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Dimine軟件在地質學教學中的應用與實踐

2016-09-07 15:40 [專家論文] 來源于:有色技術與設備信息網
導讀:“地質學”是高等教育地質工程和采礦工程專業的核心專業課,地質學的課程體系,不僅包括課堂理論教學體系,還包括課程設計與實踐教學體系。地質學課程內容龐雜,如何在有限時間內將大...
一、課程性質及任務
        礦山地質學主要研究在礦山開采時期,為保證礦山持續生產、資源合理利用以及擴大礦山規模、延長服務年限和保護礦山環境所需進行的各項地質工作的基本原理和方法[4]。
礦山地質工作的基本任務是為礦山的生產和建設服務,主要包括:
        ①利用探礦及采礦坑道,深入細致地研究礦體產狀、礦石質量及影響采礦的地質條件,以提高對礦產儲量的控制程度,及時掌握儲量變動情況,保證采掘計劃均衡進行。
        ②指導采掘工作的方向,參與探、采工程的施工管理與驗收。
        ③礦山資源的合理開采和利用,測定及檢查礦石的損失與貧化,檢查、驗收礦石的質量和產量,以及伴生有益組分的回收利用等。
        ④開展礦山深部和外圍探礦,為擴大礦山的生產能力或延長生產年限增補所需要的礦產儲量。
        ⑤及時解決水文地質、工程地質(如邊坡穩定、采空區塌陷)等影響礦山安全生產的各種地質問題。
        ⑥充分利用礦山生產所提供的豐富資料及有利條件,進行礦床地質理論等方面的研究。 

二、課程面臨的問題和挑戰
        21世紀是一個信息爆炸的時代,隨著信息時代的到來,各學科專業知識的內涵也在急劇地增加,地質學課程體系也無一例外地發生著巨大的變革[5,6]。目前,地質學的教學內容和質量面臨著四大挑戰:一是由于高等教育改革提倡的主旋律是培養寬口徑、厚基礎、強能力、高素質、廣適應的人才,所以,地質學課程的課時被大量壓縮或對內容進行了精簡;二是地學教育面臨著經濟社會可持續發展更高的要求;三是地質學課程中有較多概念和術語,按照課本上的解釋不直觀或不易理解,學習過程難免枯燥乏味;四是由于課程改革的原因,很多地礦類高校甚至把課程設計和野外實地考察這些實踐環節省去,導致學生對課本知識學習起來更是抽象。怎樣在有限的學習時間里讓學生掌握這門學科的基本知識,培養學生辯證和創新的地學思維能力、科學試驗技能、地學學習方法等等,是擺在地質學教學工作者面前的難題。

        傳統的地質學課程內容龐雜、實際資料多,雖然在教學過程中較多地采用了多媒體教學課件,省略了大量的板書、教學掛圖等,可十分逼真形象地展示諸如晶體、礦物、巖石、古生物、地質構造、

        地貌特征等等,以加深學生的感性認識,但是學生存在個體差異,接受能力、理解能力不一致,在以教師為主體的教學環境下,學生只能被動地全部或部分接受。再者,多媒體教學課件也主要是以演示PPT為主,學生缺乏在真實的三維空間中直觀形象地了解地層地貌、巖層性質、勘探及地質工作等,對課程的學習只是停留在概念的階段。地質科學的發展及地質人才的培養迫切需要有良好的教學工具及教學手段來實現。

三、Dimine軟件特色
        為改變地質工程教學的現狀,更好更快地培養優秀的地學人才,可借助三維礦業軟件Dimine實現三維的仿真與實現。Dimine數字礦山軟件系統主要適用于礦山企業的地質、測量、采礦專業的技術人員及技術管理人員,全面實現了礦床三維地質建模、儲量計算與動態管理、測量驗收及數據的快速成圖;地下礦開采系統設計與開采單體設計、回采爆破設計、生產計劃編制、礦井通風系統網絡解算與優化;露天礦開采境界優化、露天采場設計、采剝順序優化與計劃編制到各種工程圖表的快速生成等工作的可視化、數字化與智能化,是各礦業企業進行數字化礦山建設最佳的軟件平臺[7-9]。Dimine軟件廣泛適用于冶金、礦山、煤炭等行業,將軟件應用到地質學的教學實踐中,不僅對學生的學習大有裨益,而且對學生以后就業應用軟件進行實際的設計奠定基礎。以下將從軟件在地表地形圖、礦山開拓系統、鉆孔數據庫、礦體圈定與資源儲量估算、課程設計及實習等幾個方面的應用進行闡述。

