3Dmine平臺(tái)下的三維地質(zhì)建模與應(yīng)用*

張 磊 詹 潤(rùn) 許光泉 孫 貴 胡廣青 趙 銳

（1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院；2.兗州中建材建設(shè)有限公司滁州分公司；3.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院）

三維地質(zhì)建模（3D Geosciences Modeling，3DGM）是由“3S”技術(shù)引申“數(shù)字地球”［1］的概念而來，是一種基于數(shù)據(jù)與信息分析的地質(zhì)研究方法。它通過匯集各種地質(zhì)信息的解釋結(jié)果，還原地質(zhì)現(xiàn)象的三維特征本質(zhì)，建立可視化信息數(shù)據(jù)模型，為礦山工程設(shè)計(jì)、施工與采掘計(jì)劃提供服務(wù)。

三維地質(zhì)建模軟件有GOCAD、Petrel、RMS、Surpac、Earth Vision等［2］。國(guó)內(nèi)較為成熟的三維地質(zhì)建模軟件有3Dmine、Mapgis、深探軟件、藍(lán)光軟件等［3］。其中3Dmine軟件可以通過創(chuàng)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、表面模型、實(shí)體模型與塊體模型來實(shí)現(xiàn)各類地質(zhì)體的三維空間可視化，并對(duì)地表、地層、構(gòu)造、礦體、品位、儲(chǔ)量以及后期采礦工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃編制等模擬建模。同時(shí)，該軟件可以將二維和三維界面以及其他辦公類軟件（比如office、Autocad等）結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)圖形和數(shù)據(jù)之間方便、快捷的格式轉(zhuǎn)換，是專門為國(guó)內(nèi)用戶量身打造的一款三維空間操作平臺(tái)［4］。

本研究以安徽省滁州市某水泥石灰礦為例，基于3Dmine軟件的露天礦山三維地質(zhì)建模方法［5］。建立采場(chǎng)地形面模型、礦體和地層實(shí)體模型與屬性塊體模型，構(gòu)建該露天礦山的三維地質(zhì)空間形態(tài)和主要品位變化信息，估算其礦體儲(chǔ)量。

1 礦區(qū)概況

研究區(qū)處于下?lián)P子地層分區(qū)中的滁州—天長(zhǎng)小區(qū)大祁山倒轉(zhuǎn)向斜內(nèi)，出露震旦系、寒武系、奧陶系、白堊系等地層。區(qū)內(nèi)斷層相對(duì)不發(fā)育，只有F3斷層南北向橫切礦體，但其斷距較小，對(duì)礦體質(zhì)量影響不大（圖1）。

礦體由礦區(qū)地表采坑（CK1、CK2、CK3、TC1）和鉆孔（ZK301、ZK401）控制。礦體賦存于奧陶系的上歐沖組（O1s）頂部，主要由厚層、中厚層狀微晶～隱晶灰?guī)r組成，頂?shù)装鍑鷰r為奧陶系下統(tǒng)分鄉(xiāng)組（O1f）下部中厚層灰?guī)r夾頁(yè)巖或上歐沖組（O1s）中厚層灰?guī)r。礦體賦存標(biāo)高+20～+90 m，呈層狀產(chǎn)出、連續(xù)性好，平面形態(tài)主要受礦體界線和礦區(qū)范圍約束，最大長(zhǎng)度800 m，水平寬度180～480 m，控制最大延伸距離65 m。礦體地表總體走向NEE80°，傾向NW，傾角40～68°。本礦床礦體含有少量夾石，分別由3線CK2-2采坑、4線CK2-1B和TC401采坑局部樣品點(diǎn)所控制。

2 建模過程

2.1 采場(chǎng)現(xiàn)狀表面建模

先將最新的采場(chǎng)現(xiàn)狀圖和1∶20 00地形地質(zhì)圖Auto CAD格式文件導(dǎo)入3Dmine軟件中，提取其中的坐標(biāo)網(wǎng)、采場(chǎng)與邊坡高程點(diǎn)、等高線、勘探線及文字標(biāo)注等信息。然后，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，將原圖的大地坐標(biāo)和比例整體縮放、平移，調(diào)整到真實(shí)坐標(biāo)位置。

利用3Dmine軟件中等值線賦高程的方法快速對(duì)等高線賦高程；利用普通克里格法對(duì)采場(chǎng)內(nèi)高程散點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格估值，賦予所有測(cè)量點(diǎn)三維高程值。之后，關(guān)閉所有圖層只保留等高線與高程散點(diǎn)文件，通過生成表面DTM功能，可以快速模擬出地形與采場(chǎng)的表面模型（圖2），并對(duì)局部不合理高程點(diǎn)進(jìn)行人為刪除、加密和修改，以保證與實(shí)際地表環(huán)境一致。在生成的地形表面模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用實(shí)體渲染、調(diào)整光照、點(diǎn)線落在實(shí)體上等功能，即可得到層次鮮明的真場(chǎng)景地表模型。

