基于3Dmine技术建立三维地质模型及储量估算

王 珂，钱建平，周永宁，任 东

(桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541000)

随着科技的飞速发展，计算机在各个行业都得到广泛应用，地质矿产领域亦不例外。计算机在地质领域最原始的功能是辅助地质人员更加便捷地制作各类图件，以提高地质人员的工作效率。但是传统的二维图件表达各种地质体、地质现象之间的相互关系上具有一定的局限性，它不能很好地展现各种构造、各类地质体在三维空间真实形态及相互关系，而更多的是需要地质人员在脑中想象各种构造、地质体在三维中的真实形态，这样假象出来的情况很容易和实际情况形成偏差，对实际工作的开展造成不良影响。随着计算机技术的发展，三维图像技术和计算机技术进一步的结合，构建三维可视化地质体模型的技术条件变得逐渐成熟，运用这一技术成果可以很好地解决上述问题。

构建三维地质体模型的技术就是指把二维地质图和数据资料转化为一标准格式，再在其中提取各种地质体的轮廓线，然后通过相关方法连接轮廓线使其形成形实体模型，并将其在三维空间中呈现出来，利用这种在三维空间中的地质模型分析各种地质体的大小、形态、相互关系及分布规律。这种三维地质体模型的构建为地质行业的发展提供了新的方法，为现代化矿山建设提供了新的方式。

1 三维地质建模简介

三维地质建模(3D Geo-Modeling)主要是应用三维空间信息管理、现代计算机技术、地质解译、空间分析与预测、地理信息技术和图像处理及解译技术，在三维空间模拟环境下分析和模拟地质体的技术。这个概念在上世纪九十年代由Simon.W.Houlding首先提出后，被广泛地应用于矿产勘探、工程建设、国土资源、地理信息系统等多个领域(Simon W.Houlding，1994)[1]。现在常见的三维地质建模多是以三维地质软件为媒介来实现的，所以我们也可以说三维地质建模的发展过程也就是三维地质软件的发展过程。这些软件的发展依托于科技技术的发展，近年来在许多的地质领域的学者和科研人员共同努力下，三维地质方面的软件有了很大的进展，例如3Dmine、Surpac和Dimine等软件。三维地质建模是地质行业的新兴课题，它特别适用于矿山地质研究，可以为矿区的生产规划、采矿设计等服务，从而大大提高矿区的生产效率，为矿产资源的可持续开采做出一定的贡献。

2 矿山建模过程中3Dmine的应用

2.1 地质数据库的建立

地质数据库是现在常用的一种简单有效的处理数据的工具，可以简单直接的对数据进行检索和处理。使用3Dmine建立数据库，将收集的地质数据导入数据库当中，通过3Dmine软件将数字形式的勘察资料变换为三维图形，供我们后期的应用与分析。

3DMine矿业软件的数据库格式是依据各种勘探工程编录的格式而定的，其主要存储的内容为：钻孔空间参数数据(钻孔孔口位置、钻孔类型、钻孔最大孔深等)；钻孔或坑道所揭露岩石性质特征；岩芯元素分析数据及地质剖面图等。

3DMine矿业软件使用的是Microsoft Access数据库，用户可以将钻孔柱状图中的数据以文本或者Excel表格的形式导入其中。通过3DMine矿业软件的转换，这些文字形式的勘探资料就变成三维图形的形态来管理及使用了。3DMine软件的数据库中有两个必需的表格(定位表和测斜表)和若干非必需的表格(化验表、岩性表等)，其中定位表和测斜表是用以控制钻孔在三维空间的位置和孔道轨迹，化验表、岩性表等非必需性表格可以根据用户的需求自己设定，本次研究共建立了四个表格如下：

2.1.1 定位表的作用

定位表的作用主要是录入钻孔等地质工程的坐标及相关的基本信息(表1)。其字段主要包含工程号、孔口坐标(X、Y、Z)、最大深度、轨迹类型及其它用户自定义信息等，此外还有坑道、探槽等工程建立相关信息。

表1 定位表属性结构

2.1.2 测斜表的作用

测斜表的作用主要是录入工程号、钻孔进尺、倾向方位和倾斜程度等相关信息(表2)。其字段包含工程号、深度、方位角、倾角等。

表2 测斜表属性结构

2.1.3 化验表的作用

化验表的作用主要是录入钻孔或坑道所采金矿体样的化验分析结果等信息(表3)，为组合样生成以及之后的矿体品位赋值提供数值。字段主要含有工程号、从、至、金元素化验结果值及其他信息等。

表3 化验表属性结构

2.1.4 岩性表的作用

岩性表的作用主要是录入描述岩性及含矿程度等相关信息(表4)。字段主要含有工程号、从、至、岩性描述及岩性代码信息等。

表4 岩性表的属性结构

以上这四张表，将钻孔定位、测斜、取样化验、地质编录等工作分门别类，使地质勘探等实际工作记录起来更加条理清楚。虽然这四种表的内容以及格式等是有区别的，但是这四张表中都通过“工程号”这一属性建立了联系，形成了一个数据网络。建立的地质数据库包含定位表、测斜表、化验表、岩性表这四种表格[2]。

2.2 地表模型的构建

在地表模型构建过程中，将矿区的AutoCAD地形地质图导入3Dmine中作为底图，并将矿区地表出露的地层岩性、地质构造等地质信息；钻孔、探槽、建筑等工程信息水平投影到该底图上的地质用图。由于图件上的线条高程不准确，因而图中等高线进行处理如：坐标校正、等高线连接、线上冗余点清理等，将地形地质图上一些不需要的信息进行删除或隐藏处理，之后利用该软件工具栏中线赋高程功能将所有等高线赋上其对应的高程值，最后利用DTM工具生成地表模型(图1)。

