三维模型在超大规模矿山建设中的应用

吉学文，潘张伟

(大兴安岭金欣矿业有限公司，黑龙江 大兴安岭 165000)

随着信息化数字化智能化矿山的发展，三维地质模型在矿山规划建设、生产管控、运营策划过程中越来越重要。大兴安岭金欣矿业有限公司利用3DMine软件建立三维模型，应用于矿山的规划建设，取得了较好的效果。

1 矿山概况

大兴安岭金欣矿业有限公司位于大兴安岭松岭区，为云南驰宏锌锗股份有限公司的下属矿山。目前正在开发建设岔路口钼铅锌多金属矿，该矿体储量巨大，为特大型钼矿床，规划建设生产规模为5万t/d，1 650万t/a，矿山服务年限80 a。采用胶带斜井—竖井开拓方式，大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法。

2012年矿床勘探完毕，从地表采用钻孔进行矿床勘探，剖面线间距100 m，最深钻孔1 500 m。岔路口钼铅锌多金属矿为斑岩型矿床，主要围岩是花岗斑岩、石英斑岩、闪长玢岩。钼矿体呈拉长的穹窿状，主体隐伏。主矿体顶板埋深200～400 m。已控制矿体长2 600 m，宽360～1 260 m。矿体延深大于1 500 m，垂直厚度200～900 m。在平面上，不同标高矿体形态、规模不同。地表至300 m标高，矿体呈北东向的宽带状。随深度增加，矿体宽度增大。300～0 m标高渐变为北东向的椭圆状。0～-400 m标高，矿体进一步扩大，呈东西向拉长的椭圆形，长轴1 840 m，短轴1 400 m。

该矿体矿石品位分布不均匀，总体上为上贫下富。剖面上矿体呈穹窿状，垂向上矿体分三层结构，上部以薄层状低品位矿为主，中部为厚层状，下部为巨厚层状富矿。

2 矿体三维模型建立

2.1 地表模型建立

地表模型属于表面建模(Surface Modeling)，在3DMine软件中使用优化的三角形法创建三维线框文件，它属于目前三维软件两大流行建模方法之一的Polygon建模方式[1]。

本课题研究中，利用了测量成果——等高线、高程控制点完成地表三维模型的建立。建模过程中发现，3DMine软件针对传统的二维图纸图形开发了独特的处理技术，可提取二维图纸标注的等高线高程文字信息，实现快速为等高线赋高程，得到三维等高线，之后一步即可完成三维地表模型建立[2-6]。同时将地质信息、地貌特征以及与工程、矿体的空间关系充分展现出来，便于对矿区的总体设计，矿区地表模型见图1。

图1 矿区地表模型 Fig.1 Mining area surface model

2.2 矿体模型建立

1)圈矿工业指标

针对矿床地质特征、矿种与矿产品用途、开采技术条件、采矿工艺及矿石加工选冶技术性能等选择确定采用矿块指标体系进行矿体圈定。

矿块指标体系：论证的工业指标通常以边际品位为主，兼顾其他因素。通常在地质统计学法、距离幂次反比法等估算资源储量时采用。一般根据地质矿化规律采用某一个品位界线(一般介于地质上的矿化品位与工程指标体系中的边界品位之间)圈出一个比较完整的矿化域，在矿化域内按照一定的大小划分估计品位的单元块，继而对单元块进行品位估值，再采用边际品位界定单元块是矿石还是废石，然后统计资源储量，在单元块中用边际品位来圈定矿块，其中起关键作用的是边际品位及最小开采单元大小。单元块(估值单元块)是品位估值对象的矿块，其大小应考虑矿床开采方式、采矿工艺及炮孔间距、矿体复杂程度、矿体规模，一般应大于矿床开采基本(最小)单元；最小开采单元是实际可采的最小的体积和形状，即一次采矿(打孔放炮)的最小体积。

2)矿化域空间解译

按照斑岩型矿床的特点，可以采用软边界即矿体与围岩的界线采用品位确定的方式，也可通过岩性带或蚀变带范围圈定矿化域。

本矿体研究中，主要采用蚀变带圈定矿化域，结合三维空间剖面功能，大大提升了地质空间解译的可靠性以及矿化域圈定的合理性。

在实际地质空间解译和矿体圈连的过程中，结合工程数据库的空间关系，形成一系列的剖面(见图2)。

3)矿化域及夹石模型

根据本矿区一系列剖面解译结果，包括矿化域边界线和明确界定的夹石范围，通过3DMine软件的实体建模功能分别完成矿化域模型和夹石模型的建立。根据此模型确定品位和相关属性估值范围和约束条件，为下一步利用边际品位确定矿体奠定基础。

