基于3DMine的膠東上莊金礦體三維建模及其應(yīng)用

劉彥奎，王欣然，李建，叢超，李寧

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濟(jì)南 250109;2.山東省物化探勘查院,山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心,山東省土壤地球化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250013;3.招金礦業(yè)股份有限公司,山東 煙臺(tái) 266009)

0 引言

“數(shù)字礦山”已成為礦山研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，是礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]?！叭S地質(zhì)建?！弊钤缬蒆oulding于1994年提出，是“數(shù)字礦山”的基礎(chǔ)，具有地質(zhì)成果表達(dá)數(shù)字化、立體化、可視化、智能化與通俗實(shí)用的特點(diǎn)[3-5]。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、三維GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的快速發(fā)展，三維建模技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域，在礦體空間實(shí)體模型、資源儲(chǔ)量估算、勘查預(yù)測(cè)、巷道開(kāi)采現(xiàn)狀、開(kāi)采方案優(yōu)化等方面發(fā)揮了重要作用。常用三維建模軟件主要有3DMine、Surpac、Micromine等[6-18]。

膠東地區(qū)累計(jì)查明金資源量近5000t，是中國(guó)目前最大的金礦集區(qū)[19-22]。前人應(yīng)用三維建模技術(shù)，開(kāi)展了“玻璃膠東”建設(shè)、深部定位預(yù)測(cè)、構(gòu)造模擬等方面的研究：剖面法建模為主流的便捷建模方法，模型精度與已有工作精度密切相關(guān)；三維地質(zhì)模型多用于礦體定位預(yù)測(cè)[23-27]。本文選取膠東地區(qū)上莊金礦①-1號(hào)礦體，收集整理地質(zhì)資料(1)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院.蠶莊金礦焦家斷裂帶與東莊帶深部成礦條件研究及礦體定位預(yù)測(cè)，2020年。，利用國(guó)產(chǎn)3DMine軟件，采用鉆孔建模為主、剖面建模為輔的方法構(gòu)建實(shí)體模型，系統(tǒng)介紹了“數(shù)據(jù)處理—3D實(shí)體模型構(gòu)建—信息提取—塊體模型賦值”的完整建模流程，以期提高三維建模精度，探討礦體三維建模技術(shù)在資源儲(chǔ)量管理中的應(yīng)用，滿足礦政管理和礦山日常生產(chǎn)需求。

1 礦體概況

上莊金礦位于膠東地區(qū)招萊金成礦帶內(nèi)，為典型的構(gòu)造蝕變巖型金礦[28]。區(qū)內(nèi)斷裂主要分布有NE向焦家斷裂及其下盤(pán)的分支斷裂東莊子斷裂、侯家斷裂和望兒山斷裂[29]。

東莊子斷裂為①-1號(hào)礦體的控礦構(gòu)造，出露1.3km，寬20～230m，走向16°～87°，傾向NNW—NW，傾角25°～38°。主裂面連續(xù)、穩(wěn)定，斷層泥厚0.10～0.40m，可見(jiàn)構(gòu)造碎裂巖、絹英巖化花崗巖沿主裂面兩側(cè)呈帶狀分布。斷裂破碎帶蝕變強(qiáng)烈，主要為黃鐵絹英巖化碎裂巖、鉀化碎裂狀花崗巖。

①-1號(hào)礦體賦存于東莊子構(gòu)造蝕變帶中，形態(tài)呈脈狀，局部呈透鏡狀，膨脹夾縮現(xiàn)象較明顯。產(chǎn)狀與主裂面基本一致，走向50°～65°，總體走向60°，傾向NW，傾角30°～32°(圖1)。工程控制長(zhǎng)度最大510m；控制傾向255m，深部未封閉。單工程最小厚度1.21m，最大厚度8.98m，平均2.90m。單樣最低品位為1.00×10-6，最高品位為35.18×10-6，礦體平均品位為7.46×10-6。

1—第四系；2—二長(zhǎng)花崗巖；3—絹英巖化花崗巖；4—礦體及編號(hào)；5—鉆孔及編號(hào)

2 3D建模數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)處理

本文采用國(guó)土資源部礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量司備案、北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司研發(fā)的3DMine軟件，建立礦體3D模型。

