周　鄧　姜勇彪

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院)

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基于3DMine的鄒家山鈾礦床3#礦帶三維模型構(gòu)建*

周鄧姜勇彪

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院)

三維可視化建模技術(shù)是實(shí)現(xiàn)礦山信息化的重要手段之一。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，基于建模理論，以鉆孔、勘探線剖面、采掘平面圖等資料為依據(jù)，通過(guò)3DMine軟件平臺(tái)對(duì)鄒家山鈾礦床3#礦帶的地表、礦體、巷道和地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了三維模型構(gòu)建，并詳細(xì)分析了各類三維模型的構(gòu)建方法，對(duì)于采掘進(jìn)工藝的優(yōu)化選擇有一定的參考價(jià)值，對(duì)于確保礦山安全生產(chǎn)以及提高資源開(kāi)發(fā)利用的效率也有一定的借鑒意義。

三維可視化建模3DMine空間展布特征采掘工藝

三維可視化建模技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。鄒家山鈾礦位于近NE向的贛杭火山巖型鈾成礦帶西南端，具備較好的成礦地質(zhì)背景，該礦具有50余a的開(kāi)采歷史，在此期間積累了大量的鉆孔、勘探線剖面、采掘平面圖等資料，大量學(xué)者先后對(duì)其成礦物質(zhì)來(lái)源[2]、流體包裹體[3-4]、礦床地質(zhì)特征[5]、控礦因素[6]等進(jìn)行了較深入的研究，但對(duì)該礦區(qū)三維可視化建模的研究相對(duì)缺乏。本研究基于研究區(qū)內(nèi)的礦體分布情況和構(gòu)造特征，以鉆孔、勘探線剖面、采掘平面圖等資料為依據(jù)，借助3DMine軟件平臺(tái)對(duì)鄒家山鈾礦床3#礦帶進(jìn)行三維模型(主要包括地面DTM、礦體模型、井巷模型以及構(gòu)造模型等)構(gòu)建，為該礦山資源開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)管理提供參考。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

鄒家山鈾礦床位于贛中地區(qū)相山火山盆地西北部，揚(yáng)子板塊與華南板塊兩大地質(zhì)構(gòu)造單元縫合線南部，介于NE向遂川—德興斷裂和近SN向鷹潭—安遠(yuǎn)斷裂之間[7]。該礦床屬熱液脈型鈾礦床，具有儲(chǔ)量大、品位高等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)火山巖型鈾礦領(lǐng)域占有重要地位。該區(qū)域地層特征較簡(jiǎn)單，基底為青白口系變質(zhì)巖，蓋層主要由白堊系打鼓頂組、鵝湖嶺組巖石構(gòu)成，打鼓頂組巖性主要為砂巖、流紋英安巖等；鵝湖嶺組巖性主要為凝灰?guī)r、碎斑熔巖等。礦體一般賦存于流紋英安巖、碎斑熔巖和次火山巖中，受鄒家山—石洞斷裂構(gòu)造裂隙帶的控制，呈脈狀、網(wǎng)脈狀分布，局部可呈侵染狀分布[8-9]。

2　3#礦帶三維模型構(gòu)建

2.1技術(shù)路線

3DMine可視化建模軟件具有較強(qiáng)的三維可視化功能，在建模過(guò)程當(dāng)中，可直接兼容AutoCAD、MapGIS、Datamine等多款軟件的數(shù)據(jù)格式，其數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可直接通過(guò)導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)源的方法實(shí)現(xiàn)，也可直接將矢量化的線文件轉(zhuǎn)換為Excel數(shù)據(jù)文件，對(duì)于提高建模效率較有效[10-12]。本研究基于鉆孔數(shù)據(jù)、勘探線剖面、采掘平面圖等地質(zhì)資料，利用 3DMine軟件進(jìn)行三維可視化建模研究，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1　技術(shù)路線

2.2模型構(gòu)建2.2.1地表DTM生成

DTM(Digitalterrainmode)即數(shù)字地形模型，是1個(gè)可表示地形分布特征的數(shù)組，是一種可直觀描述空間位置特征和地形屬性特征的三維表現(xiàn)形式，主要通過(guò)已知的坐標(biāo)信息(X，Y，Z)以離散分布點(diǎn)對(duì)連續(xù)的地面進(jìn)行模擬顯示[13]。

2.2.1.1等高線賦Z值

首先將相山火山盆地的等高線矢量文件導(dǎo)入3DMine軟件，利用裁剪功能對(duì)線文件進(jìn)行裁剪，選定建模區(qū)域，并檢查校對(duì)等高線是否存在間斷，是否存在冗余線或釘子角等邏輯錯(cuò)誤，并進(jìn)行相應(yīng)的修正處理；然后選擇“工具/線賦高程/賦Z值”或“工具/線賦高程/等值線賦高程”對(duì)所有等高線進(jìn)行賦值，賦值完畢后，對(duì)所有的等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行再次校對(duì)，確保其準(zhǔn)確性。

