大型露天磷礦數(shù)字礦床系統(tǒng)

柴修偉，李耀基，方世詳，尹繼紅，張電吉，李小雙

（1.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 晉寧 650600）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著科技進(jìn)步、礦產(chǎn)資源消費(fèi)的急劇增長和開采加工難度的日益增大，采礦逐漸走向數(shù)字化和智能化.“數(shù)字礦山”作為信息時(shí)代的必然產(chǎn)物，在礦業(yè)中發(fā)揮出越來越大的作用，是礦業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和方向［1－3］.在20世紀(jì)70年代，人們開始將AUTOCAD技術(shù)二次開發(fā)進(jìn)行三維地質(zhì)建模及可視化技術(shù)研究.20世紀(jì)90年代后國際上出現(xiàn)了一大批三維礦山專業(yè)軟件，主要有MicroMine、 Surpac、 DataMine、 Vulcan、MineScape、MineSoft、MineSight等，而國內(nèi)的一些礦山企業(yè)和科研單位從國外引進(jìn)了MicroMine、Surpac、DataMine等并進(jìn)行了二次研究開發(fā)［4－7］，如崔燦［8］、石慧［9］等利用 Surpac軟件對礦山數(shù)字化進(jìn)行了研究，鐘德云［10］、徐恒雷［11］、郭強(qiáng)［12］等利用3DMine軟件建立了礦山的三維數(shù)字模型，肖英才［13］、蔣京名［14］對 DIMINE 軟件工程實(shí)體建模進(jìn)行了研究.

筆者依據(jù)云南磷化集團(tuán)昆陽磷礦地質(zhì)報(bào)告、地形地質(zhì)CAD圖、剖面圖等相關(guān)資料，研究昆陽磷礦礦床分布空間關(guān)系，建立“孔口表”、“測斜表”、“樣品表”等數(shù)據(jù)信息表，依據(jù)DIMINIE軟件地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的要求檢驗(yàn)其是否符合格式要求或是否在錄入過程中出現(xiàn)進(jìn)行錯(cuò)誤校正，然后依次將上述信息導(dǎo)入DIMINE軟件，生成完整的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫.最后利用地形地質(zhì)CAD圖和鉆孔數(shù)據(jù)庫建立昆陽磷礦四采區(qū)的地形模型、三維實(shí)體模型，通過塊段模型，并對不同品級礦石賦予各塊段不同的體重值，運(yùn)用距離冪估值地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行儲(chǔ)量估算，實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量估值.

1 昆陽磷礦概況

昆陽磷礦位處滇池西南部的香條村背斜南翼東段，礦床類型為寒武紀(jì)早期形成的沉積型磷塊巖礦床.礦層總體呈向南緩傾斜的單斜構(gòu)造.礦層（體）分為上、下兩層礦，中間為夾層.上礦層工業(yè)礦體厚5.00～7.00m，最厚15.30m，平均厚度6.18m，厚度變化系數(shù)為34.60%，屬穩(wěn)定型，厚度變化小；下礦層工業(yè)礦體厚度3.00～4.00m，最厚7.95m，平均3.25m，厚度變化系數(shù)57.70%，屬較穩(wěn)定型，變化中等；夾層厚度一般0.5～2.0 m，東部最厚可達(dá)7.30m，西部最薄0.05m，全區(qū)層位穩(wěn)定.

礦石自然類型主要有白云質(zhì)磷塊巖、條帶（紋）狀磷塊巖、粒屑磷塊巖、含硅質(zhì)條帶磷塊巖、礫狀磷塊巖和生物碎屑磷塊巖等六個(gè)自然類型.

昆陽磷礦Ⅰ品級礦石工業(yè)類型以混合型為主，少部分為硅質(zhì)及硅酸鹽型；Ⅱ品級礦石工業(yè)類型以碳酸鹽型及混合型為主，少部分為硅質(zhì)及硅酸巖型；Ⅲ品級礦石工業(yè)類型以碳酸鹽型為主，部分為混合型.

2 礦山三維地質(zhì)建模

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是三維地質(zhì)建模的重要組成部分，地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)是用來進(jìn)行建模的基礎(chǔ)資料，完備的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是進(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)，其準(zhǔn)確性以及多數(shù)據(jù)信息的變異性分析是非常重要的.昆陽磷礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要來源有：昆陽磷礦鉆孔資料、鉆孔編錄資料及鉆孔綜合成果表、昆陽磷礦地形地質(zhì)圖等.

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建庫思路是首先收集整理建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫所需要的大量數(shù)據(jù)資料，并根據(jù)DIMINE軟件系統(tǒng)格式將地質(zhì)報(bào)告中鉆孔數(shù)據(jù)按照“孔口表”、“測斜表”、“樣品表”等分別錄入不同的EXCEL表格文件中.對于已經(jīng)錄入的數(shù)據(jù)信息，依據(jù)DIMINIE軟件地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的要求檢驗(yàn)其是否符合格式要求或是否在錄入過程中出現(xiàn)進(jìn)行錯(cuò)誤校正.然后依次將上述信息導(dǎo)入DIMINE軟件，生成完整的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫.

2.2 地表地形模型

地表地形模型是用來虛擬地形和表面，一般由若干地形線和地形特征散點(diǎn)組成，考慮到每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，將所有點(diǎn)聯(lián)成若干相鄰的三角面，然后形成一個(gè)三角網(wǎng)隨著地面起伏變化的單層模型.

