張長鎖
(北京礦冶研究總院,北京100070)
近年來,礦山工程中礦業(yè)軟件的應(yīng)用日益廣泛。應(yīng)用礦業(yè)軟件建立三維礦體模型來研究礦體分布空間關(guān)系和品位變化規(guī)律,并以此為基礎(chǔ)進行工程設(shè)計,替代傳統(tǒng)設(shè)計方式。三維礦體模型不但可以直觀、逼真地展示礦體空間形態(tài),而且利用建立的礦體三維模型可以進行品位估值、儲量計算等,并為采礦工程設(shè)計提供基礎(chǔ)平臺。三維礦體模型還可用于資源評估、礦山生產(chǎn)設(shè)計、動態(tài)圈定礦體等。
礦床三維可視化建模已成為礦山數(shù)字化的一個重要方面,在礦山工程設(shè)計和生產(chǎn)管理中的應(yīng)用日益普及。
本文介紹了Surpac軟件三維可視化建模技術(shù)在國內(nèi)某金礦的具體應(yīng)用。
某礦山礦體的產(chǎn)出主要受下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第二巖性段控制,礦體分布空間形態(tài)與賦礦巖層的產(chǎn)狀基本一致。礦體多為地毯狀、緩傾斜、埋深不大,礦體外殼上部大致與地表地形平行,自西向東,舒緩波狀展布。主礦體東西向展布,呈地毯狀,礦體產(chǎn)狀與地形坡面一致,南北長700m、東西寬550 m、垂深300m;傾向東,緩傾斜,傾角20°~30°。礦體產(chǎn)出最高標高1 812m,最低標高1 417m。礦體最厚145m,最薄2m,平均厚35m,金品位最高15.6g/t,平均品位0.81g/t。
地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是建立礦床三維模型的基礎(chǔ)。鉆孔樣品數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、實體模型和品位塊體模型的建立、品位估值和資源量/儲量計算以及平面圖、剖面圖繪制等都需要利用地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。
地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是包含鉆孔完整信息的數(shù)據(jù)集合,鉆孔中不同的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則關(guān)系進行組合。它是進行地質(zhì)信息解譯、品位估值、儲量計算與管理以及之后采礦工程設(shè)計等的基礎(chǔ)。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫由開口文件(Collar)、測斜文件(Survey)、樣品文件(Sample)、巖性文件(Geology)等構(gòu)成[1-2]。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)見表1。
Surpac在將地質(zhì)勘查報告提供的鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)表的過程中,進行自動查錯,發(fā)現(xiàn)重復(fù)或錯誤的數(shù)據(jù),將不進行導(dǎo)入,并形成錯誤報告,可以方便地按地質(zhì)報告校核數(shù)據(jù),形成最終的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。
表1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)[3]Table 1 Structure of data in geological database
本次研究共錄入151個鉆孔的樣品數(shù)據(jù),可以利用地質(zhì)數(shù)據(jù)庫很方便地進行查詢、編輯、字段運算、地質(zhì)統(tǒng)計分析等。錄入的數(shù)據(jù)經(jīng)檢測通過后即可在三維空間內(nèi)顯示鉆孔軌跡、方位、品位值和空間分布情況。
根據(jù)樣品樣長的分布,確定組合樣樣品的長度。由于絕大多數(shù)原始樣品樣長為1m,為盡量使用樣品的原始信息,樣品等長加權(quán)組合確定為1m。
為避免品位特異值對變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)性造成影響,需要根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對樣品數(shù)據(jù)進行特高品位處理,在本研究中分別根據(jù)各礦體品位變化系數(shù)的大小來確定具體的特高品位樣:
變化系數(shù)<100,品位變化程度為均勻,特高品位下限值取平均品位的6倍;
變化系數(shù)100~160,品位變化程度為較均勻,特高品位下限值取平均品位7倍;
變化系數(shù)>160,品位變化程度為不均勻,特高品位下限值取平均品位8倍。
用各礦體中金的特高品位下限值代替各自的特高品位。
通過對組合樣品品位數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計分析,如表2、圖1,結(jié)果顯示鉆孔樣品中金品位分布基本符合對數(shù)正態(tài)分布,可采用克里格法對礦體進行品位估值[4]。
表2 樣品品位統(tǒng)計分析結(jié)果Table 2 Statistical analysis of samples grade
圖1 樣品分布直方圖Fig.1 Samples distribution histogram
綜合考慮推薦工業(yè)指標、樣品化學(xué)分析結(jié)果、礦體產(chǎn)狀特征、勘查類型、控制程度等因素,應(yīng)用Surpac軟件進行交互式圈定礦體。礦體圈定原則如下:
1)圈定礦體及外推原則
當(dāng)單工程礦體內(nèi)部有大于和小于邊界品位的樣品交替分布,但其厚度小于夾石剔除厚度,作為礦體一并圈入。
夾石剔除厚度按工業(yè)指標的規(guī)定執(zhí)行,即礦體中連續(xù)厚度≥4.0m、金品位<0.3g/t部分作夾石,并在軟件中形成夾石實體模型。
在單工程圈定的基礎(chǔ)上,主要以礦體空間分布規(guī)律、控礦條件為主導(dǎo)因素,重點考慮礦體的產(chǎn)出位置及三維空間上的對應(yīng)關(guān)系,在軟件中圈定礦體邊界線。
外推原則:見礦工程邊緣有未見礦工程控制,尖推兩工程間距的1/2為礦體邊界;見礦工程邊緣無工程控制,走向楔形外推相鄰勘探線距的1/2。
2)工業(yè)指標
圈定礦體采用的工業(yè)指標如表3。
表3 推薦工業(yè)指標表Table 3 Industrial indicators of recommended
實體模型的建立主要分為定義剖面、圈定礦體、連接三角網(wǎng)、實體驗證、生成實體等步驟。
1)礦體實體模型
鉆孔是沿勘探線進行布置的,因此,在建立的鉆孔數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上,沿各條勘探線建立地質(zhì)剖面,并利用鉆孔數(shù)據(jù)對剖面進行修正,然后在各剖面內(nèi)根據(jù)邊界品位、最小礦體厚度及夾石剔除厚度等指標圈定礦體的邊界,繪制線文件,然后將各剖面線文件順序連接,形成三維實體模型。形成的模型通過有效性驗證后,可進行體積計算、空間約束、邏輯運算等。
建立礦體三維實體模型除了可以實現(xiàn)三維顯示、計算體積、在任意方向上切取剖面、與來自于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)相交四種功能外,還可作為后續(xù)的品位估值和塊段分析進行線框約束的基礎(chǔ),同時也可以通過計算礦體線框的體積,用來與塊段模型最后計算出的礦石儲量做參照[5-6]。本例中建立的礦體模型如圖2。
圖2 礦體三維實體模型及鉆孔空間位置分布圖Fig.2 3Dmodel of ore body and distribution of drill hole
2)地表模型
根據(jù)地形圖文件,利用Surpac軟件可以很便捷地建立地表模型(DTM文件),可用于剖面地形繪制,確定剝采地面邊界等,建立的地表模型如圖3。
3)巖性模型
巖性模型是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)在各剖面上按照不同的巖性區(qū)域繪制線文件,并將各剖面同一巖性的線文件依次連接形成三維實體模型,可以更加直觀地表現(xiàn)礦體周圍圍巖的類型和分布規(guī)律,并以此限定礦體品位估值的范圍、計算儲量、圈定夾石。建立巖性模型可以更加精確地對礦巖邊界進行控制,同時 可以對礦體周邊的地質(zhì)信息進行更多的描述[7]。
圖3 勘探區(qū)地表模型Fig.3 Surface model of exploration area
