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Dimine软件在地质学教学中的应用与实践

2016-09-07 15:40 [专家论文] 来源于:有色技术与设备信息网
导读:“地质学”是高等教育地质工程和采矿工程专业的核心专业课,地质学的课程体系,不仅包括课堂理论教学体系,还包括课程设计与实践教学体系。地质学课程内容庞杂,如何在有限时间内将大...
一、课程性质及任务
        矿山地质学主要研究在矿山开采时期,为保证矿山持续生产、资源合理利用以及扩大矿山规模、延长服务年限和保护矿山环境所需进行的各项地质工作的基本原理和方法[4]。
矿山地质工作的基本任务是为矿山的生产和建设服务,主要包括:
        ①利用探矿及采矿坑道,深入细致地研究矿体产状、矿石质量及影响采矿的地质条件,以提高对矿产储量的控制程度,及时掌握储量变动情况,保证采掘计划均衡进行。
        ②指导采掘工作的方向,参与探、采工程的施工管理与验收。
        ③矿山资源的合理开采和利用,测定及检查矿石的损失与贫化,检查、验收矿石的质量和产量,以及伴生有益组分的回收利用等。
        ④开展矿山深部和外围探矿,为扩大矿山的生产能力或延长生产年限增补所需要的矿产储量。
        ⑤及时解决水文地质、工程地质(如边坡稳定、采空区塌陷)等影响矿山安全生产的各种地质问题。
        ⑥充分利用矿山生产所提供的丰富资料及有利条件,进行矿床地质理论等方面的研究。 

二、课程面临的问题和挑战
        21世纪是一个信息爆炸的时代,随着信息时代的到来,各学科专业知识的内涵也在急剧地增加,地质学课程体系也无一例外地发生着巨大的变革[5,6]。目前,地质学的教学内容和质量面临着四大挑战:一是由于高等教育改革提倡的主旋律是培养宽口径、厚基础、强能力、高素质、广适应的人才,所以,地质学课程的课时被大量压缩或对内容进行了精简;二是地学教育面临着经济社会可持续发展更高的要求;三是地质学课程中有较多概念和术语,按照课本上的解释不直观或不易理解,学习过程难免枯燥乏味;四是由于课程改革的原因,很多地矿类高校甚至把课程设计和野外实地考察这些实践环节省去,导致学生对课本知识学习起来更是抽象。怎样在有限的学习时间里让学生掌握这门学科的基本知识,培养学生辩证和创新的地学思维能力、科学试验技能、地学学习方法等等,是摆在地质学教学工作者面前的难题。

        传统的地质学课程内容庞杂、实际资料多,虽然在教学过程中较多地采用了多媒体教学课件,省略了大量的板书、教学挂图等,可十分逼真形象地展示诸如晶体、矿物、岩石、古生物、地质构造、

        地貌特征等等,以加深学生的感性认识,但是学生存在个体差异,接受能力、理解能力不一致,在以教师为主体的教学环境下,学生只能被动地全部或部分接受。再者,多媒体教学课件也主要是以演示PPT为主,学生缺乏在真实的三维空间中直观形象地了解地层地貌、岩层性质、勘探及地质工作等,对课程的学习只是停留在概念的阶段。地质科学的发展及地质人才的培养迫切需要有良好的教学工具及教学手段来实现。

三、Dimine软件特色
        为改变地质工程教学的现状,更好更快地培养优秀的地学人才,可借助三维矿业软件Dimine实现三维的仿真与实现。Dimine数字矿山软件系统主要适用于矿山企业的地质、测量、采矿专业的技术人员及技术管理人员,全面实现了矿床三维地质建模、储量计算与动态管理、测量验收及数据的快速成图;地下矿开采系统设计与开采单体设计、回采爆破设计、生产计划编制、矿井通风系统网络解算与优化;露天矿开采境界优化、露天采场设计、采剥顺序优化与计划编制到各种工程图表的快速生成等工作的可视化、数字化与智能化,是各矿业企业进行数字化矿山建设最佳的软件平台[7-9]。Dimine软件广泛适用于冶金、矿山、煤炭等行业,将软件应用到地质学的教学实践中,不仅对学生的学习大有裨益,而且对学生以后就业应用软件进行实际的设计奠定基础。以下将从软件在地表地形图、矿山开拓系统、钻孔数据库、矿体圈定与资源储量估算、课程设计及实习等几个方面的应用进行阐述。

