ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÔ HÌNH HOÁ BỀ MẶT BẰNG MÁY TÍNH ĐỂ TÍNH TÀI NGUYÊN - TRỮ

LƯỢNG CÁC MỎĐÁTRƯƠNG XUÂN LUẬN*, PHẠM ĐỨC HẬU* DOÃN HUY CẨM **

* Đại học Mỏ - địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội.** Văn phòng Đánh giá trữ lượng khoáng sản, 76 Trần Hưng Đạo, Hà Nội.

Tóm tắt: Hiện nay, việc tính toán tài nguyên - trữ lượng (TN-TL) cho các mỏ đá ở Việt Nam vẫn chỉ thực hiện chủ yếu bằng các phương pháp thủ công truyền thống. Các tác giả bài báo trình bày phương pháp mô hình hoá bề mặt bằng các phần mềm Surfer và Mapinfo với một số mođul tự thiết kế để tính TN-TL các mỏ đá. Khi chọn được phương pháp nội suy phù hợp, kích thước ô mạng hợp lý, định đúng đường biên, chu trình tính toán không những rất nhanh mà còn có độ chính xác cao. Kết quả còn cho các nhà địa chất ứng dụng một mô hình mỏ trong không gian 3 chiều, rất tiện ích cho các nghiên cứu, khai thác tiếp theo.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình dự tính tài nguyên - trữ lượng các mỏ đá, các nhà địa chất thường dùng phương pháp mặt cắt, ít hơn có phương pháp đẳng cao tuyến. Các phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất tại Việt Nam. Tuy nhiên các phương pháp đó đã bộc lộ nhiều nhược điểm: tốc độ tính toán chậm, độ tin cậy còn nhiều hạn chế, nhất là khi địa hình phức tạp. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ tin học, để giải quyết các bài toán tài nguyên - trữ lượng (TN-TL), rất nhiều nhà sản xuất phần mềm đã có các hướng giải quyết khác nhau. Nhìn chung, các phần mềm đều tập trung vào hai xu hướng cơ bản có khả năng tự động hoá cao,đó là phương pháp mô hình hoá bề mặt (vách và trụ) bằng các lưới ô vuông hoặc lưới đa giác, tam giác; phương pháp mô hình hoá thân quặng bằng các vi khối. Các phần mềm có khả năng mô hình hoá thân quặng bằng các vi khối hiện nay có giá bán thường rất đắt so với thực tế sản xuất tại nước ta, quá trình sử dụng thường phức tạp, chưa phù hợp với trình độ tin học của đa số các nhà địa chất ở các cơ sở sản xuất Việt Nam. Từ thực tế này, chúng tôi muốn giới thiệu quy trình tính TN-TL cho các mỏ lộ trên mặt như các mỏ đá khi chúng có địa hình bề mặt phức tạp và đặc biệt phức tạp, do vậy bản đồ địa hình của vùng mỏ không đảm bảo độ tin cậy thoảđáng cho việc tính TN-TL, đặc biệt là TN-TL cấp cao, bằng phương pháp mô hình hoá bề mặt. Nội dung cơ bản của phương pháp này là xây dựng lưới bề mặt, sau đó dùng lưới này tính trữ lượng cho các mức khác nhau. Trong quy trình này, chúng tôi dùng hai phần mềm thông dụng ở Việt Nam là SURFER và

MAPINFO cùng với các mođul tự lập bằng ngôn ngữ lập trình MAPBASIC để giải quyết bài toán tính TN-TL.

NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ

Phần chủ yếu của phương pháp này là việc xây dựng lưới bề mặt bằng phần mềm Surfer. Cụ thể là, chia nhỏ diện tích theo từng khối cần tính toán (đối tượng tính - ĐTT) thành các lưới hình vuông hoặc chữ nhật (tuỳ theo cấu trúc định hướng hay dị hướng của thân quặng đang tính toán) theo trục toạ độ x, y. Sau đó dùng các giá trị độ cao có được trên bề mặt mỏ để nội suy giá trị độ cao cho các mắt lưới đã được chia nhỏ. Như vậy toàn bộ bề mặt đối tượng tính được thay bằng một mạng lưới ô vuông hay chữ nhật mà mỗi mắt lưới được đặc trưng bằng thông số x,y,h như trong hình 1.