3DMine軟件數(shù)據(jù)庫(kù)具有相關(guān)的格式規(guī)定，根據(jù)其要求，建立Excel表格分別為：定位表、測(cè)斜表、巖性表、樣品表，將已有的鉆孔數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的項(xiàng)目錄入對(duì)應(yīng)Excel工作表格中(表1)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Access，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

①-1號(hào)礦體收集鉆孔編錄數(shù)據(jù)20個(gè)、鉆孔采樣分析結(jié)果共計(jì)1372個(gè)，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)所整理的數(shù)據(jù)在3DMine軟件中建立三維鉆孔柱狀圖，可觀察到每個(gè)工程數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，并直觀地反映鉆孔的空間位置和變化狀態(tài)(圖2a)。為了更好地觀察成礦元素在Z方向(垂向)上的變化規(guī)律，可以根據(jù)樣品化學(xué)分析的數(shù)據(jù)范圍將其用不同顏色加以區(qū)分，圖2b示例自左至右數(shù)據(jù)類型依次為樣號(hào)、品位、終止孔深。

1—鉆孔孔口標(biāo)記及軌跡線；2—2.5×10-6≤Au；3—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；4—0.1×10-6≤Au<1.0×10-6；5—Au<0.1×10-6

2.2 礦體3D實(shí)體模型構(gòu)建

2.2.1 3D建模方法選取

礦體模型構(gòu)建的方法及分類多樣，常用的主要有：鉆孔數(shù)據(jù)建模，勘探線剖面建模，混合集成建模和自動(dòng)建模[27,30-31]。剖面建模方法是目前主流的建模方法，利用已有勘探線剖面圖的輪廓線連接建模，方法成熟、操作快捷，能夠直接應(yīng)用傳統(tǒng)的地質(zhì)塊段法、平行斷面法等資源儲(chǔ)量估算方法，但建模精度受限于已有工作精度，模型與鉆孔見(jiàn)礦的實(shí)際空間位置存在偏差。

在實(shí)際建模工作中，為了尋求更高的精度，基于原始地質(zhì)資料和地質(zhì)體基本特征，往往選取2種或2種以上的建模方法[8]。本文建模方法以鉆孔建模為主，剖面建模方法為輔?？讛?shù)據(jù)源為鉆孔編錄數(shù)據(jù)，按照3DMine數(shù)據(jù)庫(kù)格式錄入Excel表后，導(dǎo)入Access，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，即可在軟件內(nèi)生成三維鉆孔軌跡。依據(jù)取樣品位，各鉆孔依次組合樣品、圈定礦體。剖面數(shù)據(jù)源為地質(zhì)勘探報(bào)告中MapGIS格式剖面圖，導(dǎo)入3DMine軟件中兼容顯示。建模主要依據(jù)①-1號(hào)礦體圈礦指標(biāo)及鉆孔數(shù)據(jù)，參考已有勘探線剖面數(shù)據(jù)的約束，解譯礦體的一系列輪廓線、輔助線等線屬性(不一定是勘探線或邊界線)，在線之間構(gòu)建三角網(wǎng)，來(lái)模擬出礦體的模型(圖3)。該方法能應(yīng)用于各種復(fù)雜情況下各種復(fù)雜實(shí)體的模型構(gòu)建[31]。

圖3 三維地質(zhì)建模流程

2.2.2 單剖面礦體圈連

剖面建模法，方法成熟、操作快捷，然而在探礦工程偏離勘探線的復(fù)雜勘查系統(tǒng)或復(fù)雜礦體建模中卻存在較大偏差。3DMine軟件單獨(dú)配置的剖面管理層，能夠快速便捷地實(shí)現(xiàn)剖面與地質(zhì)體的顯示切換，從而簡(jiǎn)便地連接剖面礦體。通過(guò)設(shè)置剖面的面前、面后距離屬性，能夠在剖面視圖狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)立體效果，這對(duì)于解決復(fù)雜勘查系統(tǒng)和復(fù)雜礦體的三維建模問(wèn)題有較大優(yōu)勢(shì)。本次研究參考已有勘探線剖面，直接應(yīng)用單工程數(shù)據(jù)圈連剖面礦體，實(shí)現(xiàn)了全流程的三維狀態(tài)操作。

