三維礦業(yè)軟件在采礦行業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用研究

劉小東 班峻魁 劉博

摘 要：以三維采礦軟件的綜合實(shí)際應(yīng)用技術(shù)作為起點(diǎn)，從礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量估算、礦床動(dòng)態(tài)管理、地下采礦方案設(shè)計(jì)以及礦場(chǎng)爆破設(shè)計(jì)等各個(gè)方面對(duì)三維采礦軟件的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了探討和研究。礦業(yè)生產(chǎn)中要善于充分發(fā)揮軟件技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，科學(xué)合理地使用三維采礦軟件不僅可以提高采礦業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)水平，而且可以為企業(yè)管理決策提供強(qiáng)有力的支撐。

關(guān)鍵詞：三維礦業(yè)軟件;儲(chǔ)量估算;采礦設(shè)計(jì)

當(dāng)下一系列采礦技術(shù)革命正在進(jìn)行中，例如將傳統(tǒng)采礦技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呖萍己托畔⒓夹g(shù)，以及創(chuàng)建數(shù)字化礦山模型。三維礦業(yè)地質(zhì)仿真是地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、GIS等多學(xué)科交叉而成的新學(xué)科，是加拿大的西蒙？W？霍丁于1993年首次提出的。經(jīng)過多年的研究，這一學(xué)科被普遍認(rèn)為是使用現(xiàn)代空間信息理論及技術(shù)來(lái)重構(gòu)和解析地質(zhì)現(xiàn)象和相關(guān)人為工程的技術(shù)，并在與計(jì)算機(jī)等技術(shù)融合后發(fā)展出了一系列三維礦業(yè)軟件應(yīng)用。三維采礦軟件的投入使用為采礦業(yè)帶來(lái)了工作和管理模型的巨大變化，并已成為采礦開發(fā)的強(qiáng)大技術(shù)工具。

一、三維礦山模型

1.1三維模型構(gòu)建技術(shù)

該技術(shù)主要涵蓋了線框模型、塊模型、地質(zhì)變量估算等技術(shù)。三維線框模型技術(shù)是形成礦山實(shí)體模型組的主要技術(shù);塊模型技術(shù)是估算礦床資源儲(chǔ)量的基本技術(shù)。當(dāng)前，規(guī)則塊和可變塊技術(shù)被廣泛使用。地質(zhì)變量估算方法目前廣泛用于多種估計(jì)方法中，包括多邊形法、距離冪反比法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)。

1.2三維礦山基礎(chǔ)模型群

礦床模型是基于三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)地質(zhì)解釋原理建立起三維礦床模型，再加上對(duì)利用礦體物理模型建立的塊體模型做出的準(zhǔn)確高效的估算，進(jìn)而創(chuàng)立成的礦床三維模型和塊模型的整合，可以體現(xiàn)出礦床物理特性及變化特征。根據(jù)創(chuàng)建程序的不同可將三維礦山模型組分為地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、礦床模型、結(jié)構(gòu)模型和數(shù)字地質(zhì)模型，只有在建立這些模型的基礎(chǔ)上，才能對(duì)模型進(jìn)行全面的應(yīng)用。

二、資源儲(chǔ)量估算及動(dòng)態(tài)管理

2.1資源儲(chǔ)量模型

目前，采礦軟件通常使用塊模型作為資源儲(chǔ)量模型，并估算和評(píng)估資源儲(chǔ)量。塊模型是礦床品位估算和儲(chǔ)量估算的基礎(chǔ)。創(chuàng)建塊模型的基礎(chǔ)原理是在三維空間中根據(jù)一定的大小把待采礦床分解為大量的單元塊，根據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算填充整個(gè)礦床面積所需的單元塊，以此來(lái)估計(jì)礦床的資源儲(chǔ)量。

2.2資源儲(chǔ)量估算

在資源儲(chǔ)量估算過程中，主要的研究需求是合理的資源儲(chǔ)量分類、合理的單位塊大小選擇、變異函數(shù)分析和評(píng)價(jià)方法研究等。

2.2.1資源儲(chǔ)量級(jí)別劃分研究

該研究以三維立體模型為基礎(chǔ)，根據(jù)距離冪反比、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等技術(shù)方法對(duì)礦床品位進(jìn)行插值。在插值塊模型中，新創(chuàng)建了“搜索橢球半徑”和“樣品數(shù)”字段以記錄和劃分不同級(jí)別的資源儲(chǔ)備，對(duì)應(yīng)不同的地質(zhì)資源可靠程度。在這項(xiàng)研究中，估計(jì)的資源儲(chǔ)量水平是基于由礦床勘探規(guī)范確定的勘探類型和勘探項(xiàng)目之間的距離，然后基于樣本點(diǎn)的搜索半徑以及該項(xiàng)目涉及的鉆孔或樣品的數(shù)量來(lái)劃分。通常情況下，搜索范圍半徑位于勘探網(wǎng)度及以下且區(qū)域內(nèi)鉆孔工程>=2，每個(gè)鉆孔最多選取2-3個(gè)樣品，將估計(jì)已探明的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量。搜索范圍半徑位于勘探網(wǎng)度-2倍網(wǎng)度之間且區(qū)域內(nèi)鉆孔工程>=2， 每個(gè)鉆孔最多選取2-3個(gè)樣品，將估計(jì)控制的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量。搜索范圍半徑位于勘探網(wǎng)度的2-4倍之間且區(qū)域內(nèi)樣品數(shù)≥1時(shí)，將估計(jì)推斷的資產(chǎn)儲(chǔ)量。

