基于Surpac的二維地質塊段法資源量自動估算

李海泉

(北京中礦智信科技有限公司,北京 100043)

現階段,用傳統幾何法編制礦山儲量核實報告和地質勘查報告還占據主導地位。經過簡單統計,目前國內通過評審、備案的礦山儲量核實報告、地質勘查報告中用三維軟件提交的報告數量不足5%,其余95%以上是采用傳統幾何法編制的。地質塊段法是傳統幾何法中常用的資源量估算方法,該方法通過在MapGIS或AutoCAD格式的地質剖面圖、中段圖和礦體投影圖上手工量測所有取樣線產狀、礦體產狀、地質塊段的面積,將這些參數填入Excel表格中,結合礦體的單工程與樣品的對應關系、地質塊段與單工程的對應關系,編輯計算公式,完成資源量的計算。整個過程操作繁瑣、效率低、易出錯,檢查修改困難,對操作人員要求高,在一定程度上制約了該方法的應用。

隨著 MapGIS、AutoCAD、Excel軟件在礦業(yè)領域的應用以及三維礦業(yè)軟件逐漸推廣,從用計算器計算資源量的方式發(fā)展到現在用軟件計算資源量,業(yè)內圍繞幾何法及其與軟件技術相結合開展了深入研究及應用。具體表現在:①樣品和礦體厚度理論計算,從早期將探槽樣品、坑道樣品、鉆孔樣品用3個不同的公式計算,發(fā)展到現在用一個萬能公式計算這3種類型的樣品厚度,為程序化處理提供了便利[1-3],在Excel軟件中編制了一些VBA或計算公式簡化了計算過程[4-5];②地質塊段法的礦體外推和計算方法,研究討論了不同地質條件的礦體外推和計算方法的實現過程[6-7],同時將地質塊段法和地質統計學法從計算過程和結果上做了對比分析[8];③ 三維地質建模軟件應用,隨著國外 Surpac、MicroMine、Vulcan和國內3Dmine、Dimine等三維礦業(yè)軟件的應用,按照三維建模技術準則,將礦體的空間實體位置劃分為小的塊體,用距離冪次反比法、普通克立格法、多重指示克里格法估算每個小塊體的品位、體積質量等信息,根據小塊體的三維尺寸,計算礦石量、金屬量并進行累計匯總得到礦體的資源量,建立了一些礦床的三維模型[9-14];④幾何法與三維軟件相結合,針對地質斷面法,結合Surpac軟件的高精度三維環(huán)境和數據結構,建立了一套較為完整的估算流程和相關程序,在Surpac軟件中實現了垂直斷面法的資源儲量估算[15],估算成果與傳統斷面法資源量計算表不完全一致。綜上所述,現階段針對礦體厚度計算、礦體外推等方面研究較深入,但參與地質塊段法計算的礦體產狀、取樣線產狀、塊段面積等參數仍以人工交互式查詢計算為主,在獲取方法和途徑創(chuàng)新等方面存在一定的不足;三維礦業(yè)軟件的應用雖然提高了計算速度,由于三維軟件與傳統幾何法估算原理有所區(qū)別,三維軟件的資源量估算無需計算礦體的真厚度,從而無法直接給出地質塊段法的計算參數。盡管有學者通過相關三維軟件實現了地質斷面法的資源量估算,但是估算成果與相關規(guī)范規(guī)定的資源量估算成果要素不完全一致,缺少樣品和礦體真厚度等重要參數,沒有形成符合規(guī)范要求的成套的資源量計算表。可見,目前地質塊段法資源量估算涉及的礦體產狀、取樣線產狀、塊段面積等參數的查詢仍以人機交互為主,利用Excel表完成資源量估算,尚無法完全擺脫人工查詢參數的復雜工作。

