张国亮，张海峰，周 勇

（1.宜昌市夷陵区矿山规划设计所， 湖北宜昌市 443100；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉 430071；3.化工部长沙设计研究院， 湖南长沙 410116）

基于Surpac的某珍珠岩矿三维建模与露天境界圈定

张国亮1，张海峰2，周 勇3

（1.宜昌市夷陵区矿山规划设计所， 湖北宜昌市 443100；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉 430071；3.化工部长沙设计研究院， 湖南长沙 410116）

以某珍珠岩矿为研究对象，基于三维可视化矿床建模技术，利用Surpac软件构建该矿床的地质数据库和三维地质体模型，在此基础上确定最终开采境界，并对开采境界内矿体进行品位估算和储量计算，为合理开采矿山资源提供了科学依据。

可视化；地质数据库；实体模型；块体模型；境界圈定

0 前 言

随着计算机水平和矿业技术的快速发展，数字矿山建设已经成为许多矿山企业的发展目标之一。三维可视化矿床建模是数字矿山的关键技术之一，该技术在数据处理和信息表达方面，具有高效、直观等特点，可广泛应用于矿山开采的各个方面［1］。国外的三维可视化矿床模型研究及软件的开发和应用始于1970年代，经过40年的发展，已相当成熟，矿业软件的应用也极为广泛，其中以矿床模型为代表的矿业软件发展迅速。英国、澳大利亚和加拿大等国相继推出用于地质资料处理、矿床建模、采矿设计、计划编制、测绘图形处理等方面的商业软件，并应用于许多矿山，取得了很好的经济效益［2］。国内在该方面的研究较晚，自1980年代中期开始，国内开始引进国外矿业软件，经过长期的研究，取得了许多成果，尤其是近几年国外成熟矿业软件的引进、借鉴与吸收，使得国产矿业软件也有所发展，并在一些国内矿山与科研设计单位进行实际应用，取得了一定的经济效益。

在露天矿的开采设计中，露天境界圈定是开采的首要任务，三维可视化矿床建模技术在露天境界圈定方面也具有突出的优势。传统方法主要有手工方法和自动化方法2种［3－5］。手工方法绘图和计算量太大，且精度较低，已很难满足现代采矿设计的要求；传统的自动化方法采用计算机按不同方案对开采境界进行自动优化，使用初期由于受到计算机技术和矿业软件水平的限制，在国内未得到应有的推广与应用。近年来，随着矿业软件的发展，软件中基于自动化方法的露天境界圈定模块也日臻成熟，与传统方法相比，具有高度自动化、误差低等优点，故此在矿山开采设计中应得到足够的重视与应用。

本文结合矿床建模和露天境界圈定的研究现状，以某珍珠岩矿为研究对象，采用Surpac软件进行三维建模，据此对露天矿最终开采境界进行圈定，进而建立开采终了DTM模型，结合块体模型，对开采储量进行分层计算，为合理开采矿山资源提供了科学依据。

1 工程概况

矿体沿长轴方向略向北东倾斜，底板南高北低，呈7°～10°的倾伏角。底板南部最高，为82m，向北逐渐降低。采区边界控制的矿体南北长500m，东西宽230～340m，矿体南宽，北略窄。上覆第四纪地层，厚5～16m，矿体顶板标高为75～85m，底板标高在110～106勘探线间为0～25m，从104～100线由25m逐渐抬高至82m，矿体厚度由110～100线从90m逐渐变为10m。采区矿体整体形状呈半舟－正楔形。采区珍珠岩矿石大多为1级品，占80%以上，2、3级品仅在顶部、边部局部以及102线以南分布。局部夹有凝灰质页岩、膨润土和沸石矿体。底部为平缓微波状，底板为膨润土矿体，与珍珠岩λ－4矿体上下重叠共生，互为顶、底板关系，厚5～23m。