2.2.2合理的單元塊尺寸研究

合理的單元塊尺寸要求不僅可以滿足品位和儲(chǔ)量估算的準(zhǔn)確性，還可以滿足在計(jì)算機(jī)上快速計(jì)算和顯示塊模型的要求。有人錯(cuò)誤地認(rèn)為，單位區(qū)塊越小，品位和儲(chǔ)量的估算結(jié)果就越準(zhǔn)確。但是，根據(jù)地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，在已知數(shù)據(jù)的某些條件下（即樣本數(shù)和空間中樣本的分布），單位塊越小，會(huì)產(chǎn)生平滑效應(yīng)，其等級(jí)的估計(jì)誤差就越大。小尺寸單元塊更有利于零星小礦體的劃定，以及資源評(píng)價(jià)和回收。在邊界處理方面，三維礦業(yè)軟件一般采用塊變換技術(shù)，即在構(gòu)建塊模型的過程中，根據(jù)各個(gè)方向設(shè)置的塊變換參數(shù)對(duì)其進(jìn)行細(xì)分和優(yōu)化，軟件自動(dòng)執(zhí)行塊選擇（根據(jù)約束范圍內(nèi)進(jìn)行取舍，超出范圍的會(huì)被去掉）。這種方式下的處理結(jié)果更接近礦體實(shí)體模型的邊界。

2.2.3變異函數(shù)分析與估值方法研究。

該研究要求地質(zhì)學(xué)家以綜合掌握礦體產(chǎn)礦規(guī)則和對(duì)已有探礦數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和樣本變異函數(shù)分析為前提，對(duì)變異函數(shù)估值模型進(jìn)行確定。將估值模型與儲(chǔ)量分類要求結(jié)合后再確定最終估值方案，并進(jìn)行合理的品位估計(jì)。另外要注意，在擬合了理論變異函數(shù)之后，必須對(duì)其進(jìn)行交叉驗(yàn)證才能用作估計(jì)的基礎(chǔ)，同時(shí)所確定的估值參數(shù)要符合地質(zhì)規(guī)律。

2.3資源儲(chǔ)量模型更新及動(dòng)態(tài)管理

資源儲(chǔ)備模型的建立不是一勞永逸的，而是需要不斷更新，以更好指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。更新的主要內(nèi)容是：開采成本及市場(chǎng)價(jià)格的變化，導(dǎo)致礦體邊界的變化進(jìn)而導(dǎo)致礦體形態(tài)的變化;新增加的勘探數(shù)據(jù)的更新;主要控礦構(gòu)造位置和形態(tài)變化的更新;實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)及理論變異函數(shù)的擬合和交叉驗(yàn)證。建立礦山資源儲(chǔ)量模型后，可以隨時(shí)按固定的生產(chǎn)規(guī)?？焖儆?jì)算礦山的保有資源儲(chǔ)量、消耗的資源儲(chǔ)量和生產(chǎn)服務(wù)年限，從而實(shí)現(xiàn)礦山資源的動(dòng)態(tài)管理。

三、地下采礦系統(tǒng)再現(xiàn)及爆破設(shè)計(jì)

3.1開拓系統(tǒng)模型建立

三維礦業(yè)軟件具有構(gòu)建三維礦山項(xiàng)目仿真模型的優(yōu)勢(shì)，并能按照現(xiàn)實(shí)要求或工程設(shè)計(jì)的布局、斷面規(guī)格和尺寸來(lái)再現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)體構(gòu)型，虛擬開采作業(yè)。

3.2采切工程系統(tǒng)構(gòu)模

三維礦業(yè)軟件具有創(chuàng)建采礦和切割工程系統(tǒng)模型的功能，而且軟件的性能更趨于成熟，能夠進(jìn)行自主的參數(shù)化來(lái)構(gòu)建采礦及切割系統(tǒng)模型，例如采場(chǎng)、礦井結(jié)構(gòu)和鑿巖道等。

3.3中深孔爆破設(shè)計(jì)

三維采礦工程軟件主要為扇形中深孔和平行鉆孔提供爆破設(shè)計(jì)。爆破設(shè)計(jì)方案是以制定鉆孔孔徑尺寸、鉆孔點(diǎn)位、起鉆及終止角度、鉆孔用藥種類及密度等多種實(shí)際參數(shù)為參考來(lái)設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)完成后的爆破方案能夠供應(yīng)采礦工程在三維爆破及鉆探施工模型、爆破規(guī)模預(yù)估計(jì)算等方面的需要。

四、結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)上述各種三維礦業(yè)軟件在采礦工程中實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究討論，能夠得到以下共識(shí)：（1）合理有效的采礦軟件應(yīng)用程序可以快速、高效、準(zhǔn)確地為礦山的決策、設(shè)計(jì)和管理提供有力的技術(shù)支持。使用采礦軟件來(lái)解決礦山生產(chǎn)和管理中的相關(guān)問題已是大勢(shì)所趨。（2）三維采礦軟件用于模型構(gòu)建技術(shù)和資源儲(chǔ)量估算在動(dòng)態(tài)管理、地下采礦設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)和露天優(yōu)化等諸多方面的成熟性的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步注重開發(fā)礦山實(shí)用功能的運(yùn)用，完善礦山投資決策、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)進(jìn)度控制等各個(gè)方面，這樣三維礦業(yè)軟件的功能才能真正被充分挖掘使用和普及。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱小云.三維礦業(yè)軟件在礦山生產(chǎn)探礦工作中的應(yīng)用[J].銅業(yè)工程，2019（03）：27-28.

[2]銀開州，楊兆林，徐彬.我國(guó)礦業(yè)企業(yè)三維礦業(yè)軟件普及的管理制度創(chuàng)新[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2018，26（01）：98-104.

[3]陳明貴.基于三維礦業(yè)軟件的資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)應(yīng)用與研究[A].云南銅業(yè)（集團(tuán)）有限公司、云南省有色金屬學(xué)會(huì)：云南省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2016：10.