赣南离子型稀土数字矿山应用研究

王 瑞 ，李 亮 ，周大伟

（1.中国矿业大学 环境与测绘工程学院，江苏 徐州 221116；2.江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州 341000）

随着我国各种矿产企业迅速发展，坚持以人为本，努力构建社会主义和谐社会发展与创新，进而合理协调矿产资源开发与环境及资源保护之间的矛盾以及矿山生产与矿山安全管理之间的矛盾，积极地改善矿山安全生产的状况，建立科学、合理、高效、低污染、智能化、安全的矿业生产新局面，是各矿产企业在开采过程中的目标[1]。

矿山企业的资料数据从最初开建至闭坑，经过不断累积，地质资料数据量大[2]。这些资料具有阶段性、种类繁多、格式复杂等特点，而且它们分散在很多部门，所以各单位资料数据的完整性、连续性、继承性差，查询、利用效率较低，各自之间缺少联系，致使生产过程缺乏信息化、智能化，因此对矿山生产现状动态管理、生产方案优化决策、矿山生产规划、资源的合理开发利用、储量动态管理等方面造成了很多不利的影响，从而严重影响矿山企业的经济效益[3]。目前关于离子型稀土矿数据量大、地质构造复杂，三维模型构建及储量计算难度较大，对离子型数字矿山及关键技术的研究比较薄弱，因此，深入研究数据的有机结合及共享，完成实际准确三维模型的构建，进一步优化开采设计参数，充分掌握品位分布概况，准确智能动态计算不同条件下矿床储量是目前金属矿山需要解决的关键技术问题，也是离子型稀土数字矿山研究的关键技术。中国也是钨矿储量丰富的国家，采用SURPAC软件建立了地表、围岩、矿体等三维模型，采用统计学的方法进行储量计算，建立的模型及计算储量实现和现实一致，从而对促进资源的开采、提高管理水平和效能有一定的借鉴意义。

1 数据库及三维模型建立

以赣南某离子型稀土矿为研究对象，在现有的原地浸矿工艺研究设计方案的基础上，对离子型稀土矿地质资料和生产资料进行详细分析建立地质资源和生产过程数据库，实现数据的集中管理、动态管理，基于信息化、智能化手段管理和挖掘数据，提高稀土矿山管理水平、稀土资源利用率和节省开发成本，以优化开采方案和工艺参数。

1.1 地质数据库的建立

将矿山开发过程中各种综合地质信息建立地质数据库，并完全使之图形化，在三维空间显示地质工程等信息，如钻孔轨迹线、岩性及描述、品位值、地质构造等，在三维空间下了解地质现象[4]。在所建立的数据库可以直接查看、编辑、追加和提取各类信息数据，对数据库进行管理，对数据进行批量处理等，做到智能化可视化，方便矿山管理人员进行数据修改、查看、保存。数据库建立流程如图1所示。

图1 建立数据库的基本流程Fig.1 Basic flow chart for database construction

所建立的地质数据库主要包含的信息有：孔口位置、测斜信息、样品信息、岩性信息和工程地质信息。地质数据库就是将不同的地质数据信息按照一定的有机关系，共同表示钻孔完整信息的数据集合[5]。

根据某矿山实际情况，选择该矿床稀土元素作为区域化变量，以地质钻孔数据为数据源，借助SURPAC数字矿山软件创建地质数据库。数据库主要包含四个数据表：钻孔开口信息表—collar（简称“钻孔表”）、钻孔测斜信息表—survey（简称“测斜表”）、钻孔样品品位表—sample（简称“样品表”）和钻孔各分段地质信息表—geology（简称“岩性表”），各数据表结构定义如表1所示。

表1 地质数据库中定义的数据表结构Tab.1 Data table structure defined in geological database

地质数据库的建立，为矿山地形地质建模、矿体实体建模等提供基本数据。数据库的引入功能使用拖动或者简单的连接方式和存在的数据库连接，可将矿山开发过程中各种综合地质信息建立地质数据库，并完全使之图形化[7]。部分钻孔的化验数据及岩性如图2所示。

图2 矿区的地质勘探钻孔分布Fig.2 Geological prospecting drilling map in mining area

1.2 地表及地质信息建模

矿山三维地质建模是数字矿山的关键技术之一，是实现数字矿山的基础。TIN与Section混合模型建模的方法是对不同的界线或者具有特定意义的地质界线，给予每条界线属性值，最终将相同的界线用三角形连接，就形成具有特殊意义的三维曲面[7-8]。三维地质模型要在实际应用中发挥作用，产生效益，最基本的功能要求有：可以真实形象地显示地表模型、地层、构造、矿体和管道三维模型；可以根据需要对三维模型进行任意剖面切割；智能化进行矿体体积、储量的计算以及品位分析；模型应具有良好的兼容性和可扩充性等[9-10]。试验矿块地表及地质信息的建模主要包括地表模型、矿体模型、围岩模型，具体地表模型如图3，矿区整体模型如图4所示。