Surpac軟件是法國GEOVIA三維國際礦業(yè)軟件公司的產品,被用于三維地質建模、測量驗收、采礦設計。本研究提出了利用Surpac軟件及其開發(fā)技術實現傳統地質塊段法資源量自動估算的技術方案,在Surpac軟件三維地質建模成果的基礎上,僅增加礦體中心線解譯和地質塊段圈定等極少量的工作,實現自動計算盲礦體的產狀,自動查詢取樣線產狀、地質塊段的投影面積,用Surpac軟件的二次開發(fā)工具TCL/SCL調用TCOM接口,根據地質塊段法的計算原理,將上述參數寫入Excel表中,同時寫入表單之間單元格相互引用的計算公式,完成所有資源量表格的自動估算,從而大幅提升工作效率,提高成果準確度和標準化程度。研究成果與傳統手工編制的地質塊段法成果完全一致,與三維軟件沒有任何關聯,可用于向資源量管理門提交報告、指導地質找礦和采礦生產、驗證Surapc軟件三維資源量估算成果等。

1 利用Surpac軟件自動估算地質塊段法資源量

1.1 三維地質模型數據成果及成果數據

(1)成果簡述。利用Surpac軟件建立三維地質模型,成果主要為:①通過導入井口定位、測斜、樣品和巖性等探礦數據建立地質數據庫;② 根據數據庫的信息在剖面或中段上圈連礦體、地層、巖體、斷層等地質界線,形成三維空間實體;③通過工程軌跡與礦體實體相交運算標識探礦工程的見礦部位,將相交結果(相當于地質塊段法中的單工程)保存于數據庫中;④對照見礦部位將礦體內的樣品提取出形成線串文件,用于基礎統計、特高品位處理、樣品組合等;⑤在礦體的空間分布位置創(chuàng)建塊體模型,添加屬性,根據樣品組數據用距離冪次反比法或普通克立格法估算品位、體積質量等信息;⑥ 按礦體勘查類型和控制礦體的工程網度,對礦體進行資源量分類后,報告礦體的資源量,得到估算結果文件。

(2)成果數據分析。地質塊段法的資源量計算過程中需要獲取地質塊段的面積、厚度、體積質量、品位等參數,而Surpac等三維軟件是根據礦體表面圍成的封閉空間計算礦體的體積,無法直接提供地質塊段法估算所需的相關參數。分析Surpac軟件的三維模型成果可知:①地質數據庫信息包含了所有的取樣線空間位置信息,可以查詢得到每個樣品的長度、品位、取樣線中點處的方位角和傾角;② 通過礦體的空間實體和地質數據庫的空間分析運算得到了探礦工程中各礦體的見礦部位,即地質塊段法資源量估算中的單工程;③在Surpac軟件中沒有提供單工程處礦體產狀的查詢功能,導致無法直接計算樣品真厚度、投影厚度等關鍵參數;④三維軟件將所有相鄰的相同資源量類別的塊體模型圈定為一個獨立的空間,不按地質塊段法的思路劃分地質塊段。

1.2 地質塊段法資源量自動估算方案

為盡可能將技術人員從手工交互查詢資源量計算參數的繁雜工作中解脫出來、提高資源量估算效率和成果準確度,本研究充分利用Surpac軟件三維模型成果數據及其二次開發(fā)技術,通過編制宏命令實現地質塊段法的自動估算,具體思路如下。

(1)單工程礦體產狀查詢。參照手工交互方式在地質圖上查詢計算礦體產狀的方法,在Surpac軟件中將所有單工程礦體的中心線繪制出來,根據探礦工程的控礦中心點坐標,查詢計算兩側相鄰勘探線相同標高礦體中心線的位置,連接成線,查詢連線的方位角并計算平均值得到該探礦中心點處的礦體走向;在剖面位置將控礦中心點與前、后排孔的控礦中心點連線,查詢控礦中心點連線的方位角與視傾角,結合礦體走向,計算單工程礦體真傾角。

