3D-BlockExpert: 大量的没有裂纹的石材

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S. Siegesmund (a), D. Nikolayev (b), S. Mosch (a) and A. Hoffmann (a)
(a) Geosciences Center of the University of Goeöttingen, Department of Structural Geology and Geodynamics, Germany; e-mail: ssieges@gwdg.de. (b) Frank Laboratory of Neutron Physics Joint Institute for Nuclear Research Dubna, Russia. www.geomasek.de

 

生产出成本合理的天然石材取决于是否能开采出尺寸合理的荒料。荒料规格的大小是非常重要的。能开采出规格最合适的荒料,不论从经济角度和矿层构造来说,都是非常重要的。因为这个问题直接影响到石材的断层和裂纹。这些技术方面的因素往往直接影响到矿层下很多荒料。而这些荒料有时候并不是立方体的结构。要想从矿区图纸上来找出怎样开采荒料而将断层及裂纹减少到最小,目前唯一的办法是用计算的方式。这篇文章我们将向您介绍一种新的软件,它应用的是规则计算的方式。利用这个软件,可以计算出荒料的分布,形状和数量。我们用图片向您介绍不同的方式,以及每个矿区的具体情况,这样您能看到,这个非常有前途的软件在将来的石材开采方面将起到非常重要的作用。

1.- 简介

最近,市场对不同天然石材(花岗岩,砂岩和石灰岩等)的需求发展很快。合理有效的开采规格大小合适的荒料,往往需要最尖端的技术。另外,环境保护对于石材开采也越来越重要。所以,各种各样的因素要求能开采出尺寸大小合适,高质量的荒料,以此减少不必要的浪费。能了解矿层的地理构造,对于合理的开采及减少裂纹是非常重要的。在进行勘测的时候,就应该对矿层的结构,边角和断层进行比较详细的纪录。这样在开采过程中,才能保证最有效的开采出所需的材料。这份资料最基本的应该要包括荒料体积大小,形状和分布。这个电脑软件可以允许利用三维效果,根据一定的技术参数,角度和方向来显示一个矿区不同的部分。直角断层的问题,Weber et al. (2001-2002)就谈到过。最近的一份报告(Koch-Moeck et al. 2007, Prissang et al., 2007) 也谈到这个问题。最有效的找到矿层体积方面的缺陷,以及断层,唯一的方式就是通过数据分析。

 

2.地理及经济方面的问题

矿区里的天然石材都是由很多独立的荒料而组成的,这些荒料由不同的方式和不同的接缝连接在一起。不论是从方向还是距离来说,对原始荒料的形状和大小都有一定的影响。由于造山运动,矿石之间的接缝以及断层的形成都是有一定关系的。所存在的断层和接缝跟外界温度和压力也有关系,还涉及到石材本身的一些因素,以及矿层的深度。断层是由于岩石所能经受的最大的柔韧度所造成的。(Palmström, 1995)。除此之外,在沉积岩石和大理石方面,由于石材本身的变化,在石材阶梯方面就形成了一定的接缝。而不连续性是由于膨胀过程中造成的。由于石材在变化当中,要承受一定的压力,而这些压力的释放,就形成了石材的不连续性。从矿区开采的过程中,我们可以观察到这些。不同程度的不连续性可以由以下几个方面来决定:大小尺寸,规格体积和它们的形成:空缺,接缝,连接,分离,破裂,裂纹和阶梯的形成。(Palmström, 1995). 根据每个矿区不同的情况,这些信息资料的收集可以通过不同的方式。如果您需要了解更详细的关于不连续性的资料,您可以看Hoffmann & Siegesmund (2007), Smith (1999) o Priest (1993)。荒料的体积以及形状一般情况下取决于三种条件。最普遍的是距离越大,荒料的尺寸越大,在直角断层与不连续性方向不相反的前提下。如果其中的一个或几个参数,距离和角度的变化比较大,那么石材开采的矿区就会受到一定的限制,好像砂砾或者方石。(ver Smith 1999). 在沉积岩石方面,荒料的大小由矿层的不同厚度来决定。与此相反,花岗岩方面的石材却是由接缝的分布来决定荒料的大小。由于受地质环境以及开采技术的限制,开采荒料时,荒料的大小必须尽量符合生产机械设备的要求,否则会增加生产成本,延长生产时间。Singewald (1992) 特别强调如果荒料的尺寸过大,在加工切割过程中将增加废料及降低石材的利用率。最合适的荒料尺寸应该保持在6到8立方米。(Primavori, 1999). 荒料最大的规格往往取决于生产过程中设备及运输重量的要求。另外,荒料的形状也决定了加工后,大板的规格大小。在荒料开采的时候,对石材外表条纹的挑选,往往决定了石材品质的高低。

