复杂矿床三维可视化建模与地质成图.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 2 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E ”山L U R G I E A LE H G 嘲R 矾6 V 0 1 ．3 2 №3 J u n e2 0 1 2 复杂矿床三维可视化建模与地质成图① 杨月平1 ，罗周全2 ，刘晓明2 ，管佳林2 1 ．南华大学核资源与核燃料工程学院，湖南衡阳4 2 1 0 0 1 ；2 ．中南大学资源与安全工程学院，潦l l t i 长沙4 1 0 0 8 3 摘要运用数字矿山软件S u r p ∞创建了凡口铅锌矿钻孔数据库，实现了钻孔数据的三维可视化。综合参考钻孔数据和勘探线平 剖面图，建立了凡口铅锌矿断层、地层、工程巷遭及矿体三维实体模型。对地质样品数据按lI l l 样长进行组合，对组合样进行统计 分析，根据组合样的统计分布特征，对组合样中的有用元素进行变异函数分析，获得理论变异函数参数。建立了矿床品位块体模 型．采用普通克里格法利用理论变异函数参数对矿体有用元素的品位进行了估值，运用估值结果分别按边界品位和开采中段对地 质储量进行了统计。利用所建的矿床三维可视化模型实现了复杂地质平剖面图的自动绘制。研究表明，所建立的矿床三维模型准 确．品位推估及储量计算结果可靠，所生成的地质平剖面图能满足矿山生产要求。 关键词三维建模；变异函数；普通克里格法；储量计算；地质出图；三维可视化；数字矿山 中图分类号T D 6 7 2 ；P 6 2 4文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 t 2 0 3 一 1 0 1 4 0 4 3DV i s i b l eM o d e l i n ga n dG e o l o g i c a lM a p p i n gf o rC o m p l e xD e p o s i t Y A N GY u e - p i n g ‘，L U OZ h o u - q u a n 2 。L I UX i a o r a i n s z ，G U A NJ i a l i n 2 1 ．S c h o o lo f N u c l e a rR e s o u r c e sa n dN u c l e a rF u e lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo f S o u t hC h i n a ，H e n g y a n g4 2 1 0 0 1 ，H u n a n 。 C h i n a ；2 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t Ag e o l 晒c a ld a t a b a s ew a ge s t a b l i s h e df o rF a n k o uk a d z i n cM i n ew i t hd i g i t a lm i n i n gs o f t w a r eS u r p a e ， r e a l i z i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fd r i l l i n gd a t a ．T a k i n gd r i l l i n gd a t aa n dc r o 蜩s e c t i o no fe x p l o r a t i o nl i n e si n t o c o n s i d e r a t i o n ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l sw e r eb u i l tf o rt h ef a u l t ，s t r a t u m s ，t u n n e l sa n do f e b o d i e si nF a n k o u k a d f i n eM i n e ．T h eg e o l o g i c a ld a t ao fs a m p l e sw e r e 印u p e db y1m ．