《数字矿山与大数据分析技术》课程实验指导书（智能采矿）

《数字矿山与大数据分析技术》课堂实验指导书课程中文名称：数字矿山与大数据分析技术课程英文名称：DigitalMineandBigDataAnalysisTechnology课程编号：021040060适用专业：智能采矿工程专业学时数：32学时（理论26学时，实验6学时）学分数：2.0学分课程类别：专业课程应开课学期：第六学期实验/实践一：遥感找矿与矿区环境遥感分析实验/实践类型：操作型实验/实践学时：2学时实验/实践要求：开展实验项目，并撰写实验报告一、实验/实践目的1．了解TM遥感影像的特点，掌握遥感影像目视解译基本方法；2．学习遥感图像处理软件使用方法，用地质、地理知识结合影像分析矿区环境；二、实验/实践内容1．矿区土地利用状况分析；2．矿山可能发展和开拓方向分析；三、仪器设备1．台式计算机；2．ENV1遥感图像处理软件；3．矿山TM遥感影像和同一地区数字地形图（比例尺1:10000）。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤（1）向计算机输入TM影像参数，系统读取遥感影像，屏幕显示；（2）屏幕显示数字地形图，选取5～10个同名点，从地形图上读取其坐标数据；（3）以地形图上读取的同名点坐标数据，对TM影像进行几何校正，像元灰度重采样采用双线内插法；（4）从TM影像上目视解译、结合地形图分析煤矿塌陷区的状况，包括新、旧塌陷区以及矿区整体生态环境状况，矿区土地利用状况；（5）结合地学相关知识，分析该矿可能发展、开拓的方向。五、实验/实践结果处理遥感影像几何校正有两种方式：对于低几何分辨率遥感影像，则需要利用原始影像提供的数据进行校正，校正过程中还要在现有网格数据中进行内插，补充网格数据，这里不做具体介绍。对于高几何分辨率遥感影像，一般使用以下模型进行校正：X式中：x,y为原始影像上网格点的坐标；X，Y为校正后影像上该网格点的理想坐标；bo,a,,b1,a2,b2,a3,b3为待定系数。使用该校正模型时，在图像处理软件支持下，用鼠标在屏幕图像上采集有明显地物特征的点，如道路交叉点、河流交汇点、田坎边角点，系统自动得到x、y数据；然后用地面测量方法获取这些点的准确坐标，在系统中输入这些准确坐标，由此得到X、Y数据。这种既有图面上x、y数据，又有X、Y准确数据的地物点，称作同名点。系统软件要求用户给出4个或4个以上的同名点坐标，由这些数据，系统解算式中这8个待定系数。模型这样建立以后，系统即可对待校正影像的每一个网格坐标代入式中进行校正，得到准确坐标。影像几何校正后，需要根据原始影像数据对新生成网格阵列中的每一个网格重新赋予灰度值（DN），这一工作称作灰度重采样。一般遥感图像处理软件提供三种灰度重采样方法，即：最近邻域法、双线内插法以及三次卷积法。对于变形不大的影像，用前两种方法的一种果较好；而对于变形较大的影像，用后一种方法效果较好。六、实验/实践注意事项1．上机操作前，熟悉实验操作手册和实验的主要内容；2．在电脑上不做与实验无关内容；七、预习与思考题（1）ENVI遥感图像处理软件显示遥感影像以及对影像几何校正的方法；（2）目视解译影像获取的矿区有关生态环境的信息；（3）用找矿知识，分析该矿体可能延伸的方向。实验/实践二：矿山三维建模与可视化分析实验/实践类型：操作型实验/实践学时：2学时实验/实践要求：开展实验项目，并撰写实验报告一、实验/实践目的（1）了解利用剖面数据建立地层、矿体三维模型的基本方法；（2）了解利用设计数据建立巷道三维模型的基本方法。二、实验/实践内容（1）建模数据组织与预处理；（2）采用剖面法交互构建地层、矿体三维模型，并进行剖切分析；（3）采用屏幕交互法构建三维巷道模型；（4）将地层、矿体模型与巷道模型进行集成可视化。