基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)的礦體三維建模及采礦應(yīng)用

王 洋, 楊建文, 董京浩, 張 巖, 張 偉, 陳 雷, 韓 威

(1.中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司, 北京 100012；2.哈密紅石礦業(yè)有限公司， 新疆 哈密 839000)

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件不斷發(fā)展，3Dine軟件在很多開(kāi)采礦山、設(shè)計(jì)院、地勘單位、高校得到越來(lái)越多的應(yīng)用；三維地質(zhì)模型的建立能很直觀(guān)的反應(yīng)礦體形態(tài)、工程控制情況、礦石量、品位等情況；能很好的指導(dǎo)礦山探礦、采礦生產(chǎn)等工作[1-4]。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)是以變差函數(shù)作為基本工具，在研究區(qū)域化變量的空間分布結(jié)構(gòu)特征規(guī)律性的基礎(chǔ)上，綜合考慮空間變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)地質(zhì)方法，其廣泛應(yīng)用于地質(zhì)建模和采礦設(shè)計(jì)[5-7]。中深孔落礦方法的分段高度相較淺孔落礦回采有較大提高，因而能顯著提高礦山的生產(chǎn)能力[8-9]。

本文基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，將根據(jù)梅嶺南銅礦區(qū)近年來(lái)的勘查數(shù)據(jù)成果以及對(duì)礦區(qū)鉆探、坑探各類(lèi)圖紙數(shù)據(jù)收集將建立梅嶺南銅礦區(qū)3Dmine數(shù)據(jù)庫(kù)及三維立體模型和3Dmine對(duì)地質(zhì)常用AutoCAD/MAPGis軟件數(shù)據(jù)互轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快捷的儲(chǔ)量計(jì)算及地表到地下的三維空間模型，采用樣品組合、距離冪次反比法、變異函數(shù)分別對(duì)品位進(jìn)行估值，在此基礎(chǔ)上估算礦區(qū)的資源量，并進(jìn)行各種分析、驗(yàn)證資源模型的合理性，為礦山采礦快速設(shè)計(jì)中深孔提供依據(jù)。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

新疆東天山卡拉塔格一帶，發(fā)育了一套巨厚的基性- 中性- 酸性火山- 沉積巖系。近年來(lái)，在這套火山巖- 沉積系中發(fā)現(xiàn)了一系列的銅、鋅、金礦床，受到業(yè)界的高度重視?？ɡ竦V集區(qū)被列入國(guó)家級(jí)整裝勘查區(qū)。然而，關(guān)于卡拉塔格含礦火山巖地層的時(shí)代，巖性組合及巖相劃分上存在不同認(rèn)識(shí)：①1988年完成的1∶20萬(wàn)康古爾塔格幅(K- 46- XIV)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，將該套地層劃為下泥盆統(tǒng)卡拉塔格組(D1k)，是一套中酸性火山巖- 火山碎屑巖，構(gòu)成箱狀向斜；②1993年完成的1∶20萬(wàn)大草灘幅(K- 46- 15)，將該套地層劃歸到中- 上志留統(tǒng)(S2-3)，以石英角斑巖、細(xì)碧巖、霏細(xì)巖、安山玄武巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r為主；③2003年完成的1∶25萬(wàn)五堡幅(K46C002002)，將該套地層劃歸到中奧陶統(tǒng)荒草坡群大柳溝組(O2Hd)，主要為英安巖類(lèi)、霏細(xì)巖類(lèi)、玄武巖類(lèi)、安山巖類(lèi)的巨厚海相火山巖建造；④2010年新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)成礦地質(zhì)背景研究項(xiàng)目組，將該套地層劃歸到下- 中奧陶統(tǒng)恰干布拉克組(O1-2q)，發(fā)育安山巖- 玄武巖- 英安巖建造，局部夾凝灰質(zhì)粉砂巖和含放射蟲(chóng)硅質(zhì)巖?？梢?jiàn)，卡拉塔格地區(qū)這套火山巖地層巖石定名復(fù)雜多樣，區(qū)域地質(zhì)填圖對(duì)該區(qū)的時(shí)代劃分不統(tǒng)一，直接制約了找礦思路和找礦方向，從而造成勘查工程量的浪費(fèi)。

造成這一混亂現(xiàn)象的主要原因：該區(qū)為戈壁荒漠景觀(guān)區(qū)，巖石露頭出露差；客觀(guān)上該套火山巖的巖性、巖相變化大，調(diào)查研究程度低，加之部分區(qū)段地層緩傾，地表地層剖面不易觀(guān)測(cè)；缺乏化石和精確的同位素定年依據(jù)。

本文通過(guò)大比例尺地質(zhì)填圖和槽探、鉆探、坑探等系統(tǒng)的工程編錄，特別是2019年在梅嶺南銅礦區(qū)實(shí)施的距地表1 400 m的深鉆資料，揭露了卡拉塔格地區(qū)完整的地層層序，為該套火山- 沉積地層柱的建立提供了直接依據(jù)。

