金小燕，劉艷紅，劉和生，張 楊

（1.湖南省國土資源信息中心，湖南 長沙410004；2.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司，湖南 長沙410083）

20世紀(jì)90年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及計算機圖形學(xué)技術(shù)、三維GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫的迅猛發(fā)展和日漸成熟，以平剖面圖為主的傳統(tǒng)地質(zhì)信息模擬與表達(dá)難以滿足現(xiàn)代礦山信息化發(fā)展的需要，基于三維可視化模型的研究已受到廣泛重視。本文在研究分析某鉛鋅礦礦床模型的基礎(chǔ)上，完成了該礦區(qū)的三維空間地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立，它為礦山進(jìn)行進(jìn)一步的合理設(shè)計、礦山生產(chǎn)及深邊部找礦提供了重要的依據(jù)，可促進(jìn)礦床儲量動態(tài)管理的可視化、數(shù)字化。

1 礦床概況

礦區(qū)位于某復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜中主構(gòu)造線由南北向轉(zhuǎn)北東向的轉(zhuǎn)折端上。區(qū)內(nèi)地層比較發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜，燕山期小巖體多，礦產(chǎn)資源豐富，區(qū)內(nèi)Pb、Zn、Cu等有色金屬礦產(chǎn)主要賦存在石磴子組灰?guī)r、測水組砂頁巖、梓門橋組白云巖中。該礦區(qū)分為中部、東部、北部和西部四個礦段。

因目前礦山生產(chǎn)主要集中在礦區(qū)的西部鉛鋅礦段深部，故將其作為本次儲量動態(tài)管理研究的主要對象。

西部礦段主要礦體（158～169線鉛鋅銀礦體共25個）賦存在F21斷裂破碎帶及其下盤的倒轉(zhuǎn)向斜（測水組砂頁巖與梓門橋組白云巖、石磴子組灰?guī)r的接觸部位）、背斜（核部及翼部的石磴子組灰?guī)r、測水組砂頁巖）中。

鉛鋅礦體主要有7個（1、2、3、5、13、4、11號），這七個主礦體的礦量占西部鉛鋅礦總礦量的96.3%。

在勘查范圍內(nèi)，除7個主要礦體外，另有一些零星礦體，大部分規(guī)模較小，多呈脈狀、透鏡狀。

2 三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建

礦區(qū)三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫是礦山資源評估、儲量計算和采礦設(shè)計的基礎(chǔ)，是礦山生產(chǎn)管理的重點。在DIMINE2012軟件中，地質(zhì)數(shù)據(jù)庫包含了礦山海量的地質(zhì)和工程信息，囊括礦山整個生命周期中地測采各專業(yè)的數(shù)據(jù)，可為采礦設(shè)計、儲量計算及礦山生產(chǎn)管理提供服務(wù)。而所有數(shù)據(jù)中，包括礦性、巖性數(shù)據(jù)等，是建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的源數(shù)據(jù)。Dimine建立、訪問、管理地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的基本流程如圖1所示。

圖1 Dimine建立、訪問、管理數(shù)據(jù)庫的基本流程

礦區(qū)三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括三個部分：勘探工程數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)體三維空間數(shù)據(jù)庫和礦體三維空間數(shù)據(jù)庫。因礦體三維空間數(shù)據(jù)庫與儲量動態(tài)管理工作關(guān)系密切，故在后續(xù)章節(jié)中對其重點敘述。

2.1 勘探工程數(shù)據(jù)庫建立

勘探工程數(shù)據(jù)庫可以歸為兩類：鉆孔數(shù)據(jù)庫和坑槽井?dāng)?shù)據(jù)庫。

2.1.1 鉆孔數(shù)據(jù)庫建立

鉆孔數(shù)據(jù)庫包含2個必然數(shù)據(jù)表，即：鉆孔基本信息表、鉆孔測斜表。為了將編錄的所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)庫中，還要建立巖性表和樣品表。4個表包含的字段和字段類型見表1～4。

表1 鉆孔基本信息表

表2 鉆孔測斜表

表3 鉆孔巖性表

表4 鉆孔樣品表

2.1.2 槽井?dāng)?shù)據(jù)庫建立

坑槽井?dāng)?shù)據(jù)是生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)的主要來源之一?？硬劬?dāng)?shù)據(jù)庫包含坑槽井基本信息表、坑槽井測量信息表、樣品支柱信息表。其中，巖性信息可以加載在樣品支柱信息表中。

數(shù)據(jù)庫中共收錄地質(zhì)鉆探工程202個，生產(chǎn)鉆探工程395個。

2.2 地質(zhì)體三維空間數(shù)據(jù)庫建立

基于地表及鉆孔等勘探工程獲得的地質(zhì)體信息形成的地質(zhì)剖面經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理之后導(dǎo)入到三維視圖中，進(jìn)行交互式連接生成地質(zhì)體并賦屬性，從而生成地質(zhì)體三維空間數(shù)據(jù)庫。

