田 雷,沙明光,秦 雷

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì),河南南陽(yáng) 473400; 2.南陽(yáng)市開(kāi)元藍(lán)晶石礦,河南南陽(yáng) 473400)

三維可視化建模技術(shù)在某鐵礦中的應(yīng)用

田 雷1,沙明光2,秦 雷2

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì),河南南陽(yáng) 473400; 2.南陽(yáng)市開(kāi)元藍(lán)晶石礦,河南南陽(yáng) 473400)

隨著地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,三維可視化技術(shù)在礦山建模中得到了廣泛的應(yīng)用。文章以某鐵礦為例,基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和方法,應(yīng)用能夠反映區(qū)域化變量特征的變異函數(shù),利用礦業(yè)軟件建立了礦山礦床、地表和工程實(shí)體模型。結(jié)果表明,建立的實(shí)體模型更加逼真地反映了礦山開(kāi)采現(xiàn)狀,儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果與用傳統(tǒng)方法計(jì)算的儲(chǔ)量接近,為采礦工作者進(jìn)行工程設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

三維可視化;實(shí)體模型;塊段模型

在傳統(tǒng)的地質(zhì)現(xiàn)象表達(dá)中,通常是以二維平面圖和剖面圖來(lái)表示地質(zhì)勘探的成果,這種方式存在著表達(dá)信息不充分,缺乏直觀感等特點(diǎn)[1]。近些年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速的發(fā)展,三維可視化技術(shù)在礦山建模中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。通過(guò)建立地質(zhì)體實(shí)體模型來(lái)研究礦床空間關(guān)系、分布規(guī)律以及進(jìn)行工程設(shè)計(jì)等工作正在逐步取代傳統(tǒng)手工方式[3]。三維實(shí)體模型不僅可以準(zhǔn)確、直觀地詮釋地質(zhì)體空間形態(tài),并且能夠?yàn)椴傻V工作者進(jìn)行輔助工程設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。本文以國(guó)內(nèi)某大型鐵礦為例介紹了三維可視化建模技術(shù)在礦山中的具體實(shí)踐及應(yīng)用。

1 礦床地質(zhì)條件

礦床賦存于震旦系上部層位,礦區(qū)構(gòu)造的總體特征是以褶皺為主、斷裂為輔。全礦區(qū)系一層礦,層位穩(wěn)定,標(biāo)志較明顯。呈北東-西南向展布,長(zhǎng)1 000 m。礦層厚度一般為2.5～8 m。

由于變質(zhì)作用,巖層原始層理大部分已被后期構(gòu)造片理(軸面片理)所掩蓋。在褶曲兩翼,層理于片理平行,唯在褶曲轉(zhuǎn)折端層理與片理交切成直角。后期褶曲的疊加,片理系統(tǒng)發(fā)生彎曲,產(chǎn)狀從南西向北東發(fā)生相應(yīng)得變化。礦區(qū)礦層形態(tài)變化,淺部(100 m標(biāo)高以上)較復(fù)雜,深部單一;兩端復(fù)雜,中部簡(jiǎn)單。

鐵主要賦存于磁鐵礦、鏡鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦及含鐵硅酸鹽等礦物中,并以前三種礦物為主。TFe平均含量為26.72%,最高含量為53.25%,礦石的品位比較穩(wěn)定。

2 地質(zhì)體模型的建立

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)及統(tǒng)計(jì)分析

地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含的信息有:孔口位置、測(cè)斜信息、樣品品位信息。地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)就是將不同的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息按照一定的有機(jī)關(guān)系,共同表示鉆孔完整信息的數(shù)據(jù)集合。

地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行品位推估的重要基礎(chǔ),數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性對(duì)于數(shù)據(jù)信息的變異性分析十分重要。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立過(guò)程中錄入的記錄有:開(kāi)口表共計(jì)528條,測(cè)斜表共計(jì)1 164條,樣品品位信息表共計(jì)10 215條記錄。總共448個(gè)地表鉆孔和80個(gè)生產(chǎn)勘探鉆孔的信息。

2.1.1 樣品統(tǒng)計(jì)分析

礦山礦床含有主要元素為Fe,對(duì)該礦床的主要元素品位Fe進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析的目的一方面是為了掌握礦床各元素的分布情況,另一方面是指導(dǎo)后面品位推估時(shí)采用何種方法進(jìn)行變異函數(shù)計(jì)算與分析。

分別對(duì)礦山的原始和組合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1、圖1、圖2所示,從原始和組合樣品的直方圖可以認(rèn)為礦山的Fe元素呈正態(tài)分布,QQ圖驗(yàn)證結(jié)果顯示符合此種分布,如圖3和圖4所示。從表1和圖1～圖4可見(jiàn),組合前后樣品品位均值變化較小,并且組合前后樣品品位的分布形式一致,說(shuō)明組合樣樣長(zhǎng)的選擇是正確的。

