王素琴

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽 471000)

礦產(chǎn)資源作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與其他資源都具有非常密切的關(guān)聯(lián)性，礦產(chǎn)資源的開發(fā)會造成生態(tài)系統(tǒng)的失衡，不合理的資源開發(fā)還會嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)，以至于影響到民生[1]。我國對于礦產(chǎn)資源的開發(fā)還未構(gòu)建完善的空間布局，部分地區(qū)的礦產(chǎn)開發(fā)力度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過生態(tài)環(huán)境的最大承載能力，還有部分重要的環(huán)境保護(hù)地區(qū)，礦產(chǎn)資源的開發(fā)還未退出，無形中降低了礦產(chǎn)資源的空間配置效率，導(dǎo)致整體的經(jīng)濟(jì)效益低下，甚至給生態(tài)系統(tǒng)的安全帶來了巨大威脅，造成地面塌陷、水資源不足和環(huán)境污染等問題頻發(fā)，嚴(yán)重制約了礦產(chǎn)開發(fā)地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)健康發(fā)展[2]。因此，構(gòu)建露天非金屬礦產(chǎn)資源綜合勘察模型，是實現(xiàn)生態(tài)文明戰(zhàn)略和保證國家生態(tài)平衡的有效手段，通過明確區(qū)域的資源開發(fā)種類，以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為出發(fā)點，通過勘察模型實現(xiàn)對非金屬礦產(chǎn)資源的生態(tài)綜合管理[3]。

景瑞等[4]為了對礦產(chǎn)資源進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，通過構(gòu)建礦產(chǎn)三維模型，實現(xiàn)對礦產(chǎn)的地質(zhì)構(gòu)造和固體礦產(chǎn)的模擬，并通過實踐驗證了不同水準(zhǔn)礦產(chǎn)資源的實際構(gòu)造情況，并結(jié)合建模法和剖面法對礦產(chǎn)資源進(jìn)行建模，再結(jié)合統(tǒng)計分析法對礦產(chǎn)資源進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，并通過三維模型的構(gòu)建，實現(xiàn)了礦產(chǎn)資源由二維向三維的擴(kuò)展，提供了有利的技術(shù)支撐。袁穎等[5]提出了一種基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頁巖氣有機(jī)碳含量預(yù)測模型，首先對頁巖氣儲層中的有機(jī)碳成分進(jìn)行采集，并通過采集的資料繪制8條測井曲線，基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測模型的建模，利用該模型對研究區(qū)域內(nèi)的頁巖中的有機(jī)碳成分進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明，該模型對頁巖氣儲層中有機(jī)碳的含量測量具有較強(qiáng)的擬合能力，能夠精準(zhǔn)地反映出有機(jī)碳的含量，通過實踐驗證了該預(yù)測模型與實際值基本相符，其礦產(chǎn)資源開采量較多。

基于以上研究背景，本文針對露天非金屬礦產(chǎn)資源設(shè)計一種綜合勘查模型，從而提高礦產(chǎn)資源綜合勘查性能，保證礦產(chǎn)資源產(chǎn)量。

1 露天非金屬礦產(chǎn)資源勘查模型設(shè)計

1.1 非金屬礦產(chǎn)資源勘查模型構(gòu)建

由于非金屬礦產(chǎn)資源勘查對保護(hù)生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要，可以通過三維建模的形式對區(qū)域內(nèi)的露天非金屬礦體進(jìn)行數(shù)字化記錄，實現(xiàn)礦產(chǎn)資源精細(xì)化管理，在提高成本效益的同時可以有效保護(hù)環(huán)境資源。選擇Vulcan三維礦業(yè)軟件對區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行可視化分析(圖1)。根據(jù)礦體實際形態(tài)，估算資源儲量，預(yù)測分析非金屬礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Regional geological structure

1.2 劃分露天非金屬礦產(chǎn)資源勘查功能區(qū)