3 三維礦體模型構(gòu)建

構(gòu)建三維礦體可視化模型，是實現(xiàn)礦床信息可視化、采礦設(shè)計數(shù)字化，以及生成管理智能化的基礎(chǔ)。構(gòu)建三維礦體模型的基本流程如圖2所示。

圖2 三維礦體模型構(gòu)建基本流程

從圖2可以看出，構(gòu)建三維實體模型的基礎(chǔ)是提取礦體輪廓線。提取礦體輪廓線的辦法有兩種：①將已有勘探線地質(zhì)剖面圖導(dǎo)入DIMINE2012軟件中，進(jìn)行圖層整理后，提取礦體的輪廓線；②利用已創(chuàng)建的礦區(qū)勘探工程數(shù)據(jù)庫，根據(jù)工業(yè)指標(biāo)和礦石類型在人機交互下圈定礦體或巖石的輪廓線。由于該礦區(qū)勘探資料和資源儲量數(shù)據(jù)已通過相關(guān)專家評審。故本文采用第①種方法提取礦體輪廓線。

實體模型是個由一系列相鄰的三角網(wǎng)包裹而成的一個封閉空間體。構(gòu)建實體模型前，將得到的各勘探線地質(zhì)剖面圖上的礦體輪廓線按圖層分好，利用線編輯的有關(guān)功能，如線清理、點編輯等，仔細(xì)檢查各輪廓線的完整性，確保無尖銳點、交錯點、冗余點等。

然后，用連線框的命令將線框連接成實體，連接好后，為確定實體是否有效，需進(jìn)行驗證，即確保連接的三角網(wǎng)不出現(xiàn)自相交、不封閉邊、無效邊等邏輯錯誤。若驗證模型時出現(xiàn)錯誤，則需要進(jìn)行實體修改，甚至重新連接，直至實體驗證有效為止。最終得到礦區(qū)有效的三維礦體模型。

4 塊段模型的創(chuàng)建

塊段模型的創(chuàng)建在三維礦體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行。塊段模型是礦床品位推估及儲量計算的基礎(chǔ)，其基本思想是將礦床在三維空間內(nèi)按照一定的尺寸劃分為眾多的單元塊，然后根據(jù)已知樣品對填滿整個礦床范圍內(nèi)的單元塊進(jìn)行品位推估，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行儲量的計算。

DIMINE2012軟件采用塊段模型與實體模型套合的方法，采用變塊技術(shù)以使塊段模型在實體邊界處的單元塊的大小自動進(jìn)行細(xì)分，以確保塊段模型能夠真實的反映礦體或其他實體的幾何形態(tài)。

在創(chuàng)建塊段模型時，通常利用礦體實體模型、地表DTM模型進(jìn)行邊界控制，利用組合樣品位對礦床的品位進(jìn)行空間插值。同時，塊段模型具有靈活的資源建模功能，每個單元塊的屬性可以量化或描述，也可以在任何點增加或者刪除塊的屬性，如巖性，礦石的品位、質(zhì)量、成本，體重，物理特征等。

建立塊段模型流程如圖3所示。

圖3 建立塊段模型流程圖

4.1 創(chuàng)建空白塊段模型

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料對礦體的揭示，特別是勘探線的分布，結(jié)合礦體的形態(tài)、走向、傾向和空間分布特征，利用實體模型和地表DTM模型，確定了塊段模型的范圍和單元塊的基本參數(shù)，詳見表5。

表5 塊段模型參數(shù)表

4.2 樣品分析及樣品組合

根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)原理，為確保得到個參數(shù)的無偏估計量，所有的樣品數(shù)據(jù)應(yīng)該落在相同的承載上。因此，在進(jìn)行品位插值前，需對樣品進(jìn)行分析與組合。

4.2.1 原始樣品分析

在進(jìn)行樣品組合之前，首先獲得原始取樣長度，然后對取樣長度進(jìn)行分析，從而確定組合樣長度。用軟件中的統(tǒng)計分析工具對原始樣品分析，以樣長為變量，得到樣品原始樣長的統(tǒng)計分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 樣長統(tǒng)計結(jié)果圖

從圖4可知，原始樣長的均值為1.32m，中值1.1m，而絕大多數(shù)樣長為1m，故可將組合樣長定為1m。同時，得到Pb、Zn元素品位直方圖，如圖5所示。由圖可知，Pb、Zn呈正態(tài)分布。