表1 礦山樣品品位基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)一覽表

圖1 原始樣Fe元素品位分布直方圖

圖2 組合樣Fe元素品位分布直方圖

圖3 原始樣Fe元素正態(tài)分布Q-Q檢驗(yàn)圖

圖4 組合樣Fe元素正態(tài)分布Q-Q檢驗(yàn)圖

2.1.2 組合樣品位結(jié)構(gòu)性和變異性分析

為利用樣品數(shù)據(jù),對(duì)塊段模型中相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行估值,除進(jìn)行各樣品參數(shù)的基本統(tǒng)計(jì)分析外(這是變異函數(shù)分析的基礎(chǔ)),還需要進(jìn)行變異函數(shù)分析,以確定各參數(shù)在空間上的相關(guān)性、結(jié)構(gòu)性。變異函數(shù)分析可以得到的基本參數(shù)包括:各參數(shù)的基臺(tái)值、各參數(shù)的塊金值、各參數(shù)的變程(即其空間相關(guān)性,指某一樣品段在三維空間上能夠影響的范圍)。

2.1.2.1 分析方向

按走向、傾向、厚度3個(gè)方向進(jìn)行變異函數(shù)的分析,詳細(xì)參數(shù)列于表2。

表2 變異性分析參數(shù)

2.1.2.2 變異函數(shù)計(jì)算參數(shù)

在進(jìn)行各個(gè)方向的變異函數(shù)計(jì)算分析時(shí),需要指定的參數(shù)包括:棱柱體的容差角、容差限、滯后距,計(jì)算的最大距離,各參數(shù)的設(shè)置列于表3。

表3 變異函數(shù)計(jì)算時(shí)設(shè)置的參數(shù)

2.1.2.3 變異性和結(jié)構(gòu)性分析結(jié)果

對(duì)礦山Fe元素的變異性進(jìn)行分析后的試驗(yàn)及理論變異函數(shù)如圖5所示。

圖5 Fe元素試驗(yàn)及理論變異函數(shù)圖

由上述試驗(yàn)及理論變異函數(shù)曲線圖可以看出,礦山Fe元素樣品品位具有明顯的結(jié)構(gòu)性和變異性,即品位值既是隨機(jī)的,又是與周圍一定距離內(nèi)的樣品值有關(guān)的。變異性參數(shù)列于表4。

表4 組合樣Fe品位在三個(gè)方向上的變異函數(shù)參數(shù)

2.1.2.4 變異函數(shù)參數(shù)交叉驗(yàn)證

為了確?？肆⒏窆乐档木?對(duì)理論變異函數(shù)參數(shù)的取值進(jìn)行檢驗(yàn),考察變異函數(shù)計(jì)算及擬合的效果的過(guò)程就是交叉驗(yàn)證。其基本原理:假定某已知樣品點(diǎn)處的品位是不知道的,根據(jù)其周圍的已知樣品點(diǎn),應(yīng)用計(jì)算得到的理論變異函數(shù)參數(shù)對(duì)該點(diǎn)處的品位進(jìn)行推估,然后計(jì)算該點(diǎn)處的實(shí)際品位與估計(jì)品位之間的誤差。如果交叉驗(yàn)證的平均誤差應(yīng)趨近于0、誤差的方差趨近于平均推估克立格方差、誤差分布應(yīng)屬于正態(tài)分布,且95%置信限應(yīng)位于正負(fù)兩倍的克立格方差范圍內(nèi),則理論變異函數(shù)參數(shù)是準(zhǔn)確的。

礦山交叉驗(yàn)證后誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖6和表5所示。由圖6和表5可見(jiàn),表4所列的關(guān)于礦山Fe元素的變異函數(shù)模型及其參數(shù)滿足交叉驗(yàn)證的判斷準(zhǔn)則,擬合的理論變異函數(shù)是比較準(zhǔn)確的,這意味著:塊段模型中Fe元素的品位值可依據(jù)已知樣品數(shù)據(jù),采用表4所列的變異函數(shù)參數(shù),由克里格估值理論方法推估而得。

圖6 誤差統(tǒng)計(jì)分析圖

表5 Fe元素品位變異函數(shù)參數(shù)的交叉驗(yàn)證結(jié)果

2.2 礦體模型

在現(xiàn)有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,根據(jù)已經(jīng)詮釋的工程剖面圖紙,以DXF文件格式導(dǎo)入可視化軟件中,按一定的比例進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到線框集,然后建立礦體模型,如圖7所示。

圖7 礦體模型

2.3 地表模型

地表模型是建立三維地質(zhì)實(shí)體模型的重要組成部分,建立好地表模型,可以對(duì)礦區(qū)所在位置在宏觀上有個(gè)完整的認(rèn)識(shí)。一些地表工程的設(shè)計(jì)和施工包括排土場(chǎng)、選場(chǎng)、井口等位置都是以地表模型為參考,同時(shí),地表模型作為邊界約束條件,還直接影響到技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工程量的計(jì)算。地表模型由若干地形線和散點(diǎn)生成,把地形線和散點(diǎn)以DXF文件格式導(dǎo)入可視化軟件中,系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值,將所有點(diǎn)(線亦由散點(diǎn)組成)聯(lián)成若干相鄰的三角面,然后形成一個(gè)隨著地面起伏變化的單層模型。根據(jù)礦山的地形圖生成的地表模型如圖8所示。