2 矿山三维建模

2.1 地质数据库的构建

地质数据是矿山资源评估和采矿设计的基础，地质数据的完善性和可靠性直接影响着矿山的生产经营和决策［6－7］。在Surpac软件中，地质数据库包括钻孔定位表、测斜表、地质分析表和样品（化验）表，通过这4个表文件中不同地质数据信息的有机组合，共同表征钻孔的完整数据集合信息［8－9］，为地质解译（圈定矿体）、品位估算、储量计算与管理以及后续采矿设计提供依据。地质数据库结构见表1。

本文共收集和整理矿区6条勘探线上的钻孔数据27个，化验数据148个，按照Surpac软件要求整理成4个文本文件，并导入Surpac软件建立地质数据库，通过设置显示风格，可在三维空间内显示钻孔详细信息。图1为该矿的三维空间局部钻孔图，沿钻孔方向根据岩性差异赋不同颜色值，同时在钻孔右侧标注岩石类型和珍珠岩矿石品位，在左侧标注钻孔深度信息。

表1 地质数据库结构

图1 矿山三维空间局部钻孔示意

2.2 实体模型

在Surpac软件中，建立矿体实体模型的方法主要有以下3种：

（1）剖面线法：主要适用于具有2个相似形状的剖面之间三角网的连接；

（2）合并法：可用于水平或扁平矿体，如煤矿的建模；

（3）相连段法：适用于各种复杂情况下创建各种复杂的实体。

根据该珍珠岩矿地质解译圈定的矿体剖面形状的相似性和个别矿体剖面形状差异较大的情况，选择剖面线法和相连段法建立实体模型，连接三角网的过程中需注意根据勘探资料对矿体边界进行修正，使其符合实际。本文实体模型构建的基本步骤见图2。

矿山实体模型的建立具有许多实际意义，可在真三维空间直观反映矿体形状、产状和规模；结合地质数据库提取所有位于矿体内部的勘探样品；为块体模型提供约束条件，确定各块体属性的计算范围；与块体模型结合进行储量计算；为后续采矿工程设计提供三维环境，并提供任意方位的剖面信息等。该珍珠岩矿矿体实体模型见图3。

图2 实体模型构建的基本步骤

图3 珍珠岩矿矿体实体模型

2.3 块体模型

2.3.1 块体单元尺寸划分与属性设置

根据矿体形态、勘探工程控制网度及矿山生产实际，结合该珍珠岩矿矿体实体模型，按10m×10 m×5m尺寸划分单元块，最小块尺寸为5m×5m×2.5m，整个矿区模型共计44932个单元块。块体模型用来存储相关地质信息，当它的基本几何参数划分完成后，需要对每个块体单元赋予各种需要存储的地质属性。该矿块体模型属性字段见表2。

表2 块体模型属性字段

2.3.2 块体模型赋值

块体单元尺寸划分和属性设置完成后，需要对块体模型中的单元进行品位估算和着色。Surpac软件中常用的估值方法有最近距离法、克里格法和距离幂次反比法。由于该矿区中珍珠岩、膨润土、沸石岩和流纹岩交互共生，只能根据地质约束进行样品组合，而丢失了样长因素，做基础统计毫无意义，因此只能采用距离幂次反比法对块体模型进行品位估值。通过设定椭球体的搜索参数，可以对任一块体单元品位进行估算。

距离幂次反比法是最常用的空间内插方法之一，该方法建立在区域化变量理论基础之上［10］，假定区域化变量之间相关，并且可以定量地表示为样点与待估值点之间的距离幂次成反比，利用该原理可推估未知块体单元的品位值。待估品位值可用已知勘探采样点的品位值与已知点权重的乘积表示，距离越远，权重越小。距离幂次反比法可表示为

式中：C为待估中心钻孔的品位；Ci为第i（i＝1，2，…，n）个块体单元的品位；Di为已知采样钻孔与第i个钻孔的中心距，即待估块体单元中心与已知品位单元中心的距离；p为距离的幂次，它显著影响内插的结果，其选择标准是最小平均绝对误差，幂次越高，内插结果越平滑。实际计算中幂值取任意整数次，但一般选择1，2或3，本文选择2作为计算幂次，即采用“距离平方反比法”。

