基于3DMine的胶东上庄金矿体三维建模及其应用

刘彦奎，王欣然，李建，丛超，李宁

(1.山东省第一地质矿产勘查院,山东 济南 250109;2.山东省物化探勘查院,山东省地质勘查工程技术研究中心,山东省土壤地球化学工程实验室,山东 济南 250013;3.招金矿业股份有限公司,山东 烟台 266009)

0 引言

“数字矿山”已成为矿山研究的热点和重点，是矿业发展的必然趋势[1-2]。“三维地质建模”最早由Houlding于1994年提出，是“数字矿山”的基础，具有地质成果表达数字化、立体化、可视化、智能化与通俗实用的特点[3-5]。随着计算机图形学技术、三维GIS技术和数据库技术的快速发展，三维建模技术已广泛应用于地学领域，在矿体空间实体模型、资源储量估算、勘查预测、巷道开采现状、开采方案优化等方面发挥了重要作用。常用三维建模软件主要有3DMine、Surpac、Micromine等[6-18]。

胶东地区累计查明金资源量近5000t，是中国目前最大的金矿集区[19-22]。前人应用三维建模技术，开展了“玻璃胶东”建设、深部定位预测、构造模拟等方面的研究：剖面法建模为主流的便捷建模方法，模型精度与已有工作精度密切相关；三维地质模型多用于矿体定位预测[23-27]。本文选取胶东地区上庄金矿①-1号矿体，收集整理地质资料(1)山东省第一地质矿产勘查院.蚕庄金矿焦家断裂带与东庄带深部成矿条件研究及矿体定位预测，2020年。，利用国产3DMine软件，采用钻孔建模为主、剖面建模为辅的方法构建实体模型，系统介绍了“数据处理—3D实体模型构建—信息提取—块体模型赋值”的完整建模流程，以期提高三维建模精度，探讨矿体三维建模技术在资源储量管理中的应用，满足矿政管理和矿山日常生产需求。

1 矿体概况

上庄金矿位于胶东地区招莱金成矿带内，为典型的构造蚀变岩型金矿[28]。区内断裂主要分布有NE向焦家断裂及其下盘的分支断裂东庄子断裂、侯家断裂和望儿山断裂[29]。

东庄子断裂为①-1号矿体的控矿构造，出露1.3km，宽20～230m，走向16°～87°，倾向NNW—NW，倾角25°～38°。主裂面连续、稳定，断层泥厚0.10～0.40m，可见构造碎裂岩、绢英岩化花岗岩沿主裂面两侧呈带状分布。断裂破碎带蚀变强烈，主要为黄铁绢英岩化碎裂岩、钾化碎裂状花岗岩。

①-1号矿体赋存于东庄子构造蚀变带中，形态呈脉状，局部呈透镜状，膨胀夹缩现象较明显。产状与主裂面基本一致，走向50°～65°，总体走向60°，倾向NW，倾角30°～32°(图1)。工程控制长度最大510m；控制倾向255m，深部未封闭。单工程最小厚度1.21m，最大厚度8.98m，平均2.90m。单样最低品位为1.00×10-6，最高品位为35.18×10-6，矿体平均品位为7.46×10-6。

1—第四系；2—二长花岗岩；3—绢英岩化花岗岩；4—矿体及编号；5—钻孔及编号

2 3D建模数据处理

2.1 数据处理

本文采用国土资源部矿产资源储量司备案、北京三地曼矿业软件科技有限公司研发的3DMine软件，建立矿体3D模型。

3DMine软件数据库具有相关的格式规定，根据其要求，建立Excel表格分别为：定位表、测斜表、岩性表、样品表，将已有的钻孔数据按照相应的项目录入对应Excel工作表格中(表1)，并将数据导入Access，建立数据库。

表1 钻孔数据库数据结构

①-1号矿体收集钻孔编录数据20个、钻孔采样分析结果共计1372个，建立地质数据库。根据所整理的数据在3DMine软件中建立三维钻孔柱状图，可观察到每个工程数据的详细信息，并直观地反映钻孔的空间位置和变化状态(图2a)。为了更好地观察成矿元素在Z方向(垂向)上的变化规律，可以根据样品化学分析的数据范围将其用不同颜色加以区分，图2b示例自左至右数据类型依次为样号、品位、终止孔深。