4.2.2 特高品位確定及處理

當(dāng)單樣（單工程）品位≥工程（礦塊）平均品位的6～8倍時，作為特高品位進(jìn)行處理，考慮到Pb、Zn的變異系數(shù)較大，則取下限值。

處理方法是：以特高品位所在工程（礦塊）的礦體各樣品品位平均值代替該樣品（工程）的品位值，進(jìn)行礦體平均品位的計算。軟件中用礦床平均品位代替。

4.2.3 樣品組合

經(jīng)特高品位處理后，通過樣長組合得到組合樣品，Pb、Zn組合品位直方圖見圖6所示。由圖可知，組合前后樣品分布特征及分布參數(shù)大體相近，故組合樣長1m是合理的。

圖5 礦區(qū)Pb、Zn礦石原始品位直方圖

圖6 礦區(qū)Pb、Zn礦石組合品位直方圖

4.3 距離冪次反比法品位插值

距離冪次反比法（Inverse Distance Weighted，IDW）是最常用的空間插值方法之一，是一種與空間距離有關(guān)的插值方法，在計算插值點取值時按“距離越近，權(quán)重值越大”的原則，用若干臨近點的線性加權(quán)來擬合估計點的值[1]。

式中：Z為待估點的屬性值；Zi為已知采樣點的屬性值；Di為待估點與已知點之間的距離；P為冪次，其取值視具體情況而定，通常可取1～3的整數(shù)，在一般取值為2[2]。

對待估塊體進(jìn)行估值時，搜索橢球的形狀和方位對估值結(jié)果有一定的影響，合理的橢球體參數(shù)設(shè)置可以更合理地對整個礦床品位的各向異性特征進(jìn)行度量。一般來說，搜索橢球體的形狀、方位應(yīng)接近礦體的形狀和方位。表6為本次距離冪次反比法估值搜索橢球體參數(shù)。

表6 搜索橢球體參數(shù)表

4.4 其他屬性賦值

在軟件中可通過“常量賦值”和“變量賦值”增加塊的除礦石品位以外的其他屬性。

5 儲量動態(tài)管理與品位控制方法

塊段模型能夠準(zhǔn)確地反映礦床品位空間分布情況及其規(guī)律，圖7為Pb、Zn空間分布情況。

圖7 Pb、Zn元素品位空間分布情況

從圖7中可以看出，高品位礦石主要分布在－190m中段。

在塊段模型中，礦塊的儲量是品位的函數(shù)見式（2）。

式中：R為礦塊儲量，而x（p，c）是礦產(chǎn)品價格p、成本c的函數(shù)。實際應(yīng)用中，x（p，c）在綜合考慮市場價格和成本的基礎(chǔ)上，可以由式（3）確定。

式中：x0（p，c）為礦塊最低可采品位，xc為生產(chǎn)成品品位，c為計算出的噸礦生產(chǎn)成本，ρ為采礦貧化率，η為選礦回收率[3]。

由式（2）、式（3）可知，綜合考慮市場價格浮動、采礦及加工成本、環(huán)境治理成本等各種相關(guān)因素，可隨時計算出礦石的工業(yè)品位，從而確定不同邊際品位的礦塊儲量。具體實踐中，通過對塊段模型進(jìn)行不同約束條件的設(shè)置，建立不同狀態(tài)的品位模型，便可進(jìn)行儲量統(tǒng)計，實現(xiàn)資源動態(tài)管理。

表7和圖8為按中段統(tǒng)計的礦床儲量，表8和圖9為按勘探線統(tǒng)計的礦床儲量。

表7 按中段統(tǒng)計礦床儲量

圖8 各中段的礦石量、金屬量及品位曲線圖

圖9 各勘探線間的礦石量、金屬量及品位曲線圖

表8 按勘探線統(tǒng)計礦床儲量

由表7、圖8可知，－110～－310中段礦體比較厚大，品位較高。

由表8、圖9可知，165與173勘探線間的礦體比較厚大，儲量較多。

6 結(jié)論

隨著礦山地質(zhì)工作的不斷開展和礦山開采的不斷進(jìn)行，需要更新礦區(qū)三維地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫，同時使三維礦體模型根據(jù)實際情況不斷反饋、修正和優(yōu)化。利用修改后的三維礦體模型創(chuàng)建塊段模型，采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法，對礦床品位進(jìn)行空間插值，并賦以其他地質(zhì)屬性，從而建立起礦床的精確資源模型，綜合考慮礦產(chǎn)品市場價格波動和采礦成本等因素，據(jù)此快速確定不同邊際品位下的礦床儲量，實現(xiàn)礦床儲量的動態(tài)管理。

[1]長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司.DIMINE2012操作手冊[R].2012.

[2]Davis J C.Statistics and data analysis in geology[M].New York：JohnWiley and Sons.1986.

[3]劉淑英.基于三維可視化模型的礦床儲量動態(tài)管理方法[J].采礦技術(shù)，2010，10（2）：72－74.