2.2 建立地質(zhì)實(shí)體模型

本研究中礦體與地層數(shù)據(jù)源，主要是由剖面線數(shù)據(jù)（1～5線）、鉆孔數(shù)據(jù)文件（ZK301、ZK401）和各個(gè)采坑槽探（CK1、CK2、CK3）采樣數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)（圖1）。該礦體包含在整個(gè)礦區(qū)的地層結(jié)構(gòu)中，其夾石數(shù)量較少、構(gòu)造簡(jiǎn)單、礦床呈連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出。因此，可利用剖面線法對(duì)整個(gè)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分，在鉆孔和采坑數(shù)據(jù)信息約束下，盡可能地提取更多地質(zhì)剖面線條，得到剖面中礦體、夾石、地表、剝露體等與地層的交線（圖3）。在成功得到各地質(zhì)實(shí)體封閉界線后，通過閉合線內(nèi)連接三角網(wǎng)功能，即可得到礦體、地層、夾石的三維顯示模型（圖4）。同時(shí)，為了使礦體模型更符合理想情況，可聯(lián)合使用相連段法用控制線對(duì)礦體做更精細(xì)的構(gòu)建。在建立地質(zhì)實(shí)體模型之后，再對(duì)三角網(wǎng)連接過程中出現(xiàn)的一些自相交、開放邊、無效邊情況進(jìn)行優(yōu)化、驗(yàn)證與合并，以保證實(shí)體模型的完整性與正確性。

2.3 礦體屬性模型

為展示礦體品位在空間分布及儲(chǔ)量計(jì)算，通過地質(zhì)統(tǒng)計(jì)與插值到方法依照建立品位數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)置塊體尺寸、塊體屬性估值與賦值3個(gè)步驟，獲得礦體屬性。

2.3.1 建立品位數(shù)據(jù)庫(kù)

鉆孔定位表、測(cè)斜表、化驗(yàn)表與單工程組合表，其中化驗(yàn)表主要描述工程編號(hào)、起始深度、采樣號(hào)、采樣長(zhǎng)度、巖性、CaO、MgO、SiO2、f（SiO2）等信息；單工程組合表主要描述采坑編號(hào)、采樣序號(hào)、采樣長(zhǎng)度，各單工程及采樣段CaO、MgO、SiO2、f（SiO2）含量和平均含量等內(nèi)容。

將鉆孔、采坑與槽探數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入3Dmine軟件，便可直觀顯示鉆孔、采坑的軌跡線及三維空間位置（圖5），并且可查詢各個(gè)單工程上不同深度采樣段的定位、樣長(zhǎng)和品位屬性信息，而且在后續(xù)建模過程中，也能夠?qū)?shù)據(jù)源做到隨調(diào)隨用。

2.3.2 設(shè)置塊體

塊體模型中每個(gè)賦值塊尺寸越小，精度越高，但對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求也越高。一般情況下，所建立塊體模型的尺寸取決于礦體的類型、規(guī)模、產(chǎn)狀、最小可采厚度、開采高度與勘探線網(wǎng)度等［6］。結(jié)合本礦發(fā)育特征和礦區(qū)勘探程度，建立一級(jí)塊體尺寸為10 m×10 m×4 m，次級(jí)模塊大小為5 m×5 m×2 m，共劃分出59 985個(gè)塊體（圖6）。

2.3.3 插值建立塊體品位屬性模型

選取CaO、MgO、fSiO2這3個(gè)含量指標(biāo)作為評(píng)價(jià)礦床品位的主要參數(shù)，按照CaO≥45%、MgO≤3.5%、fSiO2≤6%、最小可采厚度8 m、夾石剔除厚度2 m作為本次圈礦原則，并對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行提取組合圈礦。

從鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)中提取各個(gè)單工程采樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)和平均值（表1），根據(jù)本次圈礦約束條件，將其插值到塊體模型品位屬性中。軟件提供克里格與距離冪次反比2種賦值方法，其中克里格方法適用于勘探程度高、樣品數(shù)量多的礦山［7］。對(duì)于礦床發(fā)育穩(wěn)定、勘探級(jí)別低和樣品數(shù)量少的礦山，一般采用距離冪次反比法進(jìn)行估算賦值［8］，其運(yùn)算公式為

式中，Xb為空間未知樣品點(diǎn)的品位，%；Xi為已知第i個(gè)樣品點(diǎn)品位，%；di為未知點(diǎn)到第i個(gè)已知點(diǎn)的距離，m；n是影響范圍內(nèi)樣品個(gè)數(shù)，個(gè)；N為影響的冪指數(shù)。

注：本表為各單工程采樣化驗(yàn)平均值，各個(gè)采樣段的化驗(yàn)值已省略。

根據(jù)本礦床的勘探精度、樣品數(shù)量，本次選擇距離冪次反比法對(duì)59 985個(gè)塊體進(jìn)行估值，最終建立了本礦體的塊體屬性模型（圖6）。該塊體屬性模型可應(yīng)用到儲(chǔ)量計(jì)算、品位預(yù)測(cè)與制定中、短期開采計(jì)劃等工作中［9］。

