三維可視化建模技術(shù)在礦山工程中的應(yīng)用

沙明光,易志強(qiáng),秦 雷

(1.南陽市開元藍(lán)晶石礦,河南 南陽 473400) (2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院,河南 南陽 473400)

三維可視化建模技術(shù)在礦山工程中的應(yīng)用

沙明光1,易志強(qiáng)2,秦 雷2

(1.南陽市開元藍(lán)晶石礦,河南 南陽 473400) (2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院,河南 南陽 473400)

隨著地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,在科學(xué)計(jì)算可視化的基礎(chǔ)上,工程地質(zhì)逐漸向綜合集成化、數(shù)字化、可視化的方向發(fā)展。文章以某錫礦為例,基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和方法,應(yīng)用能夠反映區(qū)域化變量特征的變異函數(shù),利用三維礦業(yè)軟件建立了礦山礦床的數(shù)學(xué)模型和工程實(shí)體模型。結(jié)果表明,建立的實(shí)體模型更加逼真的反映了礦山開采現(xiàn)狀,在礦山采礦方法設(shè)計(jì)中,應(yīng)用可視化真三維技術(shù)不僅十分必要,而且完全可行,它突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式和方法,極大提高了采礦方法設(shè)計(jì)的工作效率,使采礦方法的設(shè)計(jì)更加直觀、形象、容易理解,應(yīng)用前景必將越來越廣泛。

三維可視化;地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué);采礦設(shè)計(jì)

0 引 言

在傳統(tǒng)的地質(zhì)現(xiàn)象表達(dá)中,通常是以二維平面圖和剖面圖來表示地質(zhì)勘探的成果,這種方式存在表達(dá)信息不充分,缺乏直觀感等特點(diǎn)。隨著地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,在科學(xué)計(jì)算可視化的基礎(chǔ)上,工程地質(zhì)逐漸向綜合集成化、數(shù)字化、可視化的方向發(fā)展。礦床三維可視化建模已成為數(shù)字化的一個(gè)重要方面,并成為當(dāng)前地學(xué)信息技術(shù)領(lǐng)域最富有活力的研究方向之一[1]。

國(guó)外在這方面的研究進(jìn)展較快,并已開發(fā)出許多商業(yè)化軟件,如美國(guó)的M INC IM,DGI開發(fā)的可應(yīng)用于露天和石油開采的可視化系統(tǒng);Reservoir Characterization Research and Consulting公司開發(fā)的3D EarthModling軟件[2～4];加拿大阿波羅科技集團(tuán)公司開發(fā)的MicroLYNX;加拿大金康公司開發(fā)的Gem-Com軟件;英國(guó)的DataMine軟件;澳大利亞的MicroMine軟件、S MG公司的Surpac軟件等。相對(duì)于國(guó)外的這些地質(zhì)礦床三維可視化建模軟件,國(guó)內(nèi)的發(fā)展比較緩慢,但也相繼開發(fā)了有些三維建模軟件如北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院研制開發(fā)的LeadingGIS也比較好的實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體的三維可視化,武漢中地信息工程有限公司的MAPGIS、北京超圖的SUPERMAP等都帶有三維可視化的模塊[5～6],中南大學(xué)和長(zhǎng)沙迪邁信息科技公司開發(fā)的一整套專業(yè)礦山應(yīng)用的D IM INE礦業(yè)軟件等[7～8]。本文以國(guó)內(nèi)某錫礦為例介紹了三維可視化建模技術(shù)在礦山中的具體實(shí)踐及應(yīng)用。

1 礦山地質(zhì)概況

礦體產(chǎn)于近東西向的炸藥庫(kù)斷裂和背陰山斷裂之間的夾持帶所控制的背陰山突起東翼花崗巖的頂部,礦體賦存于花崗巖與T2g15碳酸鹽類巖石的接觸帶上,由于受背陰山斷裂、背陰山突起花崗巖巖體表面形態(tài)及接觸帶的控制,礦體形態(tài)復(fù)雜,呈似層狀、透鏡狀,局部呈盆狀、槽狀產(chǎn)出。礦床成因主要與巖漿期后中-高溫氣成熱液所形成,礦體總體走向近東西,走向長(zhǎng)約300 m,南高北低,傾角隨巖體形態(tài)改變,礦體由西向東側(cè)伏,賦存標(biāo)高1 670～1 745 m,南北寬10～120 m,厚0.8～22 m,礦石類型有塊狀硫化礦、矽卡巖型硫化礦,砂狀(風(fēng)化)硫化礦,局部有氧化礦和含礦大理巖,礦體屬Sn、Cu共生硫化礦。

