贛南離子型稀土數(shù)字礦山應(yīng)用研究

王 瑞 ，李 亮 ，周大偉

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000）

隨著我國各種礦產(chǎn)企業(yè)迅速發(fā)展，堅(jiān)持以人為本，努力構(gòu)建社會主義和諧社會發(fā)展與創(chuàng)新，進(jìn)而合理協(xié)調(diào)礦產(chǎn)資源開發(fā)與環(huán)境及資源保護(hù)之間的矛盾以及礦山生產(chǎn)與礦山安全管理之間的矛盾，積極地改善礦山安全生產(chǎn)的狀況，建立科學(xué)、合理、高效、低污染、智能化、安全的礦業(yè)生產(chǎn)新局面，是各礦產(chǎn)企業(yè)在開采過程中的目標(biāo)[1]。

礦山企業(yè)的資料數(shù)據(jù)從最初開建至閉坑，經(jīng)過不斷累積，地質(zhì)資料數(shù)據(jù)量大[2]。這些資料具有階段性、種類繁多、格式復(fù)雜等特點(diǎn)，而且它們分散在很多部門，所以各單位資料數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性、繼承性差，查詢、利用效率較低，各自之間缺少聯(lián)系，致使生產(chǎn)過程缺乏信息化、智能化，因此對礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀動態(tài)管理、生產(chǎn)方案優(yōu)化決策、礦山生產(chǎn)規(guī)劃、資源的合理開發(fā)利用、儲量動態(tài)管理等方面造成了很多不利的影響，從而嚴(yán)重影響礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3]。目前關(guān)于離子型稀土礦數(shù)據(jù)量大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，三維模型構(gòu)建及儲量計(jì)算難度較大，對離子型數(shù)字礦山及關(guān)鍵技術(shù)的研究比較薄弱，因此，深入研究數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合及共享，完成實(shí)際準(zhǔn)確三維模型的構(gòu)建，進(jìn)一步優(yōu)化開采設(shè)計(jì)參數(shù)，充分掌握品位分布概況，準(zhǔn)確智能動態(tài)計(jì)算不同條件下礦床儲量是目前金屬礦山需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，也是離子型稀土數(shù)字礦山研究的關(guān)鍵技術(shù)。中國也是鎢礦儲量豐富的國家，采用SURPAC軟件建立了地表、圍巖、礦體等三維模型，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行儲量計(jì)算，建立的模型及計(jì)算儲量實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)實(shí)一致，從而對促進(jìn)資源的開采、提高管理水平和效能有一定的借鑒意義。

1 數(shù)據(jù)庫及三維模型建立

以贛南某離子型稀土礦為研究對象，在現(xiàn)有的原地浸礦工藝研究設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對離子型稀土礦地質(zhì)資料和生產(chǎn)資料進(jìn)行詳細(xì)分析建立地質(zhì)資源和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理、動態(tài)管理，基于信息化、智能化手段管理和挖掘數(shù)據(jù)，提高稀土礦山管理水平、稀土資源利用率和節(jié)省開發(fā)成本，以優(yōu)化開采方案和工藝參數(shù)。

1.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立

將礦山開發(fā)過程中各種綜合地質(zhì)信息建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，并完全使之圖形化，在三維空間顯示地質(zhì)工程等信息，如鉆孔軌跡線、巖性及描述、品位值、地質(zhì)構(gòu)造等，在三維空間下了解地質(zhì)現(xiàn)象[4]。在所建立的數(shù)據(jù)庫可以直接查看、編輯、追加和提取各類信息數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理等，做到智能化可視化，方便礦山管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)修改、查看、保存。數(shù)據(jù)庫建立流程如圖1所示。

圖1 建立數(shù)據(jù)庫的基本流程Fig.1 Basic flow chart for database construction

所建立的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫主要包含的信息有：孔口位置、測斜信息、樣品信息、巖性信息和工程地質(zhì)信息。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫就是將不同的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息按照一定的有機(jī)關(guān)系，共同表示鉆孔完整信息的數(shù)據(jù)集合[5]。

根據(jù)某礦山實(shí)際情況，選擇該礦床稀土元素作為區(qū)域化變量，以地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，借助SURPAC數(shù)字礦山軟件創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要包含四個數(shù)據(jù)表：鉆孔開口信息表—collar（簡稱“鉆孔表”）、鉆孔測斜信息表—survey（簡稱“測斜表”）、鉆孔樣品品位表—sample（簡稱“樣品表”）和鉆孔各分段地質(zhì)信息表—geology（簡稱“巖性表”），各數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)定義如表1所示。

表1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中定義的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)Tab.1 Data table structure defined in geological database

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立，為礦山地形地質(zhì)建模、礦體實(shí)體建模等提供基本數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的引入功能使用拖動或者簡單的連接方式和存在的數(shù)據(jù)庫連接，可將礦山開發(fā)過程中各種綜合地質(zhì)信息建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，并完全使之圖形化[7]。部分鉆孔的化驗(yàn)數(shù)據(jù)及巖性如圖2所示。

圖2 礦區(qū)的地質(zhì)勘探鉆孔分布Fig.2 Geological prospecting drilling map in mining area

1.2 地表及地質(zhì)信息建模

礦山三維地質(zhì)建模是數(shù)字礦山的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字礦山的基礎(chǔ)。TIN與Section混合模型建模的方法是對不同的界線或者具有特定意義的地質(zhì)界線，給予每條界線屬性值，最終將相同的界線用三角形連接，就形成具有特殊意義的三維曲面[7-8]。三維地質(zhì)模型要在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用，產(chǎn)生效益，最基本的功能要求有：可以真實(shí)形象地顯示地表模型、地層、構(gòu)造、礦體和管道三維模型；可以根據(jù)需要對三維模型進(jìn)行任意剖面切割；智能化進(jìn)行礦體體積、儲量的計(jì)算以及品位分析；模型應(yīng)具有良好的兼容性和可擴(kuò)充性等[9-10]。試驗(yàn)礦塊地表及地質(zhì)信息的建模主要包括地表模型、礦體模型、圍巖模型，具體地表模型如圖3，礦區(qū)整體模型如圖4所示。

