基于3DMine的礦體三維建模技術(shù)在某石墨礦勘查中的應(yīng)用

摘 要：【目的】常規(guī)的二維平面制圖軟件受制于技術(shù)特性無(wú)法滿足三維地質(zhì)建模需求，本研究以非洲坦桑尼亞境內(nèi)某石墨礦勘查項(xiàng)目為研究對(duì)象，以地質(zhì)工程師的專業(yè)解譯為指導(dǎo)，基于3DMine軟件進(jìn)行礦體三維建模，驗(yàn)證三維地質(zhì)建模技術(shù)在固體礦產(chǎn)資源勘查方面上的應(yīng)用效果?！痉椒ā渴紫龋罁?jù)原始地質(zhì)資料建立勘查工程數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，采用剖面法、實(shí)體法等建模方法，構(gòu)建礦體實(shí)體三維模型，系統(tǒng)介紹了三維環(huán)境下的地質(zhì)建模全流程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！窘Y(jié)果】實(shí)現(xiàn)了可視化條件下將地質(zhì)解譯轉(zhuǎn)化為對(duì)復(fù)雜礦體的精準(zhǔn)模擬與表達(dá)?！窘Y(jié)論】應(yīng)用實(shí)踐表明，3DMine軟件操作簡(jiǎn)便、算法先進(jìn)、模型可靠，能夠直觀、高效、精確地將地質(zhì)認(rèn)知與判斷進(jìn)行三維幾何圖形數(shù)字化模擬。在地質(zhì)勘查項(xiàng)目中應(yīng)用三維地質(zhì)建模技術(shù)，有助于充分挖掘勘查數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，提升勘查工作的信息化水平。

關(guān)鍵詞：3DMine；地質(zhì)解譯；三維地質(zhì)建模；勘查工程數(shù)據(jù)庫(kù)；實(shí)體模型

中圖分類號(hào)：P628 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）18-0096-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.018

Application of 3D Modeling Technology for Ore Bodies Based on 3DMine in the Exploration of A Certain Graphite Mine

LIU Kai

（Henan Second Geological and Mineral Investigation Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] Conventional 2D planar mapping software is limited by its technical characteristics， falling to meet the demand for the application of 3D geological modeling. Taking a graphite ore exploration project in Tanzania， Africa as the research object， guided by the professional interpretation of geological engineers， this paper carries out 3D modeling of ore bodies based on 3DMine software， which verifies the application effect of 3D geological modeling technology in the exploration of solid mineral resources.[Methods] Firstly， this paper establishes an exploration engineering database based on original geological data. Then， using modeling methods such as section method and entity method， a three-dimensional model of the ore body is constructed， which systemqtically introduces the entire process and key links of geological modeling in a three-dimensional environment. [Findings] The transformation of geological interpretation into precise simulation and expression of complex ore bodies under visual conditions was realized. [Conclusions] The application practice has shown that 3DMine software is easy to operate， advanced in algorithm， reliable in model， and can intuitively， efficiently， and accurately simulate geological cognition and judgment in three-dimensional geometric graphics digitization. The application of three-dimensional geological modeling technology in geological exploration projects is of great help in fully exploring the utilization value of exploration data and improving the informatization level of exploration work.

Keywords： 3DMine; geological interpretation; 3D geological modeling; exploration engineering database; entity model