(1)軟件提示礦。利用鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)的“顯示鉆孔”對(duì)話框，設(shè)置品位組合，可以實(shí)現(xiàn)資源量估算工業(yè)指標(biāo)對(duì)礦體圈定的約束(圖4a)：邊界品位1.0×10-6；最低可采厚度1.20m；夾石剔除厚度2m；米克噸值3.00×10-6。軟件提示礦結(jié)果見(jiàn)圖4b，數(shù)據(jù)類型自左至右依次為樣號(hào)、品位、終止孔深、樣長(zhǎng)、組合品位、組合長(zhǎng)度。

1—2.5×10-6≤Au；2—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；3—0.1×10-6≤Au<1.0×10-6；4—Au<0.1×10-6

(2)礦體圈定?！般@孔—礦段圈定—手工礦段圈定”，依次確認(rèn)軟件提示礦各單工程礦體圈定結(jié)果。剖面視圖狀態(tài)下，順次連接單工程同一礦體的頂?shù)装褰缇€。繪制礦體頂?shù)捉缇€的中線，并根據(jù)工業(yè)指標(biāo)和規(guī)范要求得出礦體外推點(diǎn)。連接礦體頂?shù)捉缇€和外推尖滅點(diǎn)，閉合線可得剖面礦體界線(圖5)。

1—鉆孔軌跡線；2—礦體邊界

2.2.3 礦體3D實(shí)體模型構(gòu)建

利用閉合線之間連三角網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)剖面間簡(jiǎn)單礦體的實(shí)體模型建立。根據(jù)工業(yè)指標(biāo)和規(guī)范要求，使用三角網(wǎng)的擴(kuò)展外推功能可實(shí)現(xiàn)剖面礦體沿走向的外推(當(dāng)最外側(cè)剖面有2個(gè)以上見(jiàn)礦工程時(shí)，尖滅到線；當(dāng)僅有1個(gè)見(jiàn)礦工程時(shí)，尖滅到點(diǎn))。合并三角網(wǎng)，優(yōu)化實(shí)體，建立的實(shí)體模型如圖6所示。

1—鉆孔軌跡線；2—實(shí)體模型

3 信息提取與塊體賦值

3.1 信息提取

組合樣品的過(guò)程是將品位信息通過(guò)長(zhǎng)度加權(quán)的方法提取到若干點(diǎn)上，再以該點(diǎn)的品位信息進(jìn)行樣品點(diǎn)估值(圖7a，十字點(diǎn)即組合樣品點(diǎn))。采用等距離組合的方法，組合長(zhǎng)度1m，最小有效長(zhǎng)度0.5m，獲得組合樣品文件。

3.2 塊體模型建立

礦體實(shí)體模型只能反映礦體賦存狀況和空間形態(tài)，建立離散的組合塊體模型并賦值才是三維地質(zhì)建模的核心所在[32]，才能進(jìn)一步開(kāi)展地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法資源儲(chǔ)量管理、三維定量/半定量找礦預(yù)測(cè)等研究。

塊體尺寸越小，建模成果越好，但受限于計(jì)算機(jī)性能，塊體尺寸不宜過(guò)小，否則海量的塊體計(jì)算，將導(dǎo)致運(yùn)行負(fù)荷過(guò)重，乃至運(yùn)算系統(tǒng)崩潰，因此尋求運(yùn)行性能與模型準(zhǔn)確之間的平衡非常重要。

塊體尺寸取推斷工程間距的1/4較為理想(2)北京三地曼信息技術(shù)有限公司，3DMine礦業(yè)工程軟件基礎(chǔ)教程，2017年。。研究對(duì)象塊體尺寸設(shè)為：走向16m×傾向20m×厚度1m，次級(jí)塊取各值1/2。創(chuàng)建塊體Au含量(浮點(diǎn)型)、巖礦類型(字符)、比重(浮點(diǎn)型)、資源量類別屬性，形成塊體模型(圖7b)。

1—鉆孔礦體邊界；2—組合樣品點(diǎn)位置；3—鉆孔軌跡；4—離散塊體

3.3 塊體模型賦值

從日常工作和地質(zhì)規(guī)律來(lái)看，距離冪次反比法是最常用的塊體估值方法之一[33]。其原理是：距離待估塊體越近的樣品，其品位對(duì)待估塊體品位的影響也就越大，其權(quán)值應(yīng)比離單元體遠(yuǎn)的樣品的權(quán)值大，估值思路見(jiàn)圖8。

