張國亮，張海峰，周 勇

（1.宜昌市夷陵區(qū)礦山規(guī)劃設計所， 湖北宜昌市 443100；2.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北武漢 430071；3.化工部長沙設計研究院， 湖南長沙 410116）

基于Surpac的某珍珠巖礦三維建模與露天境界圈定

張國亮1，張海峰2，周 勇3

（1.宜昌市夷陵區(qū)礦山規(guī)劃設計所， 湖北宜昌市 443100；2.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北武漢 430071；3.化工部長沙設計研究院， 湖南長沙 410116）

以某珍珠巖礦為研究對象，基于三維可視化礦床建模技術，利用Surpac軟件構建該礦床的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和三維地質(zhì)體模型，在此基礎上確定最終開采境界，并對開采境界內(nèi)礦體進行品位估算和儲量計算，為合理開采礦山資源提供了科學依據(jù)。

可視化；地質(zhì)數(shù)據(jù)庫；實體模型；塊體模型；境界圈定

0 前 言

隨著計算機水平和礦業(yè)技術的快速發(fā)展，數(shù)字礦山建設已經(jīng)成為許多礦山企業(yè)的發(fā)展目標之一。三維可視化礦床建模是數(shù)字礦山的關鍵技術之一，該技術在數(shù)據(jù)處理和信息表達方面，具有高效、直觀等特點，可廣泛應用于礦山開采的各個方面［1］。國外的三維可視化礦床模型研究及軟件的開發(fā)和應用始于1970年代，經(jīng)過40年的發(fā)展，已相當成熟，礦業(yè)軟件的應用也極為廣泛，其中以礦床模型為代表的礦業(yè)軟件發(fā)展迅速。英國、澳大利亞和加拿大等國相繼推出用于地質(zhì)資料處理、礦床建模、采礦設計、計劃編制、測繪圖形處理等方面的商業(yè)軟件，并應用于許多礦山，取得了很好的經(jīng)濟效益［2］。國內(nèi)在該方面的研究較晚，自1980年代中期開始，國內(nèi)開始引進國外礦業(yè)軟件，經(jīng)過長期的研究，取得了許多成果，尤其是近幾年國外成熟礦業(yè)軟件的引進、借鑒與吸收，使得國產(chǎn)礦業(yè)軟件也有所發(fā)展，并在一些國內(nèi)礦山與科研設計單位進行實際應用，取得了一定的經(jīng)濟效益。

在露天礦的開采設計中，露天境界圈定是開采的首要任務，三維可視化礦床建模技術在露天境界圈定方面也具有突出的優(yōu)勢。傳統(tǒng)方法主要有手工方法和自動化方法2種［3－5］。手工方法繪圖和計算量太大，且精度較低，已很難滿足現(xiàn)代采礦設計的要求；傳統(tǒng)的自動化方法采用計算機按不同方案對開采境界進行自動優(yōu)化，使用初期由于受到計算機技術和礦業(yè)軟件水平的限制，在國內(nèi)未得到應有的推廣與應用。近年來，隨著礦業(yè)軟件的發(fā)展，軟件中基于自動化方法的露天境界圈定模塊也日臻成熟，與傳統(tǒng)方法相比，具有高度自動化、誤差低等優(yōu)點，故此在礦山開采設計中應得到足夠的重視與應用。

本文結合礦床建模和露天境界圈定的研究現(xiàn)狀，以某珍珠巖礦為研究對象，采用Surpac軟件進行三維建模，據(jù)此對露天礦最終開采境界進行圈定，進而建立開采終了DTM模型，結合塊體模型，對開采儲量進行分層計算，為合理開采礦山資源提供了科學依據(jù)。

1 工程概況

礦體沿長軸方向略向北東傾斜，底板南高北低，呈7°～10°的傾伏角。底板南部最高，為82m，向北逐漸降低。采區(qū)邊界控制的礦體南北長500m，東西寬230～340m，礦體南寬，北略窄。上覆第四紀地層，厚5～16m，礦體頂板標高為75～85m，底板標高在110～106勘探線間為0～25m，從104～100線由25m逐漸抬高至82m，礦體厚度由110～100線從90m逐漸變?yōu)?0m。采區(qū)礦體整體形狀呈半舟－正楔形。采區(qū)珍珠巖礦石大多為1級品，占80%以上，2、3級品僅在頂部、邊部局部以及102線以南分布。局部夾有凝灰質(zhì)頁巖、膨潤土和沸石礦體。底部為平緩微波狀，底板為膨潤土礦體，與珍珠巖λ－4礦體上下重疊共生，互為頂、底板關系，厚5～23m。