0 引言

目前，在礦產(chǎn)資源地質(zhì)勘查項(xiàng)目中，大多運(yùn)用常規(guī)的二維平面地理信息系統(tǒng)軟件MapGIS6.7進(jìn)行勘查數(shù)據(jù)的數(shù)字制圖和找礦成果的信息化表達(dá)。然而，二維平面制圖軟件在表達(dá)各類地質(zhì)體之間的相互關(guān)系上具有較大局限性，不能直觀、精確地展現(xiàn)各類地質(zhì)體在自然界中的真實(shí)賦存狀態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算性能的提高和三維建模軟件技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，運(yùn)用這一技術(shù)可以有效解決上述問(wèn)題［1］。三維地質(zhì)建模 （3D Geosciences Modeling，3DGM）由加拿大工程地質(zhì)學(xué)家 Simon Houlding于1993年提出［2］，依靠計(jì)算機(jī)軟件，在三維環(huán)境下將地質(zhì)成果數(shù)字化、立體化、可視化、智能化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型的三維顯示和地學(xué)分析［3-5］。國(guó)外的三維建模技術(shù)發(fā)展比較成熟，而國(guó)內(nèi)的起步較晚，在固體礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域，三維地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段?；诖?，本研究以非洲坦桑尼亞境內(nèi)某石墨礦勘查項(xiàng)目為研究對(duì)象，以地質(zhì)工程師的專業(yè)解譯為指導(dǎo)，基于3DMine軟件進(jìn)行礦體三維建模，驗(yàn)證三維地質(zhì)建模技術(shù)在固體礦產(chǎn)資源勘查方面上的應(yīng)用效果。

1 勘查區(qū)概況

該石墨礦勘查區(qū)位于非洲東部國(guó)家坦桑尼亞境內(nèi)，地質(zhì)勘查程度為普查?？辈閰^(qū)東西長(zhǎng)為3.97 km，南北寬為8.61 km，地面高程最小為130 m，最大為620 m，勘查區(qū)總面積為34.18 km2。區(qū)內(nèi)布置勘探線19條，沿勘探線或在其附近開展勘查工程，工程以槽探為主，輔以少量鉆探，主礦體共取樣679件，最小品位值0.05，最大品位值20.42，算術(shù)平均品位值5.21。區(qū)內(nèi)礦體厚度較薄且薄厚不均，空間上分布交錯(cuò)，地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，給礦體圈連造成較大困難。

2 三維地質(zhì)建模軟件簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)外主流的三維地質(zhì)建模軟件主要有3DMine、Surpac、Micromine等［6-13］。3DMine軟件由北京東澳達(dá)科技有限公司于2007年研發(fā)，是一款服務(wù)于地質(zhì)、測(cè)量、采礦等技術(shù)應(yīng)用的三維工程軟件。該軟件采用先進(jìn)的三維幾何引擎技術(shù)，在借鑒、吸收國(guó)外同類軟件的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，充分考慮了國(guó)內(nèi)地質(zhì)勘查及礦山生產(chǎn)應(yīng)用的特點(diǎn)，與國(guó)內(nèi)通用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，更適合國(guó)內(nèi)地質(zhì)工程師的工作方式和技術(shù)要求，整體技術(shù)性能達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。該軟件具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，于2014年3月由中國(guó)礦業(yè)權(quán)評(píng)估師協(xié)會(huì)和原國(guó)土資源部資源儲(chǔ)量評(píng)審中心組織專家評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)并備案。

3 勘查工程數(shù)據(jù)庫(kù)

完備的地質(zhì)、勘探、測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)礦體圈定、三維模型建立及儲(chǔ)量估算起關(guān)鍵作用［14］?？辈閿?shù)據(jù)一般通過(guò)鉆探、坑探，槽探、物探等工程手段獲得，經(jīng)過(guò)地質(zhì)編錄記錄了位置、深度（長(zhǎng)度）、產(chǎn)狀、品位、巖性等信息。在3DMine軟件中，通過(guò)外接Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、組織和管理，并建立了數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形、模型間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系?？辈楣こ虜?shù)據(jù)庫(kù)的建立是軟件使用中最基礎(chǔ)、最重要的環(huán)節(jié)，務(wù)必要確保質(zhì)量。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)收集到的鉆孔探槽編錄表、采樣登記表、樣品分析結(jié)果表、鉆孔柱狀圖、探槽素描圖、勘探線剖面圖等資料進(jìn)行整理，按照格式要求（見表1）提取并錄入到電子表格中，這同時(shí)也是按照軟件應(yīng)用的要求對(duì)原始資料進(jìn)行的去偽存真、去粗取精的再加工過(guò)程。

