矿业软件在矿山三维可视化建模中的应用

2011-02-05张长锁

有色金属（矿山部分） 2011年6期

张长锁

（北京矿冶研究总院，北京100070）

近年来，矿山工程中矿业软件的应用日益广泛。应用矿业软件建立三维矿体模型来研究矿体分布空间关系和品位变化规律，并以此为基础进行工程设计，替代传统设计方式。三维矿体模型不但可以直观、逼真地展示矿体空间形态，而且利用建立的矿体三维模型可以进行品位估值、储量计算等，并为采矿工程设计提供基础平台。三维矿体模型还可用于资源评估、矿山生产设计、动态圈定矿体等。

矿床三维可视化建模已成为矿山数字化的一个重要方面，在矿山工程设计和生产管理中的应用日益普及。

本文介绍了Surpac软件三维可视化建模技术在国内某金矿的具体应用。

1 矿山地质概况

某矿山矿体的产出主要受下石炭统大哈拉军山组第二岩性段控制，矿体分布空间形态与赋矿岩层的产状基本一致。矿体多为地毯状、缓倾斜、埋深不大，矿体外壳上部大致与地表地形平行，自西向东，舒缓波状展布。主矿体东西向展布，呈地毯状，矿体产状与地形坡面一致，南北长700m、东西宽550 m、垂深300m；倾向东，缓倾斜，倾角20°～30°。矿体产出最高标高1 812m，最低标高1 417m。矿体最厚145m，最薄2m，平均厚35m，金品位最高15.6g／t，平均品位0.81g／t。

2 地质数据库建立

地质数据库是建立矿床三维模型的基础。钻孔样品数据的统计分析、实体模型和品位块体模型的建立、品位估值和资源量／储量计算以及平面图、剖面图绘制等都需要利用地质数据库。

地质数据库是包含钻孔完整信息的数据集合，钻孔中不同的地质信息数据按照一定的规则关系进行组合。它是进行地质信息解译、品位估值、储量计算与管理以及之后采矿工程设计等的基础。地质数据库由开口文件（Collar）、测斜文件（Survey）、样品文件（Sample）、岩性文件（Geology）等构成［1－2］。地质数据库数据表结构见表1。

Surpac在将地质勘查报告提供的钻孔数据导入数据表的过程中，进行自动查错，发现重复或错误的数据，将不进行导入，并形成错误报告，可以方便地按地质报告校核数据，形成最终的地质数据库。

表1 地质数据库数据表结构［3］Table 1 Structure of data in geological database

本次研究共录入151个钻孔的样品数据，可以利用地质数据库很方便地进行查询、编辑、字段运算、地质统计分析等。录入的数据经检测通过后即可在三维空间内显示钻孔轨迹、方位、品位值和空间分布情况。