Hình 1. Ví dụ xây dựng mắt lưới hình vuông để tính trữ lượng

 

Phần mềm Surfer cung cấp cho người sử dụng 7 phương pháp nội suy chuẩn như: tỷ lệ nghịch đảo khoảng cách (inverse distance to a power), kriging, độ cong tối thiểu (minimum curvature), hồi quy đa thức (polynominal regression), hàm số tia cơ bản (radial basic function), phương pháp Shepard (Shepard's Method), và nội suy đa giác. Người thực hiện bài toán có thể chọn một trong các phương pháp nội suy độ cao cho các mắt lưới sao cho phù hợp nhất với hình dáng thật của bề mặt các khối tính. Đặc biệt để đảm bảo độ tin cậy, cần phân tích thật chính xác các thông số độ cao (tính đẳng hướng, dị

hướng, bán kính ảnh hưởng...) đã có trước khi tiến hành chọn thuật toán nội suy.

Lưu ý rằng, cần phải thấy được những ưu khuyết điểm của từng phương pháp nội suy mà sử dụng cho phù hợp, theo các tài liệu và kinh nghiệm chúng tôi thấy:

 Phương pháp tỷ lệ nghịch đảo khoảng cách thường hay phát sinh xu hướng "bull's eye" - xu hướng đồng tâm quanh điểm độ cao đã biết. Để khắc phục nên có thử nghiệm để chọn số mũ cho khoảng cách phù hợp.

 Phương pháp độ cong tối thiểu tính tuy nhanh song ít chính xác, không thích hợp khi các giá trị h phân bố không đều ở các mỏ đá, nhất là các mỏ đá vôi.

 Phương pháp hồi quy đa thức tuy thuận lợi cho phân tích bề mặt 3 chiều song thường có xu hướng cục bộ ít sát thực tế.

 Phương pháp kriging là phương pháp rất mềm dẻo, dùng được với hầu hết các dữ liệu ban đầu, rất hiệu quả. Để cho phương pháp này có hiệu quả trước tiên phải xác lập được các hàm cấu trúc  (h). Qua các hàm cấu trúc xác định theo các hướng khác nhau trong không gian mỏ, ta còn xác định được tính đẳng hướng hay dị hướng của đối tượng tính toán và bán kính nội suy... Với những ưu điểm trên phương pháp nội suy mặc định của Surfer là kriging.

Để có thể giới thiệu chi tiết về quy trình này, chúng tôi sẽ lần lượt đi qua các bước tính TN – KL cụ thể cho một khối đá vôi như sau:

Bước 1. Xây dựng tệp dữ liệu chuẩn X,Y,H

Tài liệu dùng để tính trữ lượng là bản đồ địa hình núi đá bao gồm các yếu tố điểm độ cao, đường đồng mức, các vách đứng, ví dụ như hình 2.

Từ bản đồ địa hình hai chiều trên Mapinfo này, chúng tôi lập một mođul chuyển về dạng dữ liệu 3 chiều (3D) theo các đối tượng cụ thể như sau:

- Với đối tượng là các điểm độ cao lấy toạ độ x,y của ký hiệu (symbol) trên bản vẽ, và trường độ cao trong cơ sở dữ liệu info.

- Với đối tượng là đường đồng mức, lấy độ cao, trong cơ sở dữ liệu info, giá trị x,y được nội suy lần lượt từ đầu đến cuối đường theo một khoảng cách nhất định do người sử dụng lựa chọn phù hợp với bán kính ảnh hưởng mẫu.

- Với đối tượng là đường có các điểm độ cao khác nhau tại các vị trí khác nhau, giá trị x,y được nội suy lần lượt từ đầu đến cuối đường theo một khoảng cách nhất định do người sử dụng lựa chọn, giá trị độ cao được nội suy từ các điểm độ cao đặc trưng kề cận.

Như vậy với 3 kiểu chuyển tiếp đối tượng từ 2D về 3D này, chúng ta đã giải quyết cơ bản các trường hợp xây dựng mô hình phát sinh trong thực tế sản xuất. Ví dụ như số liệu đo đạc dùng đối tượng điểm độ cao và đườngcó điểm độ cao khác nhau. Kết hợp giữa số liệu đo đạc và bản đồ địa hình đã có, hoặc khi ta chỉ có bản đồ địa hình được ghi nhận là có độ chính xác thoả đáng thì dùng cả 3 phương pháp chuyển hoá đối tượng này.