t h ec o m b i n e ds a m p l e sw e r es t a t i s t i c a l l ya n a l y z e d ． T h e nt h eu s e f u le l e m e n t so fc o m b i n e ds a m p l e sw e r ea n a l y z e db yv a r i a n c ef u n c t i o nb a s e do nt h es t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o no f c o m b i n e ds a m p l e s ，o b t a i n i n gt h e o r e t i c a lv a r i o g r a mp a r a m e t e r s ，w h i c hW a Su s e dt oe s t i m a t et h eg r a d eo fu s e f u le l e m e n t s w i t ho r d i n a r yk r i g i n gm e t h o db a s e do nt h ee s t a b l i s h e dd e p o s i tg r a d eb l o c km o d e l ．T h ee s t i m a t i o nr e s u l t sw e r et h e nu s e dt o c a l c u l a t et h eg e o l o g i c a l 础嗍i nt e r m so fc u t - o f f 铲a d ea n ds u b l e v e lm i n i n g ，r e s p e c t i v e l y ，A na u t o m a t i cd r a w i n go ft h e c o m p l e xg e o l o g i c a ls e c t i o n sw a sr e a l i z e db yu s i n gt h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a lm o d e lo ft h ed e p o s i t s ．T h er e s e a r c hs h o w e d t h a t ，t h ee s t a b l i s h e dt h r e e d i m e n s i o n a ld e p o s i tm o d e l ，t h et r a d ee s t i m a t i o na n dl t r 鸵r v ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e F ea c c u r a t e a n dr e l i a b l e ．T h eg e o l o g i c a ls e c t i o n a lp l a no b t a i n e dc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rp r a c t i c a lm i n i n go ns i t e ． K e yw o r d s 3 Dm o d e l i n g ；v a r i a t i o nf u n c t i o n ；o r d i n a r yK r i g i n g ；r e s e r v e sc a l c u l a t i o n ；g e o l o g i c a ld r a w i n g s ；3 Dv i s i b i l i t y ； d i g i t a lm i n e 三维可视化技术能够实现对大量复杂、多维工程 数据的直观显示与表达，使人们更好地理解各种工程 之间的关系及规律，从而优化工程设计以指导实践。 近年来，随着数字矿山软件的迅速发展，以矿床模型为 基础的地矿工程三维可视化技术获得了长足进 步．3J 。国内已有很多矿山采用各种矿业软件建立了 矿床三维模型，如冬瓜山铜矿、焦家金矿、狮子山铜矿， 实现了矿山资源的合理开发与利用，降低了找矿与采 矿的成本，提高了企业的经济效益。 S u r p a c 软件自2 0 0 4 年进入我国，目前已有上百个 用户，广泛应用于地质勘探、储量评估及开采设计等领 域H o 。本文以凡I 1 铅锌矿复杂矿床为例，综合运用三 维可视化、地质统计学及计算机编程等理论与方法，开 展了复杂矿床三维可视化建模与地质成图技术研究。 ①收稿日期2 0 1 I ，1 2 4 9 基金项目中国博士后科学基金资助项目 2 0 1 2 I “, 5 t 1 4 1 7 ；中央高校基本秘研业务费专项资金则J 2 0 1 2 Q N Z ] 9 2 7 ；中国矿业大学煤炭资 源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目 11K F 0 2 作者简介杨月平 1 9 7 8 一 ，女，湖南浏阳人，讲师，主要从事矿山数字建模与开采设计方面的研究。 