三维可视化建模技术在矿山工程中的应用

沙明光,易志强,秦 雷

(1.南阳市开元蓝晶石矿,河南 南阳 473400) (2.河南省地质矿产开发局第一地质勘查院,河南 南阳 473400)

三维可视化建模技术在矿山工程中的应用

沙明光1,易志强2,秦 雷2

(1.南阳市开元蓝晶石矿,河南 南阳 473400) (2.河南省地质矿产开发局第一地质勘查院,河南 南阳 473400)

随着地质统计学、数学、计算机图形学和网络技术的发展,在科学计算可视化的基础上,工程地质逐渐向综合集成化、数字化、可视化的方向发展。文章以某锡矿为例,基于地质统计学理论和方法,应用能够反映区域化变量特征的变异函数,利用三维矿业软件建立了矿山矿床的数学模型和工程实体模型。结果表明,建立的实体模型更加逼真的反映了矿山开采现状,在矿山采矿方法设计中,应用可视化真三维技术不仅十分必要,而且完全可行,它突破了传统的设计模式和方法,极大提高了采矿方法设计的工作效率,使采矿方法的设计更加直观、形象、容易理解,应用前景必将越来越广泛。

三维可视化;地质统计学;采矿设计

0 引 言

在传统的地质现象表达中,通常是以二维平面图和剖面图来表示地质勘探的成果,这种方式存在表达信息不充分,缺乏直观感等特点。随着地质统计学、数学、计算机图形学和网络技术的发展,在科学计算可视化的基础上,工程地质逐渐向综合集成化、数字化、可视化的方向发展。矿床三维可视化建模已成为数字化的一个重要方面,并成为当前地学信息技术领域最富有活力的研究方向之一[1]。

国外在这方面的研究进展较快,并已开发出许多商业化软件,如美国的M INC IM,DGI开发的可应用于露天和石油开采的可视化系统;Reservoir Characterization Research and Consulting公司开发的3D EarthModling软件[2～4];加拿大阿波罗科技集团公司开发的MicroLYNX;加拿大金康公司开发的Gem-Com软件;英国的DataMine软件;澳大利亚的MicroMine软件、S MG公司的Surpac软件等。相对于国外的这些地质矿床三维可视化建模软件,国内的发展比较缓慢,但也相继开发了有些三维建模软件如北京理正软件设计研究院研制开发的LeadingGIS也比较好的实现了地质体的三维可视化,武汉中地信息工程有限公司的MAPGIS、北京超图的SUPERMAP等都带有三维可视化的模块[5～6],中南大学和长沙迪迈信息科技公司开发的一整套专业矿山应用的D IM INE矿业软件等[7～8]。本文以国内某锡矿为例介绍了三维可视化建模技术在矿山中的具体实践及应用。

1 矿山地质概况

矿体产于近东西向的炸药库断裂和背阴山断裂之间的夹持带所控制的背阴山突起东翼花岗岩的顶部,矿体赋存于花岗岩与T2g15碳酸盐类岩石的接触带上,由于受背阴山断裂、背阴山突起花岗岩岩体表面形态及接触带的控制,矿体形态复杂,呈似层状、透镜状,局部呈盆状、槽状产出。矿床成因主要与岩浆期后中-高温气成热液所形成,矿体总体走向近东西,走向长约300 m,南高北低,倾角随岩体形态改变,矿体由西向东侧伏,赋存标高1 670～1 745 m,南北宽10～120 m,厚0.8～22 m,矿石类型有块状硫化矿、矽卡岩型硫化矿,砂状(风化)硫化矿,局部有氧化矿和含矿大理岩,矿体属Sn、Cu共生硫化矿。

2 矿山地质实体模型构建

2.1 钻孔数据库及统计分析

地质数据库就是将不同的地质数据信息按照一定的关系有机的组合在一起,共同表示钻孔完整信息的数据集合。它是进行地质解译、品位推估、储量计算与管理以及后续采矿设计等的基础,包括了开口文件(Collar)、测斜文件(Survey)、钻孔样品文件(Assay)、岩性文件(Geology)4个文件。对样品进行统计分析一方面是为了掌握矿床锡以及其他金属元素的分布情况,另一方面是指导后面品位推估时采用何种方法进行变异函数计算与分析。本次建模收集到326个钻孔,样品数量为3 789个。