(2)取樣線產狀查詢。利用Surpac軟件從數據庫提取礦體內各樣品的中心點坐標,根據該中心點的坐標,利用Surpac軟件的二次開發(fā)功能查詢各樣品取樣線的方位角和傾角。

(3)地質塊段圈定。利用Surpac軟件提取各礦體在見礦工程中的見礦中心點的三維空間坐標和工程編號信息,形成數據文件,在Surpac軟件三維圖形編輯環(huán)境中,根據礦體的見礦中心點、礦體勘查類型和礦體中心點間距,按不同礦石類型圈連不同資源量類別的地質塊段。

(4)地質塊段面積查詢。①水平投影的地質塊段,用Surpac軟件直接查詢即可得到地質塊段的水平投影面積;②垂直縱投影的地質塊段,首先通過坐標變換,將地質塊段變換成水平投影方式,再用Surpac軟件查詢可得投影面積。

(5)樣品、單工程厚度計算。通過調用TCOM接口開發(fā)程序處理Excel表,寫入上述計算查詢得到的參數和相關的計算公式,完成樣品、單工程厚度計算。

(6)礦石密度。直接將礦石小體重的統計結果,寫入地質塊段和礦體資源量計算表中的對應位置。

(7)地質塊段、礦體資源量估算。按地質塊段法的資源量計算表格式,引用地質塊段面積表和樣品、單工程厚度計算結果表中的單元格,輸入相應的計算公式,完成資源量計算,得到礦體的礦石量、金屬量及平均品位。

(8)特高品位處理。遇到需要處理特高品位的礦種,可根據三維模型中各礦體的品位變化系數確定礦體品位的變化均勻程度,進而確定特高品位下限的倍數,得到礦體的特高品位下限,將品位高于特高品位下限的樣品品位值在樣品計算表中直接用特高品位所在的單工程的平均品位替換,由于計算公式是互相關聯的,所有資源量計算表格會自動更新計算。

1.3 地質塊段法自動估算實現過程

1.3.1 礦體中心線解譯

如圖1所示,在Surpac軟件中,調入并顯示地質數據庫,按勘探線切制剖面,調入三維資源量估算時解譯形成的礦體輪廓線,并以此為參照,在每個工程中找到見礦中心點,順次連接得到解譯礦體的中心線。為了在投影圖上控制礦體的外推,在解譯礦體中心線時,將礦體中心線向兩端按趨勢延長,與相鄰探礦工程軌跡線相交,如圖中虛線所示,虛線與工程軌跡的交點用于該礦體繪制投影圖時周邊不見礦工程的控制位置。沿礦體走向方向,在礦體兩端的相鄰剖面如果存在控礦工程,也需要解譯出按礦體中心面的趨勢與控礦工程軌跡的交點,用于繪制礦體投影圖。

圖1 礦體輪廓線和礦體中心線剖面解譯示意Fig.1 Interpretation schematic of orebody boundary and orebody centerline profile

1.3.2 地質塊段劃分

三維軟件在資源量估算過程中,所有連片的相同資源量類別劃分為一個大的范圍,用于為塊體模型賦予資源量類別,不劃分與地質塊段法估算相對應的塊段。地質塊段法需要以礦體為單位,在Surpac軟件中提取保存在地質數據庫中的鉆孔與礦體實體相交運算結果的中心點,即為礦體的見礦中心點,在三維軟件環(huán)境中,根據見礦中心點位置和塊段劃分原則,捕捉見礦中心點,劃分地質塊段;按照礦體的勘查類型、見礦中心點的距離,將塊段劃分為相應的資源量類別(圖2)。

圖2 地質塊段劃分示意Fig.2 Schematic of the division of geological block

1.3.3 單工程礦體產狀查詢計算

在地質塊段法中,各控礦工程控制礦體處的礦體產狀是計算樣品和單工程礦體真厚度的必要參數,在槽、井、坑探等探礦工程中,可以直接測量得到該類參數;對于深部鉆孔控制的礦體部位產狀,需要根據該部位周邊的鉆孔的控制情況,通過相關查詢、解析計算得到。