2 礦山三維建模

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的構建

地質(zhì)數(shù)據(jù)是礦山資源評估和采礦設計的基礎，地質(zhì)數(shù)據(jù)的完善性和可靠性直接影響著礦山的生產(chǎn)經(jīng)營和決策［6－7］。在Surpac軟件中，地質(zhì)數(shù)據(jù)庫包括鉆孔定位表、測斜表、地質(zhì)分析表和樣品（化驗）表，通過這4個表文件中不同地質(zhì)數(shù)據(jù)信息的有機組合，共同表征鉆孔的完整數(shù)據(jù)集合信息［8－9］，為地質(zhì)解譯（圈定礦體）、品位估算、儲量計算與管理以及后續(xù)采礦設計提供依據(jù)。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫結構見表1。

本文共收集和整理礦區(qū)6條勘探線上的鉆孔數(shù)據(jù)27個，化驗數(shù)據(jù)148個，按照Surpac軟件要求整理成4個文本文件，并導入Surpac軟件建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，通過設置顯示風格，可在三維空間內(nèi)顯示鉆孔詳細信息。圖1為該礦的三維空間局部鉆孔圖，沿鉆孔方向根據(jù)巖性差異賦不同顏色值，同時在鉆孔右側標注巖石類型和珍珠巖礦石品位，在左側標注鉆孔深度信息。

表1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫結構

圖1 礦山三維空間局部鉆孔示意

2.2 實體模型

在Surpac軟件中，建立礦體實體模型的方法主要有以下3種：

（1）剖面線法：主要適用于具有2個相似形狀的剖面之間三角網(wǎng)的連接；

（2）合并法：可用于水平或扁平礦體，如煤礦的建模；

（3）相連段法：適用于各種復雜情況下創(chuàng)建各種復雜的實體。

根據(jù)該珍珠巖礦地質(zhì)解譯圈定的礦體剖面形狀的相似性和個別礦體剖面形狀差異較大的情況，選擇剖面線法和相連段法建立實體模型，連接三角網(wǎng)的過程中需注意根據(jù)勘探資料對礦體邊界進行修正，使其符合實際。本文實體模型構建的基本步驟見圖2。

礦山實體模型的建立具有許多實際意義，可在真三維空間直觀反映礦體形狀、產(chǎn)狀和規(guī)模；結合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫提取所有位于礦體內(nèi)部的勘探樣品；為塊體模型提供約束條件，確定各塊體屬性的計算范圍；與塊體模型結合進行儲量計算；為后續(xù)采礦工程設計提供三維環(huán)境，并提供任意方位的剖面信息等。該珍珠巖礦礦體實體模型見圖3。

圖2 實體模型構建的基本步驟

圖3 珍珠巖礦礦體實體模型

2.3 塊體模型

2.3.1 塊體單元尺寸劃分與屬性設置

根據(jù)礦體形態(tài)、勘探工程控制網(wǎng)度及礦山生產(chǎn)實際，結合該珍珠巖礦礦體實體模型，按10m×10 m×5m尺寸劃分單元塊，最小塊尺寸為5m×5m×2.5m，整個礦區(qū)模型共計44932個單元塊。塊體模型用來存儲相關地質(zhì)信息，當它的基本幾何參數(shù)劃分完成后，需要對每個塊體單元賦予各種需要存儲的地質(zhì)屬性。該礦塊體模型屬性字段見表2。

表2 塊體模型屬性字段

2.3.2 塊體模型賦值

塊體單元尺寸劃分和屬性設置完成后，需要對塊體模型中的單元進行品位估算和著色。Surpac軟件中常用的估值方法有最近距離法、克里格法和距離冪次反比法。由于該礦區(qū)中珍珠巖、膨潤土、沸石巖和流紋巖交互共生，只能根據(jù)地質(zhì)約束進行樣品組合，而丟失了樣長因素，做基礎統(tǒng)計毫無意義，因此只能采用距離冪次反比法對塊體模型進行品位估值。通過設定橢球體的搜索參數(shù)，可以對任一塊體單元品位進行估算。

