李趙陽， 周文文， 苗智聰

(中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心湖北總隊,湖北 武漢 430030)

隨著計算機硬件及軟件技術的發(fā)展,數字化成為時代發(fā)展的必然趨勢，礦產勘查領域同樣在這場數字化浪潮中有了飛速發(fā)展。自1993年加拿大工程地質學家Simon Houlding提出三維地學建模(3D Geosciences Modeling,3DGM)以來,國外三維建模技術發(fā)展迅速并日趨成熟,目前獲得原國土資源部及中國礦業(yè)權評估師協會認可的國外礦產資源估算軟件主要有英國的DATAMINE、美國的MINESIGHT、澳大利亞的Micromine和Surpac[1]。國內三維地質建模技術起步較晚,能實現真三維的地質建模軟件較少,主要有3DMINE及DIMINE。目前,除油氣及有色金屬礦以外，大多數地質勘查項目仍未進行三維地質建模應用,未來三維地質建模系統(tǒng)發(fā)展前景十分廣闊[2]。

目前,3DMINE軟件在礦產資源量估算中應用廣泛,已應用于金屬、非金屬、核工業(yè)、煤炭、建材等固體礦產領域,在地質勘探數據庫管理、礦床地質模型建模、露天及地下采礦設計和礦山三維可視化管理方面具有其獨特優(yōu)勢。在金屬礦勘查領域,該軟件應用已較為成熟,但在非金屬礦勘查領域,尤其在石灰?guī)r礦勘查中,其應用仍處于起步階段。此次工作針對石灰?guī)r礦山,發(fā)掘了軟件在使用過程中可簡化的操作步驟,可為該類型礦山在后續(xù)使用該軟件提供指導及建議,使其能更好地服務于生產活動。

此次三維地質建模工作基于3DMINE軟件,通過導入處理后的無人機實測礦區(qū)地形數據,建立三維地表模型；通過建立礦區(qū)化學分析測試數據(及)鉆孔數據庫,為剖面創(chuàng)建提供了數據基礎[3]；通過確定開采邊界及開采邊坡角，圈定勘查線剖面上礦體空間邊界；利用邊坡線及地表工程控制,在剖面上確定不同資源量類別范圍,并形成閉合曲線；通過確定勘查線之間礦體對應關系,建立礦體的實體模型；建立實體模型,根據其空間展布形態(tài)及大小,建立塊體模型；通過對塊體及次級塊體賦值,從而能夠對礦床資源量進行精確估算[4]。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)大地構造位置位于揚子準地臺上揚子臺坪之鐘祥臺褶束；巖層產狀平緩,變化較小，傾向為215°～270°,傾角一般為5°～24°。礦體來自二疊系下統(tǒng)茅口組第二段(P1m2),礦石類型主要為生物碎屑灰?guī)r。

該礦床成因類型屬沉積型,總體呈層狀單斜產出。礦體延伸長度>1 400 m(工程控制1 200 m),整體連續(xù)性較好。根據以往類似礦床勘查經驗,將本礦床勘查類型定為Ⅰ類[5],此次工作程度為勘探,圈定控制資源量的勘查工程間距為400 m,以200 m工程間距控制探明資源量。勘查工程揭露及控制結果表明，礦體出露寬度為179.13～452.52 m,厚度為55～84 m,平均厚度為68.9 m,厚度基本穩(wěn)定；礦體單工程平均品位：CaCO3+MgCO397.38%,MgO 0.41%,黏土質及殘渣1.89%；單樣品位主要化學成分變化系數較小,礦體內部結構穩(wěn)定,無夾層,礦體形態(tài)整體較為簡單。

2 地表模型建立

在建立礦區(qū)控制點后,采用無人機對礦區(qū)地形進行高精度航測,后由測繪人員進行實地補測。經修測和檢測無誤后,對最終數據加以修正完善,經南方CASS軟件處理生成礦區(qū)地形圖(圖1)。將處理后的高程數據導入3DMINE,導入后的數據需進行清理查錯、清除重復點、清理冗余點、清除釘子角及自相交線,然后生成DTM面。

圖1 礦區(qū)范圍內地表模型DTM面Fig.1 Surface model DTM surface in mining area

模型建立要點：無人機航測數據量巨大,需進行前置處理,否則后期建立模型過程中會因局部數據量過大造成DTM面加載過慢,并造成后期實體與面之間的布爾運算過程無響應或崩潰；CAD格式帶屬性的地形線導入系統(tǒng)過程中亦需要檢查地形線交叉重疊、無屬性高程及“釘子角”問題。

3 勘查工程數據庫建立

3DMINE鉆孔數據庫主要包括兩大部分內容一部分為控制礦體深部形態(tài)的鉆孔,另一部分為控制地表礦體分布的探槽。3DMINE中將探槽數據視為鉆孔數據,導線方位角及傾角視為鉆孔不同深度的測斜數據,其數據錄入方式與鉆孔相同。

