張長鎖

（北京礦冶研究總院，北京100070）

近年來，礦山工程中礦業(yè)軟件的應用日益廣泛。應用礦業(yè)軟件建立三維礦體模型來研究礦體分布空間關系和品位變化規(guī)律，并以此為基礎進行工程設計，替代傳統(tǒng)設計方式。三維礦體模型不但可以直觀、逼真地展示礦體空間形態(tài)，而且利用建立的礦體三維模型可以進行品位估值、儲量計算等，并為采礦工程設計提供基礎平臺。三維礦體模型還可用于資源評估、礦山生產(chǎn)設計、動態(tài)圈定礦體等。

礦床三維可視化建模已成為礦山數(shù)字化的一個重要方面，在礦山工程設計和生產(chǎn)管理中的應用日益普及。

本文介紹了Surpac軟件三維可視化建模技術在國內(nèi)某金礦的具體應用。

1 礦山地質(zhì)概況

某礦山礦體的產(chǎn)出主要受下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第二巖性段控制，礦體分布空間形態(tài)與賦礦巖層的產(chǎn)狀基本一致。礦體多為地毯狀、緩傾斜、埋深不大，礦體外殼上部大致與地表地形平行，自西向東，舒緩波狀展布。主礦體東西向展布，呈地毯狀，礦體產(chǎn)狀與地形坡面一致，南北長700m、東西寬550 m、垂深300m；傾向東，緩傾斜，傾角20°～30°。礦體產(chǎn)出最高標高1 812m，最低標高1 417m。礦體最厚145m，最薄2m，平均厚35m，金品位最高15.6g／t，平均品位0.81g／t。

2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是建立礦床三維模型的基礎。鉆孔樣品數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、實體模型和品位塊體模型的建立、品位估值和資源量／儲量計算以及平面圖、剖面圖繪制等都需要利用地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是包含鉆孔完整信息的數(shù)據(jù)集合，鉆孔中不同的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則關系進行組合。它是進行地質(zhì)信息解譯、品位估值、儲量計算與管理以及之后采礦工程設計等的基礎。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫由開口文件（Collar）、測斜文件（Survey）、樣品文件（Sample）、巖性文件（Geology）等構成［1－2］。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結構見表1。

Surpac在將地質(zhì)勘查報告提供的鉆孔數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)表的過程中，進行自動查錯，發(fā)現(xiàn)重復或錯誤的數(shù)據(jù)，將不進行導入，并形成錯誤報告，可以方便地按地質(zhì)報告校核數(shù)據(jù)，形成最終的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

表1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結構［3］Table 1 Structure of data in geological database

本次研究共錄入151個鉆孔的樣品數(shù)據(jù)，可以利用地質(zhì)數(shù)據(jù)庫很方便地進行查詢、編輯、字段運算、地質(zhì)統(tǒng)計分析等。錄入的數(shù)據(jù)經(jīng)檢測通過后即可在三維空間內(nèi)顯示鉆孔軌跡、方位、品位值和空間分布情況。

根據(jù)樣品樣長的分布，確定組合樣樣品的長度。由于絕大多數(shù)原始樣品樣長為1m，為盡量使用樣品的原始信息，樣品等長加權組合確定為1m。

為避免品位特異值對變異函數(shù)的結構性造成影響，需要根據(jù)統(tǒng)計結果對樣品數(shù)據(jù)進行特高品位處理，在本研究中分別根據(jù)各礦體品位變化系數(shù)的大小來確定具體的特高品位樣：

變化系數(shù)＜100，品位變化程度為均勻，特高品位下限值取平均品位的6倍；

變化系數(shù)100～160，品位變化程度為較均勻，特高品位下限值取平均品位7倍；

變化系數(shù)＞160，品位變化程度為不均勻，特高品位下限值取平均品位8倍。

用各礦體中金的特高品位下限值代替各自的特高品位。

通過對組合樣品品位數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計分析，如表2、圖1，結果顯示鉆孔樣品中金品位分布基本符合對數(shù)正態(tài)分布，可采用克里格法對礦體進行品位估值［4］。