塊體模型是在三維空間內(nèi)將礦床的實體模型依據(jù)勘探網(wǎng)度、礦體產(chǎn)狀、變異函數(shù)特征等因素在空間范圍劃分為三維方向上尺寸不等的眾多單元塊。應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)原理和數(shù)學(xué)方法,由有限的已知品位值塊體來推估其周圍塊體的品位值,并賦值到礦體的每一個單元塊。利用塊體模型可以對礦床進行資源量估算和地質(zhì)可靠程度報告[8]。
為了使塊體模型能與實體模型更加貼合,在邊界處采用次級塊來進行擬合。
1)單元塊尺寸劃分
對于本次研究對象勘探線距為50m×50m和25m×25m,礦體的形態(tài)簡單,產(chǎn)狀水平,選擇塊尺寸為20m×20m×5m(北×東×高),將東次分塊數(shù)、北次分塊數(shù)和高程次分塊數(shù)均設(shè)置為5,得到子塊尺寸為4m×4m×1m。每個礦塊賦以礦石類型、礦段名稱標記;用礦體實體模型對塊模型進行賦值。把品位插值的搜索范圍分為8個扇區(qū),為防止使用某一方向過多的樣品對一個點估值,限定每個扇區(qū)最多6個點,總點數(shù)至多48個點。生成的塊模型參數(shù)見表4。
表4 塊體模型參數(shù)表Table 4 Parameters of block model
2)估值方法選擇
根據(jù)礦體樣品統(tǒng)計分析結(jié)果,金品位服從對數(shù)正態(tài)分布,故對礦體塊模型用普通克里格法按基本搜索橢球參數(shù)對金品位進行估值,如有礦塊的金品位未能獲得估值,依次擴大“基本半徑”為80m、160 m進行搜索,直至所有塊的金品位都估算出結(jié)果。在估值時對每一個塊都記錄估值次數(shù)、參與估值的工程數(shù)、樣品數(shù)和樣品品位的標準離差。
3)搜索橢球體定義
根據(jù)礦體的總體走向、傾向、傾角確定搜索橢球的半徑、方位角、傾角、傾伏角和長度因子等,定義基本搜索橢球為40m×40m×20m,基本搜索橢球的定義參數(shù)見表5。
表5 礦塊模型中基本搜索橢球定義參數(shù)Table 5 Parameters of basic searching ellipsoid in block model
4)資源量分類
根據(jù)塊模型品位估值過程中的估算次數(shù)和參與估值的工程數(shù)對塊體模型的地質(zhì)可靠程度進行分級。礦段的勘探類型為Ⅱ類型,“探明的”工程網(wǎng)度為20~40m,且在礦體走向和傾向上應(yīng)都有工程控制。本次資源量估算采用克里格方法插值時,基本搜索橢球體為40m×40m×20m(表4),礦體基本搜索橢球體走向方向為123°。當(dāng)某一個塊用基本搜索橢球參數(shù)能估算出塊品位值時,再加上工程數(shù)≥2的限定條件,可使該塊在礦體走向方向和傾向方向有工程控制,就可認定該塊滿足“探明的”條件要求。當(dāng)把“基本半徑”放大一倍時,對達到上述條件的塊可認定為滿足“控制的”條件要求;把再放大“基本半徑”才能估算出品位值的塊和不滿足前述兩個條件的塊認定為滿足“推斷的”條件要求。
地質(zhì)可靠程度分級和代碼見表6。
表6 地質(zhì)可靠程度分級和代碼表Table 6 Grades of geological reliability and their codes
完成估值后,用戶可在不同品位值的范圍內(nèi)或以不同的地質(zhì)可靠程度設(shè)置不同的塊顏色加以顯示,有助于用戶對礦體產(chǎn)狀、品位分布以及地質(zhì)可靠程度分級的理解。
塊體模型完成后,就可以進行精確的儲量統(tǒng)計,可以計算任意礦段的體積和儲量,并可以按照不同的品位區(qū)段和勘探等級進行分類,自動生成報告。本次研究礦體以0.3g/t為邊界品位,0.5g/t為最低工業(yè)品位,儲量計算結(jié)果見表7。
表7 儲量計算結(jié)果表Table 7 Results of reserves calculation
應(yīng)用Surpac軟件建立某金礦礦體的三維模型,包括實體模型和塊體品位模型。直觀形象地反映了礦體的產(chǎn)狀和品位分布特征,并可在此基礎(chǔ)上進行任意剖面的自動切取,計算任意范圍內(nèi)的儲量、金屬量、平均品位等。
建立的模型可用于礦山工程設(shè)計、資源儲量評估、礦山生產(chǎn)管理、動態(tài)儲量管理等方面。
利用三維可視化建模技術(shù)建立的實體模型可以更加直觀地反映礦體空間分布形態(tài),建立的礦體三維模型可為品位估值、儲量計算、采礦工程設(shè)計等提供良好的基礎(chǔ)和工作平臺。
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