3DMine軟件在云南富寧縣郎六銅鎳礦區(qū)三維建模及資源量估算

李 卿，鄭國龍，秦正雄，王禮兵

(云南省有色地質(zhì)局三〇六隊(duì)，云南 昆明 650217)

隨著地質(zhì)勘查領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)字化礦山的建設(shè)已從傳統(tǒng)的以平面圖和剖面圖為主的二維地質(zhì)信息的模擬與表達(dá)逐步向三維地質(zhì)建模及可視化表達(dá)方向發(fā)展?？梢詫?shí)現(xiàn)礦山屬性數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的三維展示，能夠很好地展現(xiàn)各種地質(zhì)特征及地質(zhì)體在三維空間真實(shí)形態(tài)及相互關(guān)系，快速直觀地展示礦體空間形態(tài)，挖掘隱含的地質(zhì)信息，進(jìn)行礦體的模擬分析及資源量估算。筆者通過對(duì)3DMine軟件在礦產(chǎn)生產(chǎn)勘探過程中的運(yùn)用，以富寧郎六銅鎳礦為例，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行三維地質(zhì)建模，從構(gòu)建三維礦體模型及資源量估算(距離冪次反比法)進(jìn)行分析。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

郎六銅鎳礦區(qū)行政區(qū)為云南省富寧縣板侖鄉(xiāng)。大地構(gòu)造地處華南褶皺系，滇東南褶皺帶，文山-富寧斷褶束之東部，董保-那桑圩斷裂與富寧斷裂之間。出露地層主要有二疊系下統(tǒng)棲霞+茅口組、上統(tǒng)吳家坪組及第四系，巖性以碳酸鹽巖、砂頁巖等碎屑巖沉積建造組合為主。構(gòu)造以斷裂為主，主要有北西-南東向和北東-南西向二組，控制了基性-超基性巖分布(圖1)。礦區(qū)礦體分為巖漿熔離浸染狀礦體與貫入型脈狀礦體兩種，前者受巖相控制，后者受構(gòu)造控制。Ⅱ-1主礦體為本次主要估算對(duì)象，其累計(jì)查明工業(yè)礦石量占總量的86%，26個(gè)鉆孔工程控制，受斷層的控制，含礦圍巖為含橄輝長蘇長巖，其中以碎裂巖化橄欖輝長蘇長巖，輝長蘇長巖為主(圖2)。礦體呈脈狀產(chǎn)出，北東走向，傾向南東，傾角40°～65°，平均傾角55°，礦體走向>935m，傾斜延深>520m，礦體厚度1.01m～14.48m，平均厚度5.90m，礦體中Ni平均品位0.30ω%，Cu平均品位0.20ω%，品位變化系數(shù)31%[1]。

2 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)建模的概念最早由加拿大學(xué)者Simon W Houlding于1993年提出，其主要是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，用于地質(zhì)研究的一門技術(shù)?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、采礦設(shè)計(jì)、地理信息系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域，常見的三維地質(zhì)建模多是以三維地質(zhì)軟件為媒介來實(shí)現(xiàn)的。隨著數(shù)字化建設(shè)的發(fā)展，三維地質(zhì)方面的軟件也不斷涌現(xiàn)，如3Dmine、Surpac、Micromine、Dimine 等，通過三維地質(zhì)建模有效提高地質(zhì)行業(yè)的三維可視化表達(dá)及其運(yùn)用。3Dmine軟件因數(shù)據(jù)兼容性好、資源量估算模塊得到行業(yè)認(rèn)可等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于地質(zhì)行業(yè)，該軟件在完成礦山地測(cè)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫建立的前提下，即可進(jìn)行三維地質(zhì)建模及資源量估算等相關(guān)工作。

圖1 礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(底圖據(jù)云南省有色地質(zhì)局306隊(duì)，2020修改)

圖2 地質(zhì)剖面示意圖(底圖據(jù)云南省有色地質(zhì)局306隊(duì)，2020修改)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料主要包括工程數(shù)據(jù)資料和地形地質(zhì)資料兩部分，通過3Dmine軟件將數(shù)據(jù)資料和二維地形地質(zhì)資料轉(zhuǎn)化為三維模式，供后期的應(yīng)用與分析。

