張靖宇 ,張 龍 ,趙宗義 ,張海勝

(1.新疆大明礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司,新疆 哈密 839000;2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 引言

近年來(lái),隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生、三維可視化等技術(shù)的興起,礦山行業(yè)正在經(jīng)歷著深刻變革,逐漸向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展[1-2]。礦山地質(zhì)作為礦山智能化建設(shè)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)地質(zhì)的信息化可以從源頭上為智能礦山建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐[3]。

地質(zhì)礦產(chǎn)勘察中及礦山行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,過(guò)去的資源量估算及資源儲(chǔ)量報(bào)告,都以二維平面圖或者二維投影圖為參考和依據(jù),采用人工資源量估算,如塊段法、斷面法、剖面法的方式進(jìn)行,而這種估算方式比較繁瑣,且精確度也有待考量,大型礦床資源量估算難度較大,工作量也較多[4-7]。如今在礦產(chǎn)領(lǐng)域里面,Surpac 軟件憑借出眾的3D 圖形功能、良好的圖形用戶(hù)界面、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[8]。通過(guò)勘探后期的詳查數(shù)據(jù)及測(cè)量數(shù)據(jù),利用Surpac 三維軟件對(duì)數(shù)據(jù)的前期整理,以可視化地表模型及可視化圈定的礦體及精確的礦床資源量估算,為礦山前期建設(shè)、中期實(shí)施、后期采礦發(fā)展帶來(lái)了全面的信息,也為礦山開(kāi)采提供了準(zhǔn)確和可視化模型的參考依據(jù),其意義重大[9-11]。

本文利用Surpac 軟件通過(guò)數(shù)字化及信息化建設(shè)這一主線(xiàn),采用數(shù)學(xué)計(jì)算方法對(duì)鉛鋅品位進(jìn)行估值,對(duì)礦體的體積和儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算分析,確保開(kāi)采的安全性、準(zhǔn)確性、計(jì)劃的合理性的同時(shí),將傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)表達(dá)及二維平剖面展示變成數(shù)據(jù)庫(kù)建立分析、三維礦床形態(tài)展示、塊體數(shù)據(jù)分析、平剖面實(shí)體剪切、不同高程實(shí)體剖切,儲(chǔ)量的計(jì)算報(bào)告等應(yīng)用,從而提高礦山企業(yè)資源利用率,極大提升礦業(yè)工程師的工作效率。

1 礦床地質(zhì)情況及勘探剖面參數(shù)

礦區(qū)地理位置位于新疆地區(qū),面積2.56 km2,絕對(duì)高程一般1 400 米左右,相對(duì)高差一般10～20 m,最大可達(dá)50 m。

礦區(qū)地層主要為中元古界薊縣系卡瓦布拉克群(Jxkw)的一套碳酸鹽建造和石炭系下統(tǒng)雅滿(mǎn)蘇組(C1y),以碳酸鹽建造和硅質(zhì)板巖為主目前發(fā)現(xiàn)的礦化蝕變帶,經(jīng)地質(zhì)勘探、鉆探工程、槽探工程以Pb≥0.7%,Zn≥1%控制,目前共圈定(以鋅為主)6 個(gè)鉛鋅礦體,其中地表礦體2 個(gè),還有4 個(gè)盲礦體,其中1 號(hào)礦體為主要礦體2～6 號(hào)為次要礦體。通過(guò)各勘探控礦的工程分析,其賦礦巖性主要為硅質(zhì)板巖。礦體形態(tài)大多為似層狀及透鏡狀,部分有分枝復(fù)合的現(xiàn)象。礦體長(zhǎng)度100～500 m 不等;真厚度0.81～14.61 m 不等。區(qū)內(nèi)地層整體呈單斜產(chǎn)出,走向72°傾向153～205°,傾角63～80°。而在礦體北側(cè)跟閃長(zhǎng)巖體接觸的部位,其地層產(chǎn)狀凌亂,常見(jiàn)有小褶皺,部分地段因?yàn)閹r體侵位使巖層傾向北。