根据样品样长的分布，确定组合样样品的长度。由于绝大多数原始样品样长为1m，为尽量使用样品的原始信息，样品等长加权组合确定为1m。

为避免品位特异值对变异函数的结构性造成影响，需要根据统计结果对样品数据进行特高品位处理，在本研究中分别根据各矿体品位变化系数的大小来确定具体的特高品位样：

变化系数＜100，品位变化程度为均匀，特高品位下限值取平均品位的6倍；

变化系数100～160，品位变化程度为较均匀，特高品位下限值取平均品位7倍；

变化系数＞160，品位变化程度为不均匀，特高品位下限值取平均品位8倍。

用各矿体中金的特高品位下限值代替各自的特高品位。

通过对组合样品品位数据的基本统计分析，如表2、图1，结果显示钻孔样品中金品位分布基本符合对数正态分布，可采用克里格法对矿体进行品位估值［4］。

表2 样品品位统计分析结果Table 2 Statistical analysis of samples grade

图1 样品分布直方图Fig.1 Samples distribution histogram

3 矿体圈定

综合考虑推荐工业指标、样品化学分析结果、矿体产状特征、勘查类型、控制程度等因素，应用Surpac软件进行交互式圈定矿体。矿体圈定原则如下：

1）圈定矿体及外推原则

当单工程矿体内部有大于和小于边界品位的样品交替分布，但其厚度小于夹石剔除厚度，作为矿体一并圈入。

夹石剔除厚度按工业指标的规定执行，即矿体中连续厚度≥4.0m、金品位＜0.3g／t部分作夹石，并在软件中形成夹石实体模型。

在单工程圈定的基础上，主要以矿体空间分布规律、控矿条件为主导因素，重点考虑矿体的产出位置及三维空间上的对应关系，在软件中圈定矿体边界线。

外推原则：见矿工程边缘有未见矿工程控制，尖推两工程间距的1／2为矿体边界；见矿工程边缘无工程控制，走向楔形外推相邻勘探线距的1／2。

2）工业指标

圈定矿体采用的工业指标如表3。

表3 推荐工业指标表Table 3 Industrial indicators of recommended

4 实体模型建立

实体模型的建立主要分为定义剖面、圈定矿体、连接三角网、实体验证、生成实体等步骤。

1）矿体实体模型

钻孔是沿勘探线进行布置的，因此，在建立的钻孔数据库基础上，沿各条勘探线建立地质剖面，并利用钻孔数据对剖面进行修正，然后在各剖面内根据边界品位、最小矿体厚度及夹石剔除厚度等指标圈定矿体的边界，绘制线文件，然后将各剖面线文件顺序连接，形成三维实体模型。形成的模型通过有效性验证后，可进行体积计算、空间约束、逻辑运算等。

建立矿体三维实体模型除了可以实现三维显示、计算体积、在任意方向上切取剖面、与来自于地质数据库的数据相交四种功能外，还可作为后续的品位估值和块段分析进行线框约束的基础，同时也可以通过计算矿体线框的体积，用来与块段模型最后计算出的矿石储量做参照［5－6］。本例中建立的矿体模型如图2。

图2 矿体三维实体模型及钻孔空间位置分布图Fig.2 3Dmodel of ore body and distribution of drill hole

2）地表模型

根据地形图文件，利用Surpac软件可以很便捷地建立地表模型（DTM文件），可用于剖面地形绘制，确定剥采地面边界等，建立的地表模型如图3。

3）岩性模型

岩性模型是根据钻孔数据在各剖面上按照不同的岩性区域绘制线文件，并将各剖面同一岩性的线文件依次连接形成三维实体模型，可以更加直观地表现矿体周围围岩的类型和分布规律，并以此限定矿体品位估值的范围、计算储量、圈定夹石。建立岩性模型可以更加精确地对矿岩边界进行控制，同时可以对矿体周边的地质信息进行更多的描述［7］。

图3 勘探区地表模型Fig.3 Surface model of exploration area

5 块体模型建立

块体模型是在三维空间内将矿床的实体模型依据勘探网度、矿体产状、变异函数特征等因素在空间范围划分为三维方向上尺寸不等的众多单元块。应用地质统计学原理和数学方法，由有限的已知品位值块体来推估其周围块体的品位值，并赋值到矿体的每一个单元块。利用块体模型可以对矿床进行资源量估算和地质可靠程度报告［8］。

为了使块体模型能与实体模型更加贴合，在边界处采用次级块来进行拟合。

1）单元块尺寸划分

对于本次研究对象勘探线距为50m×50m和25m×25m，矿体的形态简单，产状水平，选择块尺寸为20m×20m×5m（北×东×高），将东次分块数、北次分块数和高程次分块数均设置为5，得到子块尺寸为4m×4m×1m。每个矿块赋以矿石类型、矿段名称标记；用矿体实体模型对块模型进行赋值。把品位插值的搜索范围分为8个扇区，为防止使用某一方向过多的样品对一个点估值，限定每个扇区最多6个点，总点数至多48个点。生成的块模型参数见表4。

表4 块体模型参数表Table 4 Parameters of block model

2）估值方法选择

根据矿体样品统计分析结果，金品位服从对数正态分布，故对矿体块模型用普通克里格法按基本搜索椭球参数对金品位进行估值，如有矿块的金品位未能获得估值，依次扩大“基本半径”为80m、160 m进行搜索，直至所有块的金品位都估算出结果。在估值时对每一个块都记录估值次数、参与估值的工程数、样品数和样品品位的标准离差。

3）搜索椭球体定义

根据矿体的总体走向、倾向、倾角确定搜索椭球的半径、方位角、倾角、倾伏角和长度因子等，定义基本搜索椭球为40m×40m×20m，基本搜索椭球的定义参数见表5。

表5 矿块模型中基本搜索椭球定义参数Table 5 Parameters of basic searching ellipsoid in block model

4）资源量分类

根据块模型品位估值过程中的估算次数和参与估值的工程数对块体模型的地质可靠程度进行分级。矿段的勘探类型为Ⅱ类型，“探明的”工程网度为20～40m，且在矿体走向和倾向上应都有工程控制。本次资源量估算采用克里格方法插值时，基本搜索椭球体为40m×40m×20m（表4），矿体基本搜索椭球体走向方向为123°。当某一个块用基本搜索椭球参数能估算出块品位值时，再加上工程数≥2的限定条件，可使该块在矿体走向方向和倾向方向有工程控制，就可认定该块满足“探明的”条件要求。当把“基本半径”放大一倍时，对达到上述条件的块可认定为满足“控制的”条件要求；把再放大“基本半径”才能估算出品位值的块和不满足前述两个条件的块认定为满足“推断的”条件要求。

地质可靠程度分级和代码见表6。