总的来说,矿区的经济效益取决于矿区的地理位置,接缝以及断层的分布。所以不论在开发新的矿区还是在目前所有的旧矿区进行开采的时候,都需要非常重要的详细的数据资料。

3.方法

最新开发的电脑软件(看 Siegesmund et al. 2007) 可以根据矿区荒料的分布,接缝和断层位置的资料,对荒料的形状及大小进行评估。

这个软件将勘测矿区的一部分作为标准 ,也就是说一个由三对平行四边形组成的几何形状,每队有平行的两层。为了将来的计算,需要将平行六面体分成小格或者体素,也就是说,相当于三维的像素。体素不一定需要是立方体的,只需要它的各部分都相等,或与平行六面体比较相似就可以。主体由接缝,断层和裂缝穿过(作为检测的要素)。这些要素是根据数据计算出来的平面图,这些平面图只需要用一个点及两个角度就能做好。为了密铺平行六面体,由于涉及到不同的平面图,所以需要确定那些不同的体素。这因为这个原因,需要将不同的地区,不同的要素所决定的不完整的地区,用不同的颜色来区分。第一步需要确认每个平面图的位置。这个工作可以在每个区域的平行六面体来进行。确认每组体素是一个重复的过程。从第一个体素开始,软件会检测是否连接的体素与第一个同属于一样的地区。同属于一个地区的体素都有同样的颜色。然后再检测另外的一个体素,给它一个不同的颜色。这个过程不断重复,直到平行六面体全都被不同的颜色添满。内部的线条显示出三维空间的荒料的模式。完成这些之后,就可以很容易的计算出每个区域的大小。除了计算的功能,软件还可以对矿区的不同区域,进行不同角度的显示。所以,用户可以根据不同的需要,对矿区进行一定的勘察。用于平面图及接缝的体素不会由于体素的有限而消失。相反,体素数量的增加会相对导致体素体积的减少。从另一方面来说,天然接缝处的体积也是有限的。所以,与一般用计算方式制作的平面图相比,可以用事实证明这个软件的实用性。数码照片的像素和颜色都是有限的,但是没有人怀疑他们的真实性。软件计算的时间与体素的大小和体素的数量相关。所以,对于第一次体积的计算,最好使用小数量的体素。

4.- 电脑及自然模式

以下介绍的模式说明了不同的情况,下面是根据不同的分割方式的三个例子

(I) 全部直角分割后的情况 (Fig. 1-3)
(II) 接缝处与直角不一样 的情况 (Fig. 4-6)
(III) 复杂的主体和任意的分割情况(Fig. 7-9)

不论是哪种情况,始于一个假设的带有交叉因素的荒料草图 (Fig., 1, 4, 7). 正如你所能看到的,所需要的资料包括三个轴相对的距离,以及很容易能勘测出的平面图的方向。在全部直角的情况下,每个荒料的体积可以很容易的计算出来,不会有很大的差别。这个例子只是用于证明这个软件的准确性。这个模式,每块荒料分为128x128x128体素,这样每个体素的长为7,8厘米。体素大小与体积大小的误差低于百分之一。在2,5,8图形中,所有的接缝被涂成黑色的线条。3,6,9图形代表的是形状不同的。除此之外,可以自由选择交叉点。在电脑里,荒料的模型以及交叉的图形可以任意变动。这个软件的有效性和准确性正在不同的石材矿区进行测试。其中一个矿区在意大利的N. Sardinia,靠近Arzachena地区,开采花岗岩Rigo de San Antonio的矿区。这种颗粒中大型的石材,它的条纹在一定的区域内比较脆弱。总的来说,属于一般花岗岩矿区的特征。除了一些平面是直线条的外,荒料由于一些层面的不连续性而存在不同的断层。这些因素非常复杂,以至于不能很容易的用计算的方式来确认。所以,利用这个软件,我们可以选择区域中差不多直的线条作为计算的因素。由于其中的一个矿层覆盖在我们所要研究的荒料上面,所以我们所采用的资料,是矿区两个垂直的面的数据。(Fig. 10). 数据是从单独的垂直面和水平面来读取的。如果允许,应该考虑到平面之间的距离与他们的空间方位(Fig. 10). 模型采用的是长为12,5厘米的体素。从11号模型能看出结果。虽然这个例子将实际情况简化了,但是三个连续的垂直的交点(前面的表面,中间的交点,后面的表面)已经显示出连接处的复杂性。(Fig. 11, 右边). 交叉点显示出矿区后面部分(深绿色部分)有大量荒料的存在。使用软件可以任意变动图像的功能,可以看到那些荒料的存在。但是,模型表现出来的几乎是现实情况。因为缺少了荒料中不规则的,不连续的线条,所以不能将真实的情况完全表现出来。