3.1 數據錄入

鉆孔數據庫底層依賴于微軟的ACCESS數據庫管理系統(tǒng),數據以表的形式存儲于數據庫中,此次共錄入17個鉆孔(含探槽)。數據錄入表的過程中,需注意字段類型、字段長度及數字精度的設置,否則會引起后續(xù)數據庫數據提取后的計算錯誤。數據錄入后需用系統(tǒng)鉆孔數據檢查功能,檢查鉆孔的分析測試數據及鉆孔孔深與取樣位置是否存在邏輯錯誤。

3.2 數據顯示

將17個鉆孔數據錄入檢查無誤后,在3DMINE左側層瀏覽器中右擊鉆孔數據庫,點擊顯示,進行鉆孔數據庫顯示風格設置,可顯示全部及部分鉆孔,在鉆孔兩側可分別設置顯示樣品、樣段、樣品號及巖性品位信息等。鉆孔數據的顯示能極大提高數據可視性,能直觀分析礦區(qū)內礦體品位分布及礦體展布形態(tài)(圖2)。

圖2 鉆孔數據顯示Fig.2 Drilling data display

數據庫建立要點：基于系統(tǒng)內部特點,探槽及鉆孔數據均以鉆孔形式存儲調用；在數據錄入過程中,特別需注意字段類型設置,字段類型直接影響數據存儲形式及后續(xù)數據庫數據調用；數據輸入后,利用系統(tǒng)內置檢查功能逐一檢查各項數據,直至彈出0條錯誤記錄為止。

4 勘查線數據導入及礦體圈定

4.1 剖面數據導入及顯示

根據鉆孔測試結果,對勘查線剖面礦體邊界按照邊坡設計角度進行礦體圈定,剖面上分別確定探明資源量塊段、控制資源量塊段及推斷資源量塊段,并依次編號。勘查線剖面礦體圈定后,需將二維的勘查線剖面放置于三維的礦區(qū)DTM模型中,通過系統(tǒng)中的坐標轉換功能,將二維的剖面圖準確轉換于三維視圖中(圖3)。

圖3 二維勘查線數據三維可視化顯示Fig.3 3D visualization of 2D exploration line data

4.2 礦體圈定原則

此次工作礦體按照一般工業(yè)指標[5]進行圈定,鉆探工程及測試結果顯示礦體內部無夾石。單工程控制的礦體,以工程間距1/2尖滅,沿勘查線兩側方向,均以1/2工程間距平推,向下以≤55°邊坡角下切至最低開采標高；當礦區(qū)外推邊界位置在1/2工程間距范圍內時,以礦區(qū)邊界處≤55°邊坡角向下切至最低開采標高。

4.3 實體模型建立

實體模型按資源量類型分批次建立,依次按照探明資源量、控制資源量、推斷資源量分別確定每條勘查線對應資源量的范圍,確保資源量范圍曲線為封閉曲線后,把該范圍以選擇集的形式保存[6]。將同一資源量類型的資源量范圍線全部處理保存完畢后,利用實體菜單進行三角網的勾連,期間需注意輔助線的運用,同時注意三角網的自相交、無效邊及開放邊,否則實體無法通過驗證。通過驗證后的實體即為不考慮勘查線間地形起伏的數學模型,因此還需將該數學模型與地表模型進行布爾運算,通過布爾運算保留地表模型以下的實體,即可建立對應該種資源量類型的真三維模型(圖4),此時可用實體菜單中的實體體積功能,對該實體體積進行初步計算。

圖4 礦體空間展布三維模型Fig.4 3D model of orebody spatial distribution

實體模型建立要點：此次礦體圈定充分依賴化學分析結果及勘查線剖面圖,因此在實體模型建立前,需保證測試結果及勘查線剖面圖的正確性,否則將直接影響礦體在勘查線間的三維形態(tài)；同時,在實體模型建立過程中,需充分靈活利用實體工具并手動調整部分三角網,需將自相交的三角網、無效邊及開放邊逐一清理完畢,以得到能通過驗證的實體。

5 資源量估算

本礦床屬沉積巖型礦床,礦體整體呈單斜產出,礦體形態(tài)較為穩(wěn)定；在勘查過程中,勘查線也基本垂直礦體總體走向,相鄰勘查線間礦層基本能相互對應,因此勘探成果中資源量估算方法采用平行斷面法。用平行斷面法對礦區(qū)內探明資源量進行估算，結果顯示礦區(qū)范圍內總探明資源量為676.7萬t。

5.1 塊體模型建立

在3DMINE中,資源量的估算基于地質統(tǒng)計學的估算方法,主要考慮了礦石空間范圍內品位的變化,通過變異函數對每一個塊體及次級塊體進行賦值。根據實際開采需求,塊體尺寸定為5 m×5 m×1 m,次級塊體尺寸為2.5 m×2.5 m×0.5 m,塊體尺寸不宜設置過小,否則會造成后續(xù)系統(tǒng)處理數據量過大,導致計算機運算量過大、響應緩慢。同時更小的塊體尺寸對最終計算數據精確度影響極小,因此塊體尺寸根據需要設置即可[7]。