本次整理重點(diǎn)勘探數(shù)據(jù)為0 線(xiàn)～15 線(xiàn),鉆探工程量為5 400 m,槽探工程為1 030 m。其中礦床剖面參數(shù)如表1 所示。

表1 礦床剖面參數(shù)表

2 礦體三維地質(zhì)模型的構(gòu)建

2.1 建立三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

應(yīng)用鉛鋅礦基礎(chǔ)資料,根據(jù)軟件數(shù)據(jù)表格形式建立數(shù)據(jù)庫(kù)表格,其中包括孔口表、測(cè)斜表、化驗(yàn)表及巖性表,地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)表格包括的內(nèi)容見(jiàn)表2。以軟件數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)定的(Collar table)(Survey table)、(Geology table)、(Sample table)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)表,將數(shù)據(jù)基于計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中,可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣品品位進(jìn)行篩選和自由約束查看。由于資源在地質(zhì)構(gòu)造或各類(lèi)地質(zhì)因素的影響呈不規(guī)則、不穩(wěn)定的存在,所以根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)需要對(duì)特高品位進(jìn)行處理,使后期利用三維模型指導(dǎo)采礦時(shí),數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,能夠更加合理的控制貧化。同時(shí)利用Surpac 軟件實(shí)時(shí)將對(duì)應(yīng)字段進(jìn)行錄入、編輯、查看、修改、更新、統(tǒng)計(jì)、分析、相交運(yùn)算、提取等方式獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)新型數(shù)字化動(dòng)態(tài)管理,通過(guò)圖性顯示約束加顯示風(fēng)格可以將礦巖分色顯示便于分析,如圖1 所示。

表2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的表格結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容

圖1 鉆孔軌跡三維展示圖

2.2 建立地表模型

地表模型是前期勘探和后期生產(chǎn)施工的基礎(chǔ),根據(jù)地表模型的建立,可以進(jìn)行鉆孔地表的剖面切割,也可以更加直觀的進(jìn)行地形分析,對(duì)后期基建施工有著重要的作用。應(yīng)用測(cè)量地形數(shù)據(jù),利用Surpac 基礎(chǔ)功能,進(jìn)行碎部點(diǎn)導(dǎo)入,保存線(xiàn)文件,生成等高線(xiàn),并生成DTm,成功建立地表模型,三維角度旋轉(zhuǎn)查看,精確查詢(xún)。在此基礎(chǔ)上,可以將衛(wèi)星圖片進(jìn)行貼圖至地表,更加直觀清晰的礦區(qū)建筑物及地形地質(zhì)情況,兩種三維地直觀展示,如圖2 所示。

圖2 貼圖前(a)、后(b)三維地表視圖

2.3 剖面礦體解譯及三維礦床實(shí)體建立

(1)礦體剖面解譯

根據(jù)基礎(chǔ)勘探資料建立完成的數(shù)據(jù)庫(kù),按照礦產(chǎn)圈定規(guī)范,以礦產(chǎn)邊界品位Pb≥0.5%,Zn≥0.7%,最小可采厚度≥2 m,夾石剔除厚度≥4 m 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行礦體的控制和圈定(332),邊界外推按照1/4 平推或1/2 尖推的方式,即50 m 尖推資源量(333),以地表模型及地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),通過(guò)0 線(xiàn)至15 線(xiàn)勘探線(xiàn),沿勘探線(xiàn)方向切割剖面,結(jié)合勘探資料,給相應(yīng)勘探線(xiàn)命名不同的id 編號(hào),以便于分類(lèi),對(duì)同一勘探線(xiàn)上按照不同的礦體編號(hào)進(jìn)行不同的線(xiàn)串編號(hào)同一分類(lèi),分別對(duì)各勘探線(xiàn)礦體解譯線(xiàn)繪制和保存,形成順時(shí)針閉合線(xiàn),如圖3 所示。