在块体品位估算完成后，为了能直观地了解矿石的品位分布情况，需根据品位对块体模型着色。图4为该矿根据品位着色之后的块体模型，其中，图例数字表示矿石品位，不同的颜色代表相应的品位区间，形象地展示了矿床中矿石的品位分布情况。

图4 珍珠岩矿块体模型

3 露天采场境界圈定

3.1 圈定原则

（1）确保已探明的矿产资源能够得到充分、合理地利用；

（2）确保矿山安全生产，防止采矿终了发生滑坡；

（3）圈定的矿石满足工程建设服务年限要求；

（4）开采范围与周围的村庄、重要建（构）筑物、高压线、公路等设施保持不小于200m的安全距离要求。

3.2 开采境界圈定

由于采矿许可证中所圈定的开采范围以内，除西南拐点处无矿外，其他均在矿体之上，且埋藏较浅，该矿体为近水平矿体，因此只需对102和104勘探线西端进行以“境界剥采比不大于经济合理剥采比”的原则验证，根据经济合理剥采比（1～1.5）及矿体实际赋存条件，取1.5。而104勘探线处在矿区界线拐点处，根据矿山开采现状，为了维持边坡稳定必须进行扩帮工作，因此，只需对102勘探线进行境界剥采比的验证。根据该矿开采现状和相应的采场结构要素，在矿区平面图基础上利用Surpac软件建立了露天坑开采终了DTM模型，如图5所示。

图5 露天坑开采终了DTM模型

三维境界表面模型建成之后，将已经生成的珍珠岩矿体块体模型置入最终开采境界之内，用Surpac软件按各开采水平对境界内的矿石量进行分层计算，计算结果见表3。

表3 境界内矿量计算结果

4 结 论

传统采矿设计方式难以描绘矿体和采矿工程的空间形态，造成采矿设计效率低、储量计算不准确、生产计划粗略、采矿设计盲目等缺点。目前，基于三维可视化矿床模型的采矿设计是国内外未来发展的主要趋势之一，与传统设计方式相比，具有地质数据信息高度整合、真三维环境下显示矿体模型、方便快捷查询矿石品位等优点。本文在引入三维可视化矿床技术的基础上，采用Surpac软件对某珍珠岩矿进行三维建模，形象地展现了该珍珠岩矿的矿体形状、产状、矿石品位分布等情况，使采矿技术人员能够更清楚地把握矿体和品位分布，为采矿工程的科学设计、资源储量和品位的动态管理及合理开采矿物资源提供了科学的依据。

［1］古德生，李夕兵.现代金属矿床开采科学技术［M］.北京：冶金工业出版社，2006.

［2］杨 念.会东铅锌矿三维矿床模型开发与应用研究［D］.长沙：中南大学，2008.

［3］高 彦，张雨果，李慧静.露天矿境界圈定复合锥法［J］.金属矿山，2004，13（4）：42－44.

［4］焦玉书.用凸形分析–资源技术参数化方法确定露天开采境界［J］.露天采矿技术，2003（1）：1－5.

［5］李 德，曾庆田，吴东旭，等.基于三维可视化技术的露天境界优化研究［J］.金属矿山，2008（4）：103－108.

［6］贾明涛，潘长良，肖智政.基于三维地质统计学的矿床建模实践研究［J］.金属矿山，2002（8）：42－44.

［7］龚元翔，王李管，冯兴隆，等.三维可视化建模技术在某铜矿中的应用［J］.矿冶工程，2008（3）：1－4.

［8］M.Stavropoulou，G.Exadaktylos，G.Saratsis.A combined threedimensional geological－geostatistical－numerical model of underground excavations in rock［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2007，40（3）：213－243.

［9］朱良峰，吴信才，刘修国，等.基于钻孔数据的三维地层模型的构建［J］.地理与地理信息科学，2004，20（3）：26－30.

［10］李章林，王 平，张夏林.距离幂次反比法的改进与应用［J］.金属矿山，2008（4）：88－92.

2011－11－24）

张国亮（1983－），男，河南浚县人，助理工程师，主要从事矿产资源开发利用规划及矿山储量检测等方面的工作。