3 礦體三維模型

本次研究主要針對(duì)精準(zhǔn)科學(xué)采礦進(jìn)行分為兩部分，第一收集兩個(gè)中段工程數(shù)據(jù)包括鉆探，坑探等重要工程數(shù)據(jù)，工程數(shù)據(jù)327個(gè)，測(cè)斜數(shù)據(jù)665個(gè)，化驗(yàn)數(shù)據(jù)11 942個(gè)，按照3Dmine數(shù)據(jù)庫(kù)需要分為工程表，測(cè)斜表，樣品表。按照3Dmine要求整理收集完成數(shù)據(jù)庫(kù)建立，具體如圖1所示。

圖1 兩個(gè)中段數(shù)據(jù)收集形成的三維工程

礦體三維模型的建立是在各種工程控制的情況下建模，通過(guò)兩個(gè)中段的工程施工來(lái)圈定礦體，在經(jīng)過(guò)礦體走向傾角來(lái)確定礦體形態(tài)，通過(guò)連接每?jī)蓚€(gè)相鄰礦體位置且屬性相同的兩個(gè)點(diǎn)來(lái)完成空間連接來(lái)實(shí)現(xiàn)礦體的三維模型，在經(jīng)過(guò)3Dmine塊體模型進(jìn)行系統(tǒng)分割，剔除夾石，實(shí)現(xiàn)更精確的礦體形態(tài)，以上主要通過(guò)坑探和鉆探施工、化驗(yàn)品位作為礦體圈定分割的主要依據(jù)，具體如圖2所示。

圖2 兩個(gè)中段連接的礦體模型

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

為了確保礦體儲(chǔ)量計(jì)算精(準(zhǔn))確，為采礦管理提供依據(jù)，現(xiàn)通過(guò)3Dmine軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證儲(chǔ)量計(jì)算的可靠性。

4.1 樣品組合統(tǒng)計(jì)及礦體圈定指標(biāo)

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的分析數(shù)據(jù)是礦體儲(chǔ)量估算的依據(jù)，根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，為確保參數(shù)的無(wú)偏差計(jì)算，所有采樣數(shù)據(jù)應(yīng)落在相同載體上，即同一類(lèi)參數(shù)的礦體樣品長(zhǎng)度應(yīng)該一致，組合樣品過(guò)程是將品位信息通過(guò)加權(quán)平均的方法提取到若干點(diǎn)上，這些點(diǎn)所儲(chǔ)存的品位信息用來(lái)塊體模型的估值，可分為三種組合方法：①圈礦指標(biāo)組合；②根據(jù)地質(zhì)帶組合；③實(shí)體內(nèi)提取化學(xué)樣。

本文主要通過(guò)圈礦指標(biāo)組合來(lái)對(duì)梅嶺南兩個(gè)中段進(jìn)行儲(chǔ)量估算，圈礦指標(biāo)組合是根據(jù)礦山實(shí)際情況，通過(guò)設(shè)置不同圈礦條件對(duì)樣品組合，可以計(jì)算組合樣品的品位。組合品位我們選擇礦山主要元素Cu進(jìn)行組合，根據(jù)國(guó)內(nèi)特高品位處理規(guī)則進(jìn)行特高品位處理，邊界品位設(shè)置為0.2%，最小可采長(zhǎng)度按照礦體圈定原則1 m進(jìn)行設(shè)置，圖3、圖4所示為根據(jù)3Dmine軟件中組合樣品數(shù)據(jù)處理完成的上述礦體數(shù)據(jù)。

圖3 樣品分析統(tǒng)計(jì)圖

圖4 組合樣品厚度分析統(tǒng)計(jì)圖

4.2 礦體塊體模型

塊體模型是針對(duì)已圈定礦體的形態(tài)來(lái)對(duì)它進(jìn)行數(shù)次分割，給每一個(gè)小塊進(jìn)行賦值，儲(chǔ)存屬性，從而得到更精確的儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果。本次研究將通過(guò)塊體模型之距離冪次估值、變異函數(shù)結(jié)構(gòu)模型兩種方式進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估，確保后期對(duì)中深孔中的礦體進(jìn)行中深孔爆破及儲(chǔ)量計(jì)算的精確。

通過(guò)勘探線(xiàn)坐標(biāo)網(wǎng)格的1/4對(duì)塊體模型設(shè)置為24×24×4(取偶數(shù)值)的方式進(jìn)行塊體模型建立，建立模型如圖5所示。

圖5 本次礦體建立的塊體模型

4.3 塊體模型之變異函數(shù)模擬

變異函數(shù)作為地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要工具，3Dmine軟件對(duì)于變異函數(shù)的處理主要有變異函數(shù)的計(jì)算和變異函數(shù)的擬合。變異函數(shù)的計(jì)算通常要借助于步長(zhǎng)、容差距離和容差角度，因此，步長(zhǎng)、容差距離和容差角度對(duì)實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)計(jì)算的影響，直接關(guān)系到后期理論變異函數(shù)擬合的精度，具體如圖6所示。

