阮順領(lǐng)，景文剛，顧清華，馬平平

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院， 陜西 西安 710055；2.西安市智慧工業(yè)感知計(jì)算與決策重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710055；3.西安優(yōu)邁智慧礦山研究院有限公司， 陜西 西安 710055)

0 引言

隨著5G 無線通信、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等各種新一代技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，智慧礦山已經(jīng)發(fā)展成為我國大型礦業(yè)企業(yè)升級(jí)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的一條非常重要的路徑；礦業(yè)工程逐步向著綠色化、智能化、節(jié)能化、數(shù)字化新模式邁進(jìn)[1?5]。

Simon Houlding 首次闡述“三維地質(zhì)建模”[6]。由于現(xiàn)代礦用計(jì)算機(jī)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦床地質(zhì)、礦產(chǎn)、礦業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，國外經(jīng)過研究相繼成功推出了專門用于處理礦床地質(zhì)數(shù)據(jù)資料、礦床三維地圖建模、礦床開采系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的礦用商業(yè)化軟件[7]，主要包括Micromine[8]、Surpac[9]、Datamine[10]。國內(nèi)在三維技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也很迅速，大量專家學(xué)者都在這方面進(jìn)行了研究，研究成果豐富，三維軟件方面有GeoView 三維可視化系統(tǒng)[11]、MAPGIS[12]、Geo3-Dvision[13]；礦山應(yīng)用技術(shù)方面有基于MineSight 軟件[14]、基于Surpac 軟件[15]、利用Datamine 礦業(yè)軟件建立礦床三維模型[16]等。許多大型礦山均結(jié)合三維地質(zhì)學(xué)的模型進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營管理，實(shí)際上大大降低了勘察工程的成本與開采費(fèi)用，提高了礦山的邊際效益。

3DMine 軟件不僅針對(duì)國外礦業(yè)軟件功能加以改進(jìn)和完善，還結(jié)合國內(nèi)地勘單位技術(shù)人員的工作需要，是我國獨(dú)立自主研發(fā)的三維礦業(yè)軟件[17?18]。本文基于3DMine 軟件，建立礦區(qū)三維地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫及三維礦體地質(zhì)模型，完成了該礦區(qū)礦體礦物品位和資源儲(chǔ)量估算，并與原來的三維地質(zhì)資料報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行定量對(duì)比，結(jié)果誤差值平均小于2%，提高了地質(zhì)估算的工作效率和估算準(zhǔn)確性，減少了資源開采的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，能夠有效準(zhǔn)確地指導(dǎo)實(shí)際開采。

1 礦區(qū)三維地質(zhì)建模

礦區(qū)位于內(nèi)蒙烏拉特后旗狼山東北方向2 km，礦區(qū)內(nèi)的硫鐵多金屬礦體大致可劃分為11 個(gè)礦體，以區(qū)內(nèi)最大的鋅-硫復(fù)合礦體③-2 號(hào)、④-2 號(hào)、⑤號(hào)礦體為主，③-2 號(hào)礦體以單硫和鐵-硫型金屬礦石為主，平均賦存長度約630 m，礦體的賦存高度為標(biāo)高1132～792 m；④-2 號(hào)在核實(shí)地帶內(nèi)的控制長度為460 m，礦體的平均厚度為7.99 m；⑤號(hào)礦體以鐵礦為主，沿其走向可控制長度為450 m，通常呈層或近似多層狀生成，礦體產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，礦化連續(xù)、品位分布均勻。

1.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

以中國地質(zhì)學(xué)信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)主要礦體進(jìn)行物理地質(zhì)特征詮釋、物理地質(zhì)價(jià)值綜合估計(jì)、儲(chǔ)備礦藏量的合理計(jì)算和儲(chǔ)量管理，以及接下來的長期采礦工程規(guī)劃設(shè)計(jì)。根據(jù)已經(jīng)通過鉆探勘查資料獲得的大量相關(guān)信息和數(shù)據(jù)資料，構(gòu)建了完整的中國鉆探勘測(cè)地質(zhì)地理信息和圖件數(shù)據(jù)庫，其中主要包括鉆探定位地質(zhì)表、測(cè)斜地質(zhì)表、巖性地質(zhì)表和鉆探化驗(yàn)巖性表4 個(gè)基本地質(zhì)關(guān)聯(lián)信息數(shù)據(jù)表，保存在Microsoft Access 中。在數(shù)據(jù)庫中，其余資料數(shù)據(jù)均采用MAPGIS 作為一個(gè)點(diǎn)、線、面的文檔格式直接在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存檔和保留，以便于管理和調(diào)用。具體格式內(nèi)容見表1。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)表格類型和字段

1.2 地表模型

根據(jù)礦區(qū)的 Auto CAD 文件，以三維地形等高線信息作為計(jì)算基礎(chǔ)，在3DMine 中直接輸出與導(dǎo)入原始三維地形等高線、坐標(biāo)網(wǎng)、勘查線等多種信息，運(yùn)用等值線快速賦予高程的計(jì)算方法，為等高線快速賦予高程，從而構(gòu)造出三維的等高線，再將其作為一個(gè)約束條件，通過等高線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造出不規(guī)則的三角網(wǎng)，運(yùn)用實(shí)體渲染、調(diào)節(jié)光照等功能，建立如圖1 所示的層次分明的礦區(qū)地表模型。