表2 樣品品位統(tǒng)計分析結果Table 2 Statistical analysis of samples grade

圖1 樣品分布直方圖Fig.1 Samples distribution histogram

3 礦體圈定

綜合考慮推薦工業(yè)指標、樣品化學分析結果、礦體產(chǎn)狀特征、勘查類型、控制程度等因素，應用Surpac軟件進行交互式圈定礦體。礦體圈定原則如下：

1）圈定礦體及外推原則

當單工程礦體內(nèi)部有大于和小于邊界品位的樣品交替分布，但其厚度小于夾石剔除厚度，作為礦體一并圈入。

夾石剔除厚度按工業(yè)指標的規(guī)定執(zhí)行，即礦體中連續(xù)厚度≥4.0m、金品位＜0.3g／t部分作夾石，并在軟件中形成夾石實體模型。

在單工程圈定的基礎上，主要以礦體空間分布規(guī)律、控礦條件為主導因素，重點考慮礦體的產(chǎn)出位置及三維空間上的對應關系，在軟件中圈定礦體邊界線。

外推原則：見礦工程邊緣有未見礦工程控制，尖推兩工程間距的1／2為礦體邊界；見礦工程邊緣無工程控制，走向楔形外推相鄰勘探線距的1／2。

2）工業(yè)指標

圈定礦體采用的工業(yè)指標如表3。

表3 推薦工業(yè)指標表Table 3 Industrial indicators of recommended

4 實體模型建立

實體模型的建立主要分為定義剖面、圈定礦體、連接三角網(wǎng)、實體驗證、生成實體等步驟。

1）礦體實體模型

鉆孔是沿勘探線進行布置的，因此，在建立的鉆孔數(shù)據(jù)庫基礎上，沿各條勘探線建立地質(zhì)剖面，并利用鉆孔數(shù)據(jù)對剖面進行修正，然后在各剖面內(nèi)根據(jù)邊界品位、最小礦體厚度及夾石剔除厚度等指標圈定礦體的邊界，繪制線文件，然后將各剖面線文件順序連接，形成三維實體模型。形成的模型通過有效性驗證后，可進行體積計算、空間約束、邏輯運算等。

建立礦體三維實體模型除了可以實現(xiàn)三維顯示、計算體積、在任意方向上切取剖面、與來自于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)相交四種功能外，還可作為后續(xù)的品位估值和塊段分析進行線框約束的基礎，同時也可以通過計算礦體線框的體積，用來與塊段模型最后計算出的礦石儲量做參照［5－6］。本例中建立的礦體模型如圖2。

圖2 礦體三維實體模型及鉆孔空間位置分布圖Fig.2 3Dmodel of ore body and distribution of drill hole

2）地表模型

根據(jù)地形圖文件，利用Surpac軟件可以很便捷地建立地表模型（DTM文件），可用于剖面地形繪制，確定剝采地面邊界等，建立的地表模型如圖3。

3）巖性模型

巖性模型是根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)在各剖面上按照不同的巖性區(qū)域繪制線文件，并將各剖面同一巖性的線文件依次連接形成三維實體模型，可以更加直觀地表現(xiàn)礦體周圍圍巖的類型和分布規(guī)律，并以此限定礦體品位估值的范圍、計算儲量、圈定夾石。建立巖性模型可以更加精確地對礦巖邊界進行控制，同時 可以對礦體周邊的地質(zhì)信息進行更多的描述［7］。

圖3 勘探區(qū)地表模型Fig.3 Surface model of exploration area

5 塊體模型建立

塊體模型是在三維空間內(nèi)將礦床的實體模型依據(jù)勘探網(wǎng)度、礦體產(chǎn)狀、變異函數(shù)特征等因素在空間范圍劃分為三維方向上尺寸不等的眾多單元塊。應用地質(zhì)統(tǒng)計學原理和數(shù)學方法，由有限的已知品位值塊體來推估其周圍塊體的品位值，并賦值到礦體的每一個單元塊。利用塊體模型可以對礦床進行資源量估算和地質(zhì)可靠程度報告［8］。

為了使塊體模型能與實體模型更加貼合，在邊界處采用次級塊來進行擬合。

1）單元塊尺寸劃分

對于本次研究對象勘探線距為50m×50m和25m×25m，礦體的形態(tài)簡單，產(chǎn)狀水平，選擇塊尺寸為20m×20m×5m（北×東×高），將東次分塊數(shù)、北次分塊數(shù)和高程次分塊數(shù)均設置為5，得到子塊尺寸為4m×4m×1m。每個礦塊賦以礦石類型、礦段名稱標記；用礦體實體模型對塊模型進行賦值。把品位插值的搜索范圍分為8個扇區(qū)，為防止使用某一方向過多的樣品對一個點估值，限定每個扇區(qū)最多6個點，總點數(shù)至多48個點。生成的塊模型參數(shù)見表4。

表4 塊體模型參數(shù)表Table 4 Parameters of block model

2）估值方法選擇

根據(jù)礦體樣品統(tǒng)計分析結果，金品位服從對數(shù)正態(tài)分布，故對礦體塊模型用普通克里格法按基本搜索橢球參數(shù)對金品位進行估值，如有礦塊的金品位未能獲得估值，依次擴大“基本半徑”為80m、160 m進行搜索，直至所有塊的金品位都估算出結果。在估值時對每一個塊都記錄估值次數(shù)、參與估值的工程數(shù)、樣品數(shù)和樣品品位的標準離差。