三、仪器设备（1）硬件要求；微机，推荐配置CPU3.0G，内存2G，显存256M，硬盘80G以上；（2）建模软件：DIMINE数字矿山软件；（3）数据资料：某矿山简单地质剖面、巷道设计图。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤（1）交叉剖面法建模交叉剖面建模又叫网格法建模，是使用平面矿体界线和剖面轮廓线结合建模，这样建立的模型因为有平面控制，与实际情况比较吻合。交叉剖面法建模思想是：首先进行平、剖面的一致性处理，以保证所有平、剖面对应这样就在空间中形成一系列的单元网格（每个单元网格由2个平、剖面的部分线组成）；随即对每一个单元网格分别进行模型构建；最后合并所有单元网格内的模型形成最终地质模型。交叉剖面法建模适用于矿区内生产勘探已结束的中段，将建立好的勘探线剖面矿体解译线、中段平面矿体解译线在三维软件中打开，按照勘探线剖面进行视图限制，查看交叉剖面结合处两线是否对应。由于平面矿体线（生产勘探数据）精确程度高于剖面矿体线（地质勘探），所以拖动剖面线与平面线相交，即利用平面修改剖面，但注意不能修改钻孔控制点对应数据。交叉剖面线调整好后，开始进行模型的创建，步骤大致如下。①单元网格内地质界面的构建。基于每个单元网格形成的地质界面构建地质体，而其中地质界面的构建是构建地质模型的核心及难点。②单元网格线框模型生成。基于单元网格内地质界面是由三角网组成的空间曲面，根据空间曲面生成线框模型，有些软件还提供了自动建立线框模型功能。（2）井巷工程建模井筒三维模型与其他两类开拓工程实体的建模相比，井筒建模相对简单，只要确定井口和井底的三维坐标以及断面形状规格，就可以快速建立实体模型，生成井筒模型的方法有：竖井法（根据中心线和断面生成），实测井法（根据井筒的空间位置进行生成），轮廓线连线框法。本书井筒模型建立中，主要采用方法一、三。下面以主井为例介绍其建模过程：①确定井筒的井口和井底三维坐标。②确定断面形状，根据断面参数绘制井筒断面图。矿山中井筒的断面形状一般都比较规则，主要的形状包括圆形、矩形等；断面参数包括断面的半径（圆形断面），断面的长宽（矩形断面）。③绘制井筒中心线。④通过确定的井筒中心线及断面生成实体。平巷三维模型在创建井巷工程实体中，无论什么类型的实体线框模型，只需要准备好以下两个条件就可以轻松地进行工程线框实体模型的创建，这两个条件是：井巷工程实体的中心线位置（应满足空间位置，即平面位置和坡度要求）；井巷工程实体的断面形状和规格。下面以“中心线十断面”的模式，介绍平巷建立过程。完成综合平面图整理与坐标对应，提取巷道中心线。定义巷道中心线文件“巷道工程”属性，定义巷道断面信息。利用“井巷工程→联通巷道”对中心线生成巷道模型。斜坡道实体模型斜坡道实体建模相对来说比较复杂，因为斜坡道不在一个固定的平面内，有很多拐角，所以确定斜坡道中心线时比较复杂。首先要确定斜坡道各拐弯处及其在各中段交点处的三维坐标；然后再确定斜坡道断面形状和斜坡道中心线；最后通过中心线加单一断面方法生成实体。采用“中心线十断面”进行斜坡道设计，在进行中心线时考虑斜坡道的坡度及转弯半径、位置等。五、实验/实践结果处理（1）模型有效性检验在对线框进行布尔运算、切分等操作以及计算线框体积之前，需要对线框模型进行合并而后校验。线框模型的校验可完成对线框模型的大量检查工作，主要有检查线框的面有无空洞、检查有无相交三角形、检查在同一个面或不同面之间有无跨接、检查有无重复点、检查有无多余边等。（2）井巷工程模型布尔运算由于巷道和竖井都是单独按相应的方法生成的，但很多时候巷道与竖井间经常需要连通，因此，需要生成贯穿的实体模型。平巷与竖井之间的贯通分为直角模式、丁字模式、贯穿模式。有些软件如Dimine可直接提供巷道联合功能处理上述平巷与竖井之间的贯通。六、实验/实践注意事项（1）上机操作前，熟悉实验操作手册和实验的主要内容；（2）在电脑上不做与实验无关内容；七、预习与思考题（1）如何进行井巷工程三维建模？