基于3DMine的金属储量核算及富集分区研究①_陶志刚.pdf

基于 3DMine 的金属储量核算及富集分区研究 ① 陶志刚1，2， 耿 强1，2， 高毓山3， 赵东东1，2， 尹 旭1，2， 刘晨康1，2 1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083； 2.中国矿业大学北京 力学与建筑工程学院,北京 100083； 3.本溪钢铁集团 南芬露天 铁矿,辽宁 本溪 117000 摘 要 为了解决某金矿矿体赋存环境和围岩软弱破碎等不利条件使矿石开采难度增大、成本增加等问题,首先利用 3DMine 程序 构建金矿三维工程地质模型；然后,基于距离幂次反比理论,结合金矿西区 29 副地质勘探线剖面信息,对西区 1＃、2＃、3＃、4＃、4A＃、5＃、 6＃、北矿脉、中间矿脉共 9 条矿脉进行了金属储量核算和富集分区；最后,根据实际操作能力,按品位值范围将矿体划分为 4 个富集 分区欠富集区、富集区、较富集区和极富集区；根据实际开采年限,按照品位 t＝7 g/ t 划分为 2 个富集分区富集区和不富集区。 该研究可为后期矿山开发建设,布置相关开采巷道、溜井、运输平硐、通风井等设施提供决策依据。 关键词 3DMine； 三维工程地质模型； 距离幂次反比理论； 金矿； 金属储量； 金属富集分区 中图分类号 P624文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2018.04.005 文章编号 0253-6099201804-0018-04 Metal Reserves Estimation and Enrichment Zone Division Based on 3DMine TAO Zhi-gang1,2, GENG Qiang1,2, GAO Yu-shan3, ZHAO Dong-dong1,2, YIN Xu1,2, LIU Chen-kang1,2 1.State Key Laboratory for Geomechanics Deep Underground Engineering, Beijing 100083, China； 2.School of Mechanics and Architectural Engineering, China University of Mining and Technology Beijing, Beijing 100083, China； 3.Nanfen Open-pit Iron Mine, Benxi Iron Steel Group, Benxi 117000, Liaoning, China Abstract The adverse conditions, such as occurrence of the targeted gold orebody, weak and fractured surrounding rock, have not only brought difficulty in the mining underground, but also increased the operation cost. In view of that, 3DMine software was firstly adopted to build a three-dimensional engineering geological model for the gold mine. Then, based on the theory of Distance Power Inverse Ratio , metal reserves estimation and enrichment zone division were pered for 9 veins in the western zone of gold mine including 1＃、2＃、3＃、4＃、4A＃、5＃、6＃veins, Northern vein and middle vein, in combination with sectional ination about 29 auxiliary geological prospecting lines. Finally, the orebodies were divided into 4 different enrichment zones