圖3 勘探線(xiàn)剖面解譯

(2)建立礦床實(shí)體模型

以勘探線(xiàn)剖面生成的礦體解譯線(xiàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行礦床實(shí)體模型的建立,在實(shí)體模型建立之初,根據(jù)勘探資料對(duì)礦體剖面解譯線(xiàn)進(jìn)行邊界線(xiàn)控制和修正,并根據(jù)相應(yīng)礦體對(duì)閉合線(xiàn)線(xiàn)串編號(hào)進(jìn)行修改。其實(shí)體模型的建立基本步驟為:

①對(duì)生成的礦體解譯線(xiàn)進(jìn)行保存,并對(duì)相應(yīng)礦體對(duì)應(yīng)的線(xiàn)串進(jìn)行分類(lèi)保存。

②使用等分產(chǎn)生多點(diǎn)功能,對(duì)礦體解譯線(xiàn)進(jìn)行加點(diǎn),并顯示高程。

③按照不同的礦體編號(hào),使用Surpac 的實(shí)體模型工具進(jìn)行連接,使用軟件段內(nèi)工具或者三角網(wǎng)化工具進(jìn)行三角網(wǎng)連接,根據(jù)礦體邊界線(xiàn)封閉三角網(wǎng),生成礦體實(shí)體。

對(duì)礦區(qū)的6 個(gè)礦體分別進(jìn)行不同規(guī)則的三角網(wǎng)化連接,從而生成可視化礦體實(shí)體模型,完成閉合實(shí)體模型的建立,使得三維建模結(jié)果更為合理,礦體體積計(jì)算更為準(zhǔn)確,展示效果更為逼著,同時(shí)可按照按照?qǐng)D形顯示效果可對(duì)不同礦體進(jìn)行不同顏色和圖案顯示。圖4 為礦區(qū)1 號(hào)主礦體及其余礦體展示圖。

圖4 礦體實(shí)體模型

2.4 建立三維塊體模型

Surpac 塊體模型的建立是三維建模的最終成果,也是未來(lái)生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃的核心。其主要是將三維建模數(shù)據(jù)庫(kù)及三維實(shí)體進(jìn)行組合運(yùn)算,按照數(shù)學(xué)計(jì)算方法將礦區(qū)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行估值和賦值,其中塊體模型的精確程度來(lái)源于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性及塊體模型本身的結(jié)構(gòu)屬性。塊體模型建立的基礎(chǔ)是三維地表模型及礦體實(shí)體模型的建立。塊體模型建立時(shí),先要確定塊體模型的大小,其大小的含義是三維方向的長(zhǎng)度及高度,而范圍是根據(jù)礦區(qū)地表坐標(biāo)范圍及礦體延伸長(zhǎng)度及縱深深度來(lái)確定的,最終使塊體的空間能夠包裹礦區(qū)地表及礦體實(shí)體模型為佳。X、Y 塊尺寸一般根據(jù)勘探工程、探礦工程間距來(lái)確定,如果為生產(chǎn)礦山,需要綜合考慮采礦方法中涉及的各項(xiàng)采礦參數(shù)來(lái)確定,其中小塊尺寸都是在大塊的基礎(chǔ)上以倍數(shù)往上疊加,次級(jí)塊分為變量、標(biāo)準(zhǔn)、自由模式,可以根據(jù)實(shí)際需要或礦體模型來(lái)確定次級(jí)塊大小,本次鉛鋅礦礦區(qū)塊體尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 某鉛鋅礦礦區(qū)塊體尺寸參數(shù)