2.2.1.2DTM表面生成及展示

等高線Z值賦值完畢后，可在軟件中選擇“表面/生成DTM表面”，即可生成該地區(qū)的地表模型。然而自動(dòng)生成的模型是由不規(guī)則三角網(wǎng)組成的，因此在模型的邊界會(huì)出現(xiàn)冗余的三角網(wǎng)，對(duì)此，可選擇“實(shí)體/編輯三角網(wǎng)/刪除選擇框內(nèi)的三角片”或“實(shí)體/編輯三角網(wǎng)/刪除與橡皮線相交的三角片”對(duì)模型進(jìn)行修正處理，使其更加貼近實(shí)際。為使生成的圖形更加美觀，需對(duì)三角網(wǎng)的顯示參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。本研究選取的著色方案為“Rainbow”，渲染方式為“光滑渲染”，選擇插入圖例后在工具欄中選取“Gouraud渲染”，便可生成更具視覺(jué)觀賞性的模型(圖2)。

圖2　DTM表面模型

2.2.2數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建及三維展示

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是構(gòu)建三維體模型的基礎(chǔ)，因此在建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)，須確保其原始資料的完整性和準(zhǔn)確性。地質(zhì)數(shù)據(jù)資料主要來(lái)源于鉆探、坑探、槽探、物探、化探等方式[14]。本研究主要在鉆探的基礎(chǔ)上獲取鉆孔資料，基于鉆孔和勘探線剖面及其他輔助數(shù)據(jù)資料進(jìn)行地質(zhì)體建模。

2.2.2.1鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)一般由定位表、巖性表、測(cè)斜表、礦化表等一系列表文件組成。定位表表示定位鉆孔的位置信息，包括鉆孔編號(hào)、鉆孔坐標(biāo)(X，Y，Z)、鉆孔深度等；巖性表表示鉆孔的巖性信息，包括鉆孔編號(hào)、深度自、深度至、巖性和巖性代號(hào)等；測(cè)斜表描述鉆孔的空間展布特征，包括鉆孔編號(hào)、深度、傾角和方位角等；礦化表反映礦體的品位信息，包括鉆孔編號(hào)、深度自、深度至、品位等。本研究鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的步驟：①新建鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇“鉆孔/新建數(shù)據(jù)庫(kù)”，輸入數(shù)據(jù)庫(kù)名稱即可完成新建；②在數(shù)據(jù)庫(kù)中增加表文件，數(shù)據(jù)庫(kù)中默認(rèn)有定位表和測(cè)斜表，需手動(dòng)添加巖性表和礦化表；③設(shè)置表文件的內(nèi)在屬性，對(duì)于定位表和測(cè)斜表，軟件已自動(dòng)為之設(shè)置了字段名稱、類型、長(zhǎng)度和精度，巖性表、礦化表可適當(dāng)增加字段，本研究根據(jù)研究區(qū)建模需要在巖性表中增加了巖性、巖性代號(hào)、厚度等3個(gè)字段，字段類型設(shè)置為文本類型，在礦化表中增加礦石厚度、品位等2個(gè)字段，字段類型分別設(shè)置為雙精度數(shù)字；④將Excel數(shù)據(jù)源文件通過(guò)導(dǎo)入文本導(dǎo)入Excel軟件或通過(guò)剪貼板依次導(dǎo)入鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，若軟件提示導(dǎo)入錯(cuò)誤，則需對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行校對(duì)并及時(shí)修正，確保數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

2.2.2.2數(shù)據(jù)庫(kù)三維展示

打開(kāi)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)，依次對(duì)軌跡、鉆孔、圖案、文字、顯示風(fēng)格等信息進(jìn)行設(shè)定，其中顯示風(fēng)格的設(shè)置對(duì)于三維體模型的構(gòu)建具有重要意義。本研究對(duì)顯示風(fēng)格的設(shè)定主要有：①為區(qū)分巖性，將巖性表中巖性的顯示顏色進(jìn)行了設(shè)定，依次對(duì)凝灰質(zhì)粉砂巖、流紋英安巖、含變質(zhì)角礫碎斑熔巖、碎斑熔巖及第四系選取了不同顏色；②為便于下一步選擇礦體，對(duì)礦化表中品位的顯示顏色進(jìn)行了設(shè)定，品位自0.01%～1.87%均設(shè)置為紅色。在鉆孔顯示的頁(yè)面添加地表DTM后，若部分鉆孔的開(kāi)孔位置高于或低于地表DTM，則需調(diào)整數(shù)據(jù)庫(kù)中鉆孔的高程值，使其與地表DTM相一致，調(diào)整后的效果見(jiàn)圖3。

