某硫鐵多金屬礦三維模型構建與資源儲量估算*

阮順領，景文剛，顧清華，馬平平

(1.西安建筑科技大學 資源工程學院， 陜西 西安 710055；2.西安市智慧工業(yè)感知計算與決策重點實驗室， 陜西 西安 710055；3.西安優(yōu)邁智慧礦山研究院有限公司， 陜西 西安 710055)

0 引言

隨著5G 無線通信、工業(yè)物聯(lián)網等各種新一代技術的廣泛應用和快速發(fā)展，智慧礦山已經發(fā)展成為我國大型礦業(yè)企業(yè)升級傳統(tǒng)生產方式的一條非常重要的路徑；礦業(yè)工程逐步向著綠色化、智能化、節(jié)能化、數字化新模式邁進[1?5]。

Simon Houlding 首次闡述“三維地質建模”[6]。由于現(xiàn)代礦用計算機快速發(fā)展，計算機處理技術被廣泛應用于礦床地質、礦產、礦業(yè)等多個領域，國外經過研究相繼成功推出了專門用于處理礦床地質數據資料、礦床三維地圖建模、礦床開采系統(tǒng)設計等方面的礦用商業(yè)化軟件[7]，主要包括Micromine[8]、Surpac[9]、Datamine[10]。國內在三維技術領域的應用也很迅速，大量專家學者都在這方面進行了研究，研究成果豐富，三維軟件方面有GeoView 三維可視化系統(tǒng)[11]、MAPGIS[12]、Geo3-Dvision[13]；礦山應用技術方面有基于MineSight 軟件[14]、基于Surpac 軟件[15]、利用Datamine 礦業(yè)軟件建立礦床三維模型[16]等。許多大型礦山均結合三維地質學的模型進行生產經營管理，實際上大大降低了勘察工程的成本與開采費用，提高了礦山的邊際效益。

3DMine 軟件不僅針對國外礦業(yè)軟件功能加以改進和完善，還結合國內地勘單位技術人員的工作需要，是我國獨立自主研發(fā)的三維礦業(yè)軟件[17?18]。本文基于3DMine 軟件，建立礦區(qū)三維地質資料數據庫及三維礦體地質模型，完成了該礦區(qū)礦體礦物品位和資源儲量估算，并與原來的三維地質資料報告數據進行定量對比，結果誤差值平均小于2%，提高了地質估算的工作效率和估算準確性，減少了資源開采的技術風險，能夠有效準確地指導實際開采。

1 礦區(qū)三維地質建模

礦區(qū)位于內蒙烏拉特后旗狼山東北方向2 km，礦區(qū)內的硫鐵多金屬礦體大致可劃分為11 個礦體，以區(qū)內最大的鋅-硫復合礦體③-2 號、④-2 號、⑤號礦體為主，③-2 號礦體以單硫和鐵-硫型金屬礦石為主，平均賦存長度約630 m，礦體的賦存高度為標高1132～792 m；④-2 號在核實地帶內的控制長度為460 m，礦體的平均厚度為7.99 m；⑤號礦體以鐵礦為主，沿其走向可控制長度為450 m，通常呈層或近似多層狀生成，礦體產狀較為穩(wěn)定，礦化連續(xù)、品位分布均勻。

1.1 地質數據庫

以中國地質學信息數據庫管理系統(tǒng)為基礎，對主要礦體進行物理地質特征詮釋、物理地質價值綜合估計、儲備礦藏量的合理計算和儲量管理，以及接下來的長期采礦工程規(guī)劃設計。根據已經通過鉆探勘查資料獲得的大量相關信息和數據資料，構建了完整的中國鉆探勘測地質地理信息和圖件數據庫，其中主要包括鉆探定位地質表、測斜地質表、巖性地質表和鉆探化驗巖性表4 個基本地質關聯(lián)信息數據表，保存在Microsoft Access 中。在數據庫中，其余資料數據均采用MAPGIS 作為一個點、線、面的文檔格式直接在數據庫中進行存檔和保留，以便于管理和調用。具體格式內容見表1。

表1 鉆孔數據表格類型和字段

1.2 地表模型

根據礦區(qū)的 Auto CAD 文件，以三維地形等高線信息作為計算基礎，在3DMine 中直接輸出與導入原始三維地形等高線、坐標網、勘查線等多種信息，運用等值線快速賦予高程的計算方法，為等高線快速賦予高程，從而構造出三維的等高線，再將其作為一個約束條件，通過等高線上的各個節(jié)點構造出不規(guī)則的三角網，運用實體渲染、調節(jié)光照等功能，建立如圖1 所示的層次分明的礦區(qū)地表模型。