2.1.1 工程數(shù)據(jù)資料

主要為探礦工程編錄資料、測(cè)斜資料、化驗(yàn)測(cè)試分析數(shù)據(jù)等，能夠準(zhǔn)確反映工程的空間位置、軌跡、深度以及控礦分析數(shù)據(jù)，包括定位表、測(cè)斜表、化驗(yàn)表及巖性表，四張表通過工程號(hào)建立聯(lián)系，地質(zhì)數(shù)據(jù)以文本或Excel表形式導(dǎo)入Microsoft Access數(shù)據(jù)庫中，將數(shù)字形式的勘探資料用三維圖形的形態(tài)來管理和利用[2]。

(1)定位表(強(qiáng)制性表)：定位表存儲(chǔ)了鉆孔的工程編號(hào)及開孔坐標(biāo)，鉆孔的最大深度和鉆孔的軌跡類型。如：

工程號(hào)開孔坐標(biāo) E開孔坐標(biāo) N開孔坐標(biāo) R最大深度(m)軌跡類型ZK001568260.132602755.9451006.26306.95直/曲

(2)測(cè)斜表(強(qiáng)制性表)：測(cè)斜表儲(chǔ)存鉆孔的測(cè)斜信息，被用來計(jì)算鉆孔的空間位置，基本字段包括：工程號(hào)、深度、方位角和傾角。如：

工程號(hào)深度(m)方位角(°)傾角(°)ZK001306.95210-90

(3)化驗(yàn)表(非強(qiáng)制性表)：化驗(yàn)表是根據(jù)編錄信息需要進(jìn)行記錄的表，前三個(gè)字段系統(tǒng)默認(rèn)，后面字段可以自行定義，根據(jù)用戶需求增加的表。前三個(gè)字體系統(tǒng)默認(rèn)，后面字段自行添加，用于存放元素的化驗(yàn)品位及相關(guān)信息。如：

工程號(hào)從(m)至(m)樣長(m)樣號(hào)分析元素 1分析元素 2ZK0012162171H1NiCu

(4)巖性表(非強(qiáng)制性表)：巖性表是根據(jù)編錄信息需要進(jìn)行記錄的表，前三個(gè)字段系統(tǒng)默認(rèn)，后面字段可以自行定義，用于記錄巖性描述等信息。如：

工程號(hào)從(m)至(m)巖性代碼巖性名稱巖性描述ZK00105Q粘土褐紅色粘土

2.1.2 地形地質(zhì)數(shù)據(jù)

礦區(qū)地形地質(zhì)圖、中段平面圖、剖面圖等基礎(chǔ)圖件資料，其坐標(biāo)并不一定是其代表的實(shí)際坐標(biāo)，在三維系統(tǒng)中不能反映圖件的實(shí)際三維狀態(tài)。因此，地形地質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過圖件矢量化及數(shù)據(jù)采集分層等處理后，需要將這些圖件數(shù)據(jù)由二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為真三維坐標(biāo)，利用轉(zhuǎn)換后的相關(guān)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，根據(jù)實(shí)際需要可在三維軟件下補(bǔ)充提取、編輯數(shù)據(jù)。

2.2 地質(zhì)模型建立

三維地質(zhì)建模主要通過篩選抽取前期準(zhǔn)備的二維數(shù)據(jù)，建立礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫、地表模型、斷層模型等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫和模型疊加顯示。將礦區(qū)地形圖中提取等高線及其相應(yīng)的高程值，利用3DMine中的表面建?；蚓W(wǎng)格插值工具創(chuàng)建礦區(qū)地表模型，并將礦區(qū)地表出露的地質(zhì)信息(地層、構(gòu)造等)、地理信息(居民地、河流、道路等)、工程信息(鉆孔數(shù)據(jù)庫等)疊加到三維模型中(圖3)。

圖3 地質(zhì)模型示例圖(底圖據(jù)云南省有色地質(zhì)局306隊(duì)，2022修改)