利用矩陣分析法，對非金屬礦產(chǎn)資源勘查功能區(qū)進(jìn)行劃分，其劃分的基準(zhǔn)是以礦產(chǎn)資源為劃分核心，以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為出發(fā)點，以區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展為目標(biāo)，對區(qū)域內(nèi)非金屬礦產(chǎn)資源進(jìn)行疊加，通過不同要素之間的權(quán)重關(guān)系，實現(xiàn)對非金屬礦產(chǎn)資源勘查功能區(qū)的劃分。在劃分的過程中，常用的判斷矩陣模型通常是三維模型[6]，但是對于非金屬礦產(chǎn)資源的劃分，主要考慮4個要素，因此需要構(gòu)建4個維度的功能區(qū)判別矩陣，要比現(xiàn)有的三維判別矩陣更為復(fù)雜。將生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為劃分的約束指標(biāo)，并將二者進(jìn)行歸一化處理[7]，如此就可以將四維矩陣轉(zhuǎn)化為三維矩陣，實現(xiàn)對功能區(qū)的劃分，具體的流程如圖2所示。

圖2 非金屬礦產(chǎn)資源勘查功能區(qū)劃分原理Fig.2 Principle of division of non-metallic mineral resources exploration functional zones

在非金屬礦產(chǎn)資源勘查功能區(qū)劃分的過程中，礦產(chǎn)資源的開發(fā)區(qū)和優(yōu)化開發(fā)區(qū)主要通過生態(tài)環(huán)境功能的重要性進(jìn)行約束，以區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)作為判別標(biāo)準(zhǔn)[8]，對于勘查功能區(qū)劃分主要通過下面3個步驟進(jìn)行判別。

(1)第1步。劃分非金屬礦產(chǎn)資源限制勘查區(qū)，在這一過程中，基于對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，以資源開發(fā)為約束條件，將區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為客觀條件不參與判別，將生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的約束部分作為限制勘查區(qū)范圍。

(2)第2步。刪除已經(jīng)確定的限制勘查區(qū)。以區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為勘查的判別標(biāo)準(zhǔn)時，不考慮生態(tài)環(huán)境的約束條件，確定限制勘查區(qū)，將區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為非金屬礦產(chǎn)資源的主要約束條件進(jìn)行礦產(chǎn)資源優(yōu)化開發(fā)區(qū)的劃分。

(3)第3步。通過對上述2種功能區(qū)的剔除，實現(xiàn)對非金屬礦產(chǎn)資源勘查功能區(qū)的有效劃分。

利用矩陣分析法，將生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為劃分的約束指標(biāo)，根據(jù)非金屬礦產(chǎn)資源勘查功能區(qū)劃分原理，劃分了礦產(chǎn)資源的勘查功能區(qū)。

1.3 計算露天非金屬礦產(chǎn)資源儲量

非金屬礦產(chǎn)資源儲量的計算是礦產(chǎn)資源綜合勘查工作中的一項重要內(nèi)容，根據(jù)對非金屬礦產(chǎn)資源的礦產(chǎn)地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)，結(jié)合礦床學(xué)理論[9]，確定礦床各部分非金屬礦產(chǎn)的數(shù)量和質(zhì)量以及相應(yīng)的空間分布。非金屬礦產(chǎn)資源儲量計算思路如圖3所示。

圖3 露天非金屬礦產(chǎn)資源儲量計算思路Fig.3 Calculation idea of open-air nonmetallic mineral resource reserves

非金屬礦產(chǎn)資源儲量計算的原理主要采用數(shù)學(xué)幾何法，將非金屬礦產(chǎn)資源分割成一系列的幾何形狀，然后根據(jù)分割后非金屬礦產(chǎn)資源的密度參數(shù)，結(jié)合數(shù)學(xué)方程式[10]，計算出露天非金屬礦產(chǎn)資源的儲量。

(1)第1步。明確非金屬礦床的綜合勘查類型以及相關(guān)指標(biāo)，明確工程的間距。

(2)第2步。根據(jù)指標(biāo)參數(shù)以及工程之間的間距，結(jié)合非金屬礦產(chǎn)資源的成礦規(guī)律，劃定非金屬礦體范圍。

(3)第3步。根據(jù)非金屬礦產(chǎn)資源的類別，結(jié)合幾何方法對礦體進(jìn)行合理的劃分。

(4)第4步。結(jié)合數(shù)學(xué)方程式的計算方法，計算出非金屬礦產(chǎn)儲量計算所需的參數(shù)。

(5)第5步。計算非金屬礦體的體積，公式為：

(1)