圖1 礦區(qū)地表模型

1.3 實體模型

構建礦體實體模型通常需要根據目的選擇合適的建模方法進行建模。該復合礦體由92 個鉆孔，11 條復合地質勘查路線控制，礦體結構形態(tài)簡單，但局部多呈劇烈脹縮，呈現(xiàn)多層次、分枝、頂出現(xiàn)象。根據現(xiàn)場實際勘探資料，本次設計的實體建模采用基于勘探線剖面的建模方法。圈定目標礦體③-2 號、④-2 號、⑤號礦體，共由11 條勘探線控制，分別是0，4，8，12，18，20，24，28，30，32，36 號勘探線，將其對應的11 個剖面圖中的③-2 號、④-2 號、⑤號礦體的礦體線連接起來；進行剖面坐標轉換，從當下的XY二維坐標體系轉換成真實工程中的三維坐標，需要經過2平面坐標轉換和一次Y-Z調換；提取礦體線，建立礦體線文件，將11 條剖面線全部完成礦體線圈定和坐標轉換，建立新的礦體線文件；連接參數配置，對礦體線進行三角網連接，連接三角網時，必須按照勘探線順序依次連接，將相鄰兩條勘探線的對應礦體合理運用控制線、分區(qū)線、坐標轉換進行三角網連接，由此得到如圖2 所示的礦體實體模型。

圖2 礦體實體模型

2 資源儲量的估算

2.1 塊體模型

塊體模型，又稱品位模型，是將不規(guī)則的礦體實體模型用規(guī)則的小單元體代替的離散模型，并對這一個個小單元體進行品位等屬性賦值，使其成為一個衡量礦體品位及其他屬性的數據庫。以圈定的礦體范圍為檢測對象，③-2 號、④-2 號、⑤號礦體由11 條勘探線控制，塊體單元的規(guī)格尺寸確定為5 m×5 m×5 m，為貼合礦體形態(tài)，引入次級模塊，次級模塊的參數設置一般為塊體單元的一半，為表現(xiàn)出礦體實體模型的形態(tài)，選擇實體約束，首先選擇實體模型文件，再勾選內部，即可完成塊體模型的約束顯示，約束后的塊體模型如圖3 所示。

圖3 約束后的塊體模型

2.2 品位估值

多金屬礦體品位數據的估計，通常有最近距離賦值法、距離冪次反比法和普通克里格法3 種方法，三者都是基于樣本加權平均的概念，對以單位塊為中心的影響范圍內的樣本進行加權平均，從而求出單位塊的賦值。最近距離賦值方法由于具有明顯的邊界性，相鄰塊體單元之間的品位偏移差別較大，不適合用于本次研究[19]；普通克里格法通常以空間中的最優(yōu)區(qū)域性變量為理論基礎，通過從空間中選擇最優(yōu)主軸、次時間軸和最短時間軸的變異函數，對其進行模型化并擬合礦體的品位，確定最優(yōu)變異函數仍然存在一定的技術難度[20]；因此，這里選擇距離冪次反比法進行各種金屬元素的品位估算。

以觀測點中心為原點，最小配礦單元的范圍大小相同的區(qū)域作為估值區(qū)域，確定每個探測孔與觀測點中心的距離，采用距離冪次反比公式計算估值區(qū)域品位[21]，統(tǒng)計分析結果見表2。

表2 統(tǒng)計分析結果

2.3 儲量估算

工業(yè)指標礦體建模范圍與地質勘查報告范圍內估算的儲量相符，表3 為多金屬礦山工業(yè)指標品位。

表3 工業(yè)指標品位

基于3DMine 軟件，根據模型方法計算多金屬品位估值和礦體的金屬儲量，并與地質勘探報告的數據進行對比分析[22]，表4 表明，與傳統(tǒng)斷面法計算結果相比，礦體金屬儲量估算誤差均小于2%，說明采用距離冪次反比法估算的資源儲量結果可靠，可作為礦山開采設計的參考依據。

表4 礦產資源量的估計結果與對比

3 結論

（1）基于3DMine 軟件，建立地質學數據庫，實現(xiàn)傳統(tǒng)地質資料的數字化存儲與地質信息管理的一體化集成；構建三維礦體模型，準確、直觀地反映了礦體規(guī)模和空間分布規(guī)律，快速有效地實現(xiàn)了礦區(qū)資源的可視化，不僅減少了采礦設計人員的工作，還極大地推動了數字礦山的建設和發(fā)展。

（2）選擇距離冪次反比的方法構造塊體采礦模型，對多金屬礦體品位和資源儲量進行估算，與傳統(tǒng)剖面法計算的儲量相比，礦體金屬量估算誤差均小于2%。說明采用距離冪次反比法進行估算具有明顯的優(yōu)勢，提高了估算的效率和精度，可作為工程設計參考。