2.3 礦體模型建立

礦體實(shí)體模型的建立是整個(gè)地質(zhì)模型建立過程中最重要的部分，顯示礦體在地下的三維賦存形態(tài)，還可以進(jìn)行體積計(jì)算、任意方向切制礦體剖面、與探礦工程數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互等。礦體實(shí)體模型是礦體塊體模型的基礎(chǔ)，可為礦體品位估值和礦體資源量統(tǒng)計(jì)奠定基礎(chǔ)。建立一個(gè)礦體實(shí)體模型需具備豐富的地質(zhì)礦床或成礦理論知識(shí)、嫻熟的圈礦技巧，特別是在處理礦體分支和礦體斷層方面。結(jié)合實(shí)際，礦體實(shí)體建模通常采用以下三種方法：

(1)根據(jù)礦區(qū)已有的勘探線地質(zhì)剖面圖中圈定的礦體范圍生成礦體模型；

(2)根據(jù)各中段圖中的礦體邊界線確定礦體范圍，并在3DMine中生成礦體模型；

(3)根據(jù)原始鉆孔資料、生產(chǎn)地質(zhì)探礦工程數(shù)據(jù)庫，組合各地質(zhì)鉆孔，根據(jù)品位、巖性等層位信息建立地層或者礦層模型。

礦區(qū)根據(jù)地質(zhì)結(jié)果，采取剖面提取礦體邊界結(jié)合工程數(shù)據(jù)庫，對(duì)礦體進(jìn)行圈連(圖4)。

圖4 礦體三維模型示例圖(底圖據(jù)云南省有色地質(zhì)局306隊(duì)，2022修改)

圖5 資源儲(chǔ)量模型構(gòu)建流程圖Fig 5.Exampe Diagram of Orebody 3D Model

2.4 塊體模型建立及估值

塊體模型技術(shù)(Block Model)引入到礦山儲(chǔ)量管理中是一種革新，在以往儲(chǔ)量管理中，對(duì)礦體厚度和品位認(rèn)識(shí)，多局限在塊段層面；在塊體模型技術(shù)中，三維空間被大小不同的方塊所充填，相對(duì)應(yīng)的塊體都有一個(gè)質(zhì)心點(diǎn)，在質(zhì)心點(diǎn)上可以存儲(chǔ)所有屬性，且該屬性代表了該礦體的內(nèi)部特征。在資源量估算中，利用塊體模型可以準(zhǔn)確地進(jìn)行資源量級(jí)別劃分和礦量的報(bào)告[2]。

在礦體實(shí)體模型的基礎(chǔ)上建立礦體的塊體模型，在塊體建模時(shí)，可以利用斷層模型、采空區(qū)模型等實(shí)體或DTM對(duì)塊體模型進(jìn)行約束和控制[9]，并利用工程品位等組合樣數(shù)。進(jìn)行品位估值和資源量計(jì)算。圖5。

塊體空間范圍：盡可能建立的塊體模型能夠包含所有礦體以及采掘的巖石范圍以便可以計(jì)算出礦巖量，而不僅僅是礦體范圍。

塊體尺寸：通常情況下，塊體尺寸的大小取決于礦體的類型、規(guī)模和采掘方式。每個(gè)有一定體積的長方體疊加構(gòu)成了塊體模型，然而，在礦體邊緣(曲面)，需要對(duì)邊緣塊體進(jìn)行分割成更次一級(jí)的子塊，以期使得礦體邊緣的塊體更接近于礦體，從而保證了計(jì)算的誤差在許可范圍之內(nèi)，次級(jí)模塊的分割是按幾何級(jí)數(shù)進(jìn)行，也不能太小(影響電腦運(yùn)行速度)。本次估算礦體產(chǎn)狀較陡，傾角40°～65°之間，平均傾角55°，礦體厚度1.01m～14.48m，平均厚度5.90m，為使礦體邊緣的塊體接近于礦體實(shí)體模型，經(jīng)過模型分析，估算礦體選擇基本塊體尺寸(5m×5m×5m)，次級(jí)模塊(1.25m×1.25m×1.25m)。

約束條件：塊模型的部分空間是塊的組成部分，每一個(gè)塊都有一個(gè)記錄信息，這個(gè)記錄是以空間為參照的，每個(gè)點(diǎn)的信息可以通過空間點(diǎn)來修改而并不僅僅是取決于其精確測(cè)量，空間參照就是一些額外的操作，空間操作的方式是在某個(gè)實(shí)體的內(nèi)(外)、表面的上部或下部空間、可以按照塊體本身屬性的大小等邏輯操作，可計(jì)算出任意空間范圍的礦量和品位。