5.- 结论

由于具有很多功能,电脑软件3D-BlockExpert 不论是从经济还是环境保护来说,是有效开采石材的最优秀的工具。

这个软件可以使用于从勘测到开采。大规模的石材开采往往缺少矿区地理特征及地质质量方面的详细资料。这样造成了开采中不必要的损失,材料的浪费,因为很多情况下,如果了解地理特征及断层的形成,能更有效的进行开采。3D-BlockExpert 软件可以对矿层的不连续性,断层的距离以及方位进行研究,可以提供不同的模式来争取有效的开采。由于可以检测出大面积的荒料的存在,在石材行业开采中使用这个软件,可以帮助开采到合适的石材荒料。在矿层方面,特别是在有很多小荒料的情况下,可以选择避开这个区域而选择其他的产品,例如在砂岩和砾石的情况下。所以,在软件的帮助下,我们能对矿区的储存有一定的了解,在我们申请开发许可证的时候,对我们非常有帮助。矿藏开发最重要的一点是必须以最有效的开发来偿还所要付的税。如果我们不关心平面分布的距离,可能会造成对很多珍贵材料的浪费。软件可以为我们提供非常详细的关于这些方面的资料,这样也方便我们在将来的开采方面进行决策。在条件允许的情况下,荒料的开采一方面要符合所在地区的地理特征,另一方面要尽量避开不规则的荒料。前面已经提到过,不规则的荒料与规则的荒料相比,在生产成本和生产时间方面就比较高。解决这些问题,可以提高开采荒料的使用率,也可以提高一个矿区的经济能力。总的来说,利用3D-BlockExpert软件来测试矿层的连接及裂缝可以最有效的提高矿区的最高利润。将来,建筑市场对不同的石材需求仍然在不断增加,这样就需要保证在开采和加工过程中,对环境的保护。需要最好的利用这些高品质的石材,减少对大自然的损坏。利用电脑软件进行科学研究也是一种非常能达到这些目的的有效方式。

感谢: 感谢来自 DFG grant No GZ: 436 RUS 17/23/06的支持和帮助。

文摘:
- Hoffmann, A., Siegesmund, S. (2007): Investigation of dimension stones in Thailand: an approach to a methodology for the assessment of stone deposits. In: S. Siegesmund & A. Ehling (Eds.): Rohstoff Naturstein. Zeitschrift der deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften.
- Koch-Moeck, M., Germann, K. (2007): Geowissenschaftliche Optimierung der untertägigen Gewinnung von Marmor. - In: S. Siegesmund & A. Ehling (Eds.): Rohstoff Naturstein. Zeitschrift der deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften.
- Palmström, A. (1995): RMi - a rock mass characterisation system for rock engineering purposes. - Ph.D. thesis of the University of Oslo, Norway.
- Priest, S.D. (1993): Discontinuity analysis for rock engineering. –Chapman and Hall, London, 473 p.
- Primavori, P. (1999): Planet stone. - Giorgio 7th Edition S.A.S., Verona, 326 p.
- Prissang, R., Hella, P., Lehtimäki, T., Saksa, P., Nummela, J., Vuento A. (2007): Lokalisierung ungestörter Blöcke in größeren Gesteinsmassen. - In: S. Siegesmund & A. Ehling (Eds.): Rohstoff Naturstein. Zeitschrift der deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften.
- Siegesmund, S., Nikolayev, D., Hoffmann, A., S. Mosch (2007): 3D-Block-Expert. Naturstein, 5
- Singewald, C. (1992): Naturstein - Exploration und Gewinnung. - Rudolf Mueller, Bad Bentheim
- Smith, M.R. (Ed.) (1999): Stone: Building stone, rock fill and armour stone in construction.- Geological Society of London, Engineering Geology, Special Publications, Volume 16.
- Weber, J., Dehnhart, J., Lepper, J. (2001): Trennflachenanalyse zur Vorratsermittlung von Naturwerkstein Lagerstätten. Zeitschrift für Angewandte Geologie 47(2), 74-78.
- Weber, J., Lepper, J. (2002): Depositional environment and diagenesis as controlling factors for petro-physical properties and weathering resistance of siliciclastic dimension stones: integrative case study on the ‘Wesersandstein’ (northern Germany, Middle Bundsandstein). - In: Siegesmund, S., Weiss, T., Vollbrecht, A. (Eds.): Natural stone, Weathering phenomena, Conservation strategies and Case studies. Geological Society of London, Special Publications 205, 103-114.
- Zeitschrift der deutsche Gesellschaft für Geowissenschaften 2007, 158, vol. 3