基于網(wǎng)格法的礦床地質(zhì)模型構(gòu)建及其應(yīng)用研究

王小平

(新疆西拓礦業(yè)有限公司，新疆 哈密 839000)

1 前言

在礦業(yè)工程領(lǐng)域，礦床的三維空間幾何形態(tài)、元素品位屬性空間分布情況是礦山投資決策、開采設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化、品位控制和生產(chǎn)計(jì)劃編制等的先決條件[1～2]。傳統(tǒng)的地質(zhì)圖和剖面圖由于維數(shù)的限制，缺少一維的信息，造成對(duì)礦床狀況的誤判。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和各種三維仿真軟件的開發(fā)，以及地質(zhì)學(xué)研究的深入和礦山技術(shù)的日趨成熟，越來越多的地質(zhì)建模軟件應(yīng)用于礦業(yè)工程領(lǐng)域[3～6]，如原澳大利亞的SURPAC軟件、英國的DATAMINE軟件、長沙迪邁科技的DIMINE軟件、北京三地曼的3Dmine軟件等。三維可視化地質(zhì)模型是對(duì)地質(zhì)資料的集成和二次開發(fā)，具有準(zhǔn)確、直觀、動(dòng)態(tài)、生動(dòng)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二維圖形的不足。

為了給新疆黃土坡銅鋅礦的礦山設(shè)計(jì)與礦山開采提供可靠的依據(jù)，在收集礦山地質(zhì)、測(cè)量、采礦等相關(guān)資料基礎(chǔ)上，利用DIMINE軟件的網(wǎng)格建模法建立礦床三維模型。

2 建模方法的選擇

近些年，國內(nèi)外均在三維地質(zhì)建模領(lǐng)域開展了大量研究工作, 提出了多種三維地質(zhì)建模方法[7～9]。從建模使用的數(shù)據(jù)源來看，可分為基于剖面的建模方法、基于探礦工程數(shù)據(jù)的建模方法等。目前礦山地質(zhì)建模主要采用剖面法，但該方法存在只單一的選取剖面或平面進(jìn)行地質(zhì)體模型構(gòu)建的問題，這就造成了模型構(gòu)建完成后原剖面圖與原平面圖之間的交界處的建模結(jié)果與解譯結(jié)果由于缺少控制而存在較大差異，使得模型無法精準(zhǔn)地反映地質(zhì)體的真實(shí)賦存情況；而網(wǎng)格法則同時(shí)利用平面和剖面地質(zhì)體輪廓線來構(gòu)建地質(zhì)體模型，通過綜合平、剖面數(shù)據(jù)約束來描述地質(zhì)體形態(tài)，確保在平、剖面需要控制的交界處的建模結(jié)果與解譯結(jié)果完全一致，從而可較為精確描述地質(zhì)體空間形態(tài)，完善地質(zhì)建模工作。

2.1 剖面法

剖面法是三維地質(zhì)建模最常用的方法，首先建立剖面間輪廓線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再用三角面片連接這些輪廓線，最后通過封閉兩端剖面構(gòu)建地質(zhì)體線框模型或?qū)嶓w模型[10]，見圖1。作為一種較常用的線框或?qū)嶓w模型建模方法，剖面法在實(shí)際中可通過指定特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系、增加輔助剖面及確定合理的外推方式(平推、線尖滅或點(diǎn)尖滅)和外推距離等做法使建立的線框或?qū)嶓w模型更符合地質(zhì)解譯者的預(yù)期。

圖1 剖面法地質(zhì)建模流程示意圖

這種方法在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，主要在于此方法只選取了剖面或平面進(jìn)行地質(zhì)體模型的構(gòu)建。而與之對(duì)應(yīng)的平、剖面礦巖信息無法融入到地質(zhì)體模型中，同時(shí)單一的使用剖面或平面進(jìn)行建模，往往會(huì)因?yàn)橛煽碧骄€剖面制作生成平面圖的過程中存在問題，導(dǎo)致在平、剖面之間需要控制的交界處建模結(jié)果與解譯結(jié)果存在差異，因此建立的模型難以準(zhǔn)確地反映地質(zhì)體的真實(shí)賦存情況。

2.2 網(wǎng)格法

針對(duì)于剖面法建模的不足，網(wǎng)格法則有效利用平面和剖面地質(zhì)體輪廓線來構(gòu)建地質(zhì)體模型，可同時(shí)通過平、剖面數(shù)據(jù)約束描述地質(zhì)體形態(tài)。同時(shí)，網(wǎng)格法建模很好地彌補(bǔ)了剖面法在平、剖面需要控制的交界處的建模缺陷，確保在該位置的建模結(jié)果與解譯結(jié)果完全一致，使得模型可精確描述地質(zhì)體空間形態(tài)。

網(wǎng)格法建模的思路是：利用平剖面數(shù)據(jù)，基于“分而自治”思路，將復(fù)雜整體建模區(qū)域劃為眾多單個(gè)單元格分別建模，待每個(gè)單元格完成之后將所有模型拼接起來形成最終的建模區(qū)域內(nèi)的整體模型[11]。網(wǎng)格法的建模分如下3個(gè)步驟。