圖8 距離冪次反比法估值思路示意圖[34]

選擇“距離冪次反比法估值”命令，導(dǎo)入組合樣品文件，設(shè)置距離冪次為2。如估算331資源量，搜索半徑應(yīng)采用基本工程間距的1.2倍，即走向70m；332，走向140m；333，走向280m。詳查工作階段估算332,333資源量，根據(jù)礦體產(chǎn)狀、規(guī)模等基本地質(zhì)特征，搜索橢球體參數(shù)設(shè)置(圖9a)為：主軸140m，主軸/次軸0.75，主軸/短軸50，方位角60，傾角30(圖9b)。設(shè)置完成，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，將賦值后的塊體資源量類型賦值為332。重新設(shè)置橢球參數(shù)為主軸280m，最少樣品數(shù)2，其余參數(shù)不變，設(shè)置后運(yùn)算，將資源量類型賦值為333(圖9c)。

1—鉆孔軌跡；2—實(shí)體模型；3—離散塊體；4—搜索橢球體；5—332類別塊體；6—333類別塊體；a—塊體模型賦值、搜索橢球體參數(shù)；b—搜索橢球體；c—賦值后塊體模型，藍(lán)色為332資源量，黃色為333資源量

4 應(yīng)用評(píng)述

4.1 資源儲(chǔ)量估算

利用分塊出報(bào)告功能，最終得到①-1號(hào)礦體資源量見(jiàn)表2。與傳統(tǒng)的地質(zhì)塊段法估算結(jié)果相比，誤差3.18%。

表2 資源量估算結(jié)果

4.2 資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理

除不同資源量類別區(qū)分外，對(duì)塊體模型添加不同的約束條件，結(jié)合不同屬性的篩選功能，能夠便捷地獲取不同范圍、不同類型的資源儲(chǔ)量，在資源儲(chǔ)量核實(shí)、開(kāi)采過(guò)程中資源儲(chǔ)量實(shí)時(shí)估算等方面有廣闊的應(yīng)用前景。圖10藍(lán)色塊體位于探礦權(quán)內(nèi)，黃色塊體位于探礦權(quán)外，實(shí)現(xiàn)了資源儲(chǔ)量的快速分割，并分塊報(bào)告。

1—鉆孔軌跡；2—礦權(quán)內(nèi)塊體；3—礦權(quán)外塊體

4.3 礦化富集規(guī)律

塊體模型的屬性著色能夠清楚直觀地瀏覽塊體基本屬性，不同的顏色配置和顯示風(fēng)格，能夠直觀地反映礦石品位的分布特征，便捷地研究元素的空間分布規(guī)律。圖11藍(lán)色、黃色、紅色塊體分別代表塊體Au含量<1×10-6、1×10-6～2.5×10-6和>2.5×10-6，直觀立體地顯示了礦化強(qiáng)弱區(qū)域，為資源評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。

1—鉆孔軌跡；2—Au<1.0×10-6；3—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；4—2.5×10-6≤Au

5 結(jié)論

(1)本文利用3DMine軟件，以鉆孔建模為主、剖面建模為輔的方法構(gòu)建了三維實(shí)體模型，采用距離冪次反比法對(duì)塊體模型進(jìn)行賦值，并系統(tǒng)介紹了“數(shù)據(jù)處理—3D實(shí)體模型構(gòu)建—信息提取—塊體模型賦值”的建模全流程，所用建模方法能夠較好地保證建模精度。

(2)礦體資源儲(chǔ)量估算結(jié)果與傳統(tǒng)的地質(zhì)塊段法估算結(jié)果相比，誤差3.18%。不同的約束條件和塊體屬性篩選功能，能夠快速便捷地實(shí)現(xiàn)礦體資源儲(chǔ)量分割、實(shí)時(shí)更新和礦化空間分布規(guī)律研究，滿足資源儲(chǔ)量管理需求。

致謝：論文資料收集和編寫(xiě)得到了山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院、上莊金礦同仁的支持和幫助，北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司提供了3DMine軟件學(xué)習(xí)和指導(dǎo)，審稿專家為論文提出了寶貴的建設(shè)性修改意見(jiàn)，在此一并表示誠(chéng)摯的謝意。