根据地质统计学原理,为确保得到参数的无偏估计量,所有的样品数据应该落在相同的承载上,即同一类参数的地质样品段的承载应该一致。因此,在建立品位模型之前,需对样品按钻孔长度进行组合。为了降低样品组合过程中可能导致的品位平均化程度,取组合样长度为平均原始样品长度2 m,最小组合样长为原始样品的75%,即1.5 m。另外,由于该矿区特高样品数目较少,这里组合时采用直接将特高样品剔出的办法予以处理。从图1中看出Sn元素服从对数正态分布的规律;Sn均值0.61%、标准差为1.59。

图1 Sn元素品位分布直方图

2.2 变异函数的计算和拟合

由于矿体分布具有一定的方向性,区域化变量在不同方向可能会具有不同的结构性和变异性,即具有空间各向异性特征。因此,在进行变异函数的计算和分析时将针对不同的方向分别进行。根据经验,对于浸染状的金属矿床,要按走向、倾向、厚度3个方向进行变异函数的分析,因此,这里对于Sn元素品位进行这3个方向的实验变异函数计算,具体参数列于表1。

表1 Sn元素品位变异函数分析参数及结果

变异函数的理论模型又分为有基台和无基台两大类,其中有基台的模型有:球状模型、指数模型和高斯模型;无基台的模型有幂函数模型、对数函数模型、纯块金效应模型及空穴效应模型等。本次研究采用球状模型[8],其拟合Cu元素曲线如图2、图3、图4所示。

2.3 交叉验证

理论变异函数参数将用于后续的矿床品位推估或储量计算中,因此,理论变异函数参数取值的正误对品位估值结果的准确性具有很大的影响。进行交叉验证的目的,就是对理论变异函数参数的取值进行检验,判断应用这些参数进行品位估值时的估值效果。

交叉验证的基本思想是,假定某已知样品点处的品位是未知的,根据其周围的已知样品点,应用计算得到的理论变异函数参数对该点处的品位进行推估,然后计算该点处的实际品位与估计品位之间的误差。利用上述得到的3个方向的变异函数参数进行交叉验证,结果见图5。根据交叉验证的结果,误差均值-0.000 4(趋近0),标准差0.3,2个标准差范围内误差所占比例95.64%。由图5可以看出误差分布为正态分布,所以变异函数参数比较准确、合理,可以用于进行克立格估值。

图2 Sn主轴方向实验及理论变异函数

图3 Sn次轴方向实验及理论变异函数

图4 Sn短轴方向实验及理论变异函数

图5 交叉验证误差分布直方图

2.4 地形表面模型的建立

在地质调查和测量中,通常表现为一系列离散的、稀疏的、空间上分布不均匀的数据。利用这些离散数据来进行三维建模时,需要通过数据插值,然后才能形成完整的地质体模型。

目前空间数据插值的方法很多[4],主要有:双线性插值、趋势面插值、样条函数插值、距离幂次反比法和克里金(Kriging)插值等。

各插值方法有各自的优势,因地质数据有其特殊的特点,在进行空间数据插值时,不能简单地套用现成的自动插值方法,必须考虑很多制约因素及相关的地质学原理,选择合适的方法来模拟,才能形成准确可靠的模型。克里金(Kriging)插值方法是一种求最优线性无偏内插估计量的方法,它首先考虑了空间属性在空间位置上的变异分布,然后考虑样品的形状、大小、及其与待估区间的空间分布位置等几何特征,对每一待估区域赋予一定的系数,最后进行加权平均来估计。

在三角网过于稀疏的地方,生成的表面模型往往会显得很粗糙,难以满足工程上的要求。因此,对该区域内的点必须进行加密处理。但由于克里金法比较复杂,步骤较多,国内外在建立地形模型时通常采用趋势面法或距离幂反比法。其待估区域内高程值的估值公式为:

式中,Z(x)为待估点的高程,Z(xi)为已知点的高程,d为第i个点到待估点的距离。

高程点加密后,创建等值线网,生成的地形表面模型见图6。

图6 矿山地形表面模型

2.5 矿体模型

在建立的钻孔数据库基础上,根据不同勘探线剖面圈出的矿体边界形成的线框集,通过线框模型构建法[9～10]建立矿体模型。建立老矿山矿床模型也可以利用已经诠释的工程剖面图纸,以DXF文件格式导入可视化软件中,按一定比例进行坐标转换得到线框集,然后建立实体模型。建立矿体模型除了进行可视化、体积计算、在任意方向上产生剖面、与来自于地质数据库的数据相交4种功能外,还有一个极其重要的功能,就是为之后的品位估值和块段分析提供线框约束的基础。同时也可以通过对矿体线框进行体积计算,用来与块段模型最后计算出的矿石储量做参照。建立的矿体模型如图7所示。

图7 矿体模型

2.6 矿体三维品位模型

为了描述矿体模型内部的属性,须建立矿床的块段模型。块段模型是将矿床实体模型在三维空间内分为众多单元块,在边界处通过次分块来控制边界,然后根据已知的样品值来进行估值。通常单元块尺寸确定与勘探网度、采矿方法以及矿体形状有关,对于露天开采,单元块的尺寸为台阶高度;对于地下矿开采,单元块的高度按分段高度来定。本次建模块度尺寸5 m×5 m×5 m,在边界处按2 m×2 m×2 m进行次分。

2.7 储量计算

块段模型建立好以后,按照不同的边界品位进行统计分析。储量统计结果见表2。

表2 矿床地质矿床模型储量计算结果表(Sn)

2.8 三维可视化采矿方法设计

根据矿体赋存条件及岩石力学条件,矿山采矿方法选用浅孔留矿法和房柱法,应用三维建模软件对单体采矿方法进行了设计,如图8和图9所示,在模型的基础上进行了爆破设计,自动输出的设计结果如图10所示。

图8 浅孔留矿采矿方法图

图9 房柱法采矿方法图

图10 爆破设计结果

3 小 结

利用三维可视化建模技术建立实体模型,更加逼真地反映地质体空间形态,根据建立的矿体模型可为品位估值、储量计算、采矿设计等提供很好的平台。建立在三维模型基础之上的采矿设计内部工程可以进行任意方位察看,与传统设计相比更加直观化、形象化、真实化,对于从本质上了解各个采准切割工程的空间结构、采准顺序,起到了不可替代的作用。根据三维矿块及内部实体工程模型,可截取任意位置、方向、比例的平、剖面图上进行施工指导、生产进度计划编制,为矿山的可行性研究和初步设计提供依据,同时为矿山的生产调度及其控制提供空间定位和基础模型,并最终服务于整个生产过程。

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APPLICATION OF 3D VISUAL MODELING TECHNI AUE INM INE ENGINEERING

SHA Ming-guang1,YI Zhi-qiang2,Qin Lei2
(1.Kaiyuan KyaniteMine,Nanyang 473400,Henan,China) (2.No.1 Geological Exploration Institute,Henan Geology andMineral Resources Development Council,Nanyang 473400,Henan,China)

Alongwith the developmentof geological statistics,mathematics,computer graphics and ne twork technology,engineering geology gradually develops towards a comprehensive integrated,digital,visual direction based on scientific visualization.The paper took a tin mine as research object,and established a 3D modes of deposit and engineering,which were based on theory and method of geostatistics,especially used variogram which may reflect the characteristics of regionalized variables.The research shows that the models vividly reflectedmining current status,and it is necessary and feasible to use the true three-d imensional technology in mining design.It breaks the traditional design pattern and methods,greatly improves the work efficiency ofmining methods design,and makes mining design more intuitive,vivid and easier to be understood.

three-dimensional visualization;geostatistics;mining design

TD673

A

1006-2602(2010)04-0009-05

2009-12-03

沙明光(1953-),男,总工程师,从事矿山采矿生产技术和经营管理工作。