劉淑英

(長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

基于三維可視化模型的礦床儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理方法

劉淑英

(長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

針對(duì)地下金屬礦山的特點(diǎn),從促進(jìn)地下采礦技術(shù)的可視化和數(shù)字化出發(fā),在分析礦床復(fù)雜介質(zhì)體特征的基礎(chǔ)上,提出了地質(zhì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理方式,闡述了基于三維可視化模型的礦床儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理模型與方法。

礦床儲(chǔ)量;三維地質(zhì)體模型;儲(chǔ)量管理

應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)提升我國(guó)地下礦山的設(shè)計(jì)、管理和決策手段及模式,是從事礦業(yè)相關(guān)領(lǐng)域研究的單位迫切需要考慮的問題。本文在分析礦床復(fù)雜介質(zhì)體特征的基礎(chǔ)上,研究分析了基于三維可視化模型的礦床儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理與品位控制技術(shù),以促進(jìn)地下采礦技術(shù)和管理的可視化、數(shù)字化。

1 礦床地質(zhì)體三維模型及數(shù)據(jù)管理

建立礦床模型是實(shí)現(xiàn)礦床開采可視化的第一步,也是礦山數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)之一。但礦床是一個(gè)極為復(fù)雜的地質(zhì)體,包括巖層、礦體、斷層等。由于受到各種地質(zhì)作用的影響,使得它的組成與形態(tài)變化多樣,尤其是它的地下賦存條件復(fù)雜多變。礦床地質(zhì)體特征包含礦床開采過程中發(fā)生相互作用和影響的各種因素。在礦山開采過程中,通常以平面圖表、文字等形式表示。在具體工作中,技術(shù)人員以及管理人員要根據(jù)這些平面圖表、文字等信息,憑借自身的空間想象力和平時(shí)的工作經(jīng)驗(yàn),對(duì)礦床地質(zhì)體特征在腦海中進(jìn)行三維重建。但由于想象力的發(fā)揮具有較大的主觀隨意性和不確定性,經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生對(duì)實(shí)際情況的錯(cuò)誤判斷,致使設(shè)計(jì)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤和偏差,導(dǎo)致管理中的決策失誤,造成生產(chǎn)的被動(dòng)和資源的損失。構(gòu)建可視化的礦床地質(zhì)體三維可視化模型,將為實(shí)現(xiàn)礦床地質(zhì)數(shù)據(jù)管理的可視化、采礦設(shè)計(jì)的數(shù)字化,以及相關(guān)生產(chǎn)管理的智能化奠定基礎(chǔ)。

礦床地質(zhì)數(shù)據(jù)是礦山資源評(píng)估、儲(chǔ)量計(jì)算和采礦設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),是礦山生產(chǎn)管理的重點(diǎn)。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)包括了海量的地質(zhì)和工程信息,地質(zhì)數(shù)據(jù)的完善性和可靠性,直接影響一個(gè)礦山的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和決策。因此,根據(jù)需要,可以采用不同的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來存儲(chǔ)地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)。

在分析地、測(cè)、采原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,可以采用三個(gè)基本的數(shù)據(jù)表,即鉆孔表、測(cè)量表、數(shù)據(jù)字典表來構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)。采用此基本數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu),有利于加強(qiáng)系統(tǒng)平臺(tái)的適應(yīng)性和系統(tǒng)的兼容性,有助于系統(tǒng)資源數(shù)據(jù)的整合。

鉆孔表主要包括鉆孔編號(hào)、鉆孔開孔位置(XYZ坐標(biāo))、最大孔深、鉆孔軌跡等。其它一些鉆孔信息,如鉆探時(shí)間、類型或者項(xiàng)目名稱,也都可以存儲(chǔ)在鉆孔表中。此處的鉆孔是廣義“鉆孔”,還可包括坑探、槽探工程的信息。

測(cè)量表用來存儲(chǔ)鉆孔測(cè)量信息,基本字段包括鉆孔號(hào)、鉆孔深度、鉆孔的方位角和傾角等。對(duì)于沒有測(cè)量過的垂直鉆孔,測(cè)量表的深度值就是鉆孔表中的深度值,方位角為0度,傾角為-90°?？捎肵、Y和Z字段存儲(chǔ)測(cè)量后糾正過的坐標(biāo)值,表中還可以加入定位中心等一些測(cè)量點(diǎn)信息的可選字段。