圖 3中,點 A、B、C、D、E、F、G、H、K 是分布在某礦體3條相鄰勘探線上的鉆孔控礦中心點,每條勘探線上有 3個相鄰鉆孔;線段 AB、BC、DE、EF、GH 和HK是剖面上相鄰2個鉆孔控礦中心點連線,表示礦體在剖面上的礦體中心線。本研究以中間勘探線的中間點E點為例,分析利用Surpac軟件及二次開發(fā)宏命令查詢計算盲礦體的單工程產狀的技術思路。

圖3 盲礦體產狀查詢計算示意Fig.3 Schematic of blind orebody occurrence query calculation

1.3.3.1 礦體傾向計算

平面HP是過E點的水平面,利用Surpac軟件的線段與平面的相交點功能,計算HP水平面與BC段礦體中心線的交點M、HP水平面與GH段礦體中心線的交點N的三維空間坐標;利用Surpac軟件查詢兩點方位角功能,查詢M點和E點方位角θ2,E點和N點的方位角θ1;兩個方位角θ1和θ2的平均值即為E點處礦體走向θ。過E點,繪制方位角為θ的直線PQ表示礦體走向線。礦體的傾向φ為φ=θ±90°(根據傾角方向判斷取“+”號或“-”號)。

1.3.3.2 礦體傾角計算

鉛直面VP是過E點與礦體走向線PQ垂直的鉛垂面。線段UE是DE段礦體中心線在水平面上的投影,由 D、E、U 三點構成的角 δ1是礦體在過 D、E、U三點鉛直面的視傾角。由V、E、U三點構成的角λ1是礦體視傾向和礦體傾向之間夾角,根據線段DE所表示的礦體中心線計算礦體的傾角α1,公式為

同理,根據線段EF所表示的礦體中心線計算的礦體傾角α2為

則礦體在E點的傾角α為

1.3.4 樣品、單工程、地質塊段真厚度和投影厚度計算

(1)樣品真厚度。計算公式為[3]

式中,m為樣品真厚度,m;l為巖、礦芯樣長,m;α為礦層傾角,(°);β為工程樣槽(或鉆孔巖芯)的傾角,(°);γ為工程樣槽(或鉆孔)傾向方位角與礦體傾向方位角間的夾角,(°)。

(2)樣品水平厚度。計算公式為

式中,mh為樣品的水平厚度,m;m為樣品真厚度,m;α為礦體傾角,(°)。

(3)樣品水平投影厚度。計算公式為

式中,mhp為樣品水平投影厚度,m;mh為樣品的水平厚度,m;γ為工程樣槽(或鉆孔)傾向方位角與礦體傾向方位角間的夾角,(°)。

(4)樣品鉛直厚度。計算公式為

式中,mv為樣品鉛直厚度,m;m為樣品真厚度,m;α為礦體傾角,(°)。

(5)單工程厚度。計算公式為

式中,md為單工程礦體真厚度,m;m1,m2,…,mn1為單工程內各樣品的真厚度,m;n1為單工程內樣品數,件。

(6)地質塊段厚度。地質塊段平均厚度用塊段內單工程的厚度采用算術平均法計算,公式為

式中,mb為塊段的平均厚度,m;m1,m2,…,mn2為塊段內各單工程內的真厚度,m;n2為地質塊段的工程數目,個。

1.3.5 單工程、地質塊段平均品位計算

(1)單工程平均品位。通過單工程內各樣品的品位與樣品真厚度加權平均求得,公式為

式中,cd為單工程平均品位,g/t;c1,c2,…,cn3為各個樣品的品位,g/t;m1,m2,…,mn3為單工程內各樣品的真厚度,m;n3為單工程內樣品數,件。

(2)地質塊段平均品位。采用塊段內單工程平均品位與真厚度加權平均進行計算:

式中,cb為塊段平均品位,g/t;c1,c2,…,cn4為塊段內各單工程平均品位,g/t;l1,l2,…,ln4為塊段內各單工程的真厚度,m;n4為地質塊段的單工程數量,個。

1.3.6 塊段面積查詢計算

1.3.6.1 水平投影

如圖4所示,四邊形ABCD是由A、B、C、D控礦中心點連接而成的地質塊段,四邊形 A′B′C′D′是該塊段在水平面上的水平投影,利用Surpac軟件的線段查詢功能,可直接得到地質塊段的水平投影面積。

圖4 水平投影塊段面積查詢示意Fig.4 Query schematic of horizontal projection block segment area

1.3.6.2 垂直縱投影

Surpac軟件無法直接查詢礦體垂直縱投影的地質塊段面積,需要將垂直縱投影的地質塊段進行坐標旋轉和互換等操作,將垂直縱投影的地質塊段變換為水平投影的形式,再通過軟件的查詢功能方可獲得地質塊段的縱投影面積。

垂直縱投影塊段的面積查詢過程如圖5所示。圖5(a)中鉛直面1234是礦體的垂直縱投影面,方位角為,四邊形ABCD是由A、B、C、D控礦中心點連接而成的地質塊段,四邊形 A′B′C′D′是該塊段的垂直縱投影;圖5(b)中鉛直面12′3′4是東西向的鉛直面,方位角為90°,用Surpac軟件的線文件2D轉換功能,將地質塊段數據繞鉛直面1234上的鉛直線段12順時針旋轉(90-μ)°,如圖5(b)所示。再用Surpac軟件的線串運算功能,將旋轉后的地質塊段數據的Y坐標和Z坐標互換,結果如圖5(c)所示。地質塊段經過上述變換后,在Surpac軟件中可按水平投影查詢塊段面積的方式,獲取地質塊段的投影面積。

圖5 垂直縱投影塊段面積查詢示意Fig.5 Query schematic of vertical projection block segment area

1.3.7 資源量計算

(1)地質塊段資源量計算。塊段礦石量等于塊段體積乘以塊段體積質量,塊段金屬量等于塊段礦石量乘以塊段平均品位。

(2)礦體資源量計算。礦體內各塊段的礦石量和金屬量累計求和,用礦體的金屬量除以礦體的礦石量得到礦體的平均品位。

(3)全區(qū)資源量匯總。全區(qū)所有礦體的礦石量和金屬量累計求和,用全區(qū)礦體的金屬量除以全區(qū)礦體的礦石量得到全區(qū)礦體的平均品位。

1.3.8 特高品位處理

在前述資源量計算表完成后,礦體的單工程、地質塊段、礦體的平均品位數據即可計算出。對需要處理特高品位的礦種,查詢Surpac軟件對于礦體品位變化系數的統計結果,根據礦體品位變化的均勻程度確定礦體平均品位的6、7或8倍為礦體的特高品位下限,判定礦體的特高品位,并在“槽、坑、鉆探工程中礦體平均品位、厚度計算表”中用樣品所在單工程的平均品位代替特高品位。由于整個資源量計算表是由公式聯動的,特高品位被代替后,便自動完成了整個資源量計算流程。

1.4 宏命令開發(fā)

根據本研究資源量估算過程,在Surpac軟件中編制宏命令:①按照礦體次序,根據礦體在剖面上控礦中心點連線,計算各礦體的所有控礦中心點處的傾向和傾角;②從數據庫中讀取每個礦體的所有見礦工程的見礦部位,通過Surpac軟件查詢出各見礦部位對應位置的樣品取樣長度、中心點坐標、取樣線方位角和傾角,并計算取樣線和礦體傾向之間的夾角;③查詢各地質塊段的投影面積;④ 調用TCOM接口,創(chuàng)建Excel工作簿,在工作簿中按照地質塊段法規(guī)范要求的格式創(chuàng)建樣品厚度計算表、面積表、地質塊段計算表、礦體資源量計算表、全區(qū)礦體資源量匯總表等表單,將前述查詢計算結果寫入到對應表單中;⑤通過TCOM接口用宏命令在Excel表寫入公式,建立表單之間的公式關聯關系,自動計算樣品的真厚度、投影厚度,單工程真厚度、投影厚度,地質塊段和礦體的體積、礦石量、金屬量和平均品位,匯總全部礦體資源量。