作者简介刘晓明 1 9 8 2 一 。男，江西新余人，讲师．中南大学博士后，主要从事矿床深井开采与安全预警数字化技术研究。 万方数据 第3 期 杨月平等复杂矿床三维可视化建模与地质成图 1 钻孔数据库建立 钻孔数据库的建立是进行矿床建模、品位估值和储 量动态管理的基础bJ 。凡口矿原始地质数据管理软件 为G e o c a d ，钻孔数据主要存储在“ ．g d f ”和“女．c o d ”两 个格式文件中，其中“ ．g d f ”为数据文件，记录钻孔的 开口坐标、测斜信息、品位信息等，“t ．c o d ”为格式文 件，记录与“ ．g d f ”文件相对应的矿体编号、岩性编号 等，通过研究这些钻孔数据的格式，通过以下步骤完成 钻孔数据库的建立①结合S u r p a c 软件特点，建立4 个数据文件，分别为“开口文件C o l l a r ”、“测斜文 件S u r v e y ”、“样品文件s 锄p l e ”、“地质文 件G e o l o g y ”，文件结构参考文献[ 6 ] ，其中样品文 件中的区域化变量为P b 、z n 和s ；②采用V B 开发“凡 口矿钻孔转换程序”，该程序主要是将“事．g d f ”和 “t ．c o d ”两个文件转换成上述建立的4 个数据文件； ③将转换后的数据文件导入到S u r p a c 中，完成钻孔数 据库的建立。创建的钻孔数据库可直观显示矿区不同 钻孔上的开口位置、揭露的地层、构造、元素品位等信 息，实现了钻孔数据的三维可视化，如图l 和图2 。 图I 钻孔品位信息显示 图2 钻孔三维显示 2 矿床三维实体建模 2 ．1 断层与地层模型 断层与地层模型的构建方法相同，都是首先提取 勘探线剖面图上的断层和地层边界线，再利用实体建 模连线框功能实现三维模型的建立。从矿山提供的原 始资料可以看出，矿区断层和地层较为复杂，主要的控 矿断层有F ．3 、F 4 、F 1 6 和F 2 0 3 ，主要地层有D ，t a ，D ，t b ， D 3 t c ，C 2 3 h t ，C 。，D 2 d b ，D 3 d a 。建立的断层模型和地层 模型分别如同3 和罔4 所示 图7 断层模型 图4 地层模型 2 ．2 工程实体模型 巷道三维模型是根据各中段实测平面图，采用实 测巷道帮线法实现，其他工程如井筒、斜坡道、斜井等 根据工程设计中线及断面，采用中线断面法实现㈩。 图5 为一6 0 0m 中段水平巷道三维模型。 图5 6 0 0m 中段巷道实体模型 2 ．3 矿体模型 。 矿体三维模型除了能准确反映矿体的三维空间形 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 态和位置，同时也为块体模型估值计算提供必要的约 束条件，是品位估值和储量计算的基础。本次凡口矿 复杂矿体三维模型采用以矿山地质平面图、剖面图为 主，钻孔数据为辅的方法构建，并根据生产探矿数据对 矿体进行二次圈定，提高了矿体模型的准确性，结果如 图6 所示。 圈6 矿体三维买体模型 3 品位块体模型估值 3 ．1 原始样品组合 原始钻孔数据样品长度一般不等，为得到参数的 无偏估计量，根据地质统计学原理，所有钻孔样品长度 必须相同，为此需对原始样品进行长度组合。通常组 合样长度取所有原始样品的平均长度，通过原始样品 统计分析得出原始样品平均长度为1m 左右，即本次 组合样长度取lm 。采用长度加权法对钻孔样品进行 组合，公式如下 ∑G i 。L ‘ 。 G c 盟i ；_ 一 ￡c ≥∑L f ≥0 ．5 L c 1 ∑厶 ”1 i l 式中G 。为组合样的参数值；G i 为第i 个样品的参数 值；L i 为第i 个样品的长度；k 为组合样的长度；r n 为 样品数。 通过样品组合分析可知，矿床各有用元素组合样 品位整体服从对数正态分布，如图7 所示。 L 』 P b L n Z , n 图7 组合样各主要元素品位分布 3 ．2 变异函数拟合 为确定各个样品参数在空间上的相关性和结构性， 需在组合样统计分析的基础上进行组合样的变异函数 拟合阻9 1 。结合组合样及矿体模型三维空间分布特征， 分别沿矿体走向、倾向、垂直厚度3 个方向对实验变异 函数进行分析，然后采用球状理论变异函数模型对其进 行空间拟合，获得变异函数拟合参数，结果见表l 。 裹l理论变异函数的拟合参数 3 ．3 交叉验证 通过对理论变异函数拟合参数交叉验证检验参数 是否可靠’”’，获得P b 、z n 和s 元素的误差均值和标 准误差均值接近0 ，两个标准差范围内误差所占比例 均大于9 5 ％，交叉验证结果表明，所拟合的理论变异 函数模型可靠，变异函数参数准确，可用于该矿床品位 估值和储量计算。 