四、应用实例
1.地形地质图
        地形图上常用等高线来表示地形,如地势的起伏、悬崖峭壁的分布等。等高线就是地面上标高相同的邻点所连成的闭合曲线。将不同标高的这种线用平行投影法投射到水平面上,就得到用等高线表示的地形图,又称为等高线图,在同一等高线上各点的标高是一样的。教材关于等高线有一个比喻:假设有一个小山头整个被水淹没了,这时水面高程设为100m,若后来水面退落5m,山的一部分显露出来,则这时的水面高程为95m,则水面和山头表面的交线是地面上95m的等高线。这对于理解等高线还不够形象、直观,若能辅之以真实的场景,将等高线与三维地表模型对照观察,则学生很快就掌握了等高线这个概念。
        教材中地表等高线都是二维平面图上的线条(如图1),由于平面图上的线条不能表达高低起伏以及山谷山坡等,学生难以对地形有立体的了解,通过Dimine软件对等高线赋上实际的高程值,可以生成三维地表模型(如图2),原有的二维平面地质地形图就以三维立体形态展现出来,学生容易理解和接受。
2.矿山开拓系统
        教材在矿产勘查与矿山地质工作中阐述了矿产勘察中揭露矿体的工程手段,也就是矿山开拓系统。其中提到了通过一些槽探、坑探和钻探工程来揭露矿体,某些专有名词如探槽、天井、斜井、石门、沿脉、穿脉等等,专业概念初次接触学生都不太好理解,如果能带学生进入矿山现场进行参观实习是理解这些概念最好的手段,可囿于教学条件的限制,学生大都没有机会去现场,若借助Dimne软件对矿山各类工程进行三维演示,比书本上的二维图片(图3左)更直观,如图3右所示为矿山的开拓系统图,该模型较好地反映了矿山的实际情况,对抽象概念的理解起到了具体化的作用。
3.钻孔数据库
        教材在原始地质编录章节中提到了钻孔柱状图:钻孔柱状图是记录钻孔所揭露的地质现象的图件,根据在钻进过程中所提取出来的岩芯,以自上而下的顺序用各种符号将不同的岩性或矿体,以一定的比例尺缩绘成一个个的柱状图。在Dimine中,通过导入原始记录的开口表、测斜表、岩性表、样品表就能形成钻孔数据库(图4a),对钻孔数据库进行进行参数和图幅的设置,就能形成单个的钻孔柱状图。图4a中的钻孔空间轨迹描述了钻孔在空间中的布置情况,将图4a中的钻孔数据库进行风格及岩性显示之后就得到了图4b所示的形状,不同的颜色和花纹代表不同的岩性,样品长度和品位也可在图中表示出来。经过Dimine软件的操作,就不需再去用手工绘制一个个繁琐的钻孔柱状图,同时学生对钻探工程、钻孔轨迹、岩样样长、岩性及品位有更深的理解,而不是仅仅停留在概念的阶段。
4.矿体圈定与资源储量估算
        教材在关于圈定矿体边界线的介绍时提到:首先根据对各种探、采工程(探槽、浅井、钻孔、坑道)实地观察和取样化验结果,确定出工程中大致沿厚度方向矿体边界线的基点;然后将这些原始资料综合绘制在资源储量估算平面图、剖面图或投影图上,根据资源储量估算需要和具体情况确定出矿体的边界。若用Dimine软件进行辅助教学,则不需要手工去绘制平剖面图等诸多图件,在软件上操作圈连矿体将会收到很好的效果。先根据钻孔数据库中的品位值圈定矿体边界(图6a),对端部或未见矿地带进行外推, 形成三维矿体如图6b所示。在进行储量估算时,地质统计学方法不易掌握,用Dimine 软件进行变异函数分析时,通过在软件中对各类参数的设置从而对地质统计学估值方法有较好的把握。
5.课程设计与地质实习
        课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。现代工程技术的发展迫切需要能掌握实用技术的人才,地质学的发展也不例外。地质学课程设计要求学生能综合分析、全面掌握一个地区的基本地质构造特征,学会编制构造纲要图和描述一个地区地质构造特征和构造变形史,并要求学生能绘制剖面图和地形地质图,Dimine软件能够绘制出这些相关的图件(图6),这对于学生手工绘制繁琐的地质图件来说是给予了极大的帮助。
        地质学是一门实践性和探究性很强的自然科学。野外地质实习是教学计划中的一个重要环节,学生在学习相关地质基础知识之后,到大自然中去观察各种地质现象,理论联系实习,增强感性认识,巩固基础理论知识。同时,进行野外地质工作基本技能的初步训练,培养学生的专业兴趣,为后续课程的学习打下良好的基础。然而学生大多涉世未深,对于在校外独立生活能力欠佳,加之去野外地质考察,环境比较恶劣,学生可能难以完成实习任务。出于安全方面的考虑,很多学校取消了地质实习这一环节,而Dimne软件强大的三维建模及可视化功能可以再现矿山的真实场景,使学生不用去实地考察也能认识相关的地质现象,了解各类岩石的特性等等。地质实习还要求能够根据岩样确定岩石的地质年代等,在Dimine软件中可以对不同的岩石贴上不同的材质和纹理,可以使学生加深对各类岩样的认识。

五、结语
        Dimine软件在地质学教学中的应用远远不止这些方面,以上只是展示了软件在教学中的一些比较典型的应用。软件在三维建模、采掘设计、工程测量等方面都有很广泛的应用。
        借助于软件进行教学是现代教学的重要手段。课本中的内容都是一些比较固化的知识,一些经典概念和术语对于学生来说并不是很好理解。通过将Dimine软件运用到地质工程的教学与实践中,可以使学生对课本知识内容更好的消化和吸收,并能在以后的工作和学习中将软件应用到工程实践中。

(编辑:中冶有色技术网)



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