2.3 矿体实体模型的建立

三维地质体模型就是通过不规则的三角网将矿体的各个轮廓线连接起来，形成形态各异的密不透风的网。具体步骤是先将钻孔柱状图、中段地质平面图以及勘探线剖面图等处理好，再加载到3DMine软件中，然后延勘探线方向将钻孔模型切剖面，再根据要求及实际情况圈闭连接所切剖面上的矿体品位分布线或者直接在勘探线剖面图或中段地质平面图上提取矿体轮廓线，最后通过闭合线到闭合线的连接三角网功能生成矿体实体模型(图2)。在实际建模过程中，因为矿体的不规则性我们总会遇到一些存在分支、复合现象的矿体模型需要处理，所以，3DMine矿业软件在连接矿体轮廓线时可以通过利用控制线以及分区线的方法来解决矿体形态不规则的问题从而使构建地矿体形态与真实情况更接。

图1 地表模型示例图

图2 矿体模型示例图

构建地质体实体模型的方法主要有以下三种：

(1)运用三维钻孔模型及其上的三维品位数据信息圈定矿体剖面轮廓线从而建立地质体实体模型；

(2)利用矿区勘探线剖面图直接在图中提取地质体竖直轮廓线从而建立地质体实体模型；

(3)利用中段地质平面图直接提取地质体水平轮廓线从而建立地质体实体模型。在实际建模过程中，我们需要依据矿区资料的多少选择适合的建模方法。根据上述原则，对本研究区矿体实体模型创建的方法选择具体情况具体分析。

2.4 创建块体模型并估值

矿体是在各种地质作用下形成的不规则的几何体，我们利用3DMine矿业软件构建矿体实体模型其实只是模拟了矿体的实际轮廓，但这个轮廓也只是一个表壳，没有实质性的内容，因此我们创建块体模型，块体模型其实是利用若干个一定大小的长方体来填充这个不规则的几何实体，然后通过累加所有充填的长方体体积就可以近似得到这个实体的体积，若再给每个长方体内部添加一些属性如比重和品位等，我们就可以计算该矿体实体模型所含有的实际矿石量和内部矿的总重量等。

搜索块体空间：应尽可能将整个矿体实体模型都包含在里面，有时候还要包含不可剔除的夹石。

定义块体尺寸：一般情况下，主要依据矿体的类型、规模及开采方式等来定义其尺寸大小(王李管，2008)。块体模型是若干大小相同的长方体累加而成的，但这种等大小的块体累加不能将不规则的矿体实体模型全部充满，在矿体实体模型边缘还会留存小部分的空间未被充填，因此需要使用更次一级的子块体充填实体模型边缘未被充填的部分，这样才能更贴近矿体实际轮廓从而保证储量估算的准确性。二三级模块按几何级数进行尺寸分割，但尺寸不能设置太小，否则容易占用电脑内存导致运行缓慢。

选择估值方法：一般情况下，主要依据矿床类型、钻孔及坑探取样化验数量及分析结果等方面综合考虑来选择合适的品位估值方法。对于一般普查勘探层次的矿山而言，相关数据资料较少，适合选用距离幂次反比法或最近距离法。对于详细勘探或已进行生产的矿山而言，各方面数据资料比较齐全，通常使用克里格法。

添加约束条件：就是限制块体模型空间形状，约束条件有以下五种：表面、实体、块值、闭合线和区域文件，这些条件应用在不同的地方，目的是对块体进行选择，它是块体估值过程中的重要环节。

块体模型的属性如同数据库的字段名一样会被用以存储相应的内容，而品位属性则是对块体模型进行估值赋值。由于钻孔和坑探采样相对较少，已有的品位数据不可能包含每一个充填块体所需的品位属性，所以，我们采用估值方法插值来赋给所有块体品位属性，而估值方法一般采用距离幂次反比法及普通克里格法。

3 储量计算

根据地质资料确定矿体的体重，将此数值通过块体模块中单一属性赋值法赋给已成功估值的块体就可以计算出该矿体的总的矿石量，下一步就是通过块体模块中的分类功能进行计算得到该矿体的金平均品位，最后通过以下公式就可计算出该区金的金属总量(图5)。

P=V×D×C

公式中P代表矿体中的金含量，V代表矿体的总体积，

D代表矿石的体重，C代表矿体中金的平均品位。

通过对矿体块体模型中每个单元块的累加平均统计计算可得矿体体积、质量和重量，同时也证明3Dmine软件计算与传统方法相比更加简单、快捷。

表5 3Dmine矿体储量计算报告示例

4 结论

3Dmine矿业工程软件是以矿区地质、测量和采矿为基础，在实际使用过程中应用3Dmine矿业工程软件利用地形地质图、勘探线剖面图、井下中段图及钻孔数据等资料分别对矿山的地表模型、三维矿体模型和块体模型进行创建，利用三者创建出矿区的三维地质体综合体模型，建立的三维地质体综合模型可以直观生动的表现出矿体的特征，以便于矿山后期的开发利用，又以三维地质体模型为基础，利用地质统计学计算方法对建立的块体进行估值，实现了在投影方向上进行三维块体的划分和储量计算，解决了传统计算储量方法的不稳定和经常出现不可预测的误差等问题，同时也弥补了单纯利用地学统计法计算的工作量大的问题，提高了计算储量的效率，创新了地质工作的传统模式，对现代化矿山建设提供了指导作用。