根據(jù)前期建立好的數(shù)據(jù)庫(kù),在勘探工程組合分析后,利用組合數(shù)據(jù)對(duì)塊體模型進(jìn)行計(jì)算賦值,常用的方法有距離冪次法、克里格法等,本次對(duì)鉛鋅礦估算利用距離冪次反比法,估算完畢以后,可以進(jìn)行圖形約束功能或者塊體約束功能進(jìn)行約束,方便根據(jù)不同顏色對(duì)礦巖分類(lèi)、不同品位區(qū)間分類(lèi)顯示或者礦床單獨(dú)約束顯示,這樣更加直觀的對(duì)礦體的分布或者品位貧富情況有了快捷而又詳細(xì)的掌握,這種功能的強(qiáng)大在于避免了二維繪圖的復(fù)雜程度,減少了手工計(jì)算的工作量,并且充分利用了計(jì)算機(jī)計(jì)算功能對(duì)不同塊段進(jìn)行儲(chǔ)量品位的快速計(jì)算和顯示,也給后期的平剖面圖繪制提供了基礎(chǔ),對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃提供了依據(jù),為礦山的信息化管理、數(shù)字化建設(shè)提供了核心指導(dǎo)。圖5 為鉛鋅礦賦值后的礦體約束模型及各品位區(qū)間按照不同顏色顯示后的塊體模型。

圖5 塊體模型

3 資源儲(chǔ)量估算

本次儲(chǔ)量估算數(shù)據(jù)來(lái)源于該礦區(qū)的勘探工程,利用Surpac 軟件對(duì)礦區(qū)進(jìn)行了三維地質(zhì)建模,根據(jù)相關(guān)地質(zhì)規(guī)范對(duì)礦床進(jìn)行了圈定,將礦區(qū)資源量區(qū)分為控制的(內(nèi)蘊(yùn)經(jīng)濟(jì))資源量(332)及推斷的(內(nèi)蘊(yùn)經(jīng)濟(jì))資源量(333)。通過(guò)對(duì)比三維地表模型分析礦體分布于礦區(qū)的中南部地區(qū),西北有少量出露,硅質(zhì)板巖為主,整體走向北東,傾向南,礦體以地表出露顯示連續(xù)性良好,厚度變化不穩(wěn)定。同時(shí)在地質(zhì)模型中按照礦巖類(lèi)別進(jìn)行了賦值,并按照礦體編號(hào)、礦石品級(jí)及礦石級(jí)別通過(guò)三維地質(zhì)模型進(jìn)行了資源儲(chǔ)量報(bào)告。詳細(xì)礦區(qū)資源量明細(xì)如表4 所示。

表4 某鉛鋅礦礦區(qū)資源量明細(xì)

4 結(jié)語(yǔ)

礦山三維可視化地質(zhì)建模是生產(chǎn)管理的基礎(chǔ),通過(guò)Surpac 軟件及鉆孔數(shù)據(jù),建立礦山三維模型,為礦山提供資源儲(chǔ)量估算和生產(chǎn)計(jì)劃的編制,從而提高礦產(chǎn)資源的利用和作業(yè)效率的提升。

(1)地質(zhì)勘探工作為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)勘探工程數(shù)據(jù)的收集和整理,運(yùn)用Surpac 礦業(yè)三維軟件可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立、構(gòu)建實(shí)體模型、建立塊體模型、生成三維地質(zhì)模型,同時(shí)生成可行性分析數(shù)據(jù)報(bào)告。

(2)三維模型的建立形象并且直觀的展示了礦區(qū)礦床的空間分布形態(tài),三維角度的轉(zhuǎn)換,利于更加直觀的展示和說(shuō)明礦山生產(chǎn)時(shí)空變化。

(3)通過(guò)空間分布、空間轉(zhuǎn)換、模型賦值、數(shù)據(jù)庫(kù)的組合分析、模型數(shù)據(jù)的科學(xué)計(jì)算,避免了人工誤差,使得地質(zhì)工作過(guò)程中對(duì)成果分析更加直觀,資源儲(chǔ)量評(píng)定更加準(zhǔn)確可靠,對(duì)可行性分析研究提供更有利的依據(jù),實(shí)現(xiàn)了礦產(chǎn)行業(yè)生產(chǎn)和勘探工作的數(shù)字化,信息化的發(fā)展模式,更為未來(lái)進(jìn)入投產(chǎn)建設(shè)和進(jìn)度排產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)和系統(tǒng)核心。