通过三维建模完成的矿化域和夹石模型如图3所示。

图2 矿区剖面示意图 Fig.2 Sketch of mining area profile

图3 矿化域和夹石模型Fig.3 Mineralization domain and the stone band model

2.3 品位模型

块体模型是用规则的块体(一定尺寸的长方体或立方体)充填不规则的矿化域，同时采用次级分块技术，确保边部块体与矿岩界线尽可能趋于近似，从而得到矿体资源储量的合理性和准确性。

块体模型的属性特别是主矿产品位，是通过地质统计学方法进行插值，根据一定的估值和搜索参数，从而得到每个搜到范围内的块体均有相应的品位值。

具体估值参数有：

1)组合样

通过对钻孔数据库的分析，按照2 m等长样品进行Mo品位组合，有效长度为1 m，选择可采长度为2 m，夹石剔除厚度为3 m，缺失样品按0计算，形成的组合样文件，其中属性1为Mo品位，属性2为组合长度，属性3为工程号(如图4所示)。

2)特高品位处理

结合地质勘探报告，选取品位0.482%为特高品位值，从而对原始的组合样文件进行属性计算，将其中的高品位按照0.482%代替，从而形成了处理后的组合样文件。

图4 估值组合样品对比图Fig.4 The comparison of portfolio valuation sample

3)变异函数分析

通过对上述组合样的普通分析和变异函数分析，发现组合样品点数据只是在一个方向(即走向或倾向)有很好的连续性，但没有基台和块金值，在另一个方向则没有连续性，因而采用距离幂次(平方)反比法进行估值。同时将矿带分为北西侧和东南侧，其中，北西侧选取走向60°，倾角16°。东南侧倾角为8°，长轴/次轴=2，长轴/短轴=10，最少3个样品，最多12个样品，并限定每个工程不多于5个样品进行插值计算。

本次研究中，采用普通克里格法进行估值。具体的结果如图5所示。

图5 块体模型示意图Fig.5 Sketch of the block model

3 三维模型的应用

3.1 优化前期开采部位

建立矿体模型后，利用块体报告，计算出各中段标高之间的不同品位储量，根据品位储量分布情况，选择首采中段开采位置。从-580～550 m范围内，按照60 m中段高度，以钼0.06%～0.15%为边界品位，计算出-460～-340 m中段储量8 000万 t以上(大于0.1%)，见表1，据此，初步确定主要首采中段为-460 m，开采品位0.14%。另外，为保证生产规模，上部选择80 m作为首采中段，补充部分产能，使矿山投产初期获得显著经济效益。

表1 钼边界不同品位矿石储量分布情况

3.2 优化矿体开采移动界限

根据建立的三维模型，确定矿体的最大开采边界线，以最低开采位置，采用充填法，移动角度70o～75o，在每个剖面上确定地表移动点，即可圈出地表移动界限。模型中矿体投影长度为2 120 m，宽度为1 600 m，高度为840 m。

3.3 优化主体井巷工程布置

从三维模型中，可直观看出矿体在地下的埋藏情况，矿体与地表地形、河流及其它构筑物的相对位置。根据地表工业场地的布置，矿体矿量的分布，选择主要井巷的位置，使地表及井下的运输距离最短。经过方案比较论证，矿山采用胶带斜井—竖井开拓方案，位于矿体的南东侧，距离矿体250～350 m。矿体开采系统模型见图6。

图6 矿体开采系统模型Fig.6 Ore mining system model

3.4 优化采准切割工程布置

根据首采中段的位置，从三维模型中切出中段平面图，按照品位的分布，布置中段采准巷道。首采中段为80 m和-460 m，分别从竖井开掘联道至矿体南侧沿脉道，再选择合理位置，开掘出矿道至计划开采矿石品位位置。采准巷道设计效率高，选择位置合理可行。

3.5 作采矿进度计划

依据不同品位各中段的资源量，排出采矿进度计划。矿石品位大于0.1%，-460～-400 m，矿石量95 466 220 t，年出矿量8 250 000 t，可开采10 a。

3.6 构建智能化开采平台

随着智能化装备及大数据云计算技术的发展，矿山将逐渐实现智能化开采。三维矿山模型的建立，为井下人员定位、设备设施实时监测监控、物流导航、通风系统监测等提供了技术基础，实现矿山开采系统的真三维智能化管控。

4 结论

通过对本区三维建模和品位分布的研究，特别是采用矿块指标体系对矿化域的圈定和估值结果，在矿山建设初期，构建矿体三维地质模型，对矿山规划设计，选择矿体首采区位置、确定矿体移动界限、优化主体井巷工程及采准工程布置、作采矿进度计划、智能化开采等方面取得了良好的应用效果，为生产过程中取得较高的经济效益奠定基础。同时，地表井下相对位置形象逼真，易于审查和表述，设计效率高，井巷工程选择位置合理经济。