黃山石灰石礦三維地質(zhì)實(shí)體建模與儲(chǔ)量估算

甘 露

(成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

黃山石灰石礦三維地質(zhì)實(shí)體建模與儲(chǔ)量估算

甘 露

(成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司)

對(duì)黃山石灰石礦進(jìn)行三維地質(zhì)實(shí)體建模和儲(chǔ)量估算，對(duì)于該礦開采設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃編制、資源評(píng)估等方面具有重要的指導(dǎo)意義。在分析該礦山地質(zhì)特征、開采方式、最終開采境界的基礎(chǔ)上，以3DMine為平臺(tái)，采用三角網(wǎng)建模技術(shù)建立了礦區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、地表模型、礦體模型、塊體模型并采用普通克里格估值法和距離冪次反比法進(jìn)行了儲(chǔ)量估算。結(jié)果表明：針對(duì)地形地貌較復(fù)雜的礦山，普通克里格法儲(chǔ)量估算精度優(yōu)于傳統(tǒng)地質(zhì)勘探法和距離冪次反比法，可直接應(yīng)用于編制露天開采計(jì)劃，便于進(jìn)行礦產(chǎn)資源動(dòng)態(tài)管理。

3DMine 三維地質(zhì)實(shí)體建模 儲(chǔ)量估算 普通克里格法 距離冪次反比法 資源動(dòng)態(tài)管理

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查和資源勘探方面發(fā)揮了巨大作用，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的三維模擬能力，地質(zhì)建模技術(shù)正逐漸向三維方向發(fā)展。本研究以黃山石灰石礦為例，借助3DMine軟件構(gòu)建了該礦山的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、地表模型、礦體模型、塊體模型，對(duì)礦體品位進(jìn)行估值，并進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)該礦山礦體、地質(zhì)數(shù)據(jù)、地表的三維可視化提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

黃山石灰石礦處于四川盆地的邊緣低山—低中山地段，屬二峨山背斜北翼，地層大致呈EW走向，總體地形為南高、北低(圖1)。礦區(qū)含有的地層為奧陶系、二疊系(棲霞和茅口組)、第四系。礦區(qū)內(nèi)受黃山斷層F1及魚洞口斷層F2的影響，在礦區(qū)北部，靠近峨眉山玄武巖一帶略有倒轉(zhuǎn)，礦區(qū)東部比西部倒轉(zhuǎn)更為嚴(yán)重，產(chǎn)狀212°～240°∠68°～75°。該礦山主要開采水泥用灰?guī)r主要賦存于棲霞組和茅口組地層中。該礦山開采已達(dá)40余a，因受滑坡、開采邊坡壓礦等因素的限制，其批準(zhǔn)開采范圍內(nèi)的保有可采儲(chǔ)量已無(wú)法滿足礦山下一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模800萬(wàn)t/a的生產(chǎn)需求。

圖1 礦區(qū)三維全貌

2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建與管理

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建

根據(jù)鉆孔柱狀圖、地質(zhì)剖面圖、地形圖、鉆孔工程化學(xué)分析表等原始地質(zhì)資料，借助3DMine軟件構(gòu)建了地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了4類數(shù)據(jù)表，見表1。

表1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

2.2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理

利用3Dmine軟件創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，便于用戶對(duì)勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索、編輯、查詢、更新、統(tǒng)計(jì)分析，在三維狀態(tài)下查看鉆孔的巖性、品位、軌跡和深度等數(shù)據(jù)信息。此外，根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇合適的參數(shù)(如最小可采長(zhǎng)度、夾石剔除厚度、圈礦品位指標(biāo)等)，可生成組合樣品點(diǎn)?？蛇x擇容差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)按照標(biāo)高生成平面或沿勘探線形成豎直剖面的鉆孔空間位置。將鉆孔數(shù)據(jù)調(diào)入地表模型中，可驗(yàn)證所建地表模型的準(zhǔn)確性[1]。

3 三維模型構(gòu)建

3.1 三維模型構(gòu)建的基本原理

對(duì)于三維數(shù)字地表地形模型，比較典型的有規(guī)則格網(wǎng)模型(GRID)、等高線模型、不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)和層次模型等。3DMine建立的模型為不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)，優(yōu)勢(shì)有：①減少大量的數(shù)據(jù)冗余；②建立的復(fù)雜地質(zhì)體不顯得生硬，特別是地形起伏突變的部位；③計(jì)算速度快；④解決規(guī)則格網(wǎng)模型(GRID)無(wú)法解決的通視問題。不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)根據(jù)區(qū)域有限點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)。若點(diǎn)不落于頂點(diǎn)上，該點(diǎn)的高程通常需通過線性插值得到(當(dāng)點(diǎn)落在邊上時(shí)，可采用邊上的2個(gè)頂點(diǎn)的高程插值得到；當(dāng)點(diǎn)落于三角形內(nèi)時(shí)，采用三角形的3個(gè)頂點(diǎn)的高程插值得到)，故不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)是三維空間的分段線性模型，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)?？烧J(rèn)為選擇不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)構(gòu)建封閉的面并非真正的三維空間實(shí)體[2]。

