小铁山矿三维数字化模型的建立与应用

2012-11-17朱来东王永智

采矿技术 2012年1期

关键词：铁山实体模型块体

刘亭，朱来东，王永智

（西北矿冶研究院，甘肃白银市 730900）

小铁山矿三维数字化模型的建立与应用

刘亭，朱来东，王永智

（西北矿冶研究院，甘肃白银市 730900）

基于三维建模理论，应用3DMine矿业工程软件平台，构建了甘肃省白银矿区小铁山矿基础数据库，建立了该矿地表三维模型、1544m标高以下矿体三维实体模型、矿体块体模型、井巷开拓系统等三维模型；采用距离幂次反比法对块体模型Cu、Pb、Zn等元素品位进行赋值，对矿体各元素分别分中段、分级别进行储量计算。通过建立矿山三维数字化模型，直观展现了矿山勘探工程、矿体、井巷开拓工程等地下信息，进行储量动态管理、生产计划编制等。

数字化矿山；三维模型；3DMine

0 前言

随着科技的进步、矿产资源的需求日益增大、全球矿产资源的逐步减少及现有矿山开采难度的加大，运用现代空间理论及计算机和网络等高新科技建立矿山三维空间与属性模型，将矿山的所有空间及数据信息实现数字化存储、传输和表达，已成为当今矿产资源勘查及矿山管理的发展方向之一。

目前，国际上一些大型矿山已经实现了在办公室开展矿山生产的资源合理利用和动态管理工作，矿业较发达国家数字化矿山的建设重点已经转移向远程遥控和自动化开采。1990年代以来，世界上一些发达国家相继开发出许多数字化矿山建设方面的专业软件，较成熟的且具有代表性的有：Datamine采矿软件、Surpac软件、Micromine软件、MINCAD系统等［1－2］。国内近年来也有不少大型矿山企业建立了矿床三维模型，如铜陵有色金属公司冬瓜山铜矿运用Datamine矿业软件建立三维矿床模型，华锡集团有限公司铜矿、广西高峰矿业有限公司等运用Surpac软件建立了三维矿床模型，提出新的勘查、开采模式的探讨和尝试，降低了矿山勘查和开采成本，提高了矿山经济效益。基于国内外数字矿山研究水平，本文借助3DMine矿业工程软件，研究建立甘肃省白银矿区小铁山矿基础数据库、地表三维模型、深部矿体三维实体模型、矿体块体模型、井巷开拓系统三维模型，对块体金属元素品位进行赋值、计算储量，实现矿山深部的三维可视化，介绍符合矿山地质、测量、采矿、管理等领域的应用现状与前景。

1 矿山概况

白银厂矿区的采矿业历史悠久，有记载的采矿活动始于汉代。矿区大规模的地质工作始于建国后，1950年代初期根据铁帽和蚀变带进行地表露头找矿，尤其是烟灰色粉末状辉铜矿的发现，使白银厂矿区的找矿工作获得了巨大的成功，经过近半个世纪的勘探工作，确定小铁山矿为大型铜铅锌多金属矿床，探明铜铅锌地质储量数万t［3］。至1970年代，小铁山矿建成投产，随着生产的不断发展，矿床的铜铅锌资源量锐减，矿山已进入开发晚期。矿山采用巷道式胶结充填采矿法，开拓方式为主副井—斜坡道联合开拓，主井地面标高1919m，现采矿深度已达到1424m标高。

矿床矿体基本呈似层状、透镜状，矿体在走向和倾向上存在分支复合、膨胀狭缩和尖灭再现等特征，矿体膨胀地段往往是矿体分支复合部位，其厚度较大，但很快变薄或分支为数个平行小矿体。

2 数字化矿山建设流程

通过建立矿床三维模型，实现矿山信息数字化、可视化，从而解决矿山生产动态管理、生产方案优化、生产规划、深边部找矿、资源合理开发利用等技术问题，以便减少资源的浪费和环境污染，提高矿业开发经济效益。数字化矿山建设流程如图1所示，整个流程包括：基础数据的整理、检查与校正，完成基础数据库的建立；单工程矿体圈定，构建矿体、地质体实体模型及空间属性模型，基于空间插值理论构建矿体属性模型；构建矿山地形、开拓工程三维实体模型；基于三维数字化模型的模型应用。