low enrichment, enrichment, higher enrichment, extreme enrichment in terms of the range of ore grade value in the practical operation. And according to the grade value of 7 g/ t, the orebodies were divided into two zones enrichment zone and non-enrichment zone in terms of practical service life. This study can be of reference for decision-making in arrangement of relevant mining roadway, orepass, haulage adit, air shaft and other infrastructure facilities in the later-stage of mine development. Key words 3DMine； three-dimensional engineering geological model； the theory of Distance Power Inverse Ratio ； gold ore； metal reserves； metal enrichment zone division 随着计算机技术、三维 GIS 技术和数据库技术的 迅猛发展和日渐成熟,数字化矿山已成为近年来矿山 研究的新方向［1］。 数字化矿山的首要任务就是建立 矿山的空间数据库和真实的三维地质模型［2］,将矿体 在三维空间的复杂分布情况真实地显现出来［3］。 矿 区地质三维模型的建立是三维可视化技术在矿产资源 开发中的一个重要应用,其主要作用就是通过钻孔资 料和其他地质勘察信息对矿体的矿石品位、矿石储量 ①收稿日期 2018-01-14 基金项目 国家重点研发计划2016YFC0600901；国家自然科学基金41502323 作者简介 陶志刚1981-,男,河北邯郸人,博士,硕士研究生导师,主要从事岩体力学与工程灾害控制理论和教学工作。 通讯作者 耿 强1992-,男,山东潍坊人,硕士研究生,主要从事边坡与岩体力学研究。 第 38 卷第 4 期 2018 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №4 August 2018 ChaoXing 和金属量等信息进行科学的核算［4-6］。 20 世纪70 年代以来,国外研发了一系列软件,用来 构建矿山、石油等行业的三维地质模型,如 MicroMine、 ModelVision、Vulcano Surpac、GOCAD 等［7-9］。 然而,由 于这些软件基本是面对特定领域定制开发,缺乏理论 角度上的系统研究,其设计平台不具有普适性,同时价 格高昂,因此这些软件没有在国内得到广泛应用。 2006 年北京三地曼矿业软件科技公司开发的 3DMine 矿业工程软件,是完全自主开发的三维地质建 模软件［10-11］。 本文基于 3DMine 软件对某金矿金属储 量进行了核算,并按照一定标准对金属富集区进行了 划分,可为矿产资源的开发、规划和辅助设施布设提供 科学的参考依据。 1 区域地质条件分析 1.1 地层岩性 研究区位于吉尔吉斯斯坦共和国贾拉拉巴德州阿 拉布卡区,现已探明 10 条主要矿脉。 矿区内出露地层 主要为下元古界PR1、下志留统S1和第四系Q4。 1.2 地质构造及水文地质特征 矿区地质构造主要为近东西向的断裂构造和褶皱 构造。 矿体为薄至极薄矿体,倾斜角度 50～80,由于 矿体赋存和围岩软弱破碎等不利条件使得该矿开采难 度极大。 该区水文地质条件属简单类型。 矿体受近东西向 背斜及断层控制,赋存在背斜南北两翼内,以北翼为主, 南翼有零星小矿体,北翼北倾,南翼南倾,倾角 50 ～ 80。 矿区内自北向南依次为北矿脉、6＃脉、5＃脉、4A＃ 脉、4＃脉、1＃脉、2＃脉、0＃脉、2A＃脉、3＃脉共 10 条。 矿体 分为亚吻合构造内矿体和陡倾斜切割矿体,其中, 0＃脉、1＃脉、4A＃脉、5＃脉、6＃脉、北矿体属亚吻合北倾斜 构造内矿体,2＃脉、2A＃脉为亚吻合构造内南倾斜矿体, 3＃脉和断裂矿体属于陡倾斜切割矿体,鞍形矿层为构 造内型矿体,在褶皱转折端处连接亚吻合构造内南倾、 北倾矿体。 