Hình 2. Ví dụ về bản đồ địa hình dùng để tính trữ lượng

Mođul này chạy tự động trên môi trường Mapinfo, kết quả cho ta tệp cơ sở dữ liệu 3D X,Y,H, như bảng 1.

Bảng 1. Tệp cơ sở dữ liệu 3 D của mô hình

A B C

X Y H

261,059 204,475 75

259,579 205,82 75

258,099 207,166 75

256,619 208,511 75

255,421 210,052 75

254,678 211,909 75

253.935 213,766 75

253,193 215,623 75

Ghi chú: khi có mật độ điểm đo đủ dày, thì có thể dùng ngay tệp dữ liệu đo chi tiết có giá trị X,Y,H để tiến hành bước 2

Bước 2. Xây dựng lưới ô vuông và tính trữ lượng

Từ tệp cơ sở dữ liệu (CSDL) của bước 1, dùng phầm mềm Surfer nội suy xây dựng tệp lưới. Phần mềm Surfer chỉ dùng giới hạn nội suy từ xmin,ymin đến xmax, ymax, nhưng giới hạn tính thực tế thường là hình dạng bất kỳ, vì vậy để thuận tiện trong quá trình sử dụng, chúng tôi lập một mođul cắt mô hình theo đường giới hạn tính trữ lượng. Mođul này chạy trên Mapinfo ta chỉ cần chọn một đường giới hạn trên bản đồ Mapinfo và tệp lưới nội suy của Surfer, kết quả sẽ cho ta một lưới đã loại bỏ các mắt lưới ở ngoài vùng tính. Để cụ thể hoá kết quả của quá trình xậy dựng lưới, ví dụ như ô vuông chúng ta hãy quan sát hình 3, là một mô hình 3D được xây dựng từ tệp CSDL của bước 1.

Mođul này của chúng tôi đã khắc phục được sự hạn chế của khoảng trắng (blank) trong Surfer, đó là: đường biên trong mođul này là dạng đường, vì vậy sẽ mô phỏng chi tiết hơn đường biên tệp toạ độ điểm của Surfer.Đường biên của mođul này có thể có cùng một lúc 2,3... vùng khép kín nhưng khoảng trắng của Surfer chỉ có một vùng khép kín duy nhất.

Khi đã mô phỏng được bề mặt chính xác bằng một lưới nào đó, thì quá trình tính trữ lượng mỏ trở nên hết sức đơn giản. Ta có thể tự động tính toán TN - TL của mỏ bằng thực đơn Volume trong phần mềm Surfer tuỳ theo mục đích tính toàn bộ hay tính từng mức, từng khối, từng cấp TN - TL. Trong khuôn khổ bài báo, chúng tôi chỉ minh hoạ cho tính trữ lượng ở một số mức trong bảng 2.

Bảng 2. Ví dụ tính trữ lượng ở một số mức

Mức cao

Trữ lượng tính từ

mặtđến mức

Trữ lượng giữa hai

mức

5 2222389,00  

    112425,00

25 109964,00  

    76547,80

50 33416,20  

    33229,50

75 186,70  

 

Hình 3. Mô hình 3D xây dựng dữ liệu bước 1

 

KẾT LUẬN

Nhìn chung quy trình mô hình hoá bề mặt góp phần nâng cao tốc độ tính toán TN - TL lên rất nhiều so với các phương pháp thủ công. Khi ta

chọn được phương pháp nội suy phù hợp, chọn kích thước ô lưới thích hợp vớiđộ phức tạp của bề mặt, cũng như xác định đúng giới hạn đường biên, phương pháp này thực sự nâng cao độ chính xác và tính linh hoạt của giải bài toán TN - TL. Hơn nữa, khi kết thúc quá trình này, nó còn cho ta một mô hình 3D của mỏ, giúp ích rất nhiều cho quá trình tự động hoá thiết kế và theo dõi khai thác trên máy tính.

VĂN LIỆU

1. Hướng dẫn sử dụng khai thác Mapinfo V.4, 1999. Bài giảng cho các lớp sau đại học về tin học Địa chất. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.

2. Keckler Doug, 1994. Surfer for Windows. Golden software, INC. Colorado, USA.

3. Kolman Bernard, Robert C. Busby, 1988. Discrete mathematical structures for computer science. New Delhi, India.

4. Sides E.J, 1996. Ore Reserves Estimation. Intern. Inst. for Aerospace Surv. and Earth Sci., Amsterdam.