矿山地质工程中三维成像勘查系统设计及应用

蔡 毅

（河北省地质工程勘查院，河北 保定 071000）

在早期的矿山勘查工作中，空间内矿产资源含量分布受勘查技术的限制，主要依靠手工统计的方式对数据信息进行分析，绘制二维空间的简单的矿区地质图[1]。虽然取得了一定的成果，但其实施过程中，工作量巨大，效率较低，且受主观因素影响明显，应用效果不尽如人意[2]。随着计算机时代的到来，信息技术飞速发展，三维成像技术得到了广泛应用，其可以快速、准确、有效地把海量数据信息进行综合统计处理，以三维图像的形式进行表达[3]，更加直观地展现矿产资源在空间内的展布形态和变化趋势[4]，通过分析这些信息，对于预测含矿隐伏构造具有极其重要的作用[5]。

基于此，本文提出矿山地质工程中三维成像勘查系统设计及应用研究。将地质勘探工作的开展方式进一步拓展，以期为实际应用提供参考。

1 硬件设计

1.1 核心控制电路

三维成像勘查系统核心电路由PWM控制主机、I／O主机、NRF24电阻、FSMC元件共同组成。在连通状态下，电压及电流参量分别进入PWM控制主机，以及电流控制设备，一部分电压传输至电路外部，供下级设备应用，另一部分电压经过采样设备进入I／O主机。其中，核心用电设备为FSMC[6]，根据NRF24的负载情况调节输入电流，将符合应用需求的电压传输至FSMC。具体电路如图1所示。

1.2 采样控制芯片

采样控制芯片是三维成像勘查系统中的信息采集控制元件[7]，由ARM板件、数据传输管脚、PWM板件、SPI附属元件以及应用电阻组成[8]。其中，4个ARM板件以两两并列方式连接，1个ARM板件仅作为参与性结构，用于提供传输连接。传输管脚通过对松弛度进行转换，实现对ARM板件连接状态的协调控制。在PWM板件中的SPI元件负责调节采样控制芯片的负载，将密集数据调度至核心区，以此适应控制指令的需求。在采样控制芯片最底层，分布有电阻，分担系统中的传输电压，抑制采集数据流的传输下降趋势。

1.3 数据逆变器

本文以IGBT调节装置作为核心设备搭建数据逆变器，实现对矿山地质数据的资源分配。数据采集装置与数据传输端相连，在连接状态时，将待转化的数据信息规整成实体。电流存储器、电压存储器均为其下级负载元件，按照系统内待转化数据信息数量，控制资源承载量。IGBT逆变器的传输导流器控制电路中电流的总量。系统内待转化数据总量增加时，传输导流器进入极值调试状态，吸收系统内的所有可利用传输电子。

1.4 CPLD控制面板

CPLD控制面板的主控芯片与数据逆变器、采样控制芯片相连，按照传输需求，更改相连设备的状态。CPLD主控芯片上的数据平衡装置，可按照指令更改数据的排列，指挥ARM板件控制数据交流，提高邻节点数据的敏感度。接入插口连接采样控制芯片，传输系统指令的同时，将对不必要的电子进行分散。

2 软件设计

2.1 矿山地质信息采集

首先，通过控制芯片，对现场的地质数据进行采集，数据包含采集方向、角度、电位、视电阻率等。在数据采集过程中，本文采用SPI作为提取采集区域中心的核心，借助SPI的数字处理能力，高速准确地提取采集区域中心，同时由CPLD控制面板进行数据转化，提高系统的速度和精度。其具体流程为，首先，CPLD控制面板发出采集命令，采集芯片占用总线，采集数据到ARM。结束后CPLD控制面板通知SPI占用总线，采样控制芯片的SPI开始对ARM中的采集区域数据进行处理，CPLD控制面板同时唤醒数据逆变器，为下一步数据处理做准备。SPI处理结束，通知CPLD控制面板占用总线，CPLD控制面板读取ARM中处理后的数据，准备构建矿山三维图像，同时采集芯片开始新一轮采集。

2.2 数据三维转化

在上述地址数据采集的基础上，将采集到的数据结果进行网格化处理，通过数据逆变器，对探测方向、探测角度的数据进行叠加逆变。以IGBT调节装置内，利用测点的深度数据L，可将平面数据转换为(Px，Py，Pz)三维数据，其转换方式为

2.3 三维地质图像生成

根据建立的矿山地质三维图像，对矿山的地质环境进行分析，并作为矿山地质的勘查输出结果。对三维图像进行构建，流程如图2所示。

图2 矿山三维图像构建流程图

把采集和处理所得到的采集区域数据，与所其在空间的相对位置相联系，再采用曲面逼近的方式对采集区域进行三维成像。以此实现更加直观地展现矿山地质情况，为矿山工程提供施工依据。

3 试验测试

为测试所提系统的实际应用性能，本文进行了试验测试。同时，为提高实验结果的可靠性，分别采用文献[4]和文献[5]提出的方法同时进行实验，对比三个系统的实验结果。

3.1 实验环境

实验采用某铜镍矿区为实验对象，矿区南北向长度为162.53公里，东西向长度为122.02公里，区域内富含丰富断裂及褶皱构造，南向北50°至75°之间存在大角度倾陡。地表组成为主要是砂、砾石、黏土，化学原色综合程度较高，Cu、Ni、Ag、As、Pb、Zn等均有分布，且元素之间套合强度较高。

3.2 实验结果

首先，在此环境中，分别采用三种方法对矿区内的矿产资源进行勘查。分别采用三种方法进行矿区内的找矿工作，分别确定10个开采点，并计算其矿藏所在深度及存储量。根据计算结果，并进行实际的开采工作，以不同方法的分析结果与实际情况的拟合度。

分别对比了三种方法的矿藏深度分析结果的有效性。其结构如表1所示。

表1 三种方法对矿藏深度分析结果与实际差异对比表/m

从表1中可以看出，对比三种方法对矿藏深度的分析结果，本文方法的输出结果与实际情况的差异最小，基本稳定在10m以内，且分析结果与实际结果的差异仅为5.3m，相对于文献[4]和文献[5]方法有明显优势。这主要是因为本文设计的系统实现了对矿区地质因素的综合分析，并建立精准的地质三维信息图像，提高了对地质勘查的精度和准确度。

在此基础上，对比三种方法的对地质的深层的含水量进行分析，同样分别设计10个测试，并根据其分析结果对其进行水源探测，判断其对于水源预测结果的可靠性，具体结果如表2所示。

表2 三种方法的含水量分析结果与实际差异对比表/m3

从表2中可以看出，对比三种方法对深层水源的探测结果，文献[4]方法对含水量的分析结果误差始终在100m3以上，甚至达到200 m3以上，而本文方法的误差基本稳定在50 m3以内，具有较高的勘查精度。这主要是因为本文方法以设计地质环境信息为基础，建立矿区的三维地质图像，并不断对地质信息进行转化，以提高其与实际情况的拟合度，以此提高地质勘查结果的可靠性。

4 结束语

随着社会经济的高速发展，对于资源的需求不断增加，在此环境下，对于矿山的勘查工作成为提高资源开发的重要手段。本文提出矿山地质工程中的三维成像勘查系统设计及应用的研究。通过将三维成像技术引入到地质勘查系统中，提高对矿山地质分析精度，从而降低由于勘查结果误差引起的无效施工。通过本文的研究，以期为地质勘查的相关工作提供有价值的参考。