1.3 矿体分布特征 矿体长一般为数百米,最长 1 300 m,属构造蚀变岩 型金矿化,常有无矿夹石。 矿体厚度由 0.3～0.4 m 到 1.5～2.2 m,很少有 5～9 m,平均为 1.0～1.5 m,变化系数 41％。 沿走向矿化分布不均匀,根据水平巷道取样,4＃ 脉、1＃脉和北矿体水平巷道 2 186.0 m 金矿化为波浪性 质,富矿段与平均矿层交替出现,富金矿段包含较富裕 的硫化矿化,其中,金品位由10 g/ t 至15～25 g/ t,矿体 厚度从 0.6～2.5 m,沿倾斜延伸 10～45～50 m,平均 品位一般 5～10 g/ t。 贫矿层品位一般 2.5～5.0 g/ t,沿 倾向很少发现这种变化,矿体品位变化系数 106％。 2 三维地质建模 2.1 地质数据库的建立 金矿西区 29 幅勘探线剖面图和 1 幅地表地形图, 构成了三维地质建模的初始地质数据库,其中金矿Ⅹ 和ⅩⅧ勘探线剖面特征和金矿地形特征如图 1 所示。 图 1 金矿Ⅹ和ⅩⅧ勘探线剖面图 利用 3DMine 软件中的等高线高程赋值、生成 DTM 表面、渲染和透视处理等功能,建立了金矿地表 三维地质模型。 2.2 三维矿体模型的构建 该金矿深部矿体地质三维模型构建,主要利用 29 幅勘探线剖面图来连接,并参考水平中段图进行校正, 要求 9 条主要矿脉整体上符合实际矿体产状趋势［12］。 将矿区内 29 幅勘探线剖面图,按照实际坐标值,进行 剖面转换。 坐标调整正确后,提取各剖面各矿体的矿 岩边界线,对矿岩边界线进行三角网建模［13］。 建模 时,是否使用控制线、是否需要进行自相交检测、能否 采用分区连接等需要根据实际情况进行合理选择,如 运用得当可以极大提高建模的速度、模型的准确度。 图 2 为矿体模型。 91第 4 期陶志刚等 基于 3DMine 的金属储量核算及富集分区研究 ChaoXing 图 2 矿体模型 西区三维矿脉地质模型如图 3 所示。 图 3 金矿矿脉三维地质模型异色渲染 3 3DMine 地质储量计算 3.1 块体模型的建立 估值的品位数据信息主要来自 29 幅勘探线断面图 数据库。 针对 9 条矿脉的分布特点,需要建立一个旋转 块体模型［14］。 设置块体尺寸为 2.5 m 2.5 m 0.5 m, 次级模块为 2.5 m 2.5 m 0.5 m, 如图 4 所示。 图 4 块体模型 对西区块体模型建立 4 个块体属性值,参数取值 如表 1 所示。 3.2 块体空间赋值 3DMine 矿业软件有 3 种空间方法可供选择,分别 是最近距离法、距离幂次反比法和普通克立格法。 表 1 块体属性值列表 序号属性名称类型默认值 1矿岩属性字符岩石 2金浮点0 3品级字符 4密度浮点2.62 g/ cm3 考虑到金矿西区矿脉资料和分布特点,本次研究采用 距离幂次反比法。 本次研究分别在剖面上对各个矿体内部的“见矿 长度”及“品位”进行等长提取。 矿体内部等长组合 样,将被用于距离幂次反比法估值,是空间插值的已知 数据来源。 根据金矿矿体取样数据的多少和矿体分布 的特点,选择合适的估值参数。 以下列估值参数为例 对块体模型的 Au 属性进行空间赋值,如图 5～6 所示。 图 5 距离幂次反比法赋值参数设置 图 6 估值搜索椭球设置 距离幂次反比法赋值成功后,矿体约束的每一个 块都有相对应的品位值。 然后依据各个矿体的密度, 对矿体实体内部的块体添加约束,并对密度进行赋值。 4 金属富集分区 4.1 全部矿脉金属富集分区 利用 3DMine 软件建立了“金矿三维工程地质模 型”。 基于距离幂次反比理论,结合西区 29 副地质勘 探线剖面信息,对西区 1＃、2＃、3＃、4＃、4A＃、5＃、6＃、北矿 脉、中间矿脉共 9 条矿脉进行金金属富集区划分研究。 按照不同的品位界限,分别进行“4 分区”和“2 分 区”分析。 之所以采用两种分析方式,是为了后期能 够根据实际开采年限和实际操作能力在相应金属富集 区布置相关开采巷道、溜井、运输平硐、通风井等设施 提供决策依据。 02矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing 4.1.1 4 分区分析 按 3 个品位等级将矿脉划分为极富集区、较富集 区、富集区和欠富集区共 4 个富集分区,如图 7 所示。 图 7 全部矿脉金金属富集分区图 对每个分区金属量体积和占总体积的百分比进行 统计,如表 2 所示。 