在左側層瀏覽器中,在塊體模型上右擊建立新屬性,此次制灰用石灰?guī)r礦主要為計算礦石總重量,即求出礦石體積及密度,礦體實體模型已建立完畢,因此塊體屬性僅需設置密度一項即可,屬性名為礦石密度,設為浮點類型,默認值設置為-1。

5.2 搜索橢球體參數的確定

搜索橢球體參數的確定需根據礦體產狀及工程間距確定,礦體整體呈單斜層狀產出,總體走向為北西—南東向,產狀平緩且變化較小。橢球體主軸方向一般與礦體走向方向保持一致(圖5),次軸方向設為傾向方向,厚度方向設為短軸方向,主軸搜索半徑一般為礦體走向方向控制距離的1.5～2.0倍[8],此次設為300,次軸半徑為礦體在傾向方向工程控制距離的1.5～2.0倍,短軸厚度為礦體平均厚度,主軸方位角為在XY平面內礦體走向方向,主軸傾角為礦體與XY平面的夾角,次軸傾角為礦體傾向方向與XY平面的夾角。此次礦體在走向方向控制總長度為1 200 m,傾向方向控制長度約270 m,礦體平均厚度為68.9 m,因此主軸/短軸設為4,主軸/次軸設為1,經測量主軸方位角設為140°,主軸傾角-6°,次軸傾角-12°。

圖5 搜索橢球體與礦體形態(tài)對比Fig.5 Comparison between search ellipsoid and ore body shape

5.3 距離冪次反比參數的確定

在距離冪次反比參數的確定中,原則如下：當礦體品位變化較小時,冪值取小值；當礦體品位變化較大時,冪值取大值[9]。此次制灰用石灰?guī)r礦礦石密度變化極小,冪值取2。

5.4 資源量估算

采用距離冪次反比法對礦體密度進行估值,礦體密度變化較小,且此次密度樣測試較少,經距離冪次反比估值后與平均值相差極小,測試結果顯示礦石密度最小為2.56 g/cm3,最大為2.69 g/cm3，均值為2.65 g/cm3。經距離冪次反比對塊體密度進行賦值后估算可得,勘查區(qū)共有制灰用石灰?guī)r礦探明資源量631.46萬t,控制資源量為3 345.67萬t,推斷資源量為2 012.52萬t(表1)。

表1 資源量估算結果對比Table 1 Comparison of resource estimation results

5.5 估算結果對比分析

此次采用3DMINE體積+平均密度估算結果為634.57萬t,估算差值絕對值為42.13萬t,相對誤差百分比為6.22%,計算結果可靠。

經對比,此次使用3DMINE三維模型估算的資源量結果小于平行斷面法估算的結果,誤差產生的原因主要有兩點：①勘查線間地形起伏對資源量估算存在影響,平行斷面法計算過程中無法對勘查線間地形起伏作出修正,在考慮引入輔助剖面糾偏的前提下依然無法保證兩勘查線間地形均勻變化；②平行斷面法計算中采用的數學計算公式為標準數學模型計算公式,與礦體空間真實形態(tài)存在偏差。使用3DMINE三維模型可進行全三維形態(tài)立體建模,對礦體形態(tài)刻畫更加精確,精度上遠優(yōu)于傳統(tǒng)的平行斷面法。

因此,從二者對比分析可以看出,傳統(tǒng)平行斷面法在計算過程中,對礦體形態(tài)控制存在天然缺陷,對資源量估算表現為粗線條,優(yōu)點是計算簡便快捷。3DMINE三維模型建模則可精確刻畫礦體三維形態(tài),能在現有數據精度下,最大程度展現礦體空間形態(tài),準確反映礦石體積及重量,缺點在于建模前置程序較多,需大量數據采集錄入。

6 結論及建議

(1) 3DMINE軟件在固體礦產勘查領域具有廣泛適用性,尤其在對礦石品位具有很高指標要求的礦山(如貴金屬礦山),其采用的距離冪次反比法相比傳統(tǒng)的算術平均法更具科學性。

(2) 3DMINE軟件使用簡便,數據兼容性良好,可直接導入無人機數據、普通儀器測量數據和制作好的地形數據,且對勘查階段及工程間距無要求。通過3DMINE三維視圖的建立,能直觀反映礦區(qū)地形地貌特征和礦體空間分布形態(tài),相比傳統(tǒng)的平行斷面法，其計算過程更直觀。

(3) 與金屬礦山相比,石灰?guī)r礦山資源量估算實際應用差異性明顯,采用3DMINE軟件建立礦體實體模型后,可將礦石平均密度直接應用于全礦區(qū)資源量計算,并進一步簡化后續(xù)塊體模型參數設置,提高軟件操作便利性。

(4) 在資源價值較高且對首采區(qū)資源量精確程度要求較高的礦山,使用3DMINE軟件進行礦體三維重建能為礦山開采及投資決策提供更堅實的依據。

(5) 數字化礦山建設是礦業(yè)開發(fā)的必然方向,此次制灰用石灰?guī)r礦山模型的建立及應用為后期數字礦山建設提供了良好的示范。