2.4 工程實(shí)體模型

工程實(shí)體模型根據(jù)礦山提供現(xiàn)有中段開(kāi)拓平面圖,通過(guò)矢量化過(guò)程后借助可視化軟件生成,如圖9所示。

2.5 礦體三維品位模型

地質(zhì)模型建立以后,要采用矢量模型與柵格模型相結(jié)合的方式來(lái)準(zhǔn)確、完整地表達(dá)地質(zhì)體的空間形態(tài)和內(nèi)部屬性[4]。體元模型可以按體元的類型分為四面體、六面體、棱柱體和多面體共4種類型[5],目前應(yīng)用較為廣泛的是六面體,如礦業(yè)軟件DataMine,MicroMine,Surpac等都是應(yīng)用六面體作為體元進(jìn)行實(shí)體建模,并稱為塊段模型[6,7]。本研究中也采用六面體的方式建立塊段模型。通常塊段模型中單元塊尺寸確定與勘探網(wǎng)度、采礦方法以及礦體形狀有關(guān)。本次建模塊度尺寸:8×8×8 m,在邊界處按4×4×4進(jìn)行次分。模型東方向單元塊塊數(shù):260塊;模型北方向單元塊塊數(shù):225塊;模型高程方向單元塊塊數(shù):50塊。

圖8 地表模型

圖9 工程實(shí)體模型

3 儲(chǔ)量計(jì)算

塊段模型建立好以后,可以根據(jù)上節(jié)的變異性分析結(jié)果和建立的實(shí)體模型對(duì)礦山礦體內(nèi)塊段模型應(yīng)用克里格方法進(jìn)行估值,然后按照不同的邊界品位對(duì)礦山的儲(chǔ)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表6。

表6 礦床地質(zhì)礦床模型儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié) 論

利用三維可視化建模技術(shù)建立實(shí)體模型更加逼真地反映地質(zhì)體空間形態(tài),根據(jù)建立的礦體模型可為品位估值、儲(chǔ)量計(jì)算、采礦設(shè)計(jì)等提供很好的平臺(tái),該項(xiàng)技術(shù)在礦山的發(fā)展應(yīng)用不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)采礦手段的發(fā)展,也將對(duì)我國(guó)礦山企業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程起到巨大的推動(dòng)作用。

[1] 曾慶田,王李管,李德,等.云南某銅礦資源及開(kāi)采環(huán)境評(píng)價(jià)可視化建模技術(shù)研究[J].礦冶工程,2007,27(3):15-19.

[2] 龔元翔,王李管,賈明濤,等.金川Ⅲ礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)體三維可視化建模技術(shù)研究[J].中國(guó)礦山工程,2007,(6):8-12.

[3] 王李管,曾慶田,賈明濤,等.復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造礦床三維可視化實(shí)體建模技術(shù)[J].金屬礦山,2006,(12):49-52.

[4] 畢林,王李管,陳建宏,等.基于八叉樹的復(fù)雜地質(zhì)體塊段模型建模技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(4):532-537.

[5] 吳江斌,朱合華.基于Delaunay構(gòu)網(wǎng)的地層3D TEN模型及建模[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(24):4 581-4 587.

[6] 畢思文,殷作如,何曉群,等.數(shù)字礦山的概念、框架、內(nèi)涵及應(yīng)用示范[J].科技導(dǎo)報(bào),2004,(6):39-63.

[7] 李清泉,李德仁.三維空間數(shù)據(jù)模型集成的概念框架研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1998,27(4):325-330.

Application of 3-D Visual Modeling Technique in a Iron Mine

TIAN Lei1,SHA Ming-guang2,QIN Lei2
(1.Geology and Mineral Resources Bureau of Henan Nonferrous Metal Second Geological Brigade, Nanyang473400,China;2.Nanyang City Kaiyuan Aquamarine Quarry,Nanyang473400,China)

With the development of the geological statistics,mathematics,computer graphics and network technology,three-dimensional visualization technology has been widely used in the mining model.Based on the theories and methods of geostatistics,the 3-D models of deposit,surface and engineering were established for a iron mine,in which the variograms reflecting the characteristics of regionalized variables were used designedly.The research shows that these models are vivid reflection of the mining current status,and the present results of reserves are comparable with that calculated by traditional method,which proves that the three-dimensional models could give reliable bases for engineering design.

3D visualization;solid model;block model

TD15

A

1003-5540(2010)04-0005-04

田 雷(1972-),男,工程師,主要從事野外地質(zhì)工作。

2010-05-26