四、應用實例
1.地形地質圖
        地形圖上常用等高線來表示地形,如地勢的起伏、懸崖峭壁的分布等。等高線就是地面上標高相同的鄰點所連成的閉合曲線。將不同標高的這種線用平行投影法投射到水平面上,就得到用等高線表示的地形圖,又稱為等高線圖,在同一等高線上各點的標高是一樣的。教材關于等高線有一個比喻:假設有一個小山頭整個被水淹沒了,這時水面高程設為100m,若后來水面退落5m,山的一部分顯露出來,則這時的水面高程為95m,則水面和山頭表面的交線是地面上95m的等高線。這對于理解等高線還不夠形象、直觀,若能輔之以真實的場景,將等高線與三維地表模型對照觀察,則學生很快就掌握了等高線這個概念。
        教材中地表等高線都是二維平面圖上的線條(如圖1),由于平面圖上的線條不能表達高低起伏以及山谷山坡等,學生難以對地形有立體的了解,通過Dimine軟件對等高線賦上實際的高程值,可以生成三維地表模型(如圖2),原有的二維平面地質地形圖就以三維立體形態展現出來,學生容易理解和接受。
2.礦山開拓系統
        教材在礦產勘查與礦山地質工作中闡述了礦產勘察中揭露礦體的工程手段,也就是礦山開拓系統。其中提到了通過一些槽探、坑探和鉆探工程來揭露礦體,某些專有名詞如探槽、天井、斜井、石門、沿脈、穿脈等等,專業概念初次接觸學生都不太好理解,如果能帶學生進入礦山現場進行參觀實習是理解這些概念最好的手段,可囿于教學條件的限制,學生大都沒有機會去現場,若借助Dimne軟件對礦山各類工程進行三維演示,比書本上的二維圖片(圖3左)更直觀,如圖3右所示為礦山的開拓系統圖,該模型較好地反映了礦山的實際情況,對抽象概念的理解起到了具體化的作用。
3.鉆孔數據庫
        教材在原始地質編錄章節中提到了鉆孔柱狀圖:鉆孔柱狀圖是記錄鉆孔所揭露的地質現象的圖件,根據在鉆進過程中所提取出來的巖芯,以自上而下的順序用各種符號將不同的巖性或礦體,以一定的比例尺縮繪成一個個的柱狀圖。在Dimine中,通過導入原始記錄的開口表、測斜表、巖性表、樣品表就能形成鉆孔數據庫(圖4a),對鉆孔數據庫進行進行參數和圖幅的設置,就能形成單個的鉆孔柱狀圖。圖4a中的鉆孔空間軌跡描述了鉆孔在空間中的布置情況,將圖4a中的鉆孔數據庫進行風格及巖性顯示之后就得到了圖4b所示的形狀,不同的顏色和花紋代表不同的巖性,樣品長度和品位也可在圖中表示出來。經過Dimine軟件的操作,就不需再去用手工繪制一個個繁瑣的鉆孔柱狀圖,同時學生對鉆探工程、鉆孔軌跡、巖樣樣長、巖性及品位有更深的理解,而不是僅僅停留在概念的階段。
4.礦體圈定與資源儲量估算
        教材在關于圈定礦體邊界線的介紹時提到:首先根據對各種探、采工程(探槽、淺井、鉆孔、坑道)實地觀察和取樣化驗結果,確定出工程中大致沿厚度方向礦體邊界線的基點;然后將這些原始資料綜合繪制在資源儲量估算平面圖、剖面圖或投影圖上,根據資源儲量估算需要和具體情況確定出礦體的邊界。若用Dimine軟件進行輔助教學,則不需要手工去繪制平剖面圖等諸多圖件,在軟件上操作圈連礦體將會收到很好的效果。先根據鉆孔數據庫中的品位值圈定礦體邊界(圖6a),對端部或未見礦地帶進行外推, 形成三維礦體如圖6b所示。在進行儲量估算時,地質統計學方法不易掌握,用Dimine 軟件進行變異函數分析時,通過在軟件中對各類參數的設置從而對地質統計學估值方法有較好的把握。
5.課程設計與地質實習
        課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現、提出、分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。現代工程技術的發展迫切需要能掌握實用技術的人才,地質學的發展也不例外。地質學課程設計要求學生能綜合分析、全面掌握一個地區的基本地質構造特征,學會編制構造綱要圖和描述一個地區地質構造特征和構造變形史,并要求學生能繪制剖面圖和地形地質圖,Dimine軟件能夠繪制出這些相關的圖件(圖6),這對于學生手工繪制繁瑣的地質圖件來說是給予了極大的幫助。
        地質學是一門實踐性和探究性很強的自然科學。野外地質實習是教學計劃中的一個重要環節,學生在學習相關地質基礎知識之后,到大自然中去觀察各種地質現象,理論聯系實習,增強感性認識,鞏固基礎理論知識。同時,進行野外地質工作基本技能的初步訓練,培養學生的專業興趣,為后續課程的學習打下良好的基礎。然而學生大多涉世未深,對于在校外獨立生活能力欠佳,加之去野外地質考察,環境比較惡劣,學生可能難以完成實習任務。出于安全方面的考慮,很多學校取消了地質實習這一環節,而Dimne軟件強大的三維建模及可視化功能可以再現礦山的真實場景,使學生不用去實地考察也能認識相關的地質現象,了解各類巖石的特性等等。地質實習還要求能夠根據巖樣確定巖石的地質年代等,在Dimine軟件中可以對不同的巖石貼上不同的材質和紋理,可以使學生加深對各類巖樣的認識。

五、結語
        Dimine軟件在地質學教學中的應用遠遠不止這些方面,以上只是展示了軟件在教學中的一些比較典型的應用。軟件在三維建模、采掘設計、工程測量等方面都有很廣泛的應用。
        借助于軟件進行教學是現代教學的重要手段。課本中的內容都是一些比較固化的知識,一些經典概念和術語對于學生來說并不是很好理解。通過將Dimine軟件運用到地質工程的教學與實踐中,可以使學生對課本知識內容更好的消化和吸收,并能在以后的工作和學習中將軟件應用到工程實踐中。

(編輯:中冶有色技術網)

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