昆陽磷礦三維地表模型的建立過程如下：

①先在CAD中將地形等高線、坐標(biāo)網(wǎng)和等高線的值描繪和標(biāo)記出來，將處理好的CAD圖形再導(dǎo)入到DIMINE軟件系統(tǒng)中，然后在DIMINE視圖管理器環(huán)境下把平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為它的相對地理坐標(biāo).

②對等高線進(jìn)行賦值.

③在DIMINE視圖管理器環(huán)境下，進(jìn)行創(chuàng)建數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，以下簡稱：DTM）的工作，生成的DTM也可進(jìn)一步在等高線之間進(jìn)行加密，生成比較圓滑的三維地形模型，如圖1所示.

2.3 三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)模型的建立一般有兩種方法，一是通過CAD或MapGis對地質(zhì)剖面圖進(jìn)行矢量化，導(dǎo)入DIMINE進(jìn)行建模；二是通過調(diào)入鉆孔數(shù)據(jù)庫，并對礦體邊界作地質(zhì)解釋，然后利用剖面圈定礦體，對昆陽磷礦四采區(qū)的三維地質(zhì)模型采用的是第二種建模方式.

圖1 昆陽磷礦四采區(qū)數(shù)字地表模型Fig.1 Digital terrain model of forth mining area of Kunyang mine

四采區(qū)的三維地質(zhì)實(shí)體模型包括地形模型（含公路模型）、斷層模型、礦體實(shí)體模型等，通過調(diào)用全部模型或部分模型，可以顯示各個(gè)模型之間的總體關(guān)系或局部關(guān)系，實(shí)現(xiàn)礦床三維可視化表達(dá)的目標(biāo).圖2是昆陽磷礦四采區(qū)三維地質(zhì)模型.

圖2 昆陽磷礦四采區(qū)三維地質(zhì)模型Fig.2 3Dgeologic model of forth mining area of Kunyang mine

3 資源儲(chǔ)量估算

資源儲(chǔ)量估算是通過已知采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用一定的數(shù)學(xué)方法如距離冪次反比法、普通克里格法等，對預(yù)測礦體進(jìn)行空間插值，以便求得未知礦體的平均品位、體積、噸位和礦石量及金屬量等一些特性.DIMINE軟件利用塊段方法通過對塊段模型的子塊進(jìn)行估值來實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量估算，估算方法有最近距離法、距離冪次反比法和克里格法等.

塊段模型是礦床品位推估及儲(chǔ)量計(jì)算的基礎(chǔ)，塊段模型的基本思想是將礦床在三維空間內(nèi)按照一定的尺寸劃分為眾多的單元塊，然后對填滿整個(gè)礦床范圍內(nèi)的單元塊的品位根據(jù)已知的樣品進(jìn)行推估，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行儲(chǔ)量的估算.采用距離冪估值，對昆陽磷礦四采區(qū)的上層礦（1z1－3）和下層礦（1z1－1）塊段模型應(yīng)用“模型配色”功能，以P2O5品位高低配色，效果如圖3所示.

圖3 距離冪估值后塊段模型P2O5品位配色效果圖（左：1z1－3，右：1z1－1）Fig.3 Block model with P2O5grade color matching after power distance valuation（L：1z1－3，R：1z1－1）

在各塊段模型中填加“體重”字段，并采用函數(shù)計(jì)算方式，根據(jù)不同品級礦石賦予各塊段不同的體重值.塊段模型中體重字段的賦值函數(shù)如下：

風(fēng)化帶上層礦：

風(fēng)化帶下層礦：

原生帶上礦層：

原生帶下礦層：

賦予體重屬性后，應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行儲(chǔ)量估算，分高程段統(tǒng)計(jì)，對上層礦（1z1－3）和下層礦（1z1－1）礦體按中段估算資源儲(chǔ)量，估算結(jié)果以Excel表格顯示.由于數(shù)據(jù)表格較大，僅截取上層礦（1z1－3）1980中段數(shù)據(jù)，如表1所示.

表1 上層礦（1z1－3）1980中段資源儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of resource reserve of 1z1－3，1980midpiece

續(xù)表1

通過對不同礦層礦石分高程段進(jìn)行儲(chǔ)量估算，可清楚了解不同水平中段的礦石體積﹑體重﹑礦石量等基本參數(shù)，以及礦石中各組分的品位及其金屬量等特征，為礦山資源的可持續(xù)管理提供重要的參考依據(jù).

4 結(jié) 語

a.以DIMINE軟件系統(tǒng)為平臺(tái)，依據(jù)昆陽磷礦鉆孔資料、鉆孔編錄資料及鉆孔綜合成果表、昆陽磷礦地形地質(zhì)圖等，建立了昆陽磷礦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，為三維地質(zhì)建模和儲(chǔ)量估算提供了基礎(chǔ)，并可對鉆孔數(shù)據(jù)庫進(jìn)行新數(shù)據(jù)的錄入、編輯，使數(shù)據(jù)庫不斷更新.

b.通過軟件系統(tǒng)提供的一些工具和軟件實(shí)體的布爾運(yùn)算功能，建立了礦山地表地形模型和三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)昆陽磷礦四采區(qū)的三維可視化功能，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對三維模型不同方向的剖面切割.

c.通過建立塊段模型，并對不同品級礦石賦予各塊段不同的體重值，對賦予組分、體重等信息的塊段模型，運(yùn)用距離冪估值地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行儲(chǔ)量估算，分高程段統(tǒng)計(jì)，對上層礦（1z1－3）和下層礦（1z1－1）礦體按中段估算，實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量估值.

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