數(shù)據(jù)字典表用來存儲(chǔ)字符代碼,這些代碼可以等同于某范圍內(nèi)的數(shù)字值,也可以代表一個(gè)有效的字符字段。表的名字、待轉(zhuǎn)換的字段的名字、轉(zhuǎn)換后的代碼、代碼等同的數(shù)字范圍、代碼名字等都可作為數(shù)據(jù)字典表的基本字段。數(shù)據(jù)字典表實(shí)現(xiàn)從實(shí)際數(shù)據(jù)代表類型到用戶定義的等價(jià)字符之間的轉(zhuǎn)換,有助于數(shù)據(jù)的分析、表達(dá)和歸類。

除了上述3個(gè)基本數(shù)據(jù)表之外,根據(jù)系統(tǒng)需要,可建立地質(zhì)表、品位信息表等可選表。

地質(zhì)表主要包括以下字段:鉆孔號(hào)、樣品號(hào)、樣長(zhǎng)、樣品起始位置(XYZ坐標(biāo))、樣品終止位置(XYZ坐標(biāo))、樣品性質(zhì)(巖性、節(jié)理特征等)。

樣品表主要包括以下字段:鉆孔號(hào)、樣品號(hào)、樣長(zhǎng)、樣品起始位置(XYZ坐標(biāo))、樣品終止位置(XYZ坐標(biāo))、樣品品位等。

在基本表和可選表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上,即可選擇合適的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),建立地下礦山的地、測(cè)、采數(shù)據(jù)庫(kù),為采礦設(shè)計(jì)、儲(chǔ)量計(jì)算及管理服務(wù)。

坑探數(shù)據(jù)是生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)的主要來源之一,如何快速有效的獲取坑探樣品的有效信息并存儲(chǔ),是必須解決的問題。采用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)編制坑探數(shù)據(jù)批量處理模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)坑探數(shù)據(jù)的快速和批量化處理。模塊包括兩部分:第一部分是根據(jù)文本或電子表格中的數(shù)據(jù)生成坑探線,并將品位等地質(zhì)信息寫到圖形線文件的描述屬性中;第二部分是從包含坑探品位信息的圖形線文件中提取坑探信息,并存儲(chǔ)到地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 地下采礦動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量管理模型與方法

儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理便于生產(chǎn)礦山根據(jù)礦產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格變動(dòng)隨時(shí)計(jì)算出礦種的贏利臨界品位,自動(dòng)計(jì)算可采礦體地質(zhì)儲(chǔ)量,圈定可采礦體邊界,進(jìn)行三級(jí)礦量的計(jì)算和動(dòng)態(tài)管理,動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量管理與品位控制技術(shù)的基礎(chǔ)是礦床三維儲(chǔ)量塊體模型的建立。

2.1 儲(chǔ)量塊體模型建模

儲(chǔ)量塊體模型是礦床品位估算和儲(chǔ)量計(jì)算及管理的基礎(chǔ),其基本思想是根據(jù)已知的樣品品位信息按一定的數(shù)學(xué)方法對(duì)塊體模型進(jìn)行品位估算,然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行礦床儲(chǔ)量計(jì)算。

為便于儲(chǔ)量估算,采用塊體建模技術(shù)將礦床劃分為由許多單元塊組成的塊體模型。首先確定模型基本塊的尺寸,在基本塊尺寸的基礎(chǔ)上采用八叉樹算法,根據(jù)塊體模型和實(shí)體模型之間的關(guān)系,對(duì)單元塊進(jìn)行細(xì)分。采用基本塊對(duì)模型細(xì)分,在實(shí)體邊界,包括實(shí)體外邊界(如礦體邊界線)和實(shí)體內(nèi)邊界(如礦體內(nèi)夾石)采用更小的單元塊進(jìn)行細(xì)分。

基本單元塊的邊長(zhǎng)視具體情況而定,并不是單元塊越小,品位、礦量計(jì)算結(jié)果越精確。從地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論可知,在已知數(shù)據(jù)(即樣品數(shù)與樣品的空間分布)一定的條件下,單元塊越小,對(duì)其品位的估計(jì)誤差越大。當(dāng)單元塊小到一定程度時(shí),相鄰的幾個(gè)單元塊的品位估計(jì)值會(huì)非常接近,與它們的平均品位相差無幾,這種現(xiàn)象稱為平滑作用,故用一個(gè)大塊代替幾個(gè)小塊,品位與礦量的計(jì)算結(jié)果變化很小。這樣做可以降低對(duì)計(jì)算機(jī)容量的要求,加快計(jì)算速度。一般的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是,單元塊在水平方向上的邊長(zhǎng)不應(yīng)小于鉆孔平均間距的1/4或1/5。對(duì)于100 m的鉆孔間距,單元塊的邊長(zhǎng)一般取30m左右。