1—钻孔孔口标记及轨迹线；2—2.5×10-6≤Au；3—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；4—0.1×10-6≤Au<1.0×10-6；5—Au<0.1×10-6

2.2 矿体3D实体模型构建

2.2.1 3D建模方法选取

矿体模型构建的方法及分类多样，常用的主要有：钻孔数据建模，勘探线剖面建模，混合集成建模和自动建模[27,30-31]。剖面建模方法是目前主流的建模方法，利用已有勘探线剖面图的轮廓线连接建模，方法成熟、操作快捷，能够直接应用传统的地质块段法、平行断面法等资源储量估算方法，但建模精度受限于已有工作精度，模型与钻孔见矿的实际空间位置存在偏差。

在实际建模工作中，为了寻求更高的精度，基于原始地质资料和地质体基本特征，往往选取2种或2种以上的建模方法[8]。本文建模方法以钻孔建模为主，剖面建模方法为辅。孔数据源为钻孔编录数据，按照3DMine数据库格式录入Excel表后，导入Access，建立数据库，即可在软件内生成三维钻孔轨迹。依据取样品位，各钻孔依次组合样品、圈定矿体。剖面数据源为地质勘探报告中MapGIS格式剖面图，导入3DMine软件中兼容显示。建模主要依据①-1号矿体圈矿指标及钻孔数据，参考已有勘探线剖面数据的约束，解译矿体的一系列轮廓线、辅助线等线属性(不一定是勘探线或边界线)，在线之间构建三角网，来模拟出矿体的模型(图3)。该方法能应用于各种复杂情况下各种复杂实体的模型构建[31]。

图3 三维地质建模流程

2.2.2 单剖面矿体圈连

剖面建模法，方法成熟、操作快捷，然而在探矿工程偏离勘探线的复杂勘查系统或复杂矿体建模中却存在较大偏差。3DMine软件单独配置的剖面管理层，能够快速便捷地实现剖面与地质体的显示切换，从而简便地连接剖面矿体。通过设置剖面的面前、面后距离属性，能够在剖面视图状态下，实现立体效果，这对于解决复杂勘查系统和复杂矿体的三维建模问题有较大优势。本次研究参考已有勘探线剖面，直接应用单工程数据圈连剖面矿体，实现了全流程的三维状态操作。

(1)软件提示矿。利用钻孔数据库的“显示钻孔”对话框，设置品位组合，可以实现资源量估算工业指标对矿体圈定的约束(图4a)：边界品位1.0×10-6；最低可采厚度1.20m；夹石剔除厚度2m；米克吨值3.00×10-6。软件提示矿结果见图4b，数据类型自左至右依次为样号、品位、终止孔深、样长、组合品位、组合长度。

1—2.5×10-6≤Au；2—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；3—0.1×10-6≤Au<1.0×10-6；4—Au<0.1×10-6

(2)矿体圈定。“钻孔—矿段圈定—手工矿段圈定”，依次确认软件提示矿各单工程矿体圈定结果。剖面视图状态下，顺次连接单工程同一矿体的顶底板界线。绘制矿体顶底界线的中线，并根据工业指标和规范要求得出矿体外推点。连接矿体顶底界线和外推尖灭点，闭合线可得剖面矿体界线(图5)。

1—钻孔轨迹线；2—矿体边界

2.2.3 矿体3D实体模型构建

利用闭合线之间连三角网即可实现剖面间简单矿体的实体模型建立。根据工业指标和规范要求，使用三角网的扩展外推功能可实现剖面矿体沿走向的外推(当最外侧剖面有2个以上见矿工程时，尖灭到线；当仅有1个见矿工程时，尖灭到点)。合并三角网，优化实体，建立的实体模型如图6所示。

1—钻孔轨迹线；2—实体模型

3 信息提取与块体赋值

3.1 信息提取

组合样品的过程是将品位信息通过长度加权的方法提取到若干点上，再以该点的品位信息进行样品点估值(图7a，十字点即组合样品点)。采用等距离组合的方法，组合长度1m，最小有效长度0.5m，获得组合样品文件。

3.2 块体模型建立

矿体实体模型只能反映矿体赋存状况和空间形态，建立离散的组合块体模型并赋值才是三维地质建模的核心所在[32]，才能进一步开展地质统计方法资源储量管理、三维定量/半定量找矿预测等研究。