3.2 礦區(qū)三維模型構(gòu)建

3.2.1 礦區(qū)地表DTM模型

礦山工程三維可視化技術(shù)中，地表模型是可視化的基礎(chǔ)，主要表達(dá)覆蓋礦體的地表、露天礦的礦坑、山脈及礦區(qū)分布和工業(yè)場(chǎng)地等。地表地形模型主要包括數(shù)字地形模型(DTM)和數(shù)字高程模型(DEM)2類[3]。DTM與DEM相比，前者用途更廣，包含除地表以外更多的信息，如資源、環(huán)境、人口等特征信息。建立DTM是完成庫(kù)容分析、挖填方計(jì)算、境界優(yōu)化等方面的前提條件。3DMine軟件具有超強(qiáng)的兼容性，可直接打開、編輯、修改和保存AutoCAD2000～2007版本的“.dwg”和“.dxf”文件格式；MapGIS的“.wl”、“.wp”、“.wt”等明碼文件格式；Datamine的點(diǎn)線面文件、質(zhì)心文件；Surpac線文件、體文件；Micromine的線文件、線框文件；Surfer網(wǎng)格文件；Arc GIS矢量文件等。本研究將地形等高線“.dwg”文件導(dǎo)入3DMine軟件中，并使3DMine軟件中的坐標(biāo)與原有的坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，地表DTM建模步驟：①清理多段線冗余點(diǎn)，重復(fù)線條，連接斷線；②線賦高程，形成三維等高線；③利用線文件生成DTM，完成地表模型構(gòu)建。

3.2.2 地層模型

將各勘探線的地質(zhì)剖面圖導(dǎo)入3DMine軟件中，使其坐標(biāo)與地形平面圖的坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，利用地質(zhì)剖面圖中各地層的地質(zhì)界線，通過“閉合線之間連接三角網(wǎng)”、“刪除與橡皮線相交的三角面”等一系列線框命令，連成閉合的三角面。在生成地層模型的過程中可適當(dāng)增加點(diǎn)，調(diào)整地質(zhì)界線上點(diǎn)的疏密程度，同時(shí)選擇適當(dāng)方法(如最小面積法、等角度法、距離等分法)。由于不同方法的有效驗(yàn)證結(jié)果不一致，因而在建模過程中，對(duì)比較規(guī)則的地質(zhì)體，可自動(dòng)生成線框命令，但一般都需要人工預(yù)設(shè)幾條控制線或輔助線，干預(yù)地質(zhì)體的形成[4]。通過自動(dòng)生成和人工引導(dǎo)，使實(shí)體多邊形結(jié)構(gòu)緊密地聯(lián)系在一起，可逼真的反映礦體的實(shí)際賦存情況。

3.2.3 礦體模型

礦體模型是塊體模型構(gòu)建、儲(chǔ)量估值、露天境界優(yōu)化、開采計(jì)劃編制的基礎(chǔ)。根據(jù)鉆孔圖建立礦體模型，并通過地質(zhì)剖面圖校對(duì)礦體的空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)位置。由不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)建立的礦體模型屬實(shí)體模型。

3.2.4 塊體模型

礦體模型僅能反映礦體的空間形態(tài)，無(wú)法表現(xiàn)礦體局部品位、巖性的分布情況，為此，有必要在礦體模型的基礎(chǔ)上建立塊體模型。建立礦山塊體模型是計(jì)算儲(chǔ)量的通用方法，該類模型實(shí)際上也是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要利用規(guī)則的塊段填充不規(guī)則的礦體，并通過邊部塊段次分技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦體儲(chǔ)量的準(zhǔn)確計(jì)算。每個(gè)塊段的質(zhì)心點(diǎn)都存儲(chǔ)著多種屬性，其中品位屬性是應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行內(nèi)插的結(jié)果。計(jì)算礦石儲(chǔ)量需要以塊段模型為基礎(chǔ)，塊體模型涉及的范圍包含礦山所有探礦鉆孔確定的區(qū)域[5]。由于黃山石灰石礦山地質(zhì)情況較復(fù)雜，溝壑縱橫，塊段尺寸不易過大，否則影響儲(chǔ)量估算的精度，根據(jù)礦體特征和變異函數(shù)特征，采用的塊段尺寸為5 m×5 m×5 m，邊界尺寸為2.5 m×2.5 m×2.5 m。