2 礦山地質(zhì)實(shí)體模型構(gòu)建

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)及統(tǒng)計(jì)分析

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)就是將不同的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息按照一定的關(guān)系有機(jī)的組合在一起,共同表示鉆孔完整信息的數(shù)據(jù)集合。它是進(jìn)行地質(zhì)解譯、品位推估、儲(chǔ)量計(jì)算與管理以及后續(xù)采礦設(shè)計(jì)等的基礎(chǔ),包括了開口文件(Collar)、測(cè)斜文件(Survey)、鉆孔樣品文件(Assay)、巖性文件(Geology)4個(gè)文件。對(duì)樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析一方面是為了掌握礦床錫以及其他金屬元素的分布情況,另一方面是指導(dǎo)后面品位推估時(shí)采用何種方法進(jìn)行變異函數(shù)計(jì)算與分析。本次建模收集到326個(gè)鉆孔,樣品數(shù)量為3 789個(gè)。

根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,為確保得到參數(shù)的無偏估計(jì)量,所有的樣品數(shù)據(jù)應(yīng)該落在相同的承載上,即同一類參數(shù)的地質(zhì)樣品段的承載應(yīng)該一致。因此,在建立品位模型之前,需對(duì)樣品按鉆孔長(zhǎng)度進(jìn)行組合。為了降低樣品組合過程中可能導(dǎo)致的品位平均化程度,取組合樣長(zhǎng)度為平均原始樣品長(zhǎng)度2 m,最小組合樣長(zhǎng)為原始樣品的75%,即1.5 m。另外,由于該礦區(qū)特高樣品數(shù)目較少,這里組合時(shí)采用直接將特高樣品剔出的辦法予以處理。從圖1中看出Sn元素服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的規(guī)律;Sn均值0.61%、標(biāo)準(zhǔn)差為1.59。

圖1 Sn元素品位分布直方圖

2.2 變異函數(shù)的計(jì)算和擬合

由于礦體分布具有一定的方向性,區(qū)域化變量在不同方向可能會(huì)具有不同的結(jié)構(gòu)性和變異性,即具有空間各向異性特征。因此,在進(jìn)行變異函數(shù)的計(jì)算和分析時(shí)將針對(duì)不同的方向分別進(jìn)行。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于浸染狀的金屬礦床,要按走向、傾向、厚度3個(gè)方向進(jìn)行變異函數(shù)的分析,因此,這里對(duì)于Sn元素品位進(jìn)行這3個(gè)方向的實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)計(jì)算,具體參數(shù)列于表1。

表1 Sn元素品位變異函數(shù)分析參數(shù)及結(jié)果

變異函數(shù)的理論模型又分為有基臺(tái)和無基臺(tái)兩大類,其中有基臺(tái)的模型有:球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型;無基臺(tái)的模型有冪函數(shù)模型、對(duì)數(shù)函數(shù)模型、純塊金效應(yīng)模型及空穴效應(yīng)模型等。本次研究采用球狀模型[8],其擬合Cu元素曲線如圖2、圖3、圖4所示。

2.3 交叉驗(yàn)證

理論變異函數(shù)參數(shù)將用于后續(xù)的礦床品位推估或儲(chǔ)量計(jì)算中,因此,理論變異函數(shù)參數(shù)取值的正誤對(duì)品位估值結(jié)果的準(zhǔn)確性具有很大的影響。進(jìn)行交叉驗(yàn)證的目的,就是對(duì)理論變異函數(shù)參數(shù)的取值進(jìn)行檢驗(yàn),判斷應(yīng)用這些參數(shù)進(jìn)行品位估值時(shí)的估值效果。