估值方法：通常根據(jù)礦床類型、樣品數(shù)量、礦體穩(wěn)定程度及變化系數(shù)等來選擇不同的估值方法。對(duì)于普查或詳查級(jí)別的礦山而言，若工程數(shù)據(jù)量不多，一般采用距離冪次反比法，對(duì)于詳細(xì)勘探和生產(chǎn)礦山，工程數(shù)據(jù)量比較大，可以選用克里格法，但需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后才能使用。本次選擇礦區(qū)由于數(shù)據(jù)量較少、很難找到相應(yīng)的變異函數(shù)的變化規(guī)律，選擇距離冪次反比法進(jìn)行估值，根據(jù)模型質(zhì)心最近的樣品點(diǎn)的值修改塊體的值，以質(zhì)心的距離反比得到有效范圍內(nèi)樣品的權(quán)重。

橢球體參數(shù)：主軸搜索半徑(根據(jù)基礎(chǔ)工程間距搜索樣品半徑)，主軸(礦體走向軸)，次軸(礦體的延伸方向)，短軸(礦體的厚度方向)，主軸傾角(礦體側(cè)伏角)，次軸傾角(礦體的傾角)，根據(jù)估值報(bào)告調(diào)整搜索參數(shù)對(duì)上一次未估上值塊體進(jìn)行再次估值，直到每個(gè)塊都估上值，完成賦值后，將相關(guān)應(yīng)用參數(shù)以文本報(bào)告形式顯示并保存。本次根據(jù)Ⅱ-1礦體的產(chǎn)狀、規(guī)模及控制程度，選擇適合礦體的橢球體參數(shù)(主軸搜索半徑=200m，主/次軸=2，主/短軸=5，主軸方位角=140°，主軸側(cè)伏角=-10°，次軸傾角=30°)。

3 資源量估算

上述估值后的塊體模型可以計(jì)算礦體的資源量并生成塊體模型報(bào)告，根據(jù)需要報(bào)告的內(nèi)容，從屬性下拉列表中選擇要報(bào)告的屬性和統(tǒng)計(jì)方法，確定后即可生成塊體模型報(bào)告Excel文件，本次選擇礦區(qū)的主礦體進(jìn)行估值報(bào)告(圖6、表2)，經(jīng)過本次估值結(jié)果與原報(bào)告(水平投影地質(zhì)塊段法)計(jì)算結(jié)果對(duì)比(表1)：體積誤差+2.90%，礦石量誤差+9.42%(礦石量誤差主要由于低品位礦和工業(yè)礦的礦石體重值和體積不同)，金屬量誤差小于5%(Ni誤差+0.13%，Cu誤差+2.08%)；傳統(tǒng)方法(水平投影地質(zhì)塊段法)估算主要受塊段的平均厚度和品位等影響(塊段體積=塊段面積×塊段平均厚度，礦石量=體積×體重值，金屬量=礦石量×平均品位，估算結(jié)果受平均厚度和品位影響)，三維模型法計(jì)算體積主要受礦體空間形態(tài)(礦體實(shí)體模型)影響，與傳統(tǒng)方法中整個(gè)塊段選取相同的平均品位不同，采用距離冪次反比法估值，充填于礦體模型中的不同小塊體具有不同的品位信息(受權(quán)重系數(shù)的影響)。

表1 估算結(jié)果對(duì)比表

圖6 塊體屬性及模型報(bào)告示例圖

表2 塊體報(bào)告結(jié)果示例表

4 結(jié) 論

3DMine軟件在完成礦山地測(cè)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫建立的前提下，通過三維建模、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、品位估算、資源量的計(jì)算、三維可視化等方面的工作，對(duì)數(shù)據(jù)庫和模型疊加顯示，可對(duì)礦體空間形態(tài)、資源量計(jì)算、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量報(bào)告、品位和不同屬性的分布特點(diǎn)進(jìn)行綜合運(yùn)用，能夠快速計(jì)算出資源量估算結(jié)果，形象準(zhǔn)確地展示礦山地理信息、礦體空間位置等，將其應(yīng)用于礦山勘查、生產(chǎn)工作中，可提高對(duì)礦山實(shí)際生產(chǎn)工作的指導(dǎo)和三維可視化的表達(dá)與運(yùn)用。