式中，ρ為非金屬礦產(chǎn)資源的密度；Cm為預(yù)測區(qū)非金屬礦產(chǎn)資源儲量；Cy為勘查區(qū)內(nèi)非金屬礦產(chǎn)資源儲量。

(6)第6步。根據(jù)非金屬礦產(chǎn)資源的各項參數(shù)[11]，計算非金屬礦體的礦石量，公式為：

(2)

式中，T2為勘查區(qū)非金屬礦產(chǎn)資源的礦石量；T1為預(yù)測區(qū)非金屬礦產(chǎn)資源的礦石量；V1為預(yù)測區(qū)的礦床體積；V2為勘查區(qū)的礦床體積。

(7)第7步。統(tǒng)計各個階段的礦石量，即得到非金屬礦產(chǎn)資源的儲量，計算公式為：

C=∑m×V×g×(1-j)

(3)

式中，C為勘查區(qū)內(nèi)非金屬礦產(chǎn)資源的儲量；V為預(yù)測區(qū)內(nèi)三維立體模型中礦體的體積；m為礦區(qū)內(nèi)非金屬礦產(chǎn)資源的比例；g為非金屬礦產(chǎn)資源礦產(chǎn)范圍內(nèi)的品位值；j為純度比重。

根據(jù)以上計算步驟，完成露天非金屬礦產(chǎn)資源儲量的計算。

1.4 構(gòu)建露天非金屬礦產(chǎn)資源綜合勘查模型

對選定的非金屬礦產(chǎn)資源礦區(qū)進(jìn)行估計，結(jié)合獲得的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行變異函數(shù)計算[12]，公式：

(4)

式中，N(h)為勘查區(qū)域h內(nèi)非金屬礦產(chǎn)資源礦床的個數(shù)；h為勘查區(qū)域；Z(xi)為勘查區(qū)域變化量xi在勘查模型上的數(shù)值。

假設(shè)非金屬礦產(chǎn)資源勘查樣本的單元塊中心距離為1/dN，將單元塊的中心比作球體的中心[13]，以礦產(chǎn)的邊緣化影響作為半徑R。由此，確定每個非金屬礦產(chǎn)資源礦床影響范圍內(nèi)，每個勘查區(qū)的中心塊距離的品位xb計算公式：

(5)

式中，xi為綜合勘查范圍內(nèi)非金屬礦產(chǎn)資源的品位；di為第i個勘查樣本到單元塊中心的距離。

由于非金屬礦產(chǎn)資源影響成礦要素的復(fù)雜性和多樣性，并且受多種因素的影響，如地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等多個特征，任何單一的影響要素都具有多種可解性[14]。因此為了降低單一信息的多解性對露天非金屬礦產(chǎn)資源綜合勘查模型找礦的影響，通過對多元素的不定量分析，結(jié)合非金屬礦產(chǎn)資源的富集系數(shù)，構(gòu)建非金屬礦產(chǎn)資源礦床與找礦信息之間的關(guān)系，結(jié)合多元統(tǒng)計學(xué)和GIS技術(shù)等[15]，對非金屬礦產(chǎn)資源的空間信息進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與分析，實現(xiàn)對每一類單一信息的定量化評價。因此，非金屬礦產(chǎn)資源綜合勘查模型的表達(dá)式如下：

(6)

式中，X0，X1，X2，…，Xn為個非金屬礦產(chǎn)資源的勘查變量；a0，a1，a2，…，an為品位變量的變化量系數(shù)；F為勘查模型的有利度函數(shù)。

利用變異函數(shù)，計算了礦產(chǎn)資源勘查區(qū)的品位值，結(jié)合露天非金屬礦產(chǎn)資源的富集系數(shù)，構(gòu)建了露天非金屬礦產(chǎn)資源綜合勘查模型，實現(xiàn)了礦產(chǎn)資源的綜合勘查。