通過使用RTK-GPS技術(shù)對所研究的稀土數(shù)字礦山試驗(yàn)礦塊地形進(jìn)行測量，由測量點(diǎn)以及設(shè)計(jì)的廠房位置布置、注液孔布置等分別建立了數(shù)字地表模型及現(xiàn)場工程三維總布置圖。由圖可以得到工程布置和礦體的相對關(guān)系，進(jìn)一步分析工程布置的合理性。為后期的礦體開采及藥品液體的收集提供現(xiàn)場可靠的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

圖3 地表實(shí)體模型Fig.3 Surface entity model

圖4 礦區(qū)整體模型Fig.4 Mine overall model

1.3 開采工程三維可視化模型

根據(jù)試驗(yàn)礦塊實(shí)測地形圖，由設(shè)計(jì)方案建立各藥管三維模型，利用SURPAC軟件完成配液池、輸送管道、高位池、注液孔、集液溝和集液池等開采工程模型的建立。通過建成的實(shí)體模型，可以直觀地表達(dá)地表、礦區(qū)與工程布置空間三維位置關(guān)系，進(jìn)而呈現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)路線，如圖5所示。

通過現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可以建立和實(shí)際比較一致的三維工程布置圖，由圖像可以計(jì)算各管道的用量，通過單價計(jì)算工程布置成本，為進(jìn)一步優(yōu)化工程布置及降低成本提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖5 開采工程模型圖Fig.5 Mining engineering model

2 品位動態(tài)分析及儲量計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)勘探鉆孔數(shù)據(jù)及礦體模型，可進(jìn)行礦體體積、儲量計(jì)算及品位顯示，確定離子型稀土礦山的邊界品位開采范圍。由品位的實(shí)時動態(tài)變化，三維顯示礦體品位變化情況，優(yōu)化礦山開采工程布局并結(jié)合注液的數(shù)據(jù)和收液數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，見圖6。

圖6 品位動態(tài)分析技術(shù)路線圖Fig.6 Roadmap for grade dynamic analysis technology

根據(jù)某離子型稀土礦山儲量核實(shí)報(bào)告及儲量計(jì)算附表數(shù)據(jù)，對礦石的比重與稀土元素品位關(guān)系進(jìn)行了一元線性回歸分析，確定稀土礦石的體重計(jì)算公式為（y為礦石量，x礦石體積）。邊界品位對應(yīng)的地表范圍圈定：根據(jù)塊體模型中的稀土元素可以智能顯示出品位大于0.03%的礦體，具體品位分布見圖7。

基于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫對礦區(qū)的勘探鉆孔樣長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，舍去過長和過短樣長，計(jì)算平均樣長，可知該稀土礦所取樣本53個、平均樣長1.018 868 m、方差0.018、標(biāo)準(zhǔn)差0.136；提取樣長后根據(jù)勘探工程進(jìn)行樣品組合，組合后的品位分析，從組合后的品位分析可知該稀土礦所取樣本54個、平均品位0.053、方差0.00260；在礦體實(shí)體模型和地表模型基礎(chǔ)上，建立塊體模型，應(yīng)用距離冪次反比法進(jìn)行多次估值，按照標(biāo)高及品位范圍計(jì)算礦體或某一礦體區(qū)域的儲量見表2。

洛陽鏟取樣所建立的樣品數(shù)據(jù)庫，可以通過塊體模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到整個礦區(qū)的品位分布情況。通過后期對洛陽鏟鉆孔數(shù)據(jù)的額不定期提取，通過克里金插值方法進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的插值，最終可以得到整個礦區(qū)品位不定期的變化，為后期的礦區(qū)注液孔的增添及減少提供數(shù)據(jù)的支撐。

圖7 邊界品位以上的礦體對應(yīng)的地表范圍Fig.7 Surface area corresponding to the ores above the border grade

表2 標(biāo)高及品位范圍稀土儲量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Rare earth reserve statistics within the elevation and grade range

由建立的礦體模型和塊體模型，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對稀土儲量進(jìn)行計(jì)算，由表2可知，“Z”字段代表水平標(biāo)高，本文要就主要是對水平270～290m每隔10 m進(jìn)行儲量計(jì)算，并對每10 m進(jìn)行儲量計(jì)算；“稀土”字段是品味每隔0.01進(jìn)行對稀土的體積、噸位及品味變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過表2可知，不僅可以對不同的水平中段還可以通過品位的變化進(jìn)行儲量的統(tǒng)計(jì)分析，為礦山的開采動態(tài)管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 論

國內(nèi)外對數(shù)字礦山的研究仍處在發(fā)展階段，本文依托贛南某離子型試驗(yàn)礦塊，對稀有金屬建立數(shù)據(jù)庫、三維模型及品位的動態(tài)分布和儲量計(jì)算進(jìn)行應(yīng)用研究。通過實(shí)踐證明所建立的離子型稀土數(shù)字礦山對現(xiàn)場工程布設(shè)具有較大的指導(dǎo)意義，對高效合理開采方案的選擇提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。隨著數(shù)字化、智能化、信息化的高速發(fā)展，從對數(shù)字礦山理論研究逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)用，為數(shù)字礦山建設(shè)邁出了堅(jiān)實(shí)一步，將在今后為我國的礦山的發(fā)展和技術(shù)的提高起到積極作用。

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