2.2 塊體儲(chǔ)量模型賦值

將礦床分為單元塊后,需要應(yīng)用某種方法對(duì)每一小塊的品位值進(jìn)行估計(jì),進(jìn)而計(jì)算礦床的儲(chǔ)量。常用的方法有3種,即最近樣品法、距離N次方反比法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)法(即克里格法)。三者均是基于樣品加權(quán)平均的概念,即對(duì)落在以單元塊為中心的影響范圍內(nèi)的樣品品位進(jìn)行加權(quán)平均求得單元塊的品位。3種方法的根本區(qū)別在于所用權(quán)值不同。

無論用什么方法對(duì)塊狀模型中每一單元塊的品位進(jìn)行估值,均需要確定由哪些樣品參與估值運(yùn)算。一般地講,對(duì)被估單元塊有影響的樣品(即落入影響范圍內(nèi)的樣品)都應(yīng)參與估值運(yùn)算。確定影響范圍和影響權(quán)值是品位估算的關(guān)鍵技術(shù)之一。

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)把礦床的品位看作是區(qū)域化變量,而控制這一區(qū)域化變量之變化規(guī)律的是地質(zhì)構(gòu)造和成礦作用。用于描述區(qū)域化變量變化規(guī)律的基本函數(shù)是協(xié)變異函數(shù)和半變異函數(shù)。對(duì)于任何礦床,都可計(jì)算出其協(xié)變異函數(shù)和半變異函數(shù),但在利用協(xié)變異函數(shù)對(duì)礦床中單元體的品位進(jìn)行估值時(shí),需滿足二階穩(wěn)定性條件。應(yīng)用半變異函數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí),需滿足內(nèi)蘊(yùn)假設(shè)。研究表明,在大多數(shù)情況下,品位的半變異函數(shù)的數(shù)學(xué)模型為球狀模型。球狀模型的特點(diǎn)是:半變異函數(shù)γ(h)隨距離h的增加而增加,當(dāng)h增加到變程a時(shí)γ(h)達(dá)到檻值。達(dá)到檻值后,γ(h)將不再增加。由于檻值為樣品的方差,這表明當(dāng)h≥a時(shí)樣品值變?yōu)橥耆S機(jī)的,樣品之間失去了相互影響。因此,半變異函數(shù)的變程a可以被看作是影響半徑的一種表述。然而當(dāng)存在各向異性時(shí),不同方向上的品位半變異函數(shù)具有不同的變程,因此,影響范圍是一橢球體,即各向異性橢球體。

影響范圍在品位估算、礦量計(jì)算中起著相當(dāng)重要的作用,在某些情況下,所選取的影響范圍不同,礦量計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大的差別。然而,確定合理影響范圍是一件不容易的事,需要對(duì)礦床的成礦特征有深入的了解,同時(shí)也需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.3 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量管理與品位控制方法

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量管理與品位控制建立在塊體儲(chǔ)量模型的基礎(chǔ)上,塊體儲(chǔ)量模型能夠準(zhǔn)確地反映出礦床的品位分布及分布規(guī)律,可為礦床前期開采規(guī)劃和后期生產(chǎn)延伸提供技術(shù)和決策支持。

塊體儲(chǔ)量模型中,礦塊的儲(chǔ)量是品位的函數(shù):

式中,R為礦塊儲(chǔ)量,而x(p,c)是礦產(chǎn)品價(jià)格p、成本c的函數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中,x(p,c)在綜合考慮市場(chǎng)價(jià)格和成本的基礎(chǔ)上,可以由下式確定:

式中,x0(p,c)為礦塊最低可采品位,xc為生產(chǎn)成品品位,c為計(jì)算出的噸礦生產(chǎn)成本,ρ為采礦貧化率,為選礦回收率。

由(2)可知,在儲(chǔ)量塊體模型的基礎(chǔ)上,可根據(jù)礦產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格變動(dòng)以及采礦及加工成本隨時(shí)計(jì)算出礦種的贏利邊界品位,從而確定不同邊際品位的礦塊儲(chǔ)量。

具體實(shí)踐中,在塊體儲(chǔ)量模型的基礎(chǔ)上,綜合考慮各種相關(guān)因素,通過分別建立品位約束、礦體約束、標(biāo)高約束、區(qū)域約束、空間實(shí)體約束等約束條件,建立不同約束和范圍內(nèi)的儲(chǔ)量品位模型,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量管理和品位控制。

3 應(yīng)用示例

某礦床為一大型接觸交代矽卡巖礦床,屬云英巖矽卡巖復(fù)合型鎢、錫、鉬、鉍多金屬礦床。根據(jù)礦體產(chǎn)出的部位,礦化特點(diǎn),以及礦石類型的不同,礦體劃分為4個(gè)礦帶(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦帶)。各礦帶之間一般沒有明顯的界線,多呈漸變過渡接觸關(guān)系。特別是Ⅱ、Ⅲ礦帶,主要根據(jù)蝕變類型,礦化強(qiáng)弱,有益元素組合及含量,借助化學(xué)分析結(jié)果來劃分。