圖3　鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)與地表DTM展示

2.2.3礦體模型構(gòu)建與展示

礦體模型的構(gòu)建是整個(gè)三維建模工作的核心部分，不僅可在三維空間內(nèi)展現(xiàn)礦體的空間分布特征，也可為計(jì)算機(jī)輔助采礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、儲(chǔ)量計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持[15]。

2.2.3.1確定礦體品位分布

首先對(duì)品位曲線中的表名稱、字段、位置、類型、顏色等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中表名稱設(shè)置為礦化表，字段設(shè)置為品位，位置設(shè)置為右端顯示，類型設(shè)置為方框，顏色設(shè)置為黃色。為準(zhǔn)確把握礦體的分布情況，本研究嚴(yán)格按照《鈾礦地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T2 1999—2002)設(shè)定參數(shù)，選擇“鉆孔/組合樣品/按圈礦指標(biāo)組合”，將圈礦品位指標(biāo)設(shè)置為“≥0.05”，最小可采厚度設(shè)置為0.7m，夾石剔除厚度設(shè)置為0.7m，確定正確無(wú)誤后選擇“RBC”，即可顯示描述值，為礦體的圈定工作奠定基礎(chǔ)。

2.2.3.2礦體輪廓圈定

3DMine軟件具有切制剖面的功能，可將一定容差范圍內(nèi)的鉆孔投影至當(dāng)前剖面。首先將圖形窗口的三維模型轉(zhuǎn)換至XY平面；然后點(diǎn)擊工具欄中的“”按鈕，沿勘探線方向即可切割剖面；最后在品位分布的基礎(chǔ)上根據(jù)地質(zhì)規(guī)律和建模原則對(duì)礦體進(jìn)行圈定。具體圈連方法：①對(duì)于研究區(qū)同一勘探線上多個(gè)相鄰且含礦的鉆孔，若礦體賦存的位置相互對(duì)應(yīng)且符合地質(zhì)規(guī)律，可將其連接成為同一個(gè)礦體；②對(duì)于研究區(qū)同一勘探線上多個(gè)不相鄰且含礦的鉆孔，可按照相應(yīng)勘查工程間距的1/2尖滅礦體。

2.2.3.3礦體模型構(gòu)建

礦體輪廓圈定完畢后，將各勘探線中圈定的礦體輪廓線置于三維狀態(tài)下，利用“實(shí)體/連接三角網(wǎng)/閉合線內(nèi)連接三角網(wǎng)”功能構(gòu)建礦體面模型。對(duì)于相鄰勘探線而言，若賦存礦體的位置相互對(duì)應(yīng)且符合地質(zhì)規(guī)律，可利用“實(shí)體/連接三角網(wǎng)/閉合線間連接三角網(wǎng)”功能構(gòu)建礦體模型；若賦存礦體的位置不對(duì)應(yīng)或不符合地質(zhì)規(guī)律，則需將礦體外推、尖滅。選擇“實(shí)體/連接三角網(wǎng)/擴(kuò)展外推線體”，按照勘探線工程間距的1/2楔形外推或1/4平行外推(圖4)。

圖4　礦體模型

2.2.3.4實(shí)體模型驗(yàn)證

礦體模型構(gòu)建完畢后，需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，檢查是否存在邏輯錯(cuò)誤(如自相交三角形、無(wú)效三角形、開(kāi)放邊線等)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)體編輯完善模型，使其最終通過(guò)驗(yàn)證。

2.2.4巷道三維模型構(gòu)建與展示

巷道三維模型可較為直觀地展示巷道間的空間分布關(guān)系，可對(duì)采礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理等工作提供依據(jù)。根據(jù)巷道長(zhǎng)軸線與水平面的三維空間關(guān)系，可劃分為直立、水平和傾斜巷道3類。

2.2.4.1水平巷道建模

對(duì)于所有水平巷道而言，均可對(duì)其中心線賦以高程值，由中心線直接生成巷道模型，但通過(guò)該方法構(gòu)建的巷道模型是獨(dú)立且封閉的，可通過(guò)布爾運(yùn)算將所有相互連接的水平巷道相互貫通，使其貼近實(shí)際[16]。巷道中心線賦以高程值后，也可首先將中心線生成腰線，然后通過(guò)腰線構(gòu)建巷道模型，該方法優(yōu)點(diǎn)在于各巷道的交匯處是相互貫通的。本研究具體建模步驟：收集了標(biāo)高為-10、30、70、110、150m的采掘平面圖，在此基礎(chǔ)上首先分別繪制巷道中心線，并將該類線文件依次導(dǎo)入建模軟件，利用“線賦高程”功能分別對(duì)其進(jìn)行賦值處理；然后利用“地下/巷道模型/由中線生成腰線”功能將中心線生成腰線，通過(guò)腰線構(gòu)建巷道模型。