3.2 導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)

按照勘查數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)，在軟件中建立與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)表和表字段，依次導(dǎo)入XLS格式的定位表、測(cè)斜表、巖性表與化驗(yàn)表。導(dǎo)入完成后，可通過(guò)軟件提供的“數(shù)據(jù)檢查”功能對(duì)數(shù)據(jù)表間是否匹配、數(shù)據(jù)片段是否缺失、樣品長(zhǎng)度超限等進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量合格。

該項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)共錄入探槽記錄15條，鉆孔記錄9條，測(cè)斜記錄40條，化驗(yàn)記錄679條。數(shù)據(jù)檢查無(wú)誤后，在“數(shù)據(jù)庫(kù)管理器”中可查看數(shù)據(jù)詳表，如圖1所示。對(duì)應(yīng)地，在圖形區(qū)顯示出由這些數(shù)據(jù)構(gòu)建的勘查工程三維模型，如圖2所示。

3.3 基本統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)建立后，軟件提供“基本統(tǒng)計(jì)”功能，對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)如品位、樣長(zhǎng)等進(jìn)行定量化分析評(píng)價(jià)，如圖3所示，為后續(xù)的特高品位處理、礦段圈定等工作提供判定依據(jù)。

4 地形表面模型

表面模型是三維模型的一種表述方式，其原理就是利用空間散點(diǎn)或線通過(guò)三角網(wǎng)構(gòu)建表面，具有一定的輪廓，可產(chǎn)生諸如陰影、渲染等效果［15］。該項(xiàng)目中，原始地形資料是經(jīng)實(shí)地測(cè)量后繪制的1∶2 000比例尺的DWG格式地形圖。將原始地形資料導(dǎo)入軟件，建立勘查區(qū)的三維表面模型，模型經(jīng)過(guò)彩色渲染，不同高程的地表使用不同的顏色顯示（如圖4所示），使勘查區(qū)的地表形態(tài)表達(dá)更加直觀明晰，也可使勘查工程在地面上的定位更加精確。

5 礦體實(shí)體模型

構(gòu)建礦體模型的方法主要包括鉆孔數(shù)據(jù)建模，勘探線剖面建模，混合集成建模和自動(dòng)建模［16-17］。剖面建模法是目前應(yīng)用較多的建模方法，利用勘探線剖面上的礦體輪廓線連接建模，方法成熟、操作快捷［18］。需要特別注意的是，在建模過(guò)程中，對(duì)地質(zhì)體形態(tài)的解譯會(huì)因地質(zhì)工程師的認(rèn)識(shí)水平不同而出現(xiàn)差異［19］。

實(shí)體模型是由空間三維三角面連接而成的封閉三角網(wǎng)，可用來(lái)描述三維空間形態(tài)的物體（如礦體）。對(duì)三維地學(xué)建模問(wèn)題，吳立新［20］提出了5種方法，分別為塊段構(gòu)模法、實(shí)體構(gòu)模法、線框構(gòu)模法、斷面法、表面法等，較為系統(tǒng)地對(duì)地質(zhì)體建模方法進(jìn)行了歸類。3DMine軟件的建模方法對(duì)于地質(zhì)工程師來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易行、理解方便，其原理類似于利用勘探線的布置來(lái)勘查礦體，建模方法可以歸類為實(shí)體構(gòu)模法。實(shí)體法生成的礦體模型能夠直觀地模擬礦體的空間形態(tài)，精確地定位及計(jì)算體積和表面積，按照任何方位切割剖面等。

5.1 建模流程

礦體三維建模的主要流程為：建立勘查工程數(shù)據(jù)庫(kù)→單工程礦段圈定→地質(zhì)解譯下的外推尖滅點(diǎn)定位→單剖面礦體圈連→剖面間三角網(wǎng)連接→生成實(shí)體模型→優(yōu)化、驗(yàn)證實(shí)體模型。

