷發展，地質建模軟件對采礦行業的影響力在不斷增大，在生產過程中其發揮的作用不再僅僅是配角，而是重要的一部分。現在已有許多國際知名軟件公司開發的軟件產品應用于工程實際中，比較具有代表性的有：Micromine、Surpac、Vulcan、EarthVision、GOCAD等。這些軟件都已經具有地質體模型的構建、露天礦和地下礦的開采設計、生產計劃的規劃、二三維的可視化展示等功能。以Surpac為例，作為地質和礦山規劃軟件，其應用到了多個國家的露天和地下礦開采及勘探項目中。軟件提供了三維圖形繪制及工作流程自動化處理機制，功能涉及地質模型構建、測量數據管理等多個方面，包括鉆孔數據管理、地質建模、塊體建模、地質統計學、礦山設計、礦山規劃、資源量估算等。在Surpac中所有的任務可以結合具體流程和數據要求，進行自動化方式的管理。利用Surapc構建的某金礦的礦體塊段模型如圖2所示。

下面從地質建模在地質資料管理、儲量估算、采礦設計、找礦預測等方面進行簡單介紹。

1.地質建模在地質資料管理中的應用。地質資料是礦山企業開展生產活動的第一手資料，既包括地質勘探過程中積累的各種地質方面的文字和圖件，也包括生產過程中不斷揭露的新資料[8]。以前這些資料多為紙制手繪，隨著信息化技術的發展，逐漸變為了電子圖形文件。由于地質資料獲取積累較長，在資料的儲存、修改、傳遞、應用過程中，往往會經歷多個單位、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，甚至存在數據沖突的情況。地質模型構建采用地質數據庫存儲基礎數據，通過將相關海量的地學信息標準化、數字化、集成化、網絡化，然后通過模型構建技術，將數據信息充分反映到地質模型中，不僅能夠達到快速、直觀查閱的目的，還能隨時補充修改，更能獲得直觀的印象。

2.地質建模在儲量估算中的應用。礦產資源儲量指礦產資源的蘊藏量，它既是礦產資源管理部門的工作基礎、核心內容和關鍵環節，也是礦山企業存在的基石。依據劃分單元的不同和計算方法的差異，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）、算術平均法、地質塊段法、多邊形法等[8，9]。在開采過程中，企業的資源儲量是動態變化的，既有隨著開采已經消耗的資源量，又有不斷探明的新資源量，相關數據的更新也帶來了較大的工作內容。傳統手工計算方式費事費力，而通過地質建模，利用計算機進行儲量估算工作，能極大地減輕工作強度。利用地質資料，構建地質模型之后，首先通過克里格法、距離加權法等插值算法進行相關屬性計算，然后技術人員可以根據國家要求、生產要求，對地質模型進行不同的塊段劃分，如按照可靠度、經濟意義等，軟件系統可以依據模型快速計算體積、儲量等所需數據。在儲量估算時，也可以采用多種不同的計算方法，對計算結果進行對比分析，保證計算的準確性。在資源量估算的基礎上，還可以對任意塊段和礦區資源量進行分類管理和品位噸位曲線統計等工作。

3.地質建模在采礦設計中的應用。由于礦產資源的成因、規模、形態、構造等各不相同，給采礦設計工作帶來較大的困難。傳統設計在圖紙基礎之上進行，需要較強的空間思維能力及專業知識能力，而隨著地質建模技術的應用，結合計算機圖形、圖像及可視化技術，使開采的地質體情況能直觀、明了地展現在采礦設計的技術工作者面前[8]。露天開采設計的主要內容均可以在構建的地質模型基礎上開展工作，比如開采境界的圈定、露天采場設計、采掘順序優化、爆破設計、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（或采場）劃分、采礦工程布置、底部結構設計、爆破設計等也可以根據構建的地質模型開展工作，并能有效地提高工作質量與效率，減少設計的失誤和錯誤。

以露天礦開采的境界優化為例，其應用流程為：對露天礦礦床地質資料進行分析整理，通過地質模型構建技術，建立礦床塊段模型，利用地質統計學等插值算法，結合產品價格、經營成本等數據，賦予各塊段對應的價值屬性，利用幾何約束及LG圖論法，計算適合開采的最優境界范圍。

4.地質建模在找礦預測中的應用。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律，而且其空間分布規律的預測也較困難，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險程度[8]。整理已有勘探數據及礦山生產過程中積累的各類地質資料，充分考慮地質各要素的空間異質性，利用地質建模技術構建三維模型，不僅能夠將地質體直觀形象地表達出來，而且能讓人更加深刻地認識與理解其空間展布規律。基于構建的地質體模型，結合研究地質對象的異常特征，利用疊置分析、緩沖區計算等分析工具，可以判斷空間內的某個控礦地質因素是否與礦化有關，如地層、斷層、電阻率等。在同一個三維地質空間內，分析不同地質要素之間的關聯程度，就可建立控礦要素與礦化分布間泛函關系的定量預測模型，開展礦化分布的預測，為找礦的勘探工作提供依據[9]。

四、采礦工程人才培養中地質建模教育教學的探討

中國礦業大學（北京）采礦工程專業的培養目標是培養掌握采礦工程建設的基本理論與方法，具有資源開發工程領域科技人員的基本能力，在采礦工程領域從事礦山（井工、露天、金屬）工程設計、工程監理、生產、技術管理、環境保護的高等工程科技人員及管理人才。而這樣的專業人才，需要具備利用恰當的信息技術工具，對采礦工程中的復雜問題進行分析、解決的能力。在教學實踐中，學校開展了《信息技術應用基礎》、《C語言程序設計》、《工程制圖》、《工程CAD》等信息化技術相關基礎課程，但針對在采礦工程實踐及科學研究中具有實用價值的地質建模知識，僅在采礦工程的露天開采方向開展了《露天礦建模與優化技術》課程，其他專業方向并沒有講解相關技術及其在采礦工程應用的課程。

五、結語

信息化是現代社會發展的趨勢，地質建模技術在采礦工程實踐中的應用也是發展趨勢。在滿足現有本科教學需求的基礎上，應完善傳統培養模式，加強重視地質建模知識在學術培養過程中的作用，針對采礦工程各方向學生全面開展教學活動，將理論教學知識與工程實踐操作相結合，引導學生掌握科學的思維方法，提高學生的實踐動手水平，培養學生利用現代化工具分析問題、解決問題的能力，從而提升采礦工程人才培養的質量，培養出符合現代高科技礦山企業的高素質專業人才。

參考文獻：

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