2 應用實例

內蒙古自治區(qū)阿魯科爾沁旗巴彥包勒格礦區(qū)銀多金屬礦勘探報告通過三維距離冪次反比法用Surpac軟件完成了資源量估算,通過了自然資源管理部門的評審、備案[16]。該報告用Surpac軟件估算了全區(qū)數十條礦體的資源量,其中1號銀主礦體呈陡傾、脈狀產出,品位變化較均勻,厚度變化較穩(wěn)定,滿足選用傳統地質塊段法估算條件。采用本研究方法進行了地質塊段法資源量估算,并與三維軟件估算成果進行對比。在Surpac軟件三維估算成果的基礎上,解譯了礦體中心線并按礦體勘查類型和工程控制間距劃分地質塊段,自動完成了礦體產狀、取樣線產狀、塊段投影面積查詢計算,在Excel表中完成了地質塊段法的自動估算。1號銀主礦體地質塊段法、距離冪次反比法資源量估算結果分別見表1、表2。

表1 巴彥包勒格礦區(qū)1號銀礦體地質塊段法估算結果Table 1 Estimation results with geological block method for No.1 silver orebody in Bayanbaolege Mine

表2 巴彥包勒格礦區(qū)1號銀礦體距離冪次反比法估算結果Table 2 Estimation results with inverse distance weighted method for No.1 silver orebody in Bayanbaolege Mine

對比兩種估算方法的結果(表1和表2)可知:相對于距離冪次反比法估算結果,地質塊段法礦石量多11.4×104t(6.52%)、品位高0.79 g/t(0.53%)、金屬量多18 t(6.90%),兩種估算方法相對偏差在合理范圍內,說明該區(qū)應用兩種估算方法進行資源量估算的結果都是可靠的。

3 結 論

結合Surpac軟件三維資源量估算成果和二次開發(fā)技術,提出了用Surpac軟件完成傳統地質塊段法資源量自動估算的技術方案,詳細論述了實現過程,并結合實例分析了其估算效果。主要結論如下:

(1)該技術在Surpac軟件三維地質建模成果的基礎上,僅增加繪制剖面礦體中心線和圈連地質塊段這2項簡單的圖形編輯操作,通過開發(fā)Surpac軟件宏命令,完成取樣線產狀、礦體產狀和塊段投影面積的自動查詢計算,調用TCOM接口創(chuàng)建Excel表和地質塊段法的所有表單,將樣品、單工程、地質塊段計算查詢結果寫入表單,以公式關聯的方式寫入計算公式,便可實現地質塊段法的自動估算。該方法估算成果與傳統手工編制的塊段法結果完全一致,節(jié)省了人工交互式查詢資源量估算參數的繁雜工作;估算成果和三維軟件沒有關聯,可用于三維軟件估算結果相互驗證,能夠用于提交礦山資源儲量核實報告和地質勘查報告,指導礦山采礦和地質找礦生產工作。

(2)《固體礦產資源量估算規(guī)程》(DZ/T 0338.1—2020)規(guī)定了傳統幾何法有地質塊段法、斷面法、多邊形法等7種,這些方法都需要手工交互式量測取樣線產狀、礦體產狀、地質塊段面積等參數。本研究方法利用三維軟件技術實現了該類參數的自動查詢計算,按地質塊段法的要求實現了資源量自動估算。未來需加強對其余6種方法的自動估算技術方法的研究,實現二維傳統資源量估算技術與三維現代資源量估算技術相融合,提升資源量估算的自動化水平。