交叉驗(yàn)證的基本思想是,假定某已知樣品點(diǎn)處的品位是未知的,根據(jù)其周圍的已知樣品點(diǎn),應(yīng)用計(jì)算得到的理論變異函數(shù)參數(shù)對(duì)該點(diǎn)處的品位進(jìn)行推估,然后計(jì)算該點(diǎn)處的實(shí)際品位與估計(jì)品位之間的誤差。利用上述得到的3個(gè)方向的變異函數(shù)參數(shù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證,結(jié)果見圖5。根據(jù)交叉驗(yàn)證的結(jié)果,誤差均值-0.000 4(趨近0),標(biāo)準(zhǔn)差0.3,2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)誤差所占比例95.64%。由圖5可以看出誤差分布為正態(tài)分布,所以變異函數(shù)參數(shù)比較準(zhǔn)確、合理,可以用于進(jìn)行克立格估值。

圖2 Sn主軸方向?qū)嶒?yàn)及理論變異函數(shù)

圖3 Sn次軸方向?qū)嶒?yàn)及理論變異函數(shù)

圖4 Sn短軸方向?qū)嶒?yàn)及理論變異函數(shù)

圖5 交叉驗(yàn)證誤差分布直方圖

2.4 地形表面模型的建立

在地質(zhì)調(diào)查和測(cè)量中,通常表現(xiàn)為一系列離散的、稀疏的、空間上分布不均勻的數(shù)據(jù)。利用這些離散數(shù)據(jù)來進(jìn)行三維建模時(shí),需要通過數(shù)據(jù)插值,然后才能形成完整的地質(zhì)體模型。

目前空間數(shù)據(jù)插值的方法很多[4],主要有:雙線性插值、趨勢(shì)面插值、樣條函數(shù)插值、距離冪次反比法和克里金(Kriging)插值等。

各插值方法有各自的優(yōu)勢(shì),因地質(zhì)數(shù)據(jù)有其特殊的特點(diǎn),在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)插值時(shí),不能簡(jiǎn)單地套用現(xiàn)成的自動(dòng)插值方法,必須考慮很多制約因素及相關(guān)的地質(zhì)學(xué)原理,選擇合適的方法來模擬,才能形成準(zhǔn)確可靠的模型?？死锝?Kriging)插值方法是一種求最優(yōu)線性無偏內(nèi)插估計(jì)量的方法,它首先考慮了空間屬性在空間位置上的變異分布,然后考慮樣品的形狀、大小、及其與待估區(qū)間的空間分布位置等幾何特征,對(duì)每一待估區(qū)域賦予一定的系數(shù),最后進(jìn)行加權(quán)平均來估計(jì)。

在三角網(wǎng)過于稀疏的地方,生成的表面模型往往會(huì)顯得很粗糙,難以滿足工程上的要求。因此,對(duì)該區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)必須進(jìn)行加密處理。但由于克里金法比較復(fù)雜,步驟較多,國(guó)內(nèi)外在建立地形模型時(shí)通常采用趨勢(shì)面法或距離冪反比法。其待估區(qū)域內(nèi)高程值的估值公式為:

式中,Z(x)為待估點(diǎn)的高程,Z(xi)為已知點(diǎn)的高程,d為第i個(gè)點(diǎn)到待估點(diǎn)的距離。

高程點(diǎn)加密后,創(chuàng)建等值線網(wǎng),生成的地形表面模型見圖6。

圖6 礦山地形表面模型

2.5 礦體模型

在建立的鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上,根據(jù)不同勘探線剖面圈出的礦體邊界形成的線框集,通過線框模型構(gòu)建法[9～10]建立礦體模型。建立老礦山礦床模型也可以利用已經(jīng)詮釋的工程剖面圖紙,以DXF文件格式導(dǎo)入可視化軟件中,按一定比例進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到線框集,然后建立實(shí)體模型。建立礦體模型除了進(jìn)行可視化、體積計(jì)算、在任意方向上產(chǎn)生剖面、與來自于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)相交4種功能外,還有一個(gè)極其重要的功能,就是為之后的品位估值和塊段分析提供線框約束的基礎(chǔ)。同時(shí)也可以通過對(duì)礦體線框進(jìn)行體積計(jì)算,用來與塊段模型最后計(jì)算出的礦石儲(chǔ)量做參照。建立的礦體模型如圖7所示。

