沙明光,易志強,秦 雷

(1.南陽市開元藍晶石礦,河南 南陽 473400) (2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院,河南 南陽 473400)

三維可視化建模技術在礦山工程中的應用

沙明光1,易志強2,秦 雷2

(1.南陽市開元藍晶石礦,河南 南陽 473400) (2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院,河南 南陽 473400)

隨著地質(zhì)統(tǒng)計學、數(shù)學、計算機圖形學和網(wǎng)絡技術的發(fā)展,在科學計算可視化的基礎上,工程地質(zhì)逐漸向綜合集成化、數(shù)字化、可視化的方向發(fā)展。文章以某錫礦為例,基于地質(zhì)統(tǒng)計學理論和方法,應用能夠反映區(qū)域化變量特征的變異函數(shù),利用三維礦業(yè)軟件建立了礦山礦床的數(shù)學模型和工程實體模型。結果表明,建立的實體模型更加逼真的反映了礦山開采現(xiàn)狀,在礦山采礦方法設計中,應用可視化真三維技術不僅十分必要,而且完全可行,它突破了傳統(tǒng)的設計模式和方法,極大提高了采礦方法設計的工作效率,使采礦方法的設計更加直觀、形象、容易理解,應用前景必將越來越廣泛。

三維可視化;地質(zhì)統(tǒng)計學;采礦設計

0 引 言

在傳統(tǒng)的地質(zhì)現(xiàn)象表達中,通常是以二維平面圖和剖面圖來表示地質(zhì)勘探的成果,這種方式存在表達信息不充分,缺乏直觀感等特點。隨著地質(zhì)統(tǒng)計學、數(shù)學、計算機圖形學和網(wǎng)絡技術的發(fā)展,在科學計算可視化的基礎上,工程地質(zhì)逐漸向綜合集成化、數(shù)字化、可視化的方向發(fā)展。礦床三維可視化建模已成為數(shù)字化的一個重要方面,并成為當前地學信息技術領域最富有活力的研究方向之一[1]。

國外在這方面的研究進展較快,并已開發(fā)出許多商業(yè)化軟件,如美國的M INC IM,DGI開發(fā)的可應用于露天和石油開采的可視化系統(tǒng);Reservoir Characterization Research and Consulting公司開發(fā)的3D EarthModling軟件[2～4];加拿大阿波羅科技集團公司開發(fā)的MicroLYNX;加拿大金康公司開發(fā)的Gem-Com軟件;英國的DataMine軟件;澳大利亞的MicroMine軟件、S MG公司的Surpac軟件等。相對于國外的這些地質(zhì)礦床三維可視化建模軟件,國內(nèi)的發(fā)展比較緩慢,但也相繼開發(fā)了有些三維建模軟件如北京理正軟件設計研究院研制開發(fā)的LeadingGIS也比較好的實現(xiàn)了地質(zhì)體的三維可視化,武漢中地信息工程有限公司的MAPGIS、北京超圖的SUPERMAP等都帶有三維可視化的模塊[5～6],中南大學和長沙迪邁信息科技公司開發(fā)的一整套專業(yè)礦山應用的D IM INE礦業(yè)軟件等[7～8]。本文以國內(nèi)某錫礦為例介紹了三維可視化建模技術在礦山中的具體實踐及應用。

1 礦山地質(zhì)概況

礦體產(chǎn)于近東西向的炸藥庫斷裂和背陰山斷裂之間的夾持帶所控制的背陰山突起東翼花崗巖的頂部,礦體賦存于花崗巖與T2g15碳酸鹽類巖石的接觸帶上,由于受背陰山斷裂、背陰山突起花崗巖巖體表面形態(tài)及接觸帶的控制,礦體形態(tài)復雜,呈似層狀、透鏡狀,局部呈盆狀、槽狀產(chǎn)出。礦床成因主要與巖漿期后中-高溫氣成熱液所形成,礦體總體走向近東西,走向長約300 m,南高北低,傾角隨巖體形態(tài)改變,礦體由西向東側伏,賦存標高1 670～1 745 m,南北寬10～120 m,厚0.8～22 m,礦石類型有塊狀硫化礦、矽卡巖型硫化礦,砂狀(風化)硫化礦,局部有氧化礦和含礦大理巖,礦體屬Sn、Cu共生硫化礦。

2 礦山地質(zhì)實體模型構建

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)庫及統(tǒng)計分析

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫就是將不同的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息按照一定的關系有機的組合在一起,共同表示鉆孔完整信息的數(shù)據(jù)集合。它是進行地質(zhì)解譯、品位推估、儲量計算與管理以及后續(xù)采礦設計等的基礎,包括了開口文件(Collar)、測斜文件(Survey)、鉆孔樣品文件(Assay)、巖性文件(Geology)4個文件。對樣品進行統(tǒng)計分析一方面是為了掌握礦床錫以及其他金屬元素的分布情況,另一方面是指導后面品位推估時采用何種方法進行變異函數(shù)計算與分析。本次建模收集到326個鉆孔,樣品數(shù)量為3 789個。