通过使用RTK-GPS技术对所研究的稀土数字矿山试验矿块地形进行测量，由测量点以及设计的厂房位置布置、注液孔布置等分别建立了数字地表模型及现场工程三维总布置图。由图可以得到工程布置和矿体的相对关系，进一步分析工程布置的合理性。为后期的矿体开采及药品液体的收集提供现场可靠的数据准备。

图3 地表实体模型Fig.3 Surface entity model

图4 矿区整体模型Fig.4 Mine overall model

1.3 开采工程三维可视化模型

根据试验矿块实测地形图，由设计方案建立各药管三维模型，利用SURPAC软件完成配液池、输送管道、高位池、注液孔、集液沟和集液池等开采工程模型的建立。通过建成的实体模型，可以直观地表达地表、矿区与工程布置空间三维位置关系，进而呈现优化设计路线，如图5所示。

通过现场测量数据及设计数据，可以建立和实际比较一致的三维工程布置图，由图像可以计算各管道的用量，通过单价计算工程布置成本，为进一步优化工程布置及降低成本提供可靠的数据基础。

图5 开采工程模型图Fig.5 Mining engineering model

2 品位动态分析及储量计算

根据地质勘探钻孔数据及矿体模型，可进行矿体体积、储量计算及品位显示，确定离子型稀土矿山的边界品位开采范围。由品位的实时动态变化，三维显示矿体品位变化情况，优化矿山开采工程布局并结合注液的数据和收液数据进行经济分析，见图6。

图6 品位动态分析技术路线图Fig.6 Roadmap for grade dynamic analysis technology

根据某离子型稀土矿山储量核实报告及储量计算附表数据，对矿石的比重与稀土元素品位关系进行了一元线性回归分析，确定稀土矿石的体重计算公式为（y为矿石量，x矿石体积）。边界品位对应的地表范围圈定：根据块体模型中的稀土元素可以智能显示出品位大于0.03%的矿体，具体品位分布见图7。

基于地质数据库对矿区的勘探钻孔样长进行统计分析，舍去过长和过短样长，计算平均样长，可知该稀土矿所取样本53个、平均样长1.018 868 m、方差0.018、标准差0.136；提取样长后根据勘探工程进行样品组合，组合后的品位分析，从组合后的品位分析可知该稀土矿所取样本54个、平均品位0.053、方差0.00260；在矿体实体模型和地表模型基础上，建立块体模型，应用距离幂次反比法进行多次估值，按照标高及品位范围计算矿体或某一矿体区域的储量见表2。

洛阳铲取样所建立的样品数据库，可以通过块体模型进行统计分析，得到整个矿区的品位分布情况。通过后期对洛阳铲钻孔数据的额不定期提取，通过克里金插值方法进行有效数据的插值，最终可以得到整个矿区品位不定期的变化，为后期的矿区注液孔的增添及减少提供数据的支撑。

图7 边界品位以上的矿体对应的地表范围Fig.7 Surface area corresponding to the ores above the border grade

表2 标高及品位范围稀土储量统计Tab.2 Rare earth reserve statistics within the elevation and grade range

由建立的矿体模型和块体模型，采用地质统计学的方法对稀土储量进行计算，由表2可知，“Z”字段代表水平标高，本文要就主要是对水平270～290m每隔10 m进行储量计算，并对每10 m进行储量计算；“稀土”字段是品味每隔0.01进行对稀土的体积、吨位及品味变化进行统计分析。通过表2可知，不仅可以对不同的水平中段还可以通过品位的变化进行储量的统计分析，为矿山的开采动态管理提供可靠的数据支撑。

3 结 论

国内外对数字矿山的研究仍处在发展阶段，本文依托赣南某离子型试验矿块，对稀有金属建立数据库、三维模型及品位的动态分布和储量计算进行应用研究。通过实践证明所建立的离子型稀土数字矿山对现场工程布设具有较大的指导意义，对高效合理开采方案的选择提供科学的数据支撑。随着数字化、智能化、信息化的高速发展，从对数字矿山理论研究逐渐转化为应用，为数字矿山建设迈出了坚实一步，将在今后为我国的矿山的发展和技术的提高起到积极作用。

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