2.2.4.2直立、傾斜巷道建模

直立巷道即長(zhǎng)軸線與水平面方向相互垂直的巷道，如主井、副井、風(fēng)井、盲立井等。傾斜巷道即長(zhǎng)軸線與水平面方向成一定角度的巷道，如斜井、暗斜井等。首先在采掘平面圖中找到直立、傾斜巷道的位置，依次連接相鄰且對(duì)應(yīng)的巷道；然后以連接線為中心線生成巷道模型。具體方法：①將標(biāo)高為-10、30、70、110、150m的采掘平面圖依次導(dǎo)入建模軟件并賦以相應(yīng)的高程值；②連接相鄰且對(duì)應(yīng)的巷道中心線，并由中心線直接生成巷道模型；③通過(guò)軟件中的布爾運(yùn)算約束實(shí)體，使相互連接的巷道保持暢通(圖5)。

圖5　巷道模型

2.2.5構(gòu)造模型構(gòu)建與展示

地質(zhì)構(gòu)造模型不僅可直觀地展示地質(zhì)構(gòu)造的空間展布特征，也可反映構(gòu)造與礦體間的相互關(guān)系。其中構(gòu)造最明顯的表現(xiàn)方式為斷層，因此本研究以斷層為主構(gòu)建構(gòu)造模型，主要通過(guò)鉆孔和勘探線剖面相結(jié)合的方法構(gòu)建斷層模型，具體操作方法為：

(1)繪制斷層線。首先查找與斷層相對(duì)應(yīng)的鉆孔，然后對(duì)照鉆孔所在的勘探線剖面繪制斷層線，若斷層在鉆孔中未見(jiàn)及但在勘探線剖面中實(shí)際存在，則需根據(jù)勘探線剖面的標(biāo)志層(礦體)和斷層的產(chǎn)狀進(jìn)行勾勒繪制。

(2)斷層模型構(gòu)建。斷層模型有斷層面模型和斷層帶模型2種形式[16]，建模方法：①斷層面模型，對(duì)于相鄰勘探線間未閉合的斷層線，可通過(guò)開(kāi)放線到開(kāi)放線的方法生成面模型，對(duì)于不相鄰勘探線間未閉合的斷層線，可根據(jù)地質(zhì)規(guī)律與建模原則將其尖滅至點(diǎn)或線；②斷層帶模型，對(duì)于同一勘探線中閉合的斷層線，可通過(guò)閉合線內(nèi)連接三角網(wǎng)的方法生成面模型，對(duì)于相鄰勘探線間閉合的斷層線，可通過(guò)閉合線間連接三角網(wǎng)的方法生成體模型，對(duì)于不相鄰勘探線間閉合的斷層線，可通過(guò)閉合線間連接三角網(wǎng)的方法生成體模型(圖6)。

圖6　構(gòu)造模型

3　結(jié)　語(yǔ)

基于3DMine軟件，對(duì)鄒家山鈾礦床3#礦帶進(jìn)行了可視化建模研究，對(duì)地表、礦體、構(gòu)造、井巷工程三維建模方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)構(gòu)建該類三維模型，可直觀展現(xiàn)礦體、構(gòu)造的分布形態(tài)，為進(jìn)一步研究礦體與構(gòu)造的關(guān)系以及進(jìn)行儲(chǔ)量估算提供了依據(jù)。

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ConstructionoftheThree-dimensionalModelofthe3#OreBeltofZoujiashanUraniumDepositBasedon3DMine

ZhouDengJiangYongbiao

(CollegeofEarthSciences,EastChinaInstituteofTechnology)

Thetechniqueofthree-dimensionalvisualizationmodelingisoneoftheimportantmethodstoachievemineinformatization.Basedonthepreviousstudyresults,themodelingtheoryandthebasicinformationofdrillings,prospectinglineprofilesandminingplans,thesurface,ore-body,roadwayandgeologicalstructuremodelofthe3#oresectionofZoujiashanuraniumdepositareestablishedbyadopting3DMinesoftware.Thespatialdistributioncharacteristicsofthemodelsareshown,besidesthat,themethodsofthethree-dimensionalmodelingareanalyzedindetail.Theabovestudyresultscanprovidesomereferencefortheoptimizationselectionofminingandexcavationtechniques,besidesthat,italsohascertainreferencesignificanceforensuringminingsafetyproductionandimprovingtheefficiencyofresourcesutilization.

Three-dimensionalvisualizationmodeling, 3DMine,Spatialdistributioncharacteristics,Miningandexcavationtechnique

2015-10-14)

*中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目(編號(hào)：1212011220248)。

周鄧(1988—)，男，碩士研究生，344100 江西省撫州市臨川區(qū)學(xué)府路56號(hào)。