块体尺寸越小，建模成果越好，但受限于计算机性能，块体尺寸不宜过小，否则海量的块体计算，将导致运行负荷过重，乃至运算系统崩溃，因此寻求运行性能与模型准确之间的平衡非常重要。

块体尺寸取推断工程间距的1/4较为理想(2)北京三地曼信息技术有限公司，3DMine矿业工程软件基础教程，2017年。。研究对象块体尺寸设为：走向16m×倾向20m×厚度1m，次级块取各值1/2。创建块体Au含量(浮点型)、岩矿类型(字符)、比重(浮点型)、资源量类别属性，形成块体模型(图7b)。

1—钻孔矿体边界；2—组合样品点位置；3—钻孔轨迹；4—离散块体

3.3 块体模型赋值

从日常工作和地质规律来看，距离幂次反比法是最常用的块体估值方法之一[33]。其原理是：距离待估块体越近的样品，其品位对待估块体品位的影响也就越大，其权值应比离单元体远的样品的权值大，估值思路见图8。

图8 距离幂次反比法估值思路示意图[34]

选择“距离幂次反比法估值”命令，导入组合样品文件，设置距离幂次为2。如估算331资源量，搜索半径应采用基本工程间距的1.2倍，即走向70m；332，走向140m；333，走向280m。详查工作阶段估算332,333资源量，根据矿体产状、规模等基本地质特征，搜索椭球体参数设置(图9a)为：主轴140m，主轴/次轴0.75，主轴/短轴50，方位角60，倾角30(图9b)。设置完成，自动进行计算，将赋值后的块体资源量类型赋值为332。重新设置椭球参数为主轴280m，最少样品数2，其余参数不变，设置后运算，将资源量类型赋值为333(图9c)。

1—钻孔轨迹；2—实体模型；3—离散块体；4—搜索椭球体；5—332类别块体；6—333类别块体；a—块体模型赋值、搜索椭球体参数；b—搜索椭球体；c—赋值后块体模型，蓝色为332资源量，黄色为333资源量

4 应用评述

4.1 资源储量估算

利用分块出报告功能，最终得到①-1号矿体资源量见表2。与传统的地质块段法估算结果相比，误差3.18%。

表2 资源量估算结果

4.2 资源储量动态管理

除不同资源量类别区分外，对块体模型添加不同的约束条件，结合不同属性的筛选功能，能够便捷地获取不同范围、不同类型的资源储量，在资源储量核实、开采过程中资源储量实时估算等方面有广阔的应用前景。图10蓝色块体位于探矿权内，黄色块体位于探矿权外，实现了资源储量的快速分割，并分块报告。

1—钻孔轨迹；2—矿权内块体；3—矿权外块体

4.3 矿化富集规律

块体模型的属性着色能够清楚直观地浏览块体基本属性，不同的颜色配置和显示风格，能够直观地反映矿石品位的分布特征，便捷地研究元素的空间分布规律。图11蓝色、黄色、红色块体分别代表块体Au含量<1×10-6、1×10-6～2.5×10-6和>2.5×10-6，直观立体地显示了矿化强弱区域，为资源评价和开发利用奠定了基础。

1—钻孔轨迹；2—Au<1.0×10-6；3—1.0×10-6≤Au<2.5×10-6；4—2.5×10-6≤Au

5 结论

(1)本文利用3DMine软件，以钻孔建模为主、剖面建模为辅的方法构建了三维实体模型，采用距离幂次反比法对块体模型进行赋值，并系统介绍了“数据处理—3D实体模型构建—信息提取—块体模型赋值”的建模全流程，所用建模方法能够较好地保证建模精度。

(2)矿体资源储量估算结果与传统的地质块段法估算结果相比，误差3.18%。不同的约束条件和块体属性筛选功能，能够快速便捷地实现矿体资源储量分割、实时更新和矿化空间分布规律研究，满足资源储量管理需求。

致谢：论文资料收集和编写得到了山东省第一地质矿产勘查院、上庄金矿同仁的支持和帮助，北京三地曼矿业软件科技有限公司提供了3DMine软件学习和指导，审稿专家为论文提出了宝贵的建设性修改意见，在此一并表示诚挚的谢意。