圖1 礦區(qū)地表模型

1.3 實(shí)體模型

構(gòu)建礦體實(shí)體模型通常需要根據(jù)目的選擇合適的建模方法進(jìn)行建模。該復(fù)合礦體由92 個(gè)鉆孔，11 條復(fù)合地質(zhì)勘查路線控制，礦體結(jié)構(gòu)形態(tài)簡(jiǎn)單，但局部多呈劇烈脹縮，呈現(xiàn)多層次、分枝、頂出現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘探資料，本次設(shè)計(jì)的實(shí)體建模采用基于勘探線剖面的建模方法。圈定目標(biāo)礦體③-2 號(hào)、④-2 號(hào)、⑤號(hào)礦體，共由11 條勘探線控制，分別是0，4，8，12，18，20，24，28，30，32，36 號(hào)勘探線，將其對(duì)應(yīng)的11 個(gè)剖面圖中的③-2 號(hào)、④-2 號(hào)、⑤號(hào)礦體的礦體線連接起來；進(jìn)行剖面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從當(dāng)下的XY二維坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換成真實(shí)工程中的三維坐標(biāo)，需要經(jīng)過2平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和一次Y-Z調(diào)換；提取礦體線，建立礦體線文件，將11 條剖面線全部完成礦體線圈定和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，建立新的礦體線文件；連接參數(shù)配置，對(duì)礦體線進(jìn)行三角網(wǎng)連接，連接三角網(wǎng)時(shí)，必須按照勘探線順序依次連接，將相鄰兩條勘探線的對(duì)應(yīng)礦體合理運(yùn)用控制線、分區(qū)線、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行三角網(wǎng)連接，由此得到如圖2 所示的礦體實(shí)體模型。

圖2 礦體實(shí)體模型

2 資源儲(chǔ)量的估算

2.1 塊體模型

塊體模型，又稱品位模型，是將不規(guī)則的礦體實(shí)體模型用規(guī)則的小單元體代替的離散模型，并對(duì)這一個(gè)個(gè)小單元體進(jìn)行品位等屬性賦值，使其成為一個(gè)衡量礦體品位及其他屬性的數(shù)據(jù)庫。以圈定的礦體范圍為檢測(cè)對(duì)象，③-2 號(hào)、④-2 號(hào)、⑤號(hào)礦體由11 條勘探線控制，塊體單元的規(guī)格尺寸確定為5 m×5 m×5 m，為貼合礦體形態(tài)，引入次級(jí)模塊，次級(jí)模塊的參數(shù)設(shè)置一般為塊體單元的一半，為表現(xiàn)出礦體實(shí)體模型的形態(tài)，選擇實(shí)體約束，首先選擇實(shí)體模型文件，再勾選內(nèi)部，即可完成塊體模型的約束顯示，約束后的塊體模型如圖3 所示。

圖3 約束后的塊體模型

2.2 品位估值

多金屬礦體品位數(shù)據(jù)的估計(jì)，通常有最近距離賦值法、距離冪次反比法和普通克里格法3 種方法，三者都是基于樣本加權(quán)平均的概念，對(duì)以單位塊為中心的影響范圍內(nèi)的樣本進(jìn)行加權(quán)平均，從而求出單位塊的賦值。最近距離賦值方法由于具有明顯的邊界性，相鄰塊體單元之間的品位偏移差別較大，不適合用于本次研究[19]；普通克里格法通常以空間中的最優(yōu)區(qū)域性變量為理論基礎(chǔ)，通過從空間中選擇最優(yōu)主軸、次時(shí)間軸和最短時(shí)間軸的變異函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行模型化并擬合礦體的品位，確定最優(yōu)變異函數(shù)仍然存在一定的技術(shù)難度[20]；因此，這里選擇距離冪次反比法進(jìn)行各種金屬元素的品位估算。

以觀測(cè)點(diǎn)中心為原點(diǎn)，最小配礦單元的范圍大小相同的區(qū)域作為估值區(qū)域，確定每個(gè)探測(cè)孔與觀測(cè)點(diǎn)中心的距離，采用距離冪次反比公式計(jì)算估值區(qū)域品位[21]，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2。

表2 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.3 儲(chǔ)量估算

工業(yè)指標(biāo)礦體建模范圍與地質(zhì)勘查報(bào)告范圍內(nèi)估算的儲(chǔ)量相符，表3 為多金屬礦山工業(yè)指標(biāo)品位。

表3 工業(yè)指標(biāo)品位

基于3DMine 軟件，根據(jù)模型方法計(jì)算多金屬品位估值和礦體的金屬儲(chǔ)量，并與地質(zhì)勘探報(bào)告的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析[22]，表4 表明，與傳統(tǒng)斷面法計(jì)算結(jié)果相比，礦體金屬儲(chǔ)量估算誤差均小于2%，說明采用距離冪次反比法估算的資源儲(chǔ)量結(jié)果可靠，可作為礦山開采設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

表4 礦產(chǎn)資源量的估計(jì)結(jié)果與對(duì)比

3 結(jié)論

（1）基于3DMine 軟件，建立地質(zhì)學(xué)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)地質(zhì)資料的數(shù)字化存儲(chǔ)與地質(zhì)信息管理的一體化集成；構(gòu)建三維礦體模型，準(zhǔn)確、直觀地反映了礦體規(guī)模和空間分布規(guī)律，快速有效地實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)資源的可視化，不僅減少了采礦設(shè)計(jì)人員的工作，還極大地推動(dòng)了數(shù)字礦山的建設(shè)和發(fā)展。

（2）選擇距離冪次反比的方法構(gòu)造塊體采礦模型，對(duì)多金屬礦體品位和資源儲(chǔ)量進(jìn)行估算，與傳統(tǒng)剖面法計(jì)算的儲(chǔ)量相比，礦體金屬量估算誤差均小于2%。說明采用距離冪次反比法進(jìn)行估算具有明顯的優(yōu)勢(shì)，提高了估算的效率和精度，可作為工程設(shè)計(jì)參考。