3）搜索橢球體定義

根據(jù)礦體的總體走向、傾向、傾角確定搜索橢球的半徑、方位角、傾角、傾伏角和長度因子等，定義基本搜索橢球為40m×40m×20m，基本搜索橢球的定義參數(shù)見表5。

表5 礦塊模型中基本搜索橢球定義參數(shù)Table 5 Parameters of basic searching ellipsoid in block model

4）資源量分類

根據(jù)塊模型品位估值過程中的估算次數(shù)和參與估值的工程數(shù)對塊體模型的地質(zhì)可靠程度進行分級。礦段的勘探類型為Ⅱ類型，“探明的”工程網(wǎng)度為20～40m，且在礦體走向和傾向上應都有工程控制。本次資源量估算采用克里格方法插值時，基本搜索橢球體為40m×40m×20m（表4），礦體基本搜索橢球體走向方向為123°。當某一個塊用基本搜索橢球參數(shù)能估算出塊品位值時，再加上工程數(shù)≥2的限定條件，可使該塊在礦體走向方向和傾向方向有工程控制，就可認定該塊滿足“探明的”條件要求。當把“基本半徑”放大一倍時，對達到上述條件的塊可認定為滿足“控制的”條件要求；把再放大“基本半徑”才能估算出品位值的塊和不滿足前述兩個條件的塊認定為滿足“推斷的”條件要求。

地質(zhì)可靠程度分級和代碼見表6。

表6 地質(zhì)可靠程度分級和代碼表Table 6 Grades of geological reliability and their codes

完成估值后，用戶可在不同品位值的范圍內(nèi)或以不同的地質(zhì)可靠程度設置不同的塊顏色加以顯示，有助于用戶對礦體產(chǎn)狀、品位分布以及地質(zhì)可靠程度分級的理解。

6 儲量計算

塊體模型完成后，就可以進行精確的儲量統(tǒng)計，可以計算任意礦段的體積和儲量，并可以按照不同的品位區(qū)段和勘探等級進行分類，自動生成報告。本次研究礦體以0.3g／t為邊界品位，0.5g／t為最低工業(yè)品位，儲量計算結果見表7。

表7 儲量計算結果表Table 7 Results of reserves calculation

7 結語

應用Surpac軟件建立某金礦礦體的三維模型，包括實體模型和塊體品位模型。直觀形象地反映了礦體的產(chǎn)狀和品位分布特征，并可在此基礎上進行任意剖面的自動切取，計算任意范圍內(nèi)的儲量、金屬量、平均品位等。

建立的模型可用于礦山工程設計、資源儲量評估、礦山生產(chǎn)管理、動態(tài)儲量管理等方面。

利用三維可視化建模技術建立的實體模型可以更加直觀地反映礦體空間分布形態(tài)，建立的礦體三維模型可為品位估值、儲量計算、采礦工程設計等提供良好的基礎和工作平臺。

［1］ 趙春波，趙桂香，孫云東.Surpac軟件在烏努格吐山銅鉬礦建模的應用［J］.黃金，2010，31（2）：34－36..

［2］ 萬昌林，劉亮明，高 祥.大型露天礦山資源估算與開采境界優(yōu)化研究—以西藏驅(qū)龍銅礦為例［J］.金屬礦山，2010，39（1）：41－44.

［3］ 徐靜，胡乃聯(lián).Surpac軟件在某金銅礦山的應用研究［J］.黃金科學技術，2007，15（1）：54－58.

［4］ 余飛燕，朱思才，秦秀峰，等.埃塞俄比亞北部地區(qū)特瑞VMS型銅鋅礦床三維模擬及資源量估算［J］.礦產(chǎn)勘查，2011，2（2）：181－188.

［5］ 薄建芬，朱文峰.Surpac軟件在尖山鐵礦的開發(fā)與應用［J］.山西冶金，2009，32（4）：18－21.

［6］ 沙明光，易志強，秦 雷.三維可視化建模技術在礦山工程中的應用［J］.湖南有色金屬，2010，26（1）：10－14.

［7］ 龔元翔，王李管，馮興隆，等.三維可視化建模技術在某銅礦中的應用［J］.礦冶工程，2008，28（3）：1－4.

［8］ 李志民，高艷磊，于正興，等.Surpac Vision軟件在某露天礦的應用研究［J］.采礦技術，2009，9（1）：113－115.