根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計學原理,為確保得到參數(shù)的無偏估計量,所有的樣品數(shù)據(jù)應該落在相同的承載上,即同一類參數(shù)的地質(zhì)樣品段的承載應該一致。因此,在建立品位模型之前,需對樣品按鉆孔長度進行組合。為了降低樣品組合過程中可能導致的品位平均化程度,取組合樣長度為平均原始樣品長度2 m,最小組合樣長為原始樣品的75%,即1.5 m。另外,由于該礦區(qū)特高樣品數(shù)目較少,這里組合時采用直接將特高樣品剔出的辦法予以處理。從圖1中看出Sn元素服從對數(shù)正態(tài)分布的規(guī)律;Sn均值0.61%、標準差為1.59。

圖1 Sn元素品位分布直方圖

2.2 變異函數(shù)的計算和擬合

由于礦體分布具有一定的方向性,區(qū)域化變量在不同方向可能會具有不同的結構性和變異性,即具有空間各向異性特征。因此,在進行變異函數(shù)的計算和分析時將針對不同的方向分別進行。根據(jù)經(jīng)驗,對于浸染狀的金屬礦床,要按走向、傾向、厚度3個方向進行變異函數(shù)的分析,因此,這里對于Sn元素品位進行這3個方向的實驗變異函數(shù)計算,具體參數(shù)列于表1。

表1 Sn元素品位變異函數(shù)分析參數(shù)及結果

變異函數(shù)的理論模型又分為有基臺和無基臺兩大類,其中有基臺的模型有:球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型;無基臺的模型有冪函數(shù)模型、對數(shù)函數(shù)模型、純塊金效應模型及空穴效應模型等。本次研究采用球狀模型[8],其擬合Cu元素曲線如圖2、圖3、圖4所示。

2.3 交叉驗證

理論變異函數(shù)參數(shù)將用于后續(xù)的礦床品位推估或儲量計算中,因此,理論變異函數(shù)參數(shù)取值的正誤對品位估值結果的準確性具有很大的影響。進行交叉驗證的目的,就是對理論變異函數(shù)參數(shù)的取值進行檢驗,判斷應用這些參數(shù)進行品位估值時的估值效果。

交叉驗證的基本思想是,假定某已知樣品點處的品位是未知的,根據(jù)其周圍的已知樣品點,應用計算得到的理論變異函數(shù)參數(shù)對該點處的品位進行推估,然后計算該點處的實際品位與估計品位之間的誤差。利用上述得到的3個方向的變異函數(shù)參數(shù)進行交叉驗證,結果見圖5。根據(jù)交叉驗證的結果,誤差均值-0.000 4(趨近0),標準差0.3,2個標準差范圍內(nèi)誤差所占比例95.64%。由圖5可以看出誤差分布為正態(tài)分布,所以變異函數(shù)參數(shù)比較準確、合理,可以用于進行克立格估值。

圖2 Sn主軸方向?qū)嶒灱袄碚撟儺惡瘮?shù)

圖3 Sn次軸方向?qū)嶒灱袄碚撟儺惡瘮?shù)

圖4 Sn短軸方向?qū)嶒灱袄碚撟儺惡瘮?shù)

圖5 交叉驗證誤差分布直方圖

2.4 地形表面模型的建立

在地質(zhì)調(diào)查和測量中,通常表現(xiàn)為一系列離散的、稀疏的、空間上分布不均勻的數(shù)據(jù)。利用這些離散數(shù)據(jù)來進行三維建模時,需要通過數(shù)據(jù)插值,然后才能形成完整的地質(zhì)體模型。

目前空間數(shù)據(jù)插值的方法很多[4],主要有:雙線性插值、趨勢面插值、樣條函數(shù)插值、距離冪次反比法和克里金(Kriging)插值等。

各插值方法有各自的優(yōu)勢,因地質(zhì)數(shù)據(jù)有其特殊的特點,在進行空間數(shù)據(jù)插值時,不能簡單地套用現(xiàn)成的自動插值方法,必須考慮很多制約因素及相關的地質(zhì)學原理,選擇合適的方法來模擬,才能形成準確可靠的模型?？死锝?Kriging)插值方法是一種求最優(yōu)線性無偏內(nèi)插估計量的方法,它首先考慮了空間屬性在空間位置上的變異分布,然后考慮樣品的形狀、大小、及其與待估區(qū)間的空間分布位置等幾何特征,對每一待估區(qū)域賦予一定的系數(shù),最后進行加權平均來估計。