3 儲(chǔ)量計(jì)算與礦體品位屬性

3.1 儲(chǔ)量計(jì)算

根據(jù)本水泥石灰礦的詳查地質(zhì)報(bào)告，其視密度為2.65 t/m3，依托本研究建立的礦體屬性塊體模型，計(jì)算其儲(chǔ)量為3 011.2萬t，平均品位占比：CaO為50.21%，MgO為0.7%，f（SiO2）為3.3%。而傳統(tǒng)塊段法計(jì)算出的儲(chǔ)量為2 858萬t，平均品位CaO為50.18%，MgO為0.84%，f（SiO2）為3.04%。兩者相差153.2萬t，誤差率僅為5.08%，且各品位含量占比基本相同，顯示該礦體模型與傳統(tǒng)塊段法估算模型基本吻合。

其中誤差產(chǎn)生的可能原因:①傳統(tǒng)塊段法估算過程是人為操作，且將礦體平均化，導(dǎo)致實(shí)際計(jì)算量偏??；②本礦體勘查鉆孔與勘查剖面線控制偏少，在建立實(shí)體模型時(shí)添加了一些約束輔助線，導(dǎo)致礦體模型厚度與實(shí)際厚度相比偏大；③模型計(jì)算出的儲(chǔ)量未考慮其他地質(zhì)條件與礦山排水造成的損失情況。根據(jù)《水泥灰?guī)r綠色礦山建設(shè)規(guī)范》（DZ/T 0318—2018）標(biāo)準(zhǔn)，水泥礦石回采率不低于95%，基于所建立礦體塊體模型，其實(shí)際可采儲(chǔ)量區(qū)間為2 860.64～3 011.2萬t?；谝陨戏治觯帽敬谓⒌膲K體模型所計(jì)算的可采儲(chǔ)量可信度較高。

3.2 礦體品位屬性

通過距離冪次反比法估值的品位屬性塊體，統(tǒng)計(jì)各個(gè)指標(biāo)在所有塊體中的分布，均呈正態(tài)分布，說明估值結(jié)果較為合理。用數(shù)值范圍著色功能顯示不同賦值的等值線，進(jìn)而得到礦體主要品位含量分布特征：CaO集中在47.5～51.5%，品位變化系數(shù)5%；MgO集中在0.180～3.297%，品位變化系數(shù)為59%；f（SiO2）在1.79～14.62%，品位變化系數(shù)為46%；SiO2在2.2～5.2%，大多集中在3.0～4.6%，其含量普遍較高，主要以黏土和石英質(zhì)游離硅形式賦存，對(duì)資源開發(fā)利用造成一定影響。自西向東、自南向北，CaO含量呈現(xiàn)由大變小的分布規(guī)律，MgO與SiO2含量均呈現(xiàn)由小變大的分布規(guī)律，總體上兩者沿走向方向含量略有升高，說明CaO與MgO、SiO2在空間分布上呈明顯的反相關(guān)性，MgO與SiO2呈正相關(guān)性。f（SiO2）含量由南向北總體呈變大趨勢(shì)，局部略有降低。垂向上，除MgO含量略有升高外，其他組分含量變化不明顯。通過以上對(duì)礦體品位屬性空間分布的分析，將對(duì)今后礦區(qū)采掘方案的優(yōu)化與采礦方向的確定提供指導(dǎo)性幫助（圖7）。

4 結(jié) 論

（1）以滁州市某露天水泥石灰礦為研究對(duì)象，按照3Dmine三維礦山軟件建模流程，建立了礦山采場(chǎng)現(xiàn)狀地表面模型、地層與礦體實(shí)體模型、品位屬性塊體模型，其既能直觀地反映采場(chǎng)、礦體的三維空間形態(tài)，又能應(yīng)用于儲(chǔ)量計(jì)算、品位預(yù)測(cè)、采掘計(jì)劃等工作內(nèi)容。

（2）與傳統(tǒng)的人工估算儲(chǔ)量塊段法相比，利用3Dmine三維屬性塊體模型儲(chǔ)量估算方法簡(jiǎn)單快捷，其誤差率為5.08%。在考慮建模約束條件、礦山排水條件及資源回采率等影響因素后，計(jì)算所得到的儲(chǔ)量區(qū)間可信度較高。

（3）通過距離冪次反比法估值，實(shí)現(xiàn)了礦體品位屬性三維空間建模，可為今后制定礦山采掘方案提供明確的方向。結(jié)合礦體三維形態(tài)，分析了礦體主要品位指標(biāo)空間分布規(guī)律。結(jié)果表明，平面上自西向東、自南向北，CaO含量由大變小，MgO、SiO2則由小變大，其與CaO含量分布呈現(xiàn)明顯的反相關(guān)性。f（SiO2）含量由南向北總體呈變大趨勢(shì)，局部有所降低。

由于資料有限，本研究所創(chuàng)建的采場(chǎng)面模型、礦體三維實(shí)體模型與屬性塊體模型精度，仍有待于在后續(xù)研究中進(jìn)一步提高。