根據(jù)礦床的三維實(shí)體模型,建立礦床塊體模型,礦床基礎(chǔ)塊體模型在X、Y、Z方向的延伸尺寸分別為1140,870,390m,模型范圍較大,而礦體整體成扁平透鏡狀產(chǎn)出。取基本單元塊尺寸為30m×30 m×15m,最小單元塊尺寸為1.875m×1.875m×0.937m。在基礎(chǔ)塊體模型的基礎(chǔ)上,通過礦體實(shí)體模型、夾石實(shí)體模型,分別建立礦床礦體約束、夾石約束文件,為塊體儲(chǔ)量模型賦值做好準(zhǔn)備。研究中,分別求取了礦床在3個(gè)方向上的品位變異函數(shù)類型及參數(shù),見表1。采用克里格法對(duì)礦床品位進(jìn)行估值和礦量統(tǒng)計(jì),計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 礦床品位變異函數(shù)參數(shù)及類型

礦床塊體儲(chǔ)量模型賦值之后,通過建立不同的約束,實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦床的不同空間范圍、品位范圍的儲(chǔ)量及品位的動(dòng)態(tài)分析及管理。包括儲(chǔ)量和品位的計(jì)算,按剖面線、品位、標(biāo)高、礦塊對(duì)儲(chǔ)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在塊體模型的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分別建立品位約束、富礦帶約束、標(biāo)高約束、區(qū)域約束等約束條件,建立不同約束和范圍內(nèi)的儲(chǔ)量品位模型。表3為按剖面線統(tǒng)計(jì)的礦床儲(chǔ)量。

表2 克里格法計(jì)算的礦床平均品位和儲(chǔ)量

表3 礦床儲(chǔ)量按剖面線統(tǒng)計(jì)

由表3可知,16～24線礦體比較厚大,品位較高,礦山前期規(guī)劃開采的富礦帶范圍正是在這一范圍之內(nèi)。這一范圍的礦量占了礦床總礦量的84%。

按標(biāo)高對(duì)礦床儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)后,可知礦床大多賦存在385～586m范圍內(nèi),該范圍內(nèi)的礦石儲(chǔ)量占了礦床總礦石儲(chǔ)量的95%。按品位對(duì)礦床統(tǒng)計(jì)后可知,,鎢元素品位主要集中在0.1%～0.7%的范圍之內(nèi),占整個(gè)礦量的86%。鉬元素品位主要集中在0.03%～0.09%品位范圍之內(nèi),占整個(gè)礦量的62%。鉍元素品位主要集中在0.05%～0.17%的范圍之內(nèi),占整個(gè)礦量的73%。

4 結(jié)束語

較之其他行業(yè),礦山開采的生產(chǎn)對(duì)象和過程有其特殊性。作為開采對(duì)象的礦體,其賦存條件不以人的意志為轉(zhuǎn)移,不同礦床甚至同一礦床不同區(qū)段的資源狀況、開采技術(shù)條件等都會(huì)千差萬別,在被采準(zhǔn)切割工程完全揭露之前,被認(rèn)知的程度是不全面的,采礦過程是一個(gè)隨著地、測(cè)、采等工程的開展不斷反饋、修正和優(yōu)化的動(dòng)態(tài)過程。在建立礦床三維模型的基礎(chǔ)上,采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對(duì)礦床品位進(jìn)行估值,并根據(jù)礦產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格和采礦成本建立礦床的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量模型,可實(shí)現(xiàn)礦床儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)管理。

[1]潘 冬.我國(guó)礦山數(shù)字化建設(shè)的探討[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006,(S1):36～39.

[2]潘 冬,李向東.基于SURPAC的礦山三維地質(zhì)模型開發(fā)[J].采礦技術(shù),2006,(3):499～501.

[3]陳忠強(qiáng),王李管,等.礦床三維可視化建模技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009,(9):59～62.

[4]羅周全,李 暢,等.金屬礦床可視化建模及儲(chǔ)量計(jì)算[J].礦冶工程,2009,29(1):10～14.

[5]盧晉敏,陳廣平,等.大黑山鉬礦三維礦體模型的構(gòu)建[J].礦業(yè)工程,2007,5(3):68～70.

2010-01-08)

劉淑英(1962-),女,河北衡水人,高級(jí)工程師,主要從事采礦技術(shù)等研究,Email:lsy@cimr.com.cn。