在三角網(wǎng)過于稀疏的地方,生成的表面模型往往會顯得很粗糙,難以滿足工程上的要求。因此,對該區(qū)域內(nèi)的點必須進行加密處理。但由于克里金法比較復雜,步驟較多,國內(nèi)外在建立地形模型時通常采用趨勢面法或距離冪反比法。其待估區(qū)域內(nèi)高程值的估值公式為:

式中,Z(x)為待估點的高程,Z(xi)為已知點的高程,d為第i個點到待估點的距離。

高程點加密后,創(chuàng)建等值線網(wǎng),生成的地形表面模型見圖6。

圖6 礦山地形表面模型

2.5 礦體模型

在建立的鉆孔數(shù)據(jù)庫基礎上,根據(jù)不同勘探線剖面圈出的礦體邊界形成的線框集,通過線框模型構建法[9～10]建立礦體模型。建立老礦山礦床模型也可以利用已經(jīng)詮釋的工程剖面圖紙,以DXF文件格式導入可視化軟件中,按一定比例進行坐標轉(zhuǎn)換得到線框集,然后建立實體模型。建立礦體模型除了進行可視化、體積計算、在任意方向上產(chǎn)生剖面、與來自于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)相交4種功能外,還有一個極其重要的功能,就是為之后的品位估值和塊段分析提供線框約束的基礎。同時也可以通過對礦體線框進行體積計算,用來與塊段模型最后計算出的礦石儲量做參照。建立的礦體模型如圖7所示。

圖7 礦體模型

2.6 礦體三維品位模型

為了描述礦體模型內(nèi)部的屬性,須建立礦床的塊段模型。塊段模型是將礦床實體模型在三維空間內(nèi)分為眾多單元塊,在邊界處通過次分塊來控制邊界,然后根據(jù)已知的樣品值來進行估值。通常單元塊尺寸確定與勘探網(wǎng)度、采礦方法以及礦體形狀有關,對于露天開采,單元塊的尺寸為臺階高度;對于地下礦開采,單元塊的高度按分段高度來定。本次建模塊度尺寸5 m×5 m×5 m,在邊界處按2 m×2 m×2 m進行次分。

2.7 儲量計算

塊段模型建立好以后,按照不同的邊界品位進行統(tǒng)計分析。儲量統(tǒng)計結果見表2。

表2 礦床地質(zhì)礦床模型儲量計算結果表(Sn)

2.8 三維可視化采礦方法設計

根據(jù)礦體賦存條件及巖石力學條件,礦山采礦方法選用淺孔留礦法和房柱法,應用三維建模軟件對單體采礦方法進行了設計,如圖8和圖9所示,在模型的基礎上進行了爆破設計,自動輸出的設計結果如圖10所示。

圖8 淺孔留礦采礦方法圖

圖9 房柱法采礦方法圖

圖10 爆破設計結果

3 小 結

利用三維可視化建模技術建立實體模型,更加逼真地反映地質(zhì)體空間形態(tài),根據(jù)建立的礦體模型可為品位估值、儲量計算、采礦設計等提供很好的平臺。建立在三維模型基礎之上的采礦設計內(nèi)部工程可以進行任意方位察看,與傳統(tǒng)設計相比更加直觀化、形象化、真實化,對于從本質(zhì)上了解各個采準切割工程的空間結構、采準順序,起到了不可替代的作用。根據(jù)三維礦塊及內(nèi)部實體工程模型,可截取任意位置、方向、比例的平、剖面圖上進行施工指導、生產(chǎn)進度計劃編制,為礦山的可行性研究和初步設計提供依據(jù),同時為礦山的生產(chǎn)調(diào)度及其控制提供空間定位和基礎模型,并最終服務于整個生產(chǎn)過程。

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APPLICATION OF 3D VISUAL MODELING TECHNI AUE INM INE ENGINEERING

SHA Ming-guang1,YI Zhi-qiang2,Qin Lei2
(1.Kaiyuan KyaniteMine,Nanyang 473400,Henan,China) (2.No.1 Geological Exploration Institute,Henan Geology andMineral Resources Development Council,Nanyang 473400,Henan,China)

Alongwith the developmentof geological statistics,mathematics,computer graphics and ne twork technology,engineering geology gradually develops towards a comprehensive integrated,digital,visual direction based on scientific visualization.The paper took a tin mine as research object,and established a 3D modes of deposit and engineering,which were based on theory and method of geostatistics,especially used variogram which may reflect the characteristics of regionalized variables.The research shows that the models vividly reflectedmining current status,and it is necessary and feasible to use the true three-d imensional technology in mining design.It breaks the traditional design pattern and methods,greatly improves the work efficiency ofmining methods design,and makes mining design more intuitive,vivid and easier to be understood.

three-dimensional visualization;geostatistics;mining design

TD673

A

1006-2602(2010)04-0009-05

2009-12-03

沙明光(1953-),男,總工程師,從事礦山采礦生產(chǎn)技術和經(jīng)營管理工作。