圖6 變異函數(shù)主軸、次軸、短軸分布圖

4.4 距離冪次反比法

通過(guò)距離冪次反比發(fā)對(duì)該礦體估值，由于各樣品點(diǎn)距待估單元塊中心的距離不同，其品位對(duì)待估單元塊的影響程度不同，顯然，距離待估單元塊越近的樣品，其品位對(duì)待估單元塊品位的影響越大。因而在計(jì)算中，離待估單元塊體近的樣品的權(quán)值應(yīng)比離單元體遠(yuǎn)的樣品權(quán)值大，基本要領(lǐng)為確定礦體走向、厚度、側(cè)伏角、傾向、傾角、延伸等礦體數(shù)據(jù)，這些都是用于估值的重要依據(jù)。根據(jù)以上所有驗(yàn)證得出以下礦體儲(chǔ)量計(jì)算圖，具體如圖7所示。

圖7 礦體儲(chǔ)量圖

5 基于3Dmine礦體模型中深孔采礦設(shè)計(jì)

通過(guò)3Dmine進(jìn)行中深孔設(shè)計(jì)作圖，不僅實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)作圖，還可形成三維可視圖形，有助于研究礦體形態(tài)，分析中深孔布置參數(shù)，為確保合理的設(shè)計(jì)中深孔提供便捷條件，主要設(shè)置兩條排線(xiàn)：①切割巷布置；②主排線(xiàn)布置。將切割巷步距設(shè)置為1 m傾角設(shè)置為90°，主排線(xiàn)設(shè)置為1.5 m傾角85°，左右兩側(cè)設(shè)置45°夾角，孔底距設(shè)置為1.3±2 m作為爆破參數(shù)，圖8所示為設(shè)置好的爆破排線(xiàn)圖。

圖8 中深孔排線(xiàn)

進(jìn)入某個(gè)爆破單元的剖面狀態(tài)后，將顯示礦體邊界、巷道邊界、鉆機(jī)位置、回采邊界，利用3Dmine中布置扇形孔功能快速形成炮孔形態(tài)，設(shè)置炮孔兩側(cè)夾角為45°進(jìn)行布置，為更好地提高爆破效果，將采用爆破單元編號(hào)為偶數(shù)的設(shè)置偶數(shù)孔，爆破單元為奇數(shù)的設(shè)置奇數(shù)孔，因本文上個(gè)中段已使用中深孔采空，在此設(shè)置45°夾角中段頂板作為上層采礦邊界，具體如圖9所示。

圖9 中深孔設(shè)計(jì)

設(shè)置參數(shù)完成后，對(duì)布置好的排線(xiàn)可單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置編輯。炮孔的數(shù)量，長(zhǎng)度也可進(jìn)行變化，根據(jù)采礦需要還可進(jìn)行增加、刪除、孔底距、角度等參數(shù)的修改，確保本次爆破效果。該功能可以快速的將每個(gè)爆破單元爆破的炮孔數(shù)據(jù)、裝藥信息和礦巖信息等內(nèi)容以圖、表的形式直觀(guān)的顯示出來(lái)。用CAD做中深孔設(shè)計(jì)，全程都需人工計(jì)算，設(shè)計(jì)慢、容易產(chǎn)生爆破效果偏差，對(duì)比3Dmine和CAD設(shè)計(jì)的中深孔，具體對(duì)比如圖10所示。

圖10 基于CAD中深孔設(shè)計(jì)

6 結(jié)論

本次建模通過(guò)收集礦山工程數(shù)據(jù)勘查成果建立了梅嶺南兩個(gè)中斷數(shù)據(jù)庫(kù)及礦體模型、塊體模型并可通過(guò)建立模型任意切割剖面，給出直觀(guān)的礦體形態(tài)，利用3Dmine軟件進(jìn)行中深孔設(shè)計(jì)，可呈現(xiàn)三維立體效果及計(jì)算出礦量、藥量等數(shù)據(jù)，提高了采礦設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)效率，保障了采礦設(shè)計(jì)的效果。3Dmine軟件可應(yīng)用于地表和礦體形態(tài)分析，不僅是中深孔作圖，在露天采坑也可對(duì)每次爆破進(jìn)行快速指導(dǎo)礦體位置，以免造成資源浪費(fèi)。在對(duì)整個(gè)礦區(qū)三維視圖、采礦開(kāi)拓、通風(fēng)、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也有極其強(qiáng)大的功能，為露天及地下礦山安全高效開(kāi)采技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。本文通過(guò)收集數(shù)據(jù)、建模、組合樣品、塊體模型到中深孔采礦設(shè)計(jì)，可為礦山后續(xù)開(kāi)采作業(yè)提供指導(dǎo)。