表 2 金属富集分区体积表 序号富集分区 金品位 / gt -1 金属体积 / m3 占比 / ％ 1极富集区t≥1221.97 10411.4 2较富集区9≤t＜1213.19 1046.8 3富集区5≤t＜944.72 10423.2 4欠富集区0≤t＜5113 10458.6 4.1.2 2 分区分析 按照 1 个品位等级将矿脉划分为富集区和不富集 区 2 个富集分区,划分结果如图 8 所示。 图 8 全部矿脉金金属富集分区图 图 8 显示,西区 4＃脉、中间矿脉、1＃脉和 2＃矿脉中 金金属量富集区域较多。 4.2 全部矿脉金属体积和质量统计 通过以上计算,金矿西区 9 条矿脉金金属体积和 质量统计按照品位 t＝7 为等级划分如表 3 所示。 5 结 论 1 采用 3DMine 软件的等高线高程赋值、生成 DTM 表面、渲染和透视处理等功能,对某金矿 29 幅勘 探线剖面图和 1 幅地形图进行了处理,建立了“金矿 三维工程地质模型”。 表 3 金矿 9 条矿脉金金属体积和质量统计表 矿脉 编号 金品位 / gt -1 体积 / m3 矿石量 / t 金质量累计 / t 0≤t＜7153 673.87394 941.850.55 1t≥779 491.37204 292.832.65 小计233 165.25599 234.673.20 0≤t＜7210 814.87558 659.442.07 2t≥750 788.12134 588.531.30 小计261 603693 247.973.38 中间 矿脉 0≤t＜7223 283.25591 700.631.73 t≥780 502.75213 332.293.35 小计303 786805 032.935.08 0≤t＜7199 572.75534 854.981.61 3t≥735 760.3795 837.80.74 小计235 333.12630 692.792.35 0≤t＜7195 004.12520 661.031.08 4t≥7125 257.5334 437.534.72 小计320 261.62855 098.565.80 0≤t＜739 610.12106 155.140.23 4At≥713 86037 144.80.81 小计53 470.12143 299.941.05 0≤t＜7123 035.62326 044.421.28 5t≥739 426.75104 480.890.97 小计162 462.37430 525.312.25 0≤t＜7111 290.62293 807.260.62 6t≥729 463.7577 784.31.13 小计140 754.37371 591.561.75 0≤t＜7145 883.25386 590.621.12 北矿脉t≥772 304.87191 607.922.20 小计218 188.12578 198.553.32 总计1 929 0245 106 922.328.21 2 基于距离幂次反比理论,利用西区 29 幅勘探 线剖面图,对西区 9 条矿脉进行金金属富集分区研究, 分别按照品位 t＝ 5、9、12 g/ t 共 3 个品位等级和品位 t＝7 g/ t 将矿区矿脉分别划分为极富集区、较富集区、 富集区、欠富集区共 4 个富集分区和富集区、不富集区 共 2 个富集分区,并对每个分区的金金属质量和体积 进行了估算。 3 通过以上研究探明了 9 条金矿矿脉金金属量 的富集特性,并按照每个矿脉的首采区布置相关的采 矿巷道、通风巷道、溜井和运输平硐等设施。 从根本上 提高了金矿的开采效率,降低采矿成本和贫化率,彻底 解决通风和出矿难题,为最短时间内完成富集区内金 金属资源的安全可持续开采提供技术支持。 参考文献 ［1］ 余牛奔,齐文涛,王立欢,等. 基于3DMine 软件的三维地质建模及 储量估算 以新疆巴里坤矿区某井田为例［J］. 金属矿山, 20153138-142. ［2］ 邵亚建,饶运章,何少博. 基于 3DMine 软件的复杂矿体三维建模 及储量估算［J］. 有色金属科学与工程, 2016,7498-102. 下转第 26 页 12第 4 期陶志刚等 基于 3DMine 的金属储量核算及富集分区研究 ChaoXing 走向长及高强度开采等因素导致深部围岩变形破坏现 象较为普遍。 矿山主要采用喷锚网支护,除此之外,还 有锚网支护、素喷混凝土、砌碹支护、工字钢、U 型钢等 多种辅助支护形式,取得了较好的支护效果。 