它与管线三维建模有何不同？（2）矿山地表、地层及地下工程应分别采用什么方法建模，模型之间如何耦合？实验/实践三：采矿数字化设计实验/实践类型：操作型实验/实践学时：2学时实验/实践要求：开展实验项目，并撰写实验报告一、实验/实践目的（1）了解地下矿山开采三维设计中的三维开拓设计、盘区及采场划分；（2）了解露天矿开采三维设计的露天境界优化及露天台阶设计。二、实验/实践内容（1）地下矿开拓方案选择及三维开拓设计；（2）地下矿盘区采场划分方法、采场算量及指标分析；（3）露天矿境界优化及结果分析；（4）露天矿台阶数字化设计。三、仪器设备（1）硬件要求；微机，推荐配置CPU3.0G，内存2G，显存256M，硬盘80G以上；（2）建模软件：DIMINE数字矿山软件；（3）数据资料：矿山地表模型、矿体模型和已有的工程资料。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤1．三维开拓设计在地表和矿体模型的基础上进行开拓设计，开拓方式为竖井开拓；通风方式为单翼对角0式、抽出式，进风井布置在矿体南侧，回风井布置在矿体北侧，副井辅助进风；井底车场为环形卧式结构；运输巷设置在底板岩石中，沿脉布置，一100m水平、一200m水平为运输水平，采用环形运输结构，共分4个中段：一180m，一160m，一140m，一120m。主副井考虑到地表构筑物的位置以及使地下矿岩的运输功最小，因而布置在矿体中间附近位置；风井布置在两端，由于安全要求较高，位置需至少在岩石移动角外2m处，并且在露天境界外；斜坡道坡度为20％。（1）主井井筒设计需根据矿体发育形态以及地表起伏状态，确定主井井筒位置及标高；（2）中段运输巷道设计中段运输巷道包括沿脉巷道与穿脉巷道。本实验以-200m中段进行设计，穿脉间距取100m。（3）中段斜坡道中段之间的人员、无轨设备往往通过中段斜坡道进行连通，所以在中段之间有时需开拓中段斜坡道。斜坡道的布置方式有直线式、折返式和螺旋式。螺旋式斜坡道又分为圆柱螺线式与圆锥螺线式。本实验以在一100m中段与一200m中段之间南沿建一坡度为20％的折返式斜坡道为例进行。2．盘区及采场划分由于后期采切设计、爆破设计和指导生产时是以盘区或采场模型为基础，所以需对三维矿体模型进行必要的划分。采场划分有两种方式：一种是“实体切割＋裁剪”，另一种是“双线法十布尔运算”。（1）实体切割＋裁剪①中段模型划分。由于构建的三维矿体模型是整个矿区模型，因而在划分盘区或采场模型之前需划分中段模型。中段模型的划分可用三维矿业软件中的实体分割功能切出各中段实体。②盘区或采场模型划分。在划分的中段模型的基础上，用采场范围线在中段模型基础上进行切割或裁剪，得到盘区或采场模型。（2）双线法＋布尔运算首先采用双线法创建盘区间柱网格模型，然后用此模型与划分出的中段模型进行布尔运算。布尔运算即采用实体A一B求差得到采场模型（A为矿体），以及采用实体求交得到矿柱模型。3．露天境界优化本节以Dimine软件对某铁矿的境界优化进行。在价值模型选项卡下，主要定义金属价格、回收率、体重等参数。在成本参数选项卡下，主要定义矿岩的开采成本等参数。在边坡参数选项卡下，主要定义最终边坡角度的形态，参数内容如图8-10所示。在特殊约束参数选项卡下，定义特殊的开采条件。在输出参数选项卡下，主要定义输出文件路径、是否输出嵌套坑等。点击确定，进行运算。运行结束后，生成计划结果体积报告，将“矿体.dmf”文件拖入系统中，即可得到露天境界优化结果。4．露天台阶数字化设计首先根据矿体赋存情况，确定山坡露天的底部标高。边坡台阶设计步骤如下：①按底部标高的矿体投影线和开采工艺要求，画出最下部台阶的坡底线。利用软件“露天矿设计→扩展平台”功能即可生成最底部台阶的坡顶线。②以步骤①为基础，利用软件不断重复“扩展平台”功能操作，增加新的台阶闭合圈，直至最高台阶超过预定的边坡最高标高，即可获得台