距離冪次反比法是最常用的空間內(nèi)插方法之一，該方法建立在區(qū)域化變量理論基礎之上［10］，假定區(qū)域化變量之間相關，并且可以定量地表示為樣點與待估值點之間的距離冪次成反比，利用該原理可推估未知塊體單元的品位值。待估品位值可用已知勘探采樣點的品位值與已知點權重的乘積表示，距離越遠，權重越小。距離冪次反比法可表示為

式中：C為待估中心鉆孔的品位；Ci為第i（i＝1，2，…，n）個塊體單元的品位；Di為已知采樣鉆孔與第i個鉆孔的中心距，即待估塊體單元中心與已知品位單元中心的距離；p為距離的冪次，它顯著影響內(nèi)插的結果，其選擇標準是最小平均絕對誤差，冪次越高，內(nèi)插結果越平滑。實際計算中冪值取任意整數(shù)次，但一般選擇1，2或3，本文選擇2作為計算冪次，即采用“距離平方反比法”。

在塊體品位估算完成后，為了能直觀地了解礦石的品位分布情況，需根據(jù)品位對塊體模型著色。圖4為該礦根據(jù)品位著色之后的塊體模型，其中，圖例數(shù)字表示礦石品位，不同的顏色代表相應的品位區(qū)間，形象地展示了礦床中礦石的品位分布情況。

圖4 珍珠巖礦塊體模型

3 露天采場境界圈定

3.1 圈定原則

（1）確保已探明的礦產(chǎn)資源能夠得到充分、合理地利用；

（2）確保礦山安全生產(chǎn)，防止采礦終了發(fā)生滑坡；

（3）圈定的礦石滿足工程建設服務年限要求；

（4）開采范圍與周圍的村莊、重要建（構）筑物、高壓線、公路等設施保持不小于200m的安全距離要求。

3.2 開采境界圈定

由于采礦許可證中所圈定的開采范圍以內(nèi)，除西南拐點處無礦外，其他均在礦體之上，且埋藏較淺，該礦體為近水平礦體，因此只需對102和104勘探線西端進行以“境界剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比”的原則驗證，根據(jù)經(jīng)濟合理剝采比（1～1.5）及礦體實際賦存條件，取1.5。而104勘探線處在礦區(qū)界線拐點處，根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀，為了維持邊坡穩(wěn)定必須進行擴幫工作，因此，只需對102勘探線進行境界剝采比的驗證。根據(jù)該礦開采現(xiàn)狀和相應的采場結構要素，在礦區(qū)平面圖基礎上利用Surpac軟件建立了露天坑開采終了DTM模型，如圖5所示。

圖5 露天坑開采終了DTM模型

三維境界表面模型建成之后，將已經(jīng)生成的珍珠巖礦體塊體模型置入最終開采境界之內(nèi)，用Surpac軟件按各開采水平對境界內(nèi)的礦石量進行分層計算，計算結果見表3。

表3 境界內(nèi)礦量計算結果

4 結 論

傳統(tǒng)采礦設計方式難以描繪礦體和采礦工程的空間形態(tài)，造成采礦設計效率低、儲量計算不準確、生產(chǎn)計劃粗略、采礦設計盲目等缺點。目前，基于三維可視化礦床模型的采礦設計是國內(nèi)外未來發(fā)展的主要趨勢之一，與傳統(tǒng)設計方式相比，具有地質(zhì)數(shù)據(jù)信息高度整合、真三維環(huán)境下顯示礦體模型、方便快捷查詢礦石品位等優(yōu)點。本文在引入三維可視化礦床技術的基礎上，采用Surpac軟件對某珍珠巖礦進行三維建模，形象地展現(xiàn)了該珍珠巖礦的礦體形狀、產(chǎn)狀、礦石品位分布等情況，使采礦技術人員能夠更清楚地把握礦體和品位分布，為采礦工程的科學設計、資源儲量和品位的動態(tài)管理及合理開采礦物資源提供了科學的依據(jù)。

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2011－11－24）

張國亮（1983－），男，河南浚縣人，助理工程師，主要從事礦產(chǎn)資源開發(fā)利用規(guī)劃及礦山儲量檢測等方面的工作。