圖7 礦體模型

2.6 礦體三維品位模型

為了描述礦體模型內(nèi)部的屬性,須建立礦床的塊段模型。塊段模型是將礦床實(shí)體模型在三維空間內(nèi)分為眾多單元塊,在邊界處通過次分塊來控制邊界,然后根據(jù)已知的樣品值來進(jìn)行估值。通常單元塊尺寸確定與勘探網(wǎng)度、采礦方法以及礦體形狀有關(guān),對(duì)于露天開采,單元塊的尺寸為臺(tái)階高度;對(duì)于地下礦開采,單元塊的高度按分段高度來定。本次建模塊度尺寸5 m×5 m×5 m,在邊界處按2 m×2 m×2 m進(jìn)行次分。

2.7 儲(chǔ)量計(jì)算

塊段模型建立好以后,按照不同的邊界品位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 礦床地質(zhì)礦床模型儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果表(Sn)

2.8 三維可視化采礦方法設(shè)計(jì)

根據(jù)礦體賦存條件及巖石力學(xué)條件,礦山采礦方法選用淺孔留礦法和房柱法,應(yīng)用三維建模軟件對(duì)單體采礦方法進(jìn)行了設(shè)計(jì),如圖8和圖9所示,在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了爆破設(shè)計(jì),自動(dòng)輸出的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

圖8 淺孔留礦采礦方法圖

圖9 房柱法采礦方法圖

圖10 爆破設(shè)計(jì)結(jié)果

3 小 結(jié)

利用三維可視化建模技術(shù)建立實(shí)體模型,更加逼真地反映地質(zhì)體空間形態(tài),根據(jù)建立的礦體模型可為品位估值、儲(chǔ)量計(jì)算、采礦設(shè)計(jì)等提供很好的平臺(tái)。建立在三維模型基礎(chǔ)之上的采礦設(shè)計(jì)內(nèi)部工程可以進(jìn)行任意方位察看,與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比更加直觀化、形象化、真實(shí)化,對(duì)于從本質(zhì)上了解各個(gè)采準(zhǔn)切割工程的空間結(jié)構(gòu)、采準(zhǔn)順序,起到了不可替代的作用。根據(jù)三維礦塊及內(nèi)部實(shí)體工程模型,可截取任意位置、方向、比例的平、剖面圖上進(jìn)行施工指導(dǎo)、生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃編制,為礦山的可行性研究和初步設(shè)計(jì)提供依據(jù),同時(shí)為礦山的生產(chǎn)調(diào)度及其控制提供空間定位和基礎(chǔ)模型,并最終服務(wù)于整個(gè)生產(chǎn)過程。

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APPLICATION OF 3D VISUAL MODELING TECHNI AUE INM INE ENGINEERING

SHA Ming-guang1,YI Zhi-qiang2,Qin Lei2
(1.Kaiyuan KyaniteMine,Nanyang 473400,Henan,China) (2.No.1 Geological Exploration Institute,Henan Geology andMineral Resources Development Council,Nanyang 473400,Henan,China)

Alongwith the developmentof geological statistics,mathematics,computer graphics and ne twork technology,engineering geology gradually develops towards a comprehensive integrated,digital,visual direction based on scientific visualization.The paper took a tin mine as research object,and established a 3D modes of deposit and engineering,which were based on theory and method of geostatistics,especially used variogram which may reflect the characteristics of regionalized variables.The research shows that the models vividly reflectedmining current status,and it is necessary and feasible to use the true three-d imensional technology in mining design.It breaks the traditional design pattern and methods,greatly improves the work efficiency ofmining methods design,and makes mining design more intuitive,vivid and easier to be understood.

three-dimensional visualization;geostatistics;mining design

TD673

A

1006-2602(2010)04-0009-05

2009-12-03

沙明光(1953-),男,總工程師,從事礦山采礦生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)營(yíng)管理工作。