(1) 平剖面對(duì)應(yīng)關(guān)系處理。平剖面數(shù)據(jù)的一致性指的是平剖面在交叉位置處：①信息一致 ；②位置一致。但在實(shí)際中，由于人為或制圖精度等原因造成圖件往往存在一定偏差，很難保證一致性。為保證網(wǎng)風(fēng)格法建模的準(zhǔn)確、完整，需要在建模前對(duì)平剖面信息進(jìn)行處理，確保建模一致。西拓礦體平剖面對(duì)應(yīng)性見圖2。

圖2 西拓礦體平剖面對(duì)應(yīng)圖

(2)單元網(wǎng)格內(nèi)地質(zhì)模型構(gòu)建。兩個(gè)相鄰的剖面或兩個(gè)相鄰的平面礦體輪廓線即可構(gòu)建一個(gè)單元網(wǎng)格。單元網(wǎng)格的構(gòu)建是地質(zhì)體模型構(gòu)建的核心，單元網(wǎng)格模型構(gòu)建完后合并即為整體模型，如圖3。

圖3 單元網(wǎng)格建模

(3)模型檢驗(yàn)。將礦體模型合并，并進(jìn)行實(shí)體模型檢驗(yàn)，最終構(gòu)建成符合地質(zhì)規(guī)律的礦體模型。

為充分利用平剖面地質(zhì)信息，使建立的礦體模型更符合實(shí)際賦存情況，推薦采用網(wǎng)格法進(jìn)行礦體模型構(gòu)建。

3 工程實(shí)例

新疆黃土坡銅鋅礦地處哈密城區(qū)西南260°方向約160km處，行政區(qū)劃隸屬哈密市五堡鄉(xiāng)管轄，自2010年3月起開展開采方案設(shè)計(jì)及基建工作。

3.1 技術(shù)路線

通過導(dǎo)入地質(zhì)平剖面圖，然后對(duì)勘探線剖面圖與分段平面圖結(jié)合修改，確保平剖面圖礦界的對(duì)應(yīng)性；提取修改后的礦界，利用網(wǎng)格建模法建立礦體模型，見圖4。

圖4 建模技術(shù)路線

根據(jù)圖件特點(diǎn)，在平剖面對(duì)應(yīng)修改時(shí)260m標(biāo)高(含)以上采用平面修改剖面，以下則采用剖面修改平面。

3.2 礦體模型構(gòu)建

主要包括平剖面圖導(dǎo)入，礦體輪廓線提取修改及模型構(gòu)建。

(1)平剖面圖導(dǎo)入。將礦山的分段平面圖(范圍為160～360m，共20張)，按對(duì)應(yīng)高程導(dǎo)入到DIMINE軟件，見圖5。

圖5 地質(zhì)平面圖三維化

將礦山的勘探線剖面圖(范圍為19 675～20 100線，共17張)，進(jìn)路剖面圖(共43張)，在DIMINE中完成剖面圖三維數(shù)字化，見圖6。

圖6 剖面圖三維化

(2)平剖面圖修改。在平剖面圖件導(dǎo)入后，對(duì)圖件中的礦體輪廓線進(jìn)行提取與校正。

由于分段平面圖礦體界限是根據(jù)已經(jīng)完成的采準(zhǔn)工程揭露出的礦巖邊界信息圈定的，而剖面圖則是根據(jù)地質(zhì)平面圖與坑內(nèi)鉆揭露的礦巖信息修改的，項(xiàng)目實(shí)施中發(fā)現(xiàn)存在部分區(qū)域平剖面邊界對(duì)應(yīng)不上的問題，這樣就需要對(duì)平面或剖面進(jìn)行修改，便于后續(xù)礦體模型的建立。

在三維環(huán)境下，利用DIMINE軟件進(jìn)行平剖面間的礦巖輪廓線對(duì)應(yīng)關(guān)系處理，包括平、剖面交叉位置礦巖界線提??；利用提取出的礦巖界線進(jìn)行平、剖面的礦巖輪廓線修改和校正。

(3)模型構(gòu)建。利用校正后平剖面圖，采用“網(wǎng)格建模法”完成礦體模型的建立，所建模型如圖7所示。

圖7 礦體模型

4 結(jié)論

(1)對(duì)于剖面法建模與網(wǎng)格法建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，剖面法存在只選取剖面或平面進(jìn)行地質(zhì)體模型構(gòu)建的局限性，而網(wǎng)格法建模能有效地克服剖面法存在的局限性，精確描述地質(zhì)體空間形態(tài)，完成地質(zhì)建模工作。

(2)網(wǎng)格法建模是基于“分而自治”思路，將復(fù)雜整體建模區(qū)域劃為單個(gè)單元格內(nèi)的建模，待每個(gè)單元格完成之后將所有模型拼接起來形成最終的建模區(qū)域內(nèi)的整體模型。

(3)將DIMINE軟件的網(wǎng)格法建模應(yīng)用于新疆黃土坡銅鋅礦，結(jié)果表明，模型能準(zhǔn)確地反映地質(zhì)體的真實(shí)賦存情況。