基于地质统计的矿体三维建模及采矿应用

基于地质统计的矿体三维建模及采矿应用

杨新华

湖南省工程地质矿山地质调查监测所 湖南省长沙市 410000

摘要：随着电子计算机技术和数据信息可视化技术的迅速发展，三维地质信息内容可视化技术在三维地学仿真模拟方向取得重大进展。三维地质模型的建立能很直观的反应矿体形态、工程控制情况、矿石量、品位等情况;能很好的指导矿山探矿、采矿生产等工作。地质统计学是以变差函数作为基本工具，在研究区域化变量的空间分布结构特征规律性的基础上，综合考虑空间变量的随机性和结构性的数学地质方法，其广泛应用于地质建模和采矿设计。

关键词：地质统计；矿体三维建模；采矿应用

引言

矿体三维模型的建立是在各种工程控制的情况下建模，通过两个中段的工程施工来圈定矿体，在经过矿体走向倾角来确定矿体形态，通过连接每两个相邻矿体位置且属性相同的两个点来完成空间连接来实现矿体的三维模型，在经过3Dmine块体模型进行系统分割，剔除夹石，实现更精确的矿体形态，以上主要通过坑探和钻探施工、化验品位作为矿体圈定分割的主要依据。

1矿区地质数据获取

为了确保构建的三维地质模型与某矿区地质环境相匹配，需要在建模前，对矿区地质数据进行获取。以某矿区为例分析，该矿区建筑用大理岩矿体在平面上呈近似长方形，方向为北西—南东向，总体呈现南东高北西低态势。矿体长约1400m，宽300~550m，地表岩层总体倾向南西，局部倾向北西或北东。在8勘查线以北（西）以80m最低开采标高为矿体底板，8勘查线往南（东）以下伏滑石石英片岩为矿体底板，至矿体南端，其底板标高约为140m，对应平面上以矿体资源储量估算范围作为矿体边界。根据《勘查报告》，岩石化学成分主要为CaO、MgO，其次为SiO₂，w（Fe₂O₃）＜1%，w（FeO）＜0.5%，w（P₂O₅）＜0.1%，岩石化学成分符合建筑石料质量要求。在矿区范围内有代表性的地段共采取11组样品，用来测试岩石的抗压强度、小体重等指标。样品测试结果显示，除碎裂岩抗压强度＜50MPa外，其余样品抗压强度基本上＞60MPa，强度较高，满足Ⅱ类建筑石料质量要求。石料压碎指标在21.4%~24.6%，整体指标在20%~25%，只能归为Ⅲ类建筑石料。其中检测样品的全部磨光值（PSV）≥35，但＜42，满足一般公路路面粗集料质量要求，但磨耗值全部≥20，明显高于≤16的公路表层粗集料的质量要求。w（O₃）、坚固性和吸水率指标很好，全部w（O₃）≤0.2%，吸水率全部＜1%，坚固性除碎裂岩为5.2%外，其余5个样品均＜5%。本次勘查依据岩性（大理岩和白云石大理岩）进行了碱活性矿物检测及放射性检测，结果显示，石料中不存在碱活性和放射性，该两项指标完全合格。矿体岩性主要为厚层、中厚层、薄层大理岩与白云石大理岩，夹层较少见。在4线与10线之间见一层薄层大理岩夹硅质岩，该层岩石总体呈红色，厚约10~22m，总体倾向南西，局部倾向北东，倾角缓，褶皱发育。岩石风化强，总体强度低，但所夹的硅质岩（石英）强度较高，本次勘查将其作为夹石剔除。

2矿体块体模型

块体模型是针对已圈定矿体的形态来对它进行数次分割，给每一个小块进行赋值，储存属性，从而得到更精确的储量计算结果。通过块体模型之距离幂次估值、变异函数结构模型两种方式进行验证与评估，确保后期对中深孔中的矿体进行中深孔爆破及储量计算的精确。

3距离幂次反比法

通过距离幂次反比发对该矿体估值，由于各样品点距待估单元块中心的距离不同，其品位对待估单元块的影响程度不同，显然，距离待估单元块越近的样品，其品位对待估单元块品位的影响越大。因而在计算中，离待估单元块体近的样品的权值应比离单元体远的样品权值大，基本要领为确定矿体走向、厚度、侧伏角、倾向、倾角、延伸等矿体数据，这些都是用于估值的重要依据。