5.2 單工程礦段圈定

對(duì)于單個(gè)探槽或鉆孔，軟件提供了3種礦段圈定方法。

①手工礦段圈定：通過(guò)人機(jī)交互的方式，手動(dòng)進(jìn)行組合圈礦并得到對(duì)應(yīng)礦段的品位信息，有利于對(duì)礦體指標(biāo)的確認(rèn)。

②品位約束圈定：根據(jù)圈礦品位（邊界品位或多元素組合條件），夾石剔除參數(shù)，快速圈定所有的見礦段。

③巖性范圍圈定：對(duì)于多礦帶的分別圈定，通過(guò)礦帶或巖性代碼來(lái)進(jìn)行快速礦體圈定，但前提是在地質(zhì)編錄時(shí)對(duì)礦帶的區(qū)分要明確。

該項(xiàng)目綜合使用了手工礦段圈定和品位約束圈定。經(jīng)地質(zhì)工程師的解譯后，按照地質(zhì)編錄的產(chǎn)狀等資料推斷見礦中點(diǎn)的尖滅點(diǎn)，再投影到地形表面模型上，最后連接單剖面上的礦體輪廓線，經(jīng)圈定后的單工程礦體線如圖5所示。

5.3 剖面三角網(wǎng)連接

在各條勘探線上的閉合礦體線之間連接三角網(wǎng)，即可建立剖面間各種復(fù)雜礦體的實(shí)體模型。軟件中提供了最小表面積、等角度、距離等分3種三角網(wǎng)算法，不同算法之間的區(qū)別在于構(gòu)建的實(shí)體模型反映礦體實(shí)際輪廓的程度。

三角網(wǎng)的連接是一項(xiàng)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則有技巧性的技術(shù)工作。在該項(xiàng)目中，首先是要在地質(zhì)工程師的解譯指導(dǎo)下進(jìn)行三角網(wǎng)連接，將地質(zhì)判斷用軟件體現(xiàn)；其次是對(duì)礦體線的加密、抽稀提前處理，靈活使用控制線等；最后是不同三角網(wǎng)算法形成的模型間形態(tài)對(duì)比、擇優(yōu)選用。最終完成的勘查區(qū)主礦體實(shí)體模型如圖6所示。

5.4 實(shí)體驗(yàn)證

建立的礦體模型必須通過(guò)軟件中的實(shí)體驗(yàn)證。如果組成礦體模型的三角網(wǎng)存在自相交、無(wú)相鄰邊、重復(fù)邊和無(wú)效邊，則該礦體模型是一個(gè)無(wú)效的實(shí)體，無(wú)效實(shí)體不能進(jìn)行體積計(jì)算、空間約束、邏輯運(yùn)算等高級(jí)分析應(yīng)用，只有通過(guò)修改、重新連接使其符合實(shí)體算法約定，才是一個(gè)有效的、質(zhì)量合格的實(shí)體。本研究中的實(shí)體模型均通過(guò)驗(yàn)證，可為后續(xù)的模型應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。

6 結(jié)論

①如何將地質(zhì)工程師對(duì)勘查區(qū)的專業(yè)解譯，在軟件中轉(zhuǎn)換為精確表達(dá)勘探線剖面上礦體輪廓線的界定和剖面間礦體輪廓線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是礦體三維建模時(shí)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

②勘查區(qū)的地質(zhì)特征和勘查現(xiàn)狀決定了三維地質(zhì)模型所能模擬的精細(xì)程度和地質(zhì)認(rèn)識(shí)的深度。本研究勘查區(qū)現(xiàn)有以探槽為主的勘查工作對(duì)礦體形態(tài)控制程度較差，有待隨著勘查程度的提高對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

③地質(zhì)體的復(fù)雜多樣導(dǎo)致任何單一的方法和理論都難以適用于各種復(fù)雜形態(tài)礦體的建模，三維形態(tài)的多樣化也導(dǎo)致不同礦體的建模過(guò)程不盡相同，不同礦種、不同地質(zhì)條件、不同勘查階段的礦體建模應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。

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