2 試驗分析

2.1 研究區(qū)概況

本文的實驗分析以某一露天非金屬礦區(qū)為研究對象，該礦區(qū)位于華北地區(qū)溫都爾廟加里東地槽褶皺帶上，在構(gòu)造上以斷裂為主，主要的礦產(chǎn)資源為金剛石和石墨，礦石呈現(xiàn)出半自形粒狀和晶粒狀結(jié)構(gòu)。其研究區(qū)實景如圖4所示。

圖4 研究區(qū)實景Fig.4 Real-action plot of study area

2.2 試驗數(shù)據(jù)

露天非金屬礦產(chǎn)資源在勘查過程中，會產(chǎn)生原始勘探數(shù)據(jù)和開采動態(tài)數(shù)據(jù)2種，本文以原始勘探數(shù)據(jù)為實驗數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)露天非金屬礦區(qū)的物探資料，發(fā)現(xiàn)礦體沒有明顯的傾斜和走向變化[16-20]。因此，采用巖心鉆探方式，勘查礦產(chǎn)資源，實驗數(shù)據(jù)樣本見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)樣本Tab.1 Experimental data samples

2.3 露天非金屬礦區(qū)地表地形三維建模

對于露天非金屬礦區(qū)而言，伴隨著地形高程數(shù)據(jù)的起伏作用而生成的遙感影像地表模型就是地表地形模型，其不僅可以記錄礦區(qū)地表的紋理特征，還可以將地形高程信息與遙感影像數(shù)據(jù)融合，反映出礦區(qū)地表、地形以及地貌的情況。礦區(qū)地形實體模型如圖5所示。

圖5 礦區(qū)地形實體模型Fig.5 Physical model of mining area

2.4 結(jié)果分析

為了凸顯文中礦產(chǎn)資源勘查模型的優(yōu)越性，從礦產(chǎn)資源開采量和勘查誤差兩方面，驗證露天非金屬礦產(chǎn)資源的綜合勘查性能，根據(jù)研究區(qū)的實際情況，將表1的實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入到露天非金屬礦區(qū)地表地形三維模型中，得到如下實驗結(jié)果。文中礦產(chǎn)資源勘查模型的礦產(chǎn)資源開采量預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 礦產(chǎn)資源開采量預(yù)測結(jié)果Tab.2 Mineral resource extraction forecast results

從表2可以看出，采用文中勘查模型時，10個鉆孔位置的礦產(chǎn)資源平均預(yù)測開采量為54 106.879 kt，這一預(yù)測結(jié)果與實際的非金屬礦產(chǎn)資源開采量(50 000～60 000 kt)相符，證明本文模型有較高的預(yù)測精度。主要是因為文中模型在勘查之前，劃分了露天非金屬礦產(chǎn)資源勘查功能區(qū)，能夠根據(jù)不同類型的功能區(qū)，選擇合適的勘查技術(shù)，從而大大提高了礦產(chǎn)資源的開采量。

文中礦產(chǎn)資源勘查模型的礦產(chǎn)資源勘查誤差測試結(jié)果如圖6所示。從圖6的結(jié)果可以看出，在礦產(chǎn)資源勘查誤差方面，文中模型勘查得到的礦產(chǎn)資源豐富區(qū)與實際礦產(chǎn)資源豐富區(qū)比較接近，說明文中勘查模型可以有效降低勘查誤差，提高礦產(chǎn)資源綜合勘查精度。

圖6 礦產(chǎn)資源勘查誤差測試結(jié)果Fig.6 Error test results of mineral resources exploration

3 結(jié)語

本文提出了露天非金屬礦產(chǎn)資源綜合勘查模型構(gòu)建研究，經(jīng)實驗測試發(fā)現(xiàn)，該勘查模型在提高礦產(chǎn)資源開采量的同時，還可以提高勘查精度。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以將三維地質(zhì)模型與可視化技術(shù)結(jié)合在一起，總結(jié)出露天非金屬礦區(qū)的成礦規(guī)律，提高露天非金屬礦產(chǎn)資源的綜合勘查精度。