但是矿 山为了保证安全生产,提高了安全系数,牺牲了成本, 加大了支护力度。 通过数值模拟和理论分析,确定了 在Ⅲ级围岩条件下锚杆间排距 1.0 m 1.0 m、 喷射混 凝土厚度 60～80 mm；在Ⅳ级围岩条件下巷道联合支 护的支护参数为喷层厚度 80 mm、锚杆间排距 0.9 m 0.9 m。 根据优化后的支护参数,每年可为矿山节约支护 成本至少上百万元,因此,本文研究成果对矿山降本增 效有着重要作用,也为深部巷道分级合理支护参数的 确定提供了依据。 同时,对于类似矿山支护有着很好 的借鉴意义。 参考文献 ［1］ 采矿手册编辑委员会. 采矿手册第二卷［M］. 北京中国建 筑工业出版社,1989. ［2］ 康红普,王金华,林 健,等. 高预应力强力支护系统及其在深部 巷道中的应用［J］. 煤炭学报, 2007,32121233-1238. ［3］ 康红普,牛多龙,张 镇,等. 深部沿空留巷围岩变形特征与支护 技术［J］. 岩石力学与工程学报, 2010,29101977-1987. ［4］ 赵卫东,张再兴.喷锚网支护原理及应用实践［J］. 有色金属矿山 部分, 2010,62217-19. ［5］ 覃 敏,刘 畅. 阿舍勒铜矿深部岩爆倾向性综合分析应用研 究［J］. 矿冶工程, 2015,35639-41. ［6］ 颜志平,高玉峰. 喷锚网支护技术在岩土工程中的应用［J］. 矿山 压力与顶板管理, 2001245-46. ［7］ 张立伟,孙 瑜,阚卫国,等. 深基坑喷锚网支护技术探讨［J］. 西 部探矿工程, 2007,19521-23. ［8］ GB50086-2011. 岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范［S］. 引用本文 覃 敏，文 兴，尚振华. 阿舍勒铜矿喷锚网支护主要参数 的优化研究［J］. 矿冶工程， 2018，38（4）22-26. 上接第 21 页 ［3］ 郝全明,朱振龙, 薛瑞雄,等. 基于 3DMine 的矿山三维地质建模 研究［J］. 煤炭技术, 2016,355112-114. ［4］ 荆永滨,孙光中. 矿体块段模型品位估值快速搜索算法研究［J］. 矿冶工程, 2016,3648-10. ［5］ 叶海旺,王 荣,韩亚民,等. 基于 3Dmine 的鄂西高磷赤铁矿凉水 井矿区三维建模［J］. 金属矿山, 2011189-92. ［6］ 厉美杰,岳 霆,韦 钊,等. 基于3DMine 软件的露天煤矿复杂条 件下表土模型的建立与应用［J］. 煤炭技术, 2016,351273- 75. ［7］ 郑文宝,黎枫佶,唐菊兴,等. 基于 Micromine 软件下地质统计学在 甲玛矽卡岩型铜多金属矿储量计算中的应用［J］. 地质与勘探, 2011,474726-735. ［8］ 黄华高. Modelvision 软件在磁法勘探与激电中梯扫面中的几点研 究应用［J］. 安徽地质, 2015,252135-136. ［9］ 赵晓东,李利岗,彭林军,等. GIS 和 GOCAD 支持下的矿山 3D 地 质建模［J］. 地理与地理信息科学, 2009,25234-38. ［10］ 周 邓,姜勇彪. 基于 3DMine 的邹家山铀矿床 3＃矿带三维模型 构建［J］. 现代矿业, 20165106-110. ［11］ 王明华,白 云. 三维地质建模研究现状与发展趋势［J］. 土工 基础, 2006,20468-70. ［12］ Ross R Moore, Seott E Johnson. Three-dimensional Reconstruction and Modeling of Complexly olded Surfaces Using Mathematica［J］. Computers Geosciences, 2001,274401-418. ［13］ 柳 波,陈广平. 基于 3DMine 的贾家堡铁矿储量估算研究［J］. 现代矿业, 201011 1-4. ［14］ 于 倩. 基于3DMine 的大苏计钼矿三维地质建模及储量计算研 究［D］. 北京中国地质大学地球科学与资源学院, 2010. 引用本文 陶志刚，耿 强，高毓山，等. 基于 3DMine 的金属储量核算 及富集分区研究［J］. 矿冶工程， 2018，38（4）18-21. 62矿 冶 工 程第 38 卷 ChaoXing