4实景三维与地下矿体建模

三维建模包括三维矢量模型、三维栅格模型、混合集成模型3种方法，三维矢量模型是用一些基元及其组合来表示三维空间。三维栅格模型亦称体模型，是基于体元表示的数据模型，混合集成模型则是面向记录的数据语义模型。本文采用的建模方式包括三维矢量模型与三维栅格模型，其中三维地形采用瓦片影像模式三维栅格模型，便于大范围模型的显隐，采用了LOD技术，而三维地层岩层矿体则采用三维矢量模型，便于三维量测与统计。1）地形建模流程。采用三维倾斜摄影生产osgb格式的三维地表影像模型与DSM、（数字地表模型）、DOM（数字正射模型），在ArcGIS组件ArcSCEN中采用DSM拉伸表示地形，DOM同步表示地表纹理，生产三维地表模型。2）矿体建模流程。基于剖面的矿山三维重构是利用一系列勘探剖面，通过提取剖面上矿山空间实体的边界，利用轮廓线生成算法，构建三维地质体模型的建模方法。基于剖面的矿山三维重构是利用剖面上大量的点、线信息表达各个层面，进而来构建三维地质体的建模方法。剖面上的点、线信息属于某特定地层、断层、矿体边界。此方法的建模步骤总体上分为三部分：剖面信息预处理、空间知识库的建立、矿山三维重构。采用MapGIS地质勘查数据，首先统一坐标系统，把地质勘查数据与上述地表倾斜数据统一到同一坐标系统下，将勘探线导入到3dmine软件中，作为地下矿体建模的骨架；然后将勘探线上对应的剖面图导入3dmine软件中，利用平面2点坐标调换，根据剖面图上垂向尺度数字，将XY坐标投到正确位置，然后利用坐标调换yz，将二维剖面图投影到三维空间，采用剖面图标有坐标值的坐标格网特征点，坐标值利用两点坐标转换把XY坐标投转到正确的空间位置。最后利用空间三角网实现相邻剖面之间的连接，首尾剖面实现扩展外推闭合，最终形成闭合的三维矿体模型。3）矿证范围三维建模。根据地勘报告中采矿证范围拐点坐标，统一到倾斜数据坐标系统下，采用投点连线构面方式生成采矿证范围面，然后转换成含高程的矢量面，高程即选择采矿证最低高程。

5成矿预测

由于矿体的隐伏性质，难以预见其空间展布规律，对矿床的整体空间展布特征及变化规律也缺乏直观的认识，如此一来，矿山勘探局面就常常陷入被动，矿山资源勘探的风险加大，矿山的资源前景问题也就难以从根本上解决。矿山地质建模可以将矿山多年开采和补充勘探积累的大量的多源勘探资料进行整合分析，以三维的方式形象地表达出来，定量描述矿床地质特征信息，对矿体分布规律进行更深层次的总结认识，从而对矿床外围及深部成矿进行有效的预测，增大预测准确性。在三维地质建模技术及三维成矿预测方法的不断发展基础上，地质大数据技术逐步融入进来，矿产资源预测研究取得了显著成效，三维矿产资源定量预测评价流程也逐渐趋于成熟。例如，“地质信息集成⁃成矿信息提取⁃立体预测”深部矿产资源三维预测方法，基于平均最邻近距离的Kriging插值的煤质预测以及基于地学大数据三维／四维建模与深层次集成的资源预测体系等。随着找矿预测的要求越来越高，矿产资源预测是在不确定性下制订最优决策的工作，如何解决制约当前三维成矿预测发展的关键问题，还需要进行深入广泛的研究。

结语

总之，本文通过收集数据、建模、组合样品、块体模型到中深孔采矿设计，可为矿山后续开采作业提供指导。

参考文献

［1］白海滨，周石磊．3Dmine在地下开采中深孔作图的应用［J］．中国金属通报，2017(9):48－49．

［2］牛世刚．3Dmine在雅满苏井下矿扇形中深孔爆破炮孔设计中的应用［J］．新疆钢铁，2015(3):51－54．