图1 数字化矿山建设流程

3 基础数据库的建立

3.1 原始数据的收集与处理

矿山原始数据中的地质、勘探、测量等信息是矿山三维建模技术的基础，是矿体圈定、三维模型建立、块体估值、储量计算准确与否的关键。由于小铁山矿开采历史悠久，先后有多家勘探队伍参与该矿的勘探工作，所采用的坐标系不同、数据类型较多、信息量大，且资料保存多为原始纸质材料。因此依据3DMine软件数据格式要求，对原始钻孔、探槽等数据进行如下处理：将原始纸质信息进行数字化；对不同坐标系下的测量信息进行坐标转化，统一为北京54坐标系；按照向上钻孔倾角为正，向下钻孔倾角为负修改钻孔倾角数据；对原始数据进行核对检查，修正逻辑错误；按照3Dmine软件数据库格式要求，将原始信息按照定位表、测斜表、化验表、岩性表保存为EXCEL格式文件，做为建立数据库源文件，各数据表结构见表1。

表1 数据库数据表结构

3.2 基础数据库的建立

根据3DMine软件建立钻孔数据库，并在数据库中建立与源数据相同的数据表，导入源数据使其与数据库表一一对应。后期可利用数据库编辑、查询、导入等强大的数据后处理功能进行数据库的更新、修改、查询等操作，通过钻孔显示功能可查看钻孔的空间立体分布状况（见图2）。

图2 钻孔空间立体分布

4 构建三维模型

4.1 地表模型的建立

地形地表基础数据一般表现为地质调查和测量中的一系列离散不均匀数据，通过对这些数据的插值，加密高程点后，才能形成完整的地形地表三维模型。本文以矿山地形地质图为原始资料，从Map－GIS文件中提取等高线及相应标高值，删除重复点、跨接；将等高线对应标高值赋予等高线Z值形成三维等高线，并生成地表DTM面，完成地表模型的建立（见图3）。

4.2 矿体模型的建立

在建立矿体实体三维模型前，首先要确定单工程矿体的圈定，小铁山矿为铜铅锌多金属矿，单工程矿体圈定按照铜或铅或锌品位大于等于边界品位，及夹石厚度小于2m的样品，一律圈入矿体。通过3DMine软件设置圈矿指标，完成单工程矿体自动圈定，人机交互式修订单工程矿体。本文所用矿体三维模型的建立采用勘探线剖面图矿体线框与钻孔矿体线框结合的方式，以矿体圈定原则确定矿体勘查剖面线框模型。然后按照矿体产状等，通过将相邻剖面线框模型进行连接生成三维矿体模型，以封闭三角网的形式存储。

图3 地表三维模型

由于该矿山矿体较薄，如何准确判定剖面间矿体轮廓线的对应关系及三角网自相交情况成为矿体圈定需要解决的主要问题。因此本文在矿体连接时充分分析矿床地质信息、钻孔岩性信息等，确定勘探线间矿体对应关系，对矿体的分支、复合等现象进行有效处理，通过添加控制线，人机交互式实现矿体三维模型的构建（见图4）。矿床地层模型的建立参照矿体三维模型建立方法，实现矿床地层地质体三维建模。

图4 矿体三维实体模型

4.3 块体模型的建立

矿体实体模型给出了矿体的空间几何分布形态，但无法表达矿体金属品位的分布状况，也无法直接用于储量计算，因此利用矿体实体模型建立矿体块体的空块模型，以实体模型边界为约束条件对边界块体进行取舍，生成矿体空间属性模型，对属性模型的块体进行赋值。考虑所选矿山矿体厚度较薄，因此确定的属性模型单元块尺寸为5m×5m×5 m，次级单元块尺寸为2.5m×2.5m×2.5m［4－6］。沿矿体倾向、走向、厚度确定搜索椭球体参数，按照生成的组合样品点文件，利用距离幂次反比法对属性模型的Cu、Pb、Zn等品位信息进行块体赋值，矿体品位模型建立后，可根据不同颜色及图案显示各金属元素品位分布情况（见图5），揭示矿体内部品位空间分布情况，为矿山生产动态管理提供可靠依据。

图5 按Cu品位显示的矿体块体模型

4.4 井巷三维模型的建立

在巷道的三维建模时，可根据巷道形状将巷道分为均匀巷道和非均匀巷道［7］。均匀巷道是指巷道断面形状、大小等参数都相同的巷道，此类巷道可根据开采设计图件提取巷道中线及断面参数，利用巷道中线及断面轮廓来形成巷道实体模型。由于非均匀巷道在不同部位巷道断面形状与大小都不同，无法用一条中心线来表示，建模比较繁琐，因此将其分解为局部巷道，利用多条中线及一系列的断面轮廓线生成巷道实体（见图6）。