4 儲(chǔ)量估算

(1)普通克里格法。該方法在估值時(shí)根據(jù)搜索橢球體內(nèi)分析的數(shù)據(jù)對(duì)塊段進(jìn)行插值，搜索對(duì)待估塊段具有影響的樣品點(diǎn)，對(duì)搜索到的有用樣品信息分別賦予一定的權(quán)系數(shù)，進(jìn)行加權(quán)平均估計(jì)待估塊段的品位，在此基礎(chǔ)上計(jì)算資源儲(chǔ)量[7]。計(jì)算變異函數(shù)時(shí)采用球狀模型，用橢球體搜索法確定的變異函數(shù)參數(shù)：塊金值0 m，基臺(tái)值0.95 m，變程123.23 m，步距45 m，方位角118.9°，傾角36.85°，展開角60°，半徑60 m，長(zhǎng)度300 m，樣品點(diǎn)數(shù)3 217個(gè)，主軸搜索半徑850，主/次軸2，主/短軸3，主軸方位角215°，側(cè)伏角35°，主軸傾角0°，最少樣品點(diǎn)1個(gè)，最多樣品點(diǎn)12個(gè)。

(2)距離冪次反比法。該方法利用已知樣品點(diǎn)和未知樣品點(diǎn)呈冪次反比的關(guān)系來(lái)進(jìn)行估值，適用于樣品點(diǎn)較小、地形地貌較簡(jiǎn)單的儲(chǔ)量估算。采用該方法估算儲(chǔ)量時(shí)也利用橢球體搜索法確定計(jì)算參數(shù)，一般距離冪次取2。

通過3DMine軟件分別采用普通克里格法和距離冪次反比法對(duì)塊體模型進(jìn)行儲(chǔ)量估算，結(jié)果見表2。

由表2可知：運(yùn)用距離冪次反比法估算的儲(chǔ)量偏高于普通克里格法，這是因?yàn)槠胀死锔穹ū染嚯x冪次反比法多考慮了樣品點(diǎn)的空間位置關(guān)系影響因素，使得計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。該2類方法估算的礦山儲(chǔ)量與地質(zhì)勘探法存在較大差別，原因是：在850 m高程以下缺失鉆孔信息，為提高估算的準(zhǔn)確性和確保建立模型的完整性，根據(jù)地勘報(bào)告中CaO平均品位，在礦床數(shù)據(jù)庫(kù)中手工添加1～2個(gè)品位信息點(diǎn)，由于組合樣品點(diǎn)的不足和不準(zhǔn)確性，導(dǎo)致850 m以下塊段估值誤差較大。但該2類方法與傳統(tǒng)地質(zhì)勘探法估計(jì)的CaO平均品位相差較小，總體來(lái)說，采用普通克里格法估算的礦山儲(chǔ)量較準(zhǔn)確，可同時(shí)顯示品位的分布情況，如圖2所示。

表2 儲(chǔ)量估算結(jié)果

圖2 礦體品位分布

5 結(jié) 語(yǔ)

基于3DMine軟件，利用三角網(wǎng)建模技術(shù)建立了黃山石灰石礦的三維實(shí)體可視化模型，采用多種方法對(duì)該礦區(qū)的石灰石儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，結(jié)果表明：普通克里格法考慮了樣品點(diǎn)的空間位置變異特征，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體的儲(chǔ)量估算精度優(yōu)于傳統(tǒng)地質(zhì)勘探法和距離冪次反比法，其估算結(jié)果可直接應(yīng)用于編制露天開采計(jì)劃，便于動(dòng)態(tài)管理礦產(chǎn)資源。

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3D Geological Solid Modeling and Reserves Estimation Method of Huangshan Limestone Mine

Gan Lu

(Chengdu Design & Research Institute of Building Materials Industry CO., Ltd.)

Study of 3D geological solid modeling and reserves estimation of Huangshan limestone mine is of great significance for mining design, production planning, production planning and resources assessment. Based on analyzing the geological characteristics,mining methods and the final mining boundary of Huangshan limestone mine, the geological database,the earth's surface 3D model,orebody model and block model of Huangshan limestone mine are established based on the 3DMine software and triangular mesh modeling technology, the ordinary kriging reserves estimation method and distance power inverse ratio method are used to conduct reserves estimation. The results show that the precise of ordinary kriging reserves estimation method is higher than traditional geological exploration method and distance power inverse ratio method for the complicated landform of mine, the results can be directly used in open-pit mining planning, and it is helpful for the dynamic management of resources.

3DMine, 3D geological solid modeling, Reserves estimation, Ordinary kriging method, Distance power inverse ratio method, Dynamic management of resources

2015-05-18)

甘 露(1964—)，男，高級(jí)工程師，610000 四川省成都市。