3 ．4 品位块体模型建立 品位块体模型是将矿床区域在三维空间内按照设 定的边界单元块尺寸和内部单元块尺寸进行划分，然 后根据已知样品的品位对单元块的品位进行推估，并 在此基础上进行储量计算M ，m 一1 | 。建立的块体模型 根据矿区范围内钻孔、矿体范围来确定，并综合考虑凡 口矿现有采矿方法、勘探网度及元素变异函数特征等 因素，其基本参数见表2 。根据确定的块段模型基本 参数，采用S u r p a c 建立块段模型步骤如下①创建空 块段模型，输入模型范围；②确定模型单元块尺寸和 最小单元尺寸；③确定模型方位；④创建块段模型属 性，分别为P b z n 、P b 、z n 、s 和比重，完成品位块段模 型创建。 表2 块体模型范围参数 3 ．5 品位块体模型赋值 用于储量计算的块体模型必须对品位属性进行估 值。品位估值是根据单元块搜索半径内的已知样品， 对该单元块进行估值。1 ⋯。目前常用的估值方法有距 离幂次反比法、普通克里格法和常量赋值法等。由于 搜索椭球体各轴搜索半径的影响，估值时不可避免地 在矿化区域以外推估出品位。因此，通常做法是采用 万方数据 第3 期 杨月平等复杂矿床三维可视化建模与地质成图 矿体实体模型对块体模型进行约束，在约束后的矿体 范围内进行估值，图8 为约束后的矿体块体模型与实 体模型复合显示 图8 矿体块体模型与实体模型 采用地质统计学中的一种线性无偏最优估计 法普通克里格法对单元块品位进行估值3 ’1 4 j 。 赋值后的块体模型，可以根据各元素品级、矿岩类型、 中段等来计算矿石储量，也可查询各单元块的属性信 息，为准确了解矿床品位分布规律和储量动态管理奠 定基础。 4 矿床储量统计分析 根据已赋值的矿体品位块体模型，可实现矿床有 价元素品位的统计分析。在统计矿床地质储量时，按 照不同的边界品位和不同的中段进行统计分析。 4 ．1 按照边界品位进行矿量统计 矿山以P b 和z n 品位之和 简称P b z n 作为边界 品位，金属价格随着市场的波动，在成本一定的情况下， 矿山采用的边界品位也随之发生变化，为此，按照不同 的边界品位对矿量进行统计 见表3 ，有助于指导矿山 掌握不同边界品位情况下矿山储量。目前矿山采取的 边界品位为1 ％，计算得到矿量为24 6 8 ．8 1 万吨。 表3 按照边界品位进行矿量统计 4 ．2 按照中段进行矿量统计 按照中段选取P b _ Z n 边界品位为1 ％进行矿量统 计分析，分别统计了各中段矿床储量、各元素金属量及 平均品位等，统计结果见表4 。统计结果有助于矿山 掌握不同中段矿量、金属量及平均品位分布情况，确定 合理的开采顺序。 表4 按照中段进行矿量统计 5 地质剖面自动出图 为了满足矿山实际生产需要，依据所建立的钻孔 数据库、矿体、地层、断层和巷道三维实体模型，在研究 S u r p a c 绘图方式基本原理及T C L 语言的基础上，采用 S u r p a c 二次开发实现了地质剖面图的自动绘图，其中 包含构造、岩性、钻孔、品位、矿体、巷道、坐标网格和标 题栏等多种图元信息。8o 。图9 为凡口铅锌矿一6 0 0 一 一7 0 0m 中段S 8 。穿脉地质剖面图。 X 2 7 7 8 1 5 8 9 0 ‘ 耳睇 昏 瞄譬暖 碍 心事 詈 ／ } Z 鲁B}} 一，～ k／ 1朗0 P ． ／ ／j I l 2 0 9 ≮ j 俗 ／’ 越OV／ D 3 t a ， i 叉 ／j r I 一。 ／ ／／ - 6 4 0 d hk 一，，I ／．．y ＼ 穿脉。一r 、n ，⋯＼ 。搽11 j叼 D 2 d b - 8 6 0 X V∥、 - 6 8 0 巾 { ’≮ 念。、 F 3 ～l 营 ’●乜l 口 ； ∥ l ■名一 SS1 ． 图9⋯6 0 0 7 0 0m 中段s 8 穿脉地质剖面 6 结语 1 采用V B 开发了“凡口矿钻孔转换程序”，实现 下转第2 1 页 万方数据 第3 期 彭宁等散装乳化炸药水相材料物性分析 2 I 产 七 暑 臼 硝酸铵的气踱分率／％ 硝酸铵的气液分率／％ 图6T - X 心O - y N it 4 N o , 和心C l ／h 雌N 0 3 体系吉布斯函数值 由图5 6 可知，利用R K S O A V E 法得到的硝酸 铵纯组分物性及水相物性基本与P E N G R O B 法相近， 可以很好地反映出散装乳化炸药水相材料实际物性数 据基本符合实验值。 3 结语 结合散装乳化炸药水相材料实际数据，采用 A S P E NP L U S 软件对水相材料在不同温度下进行了 p u r e 和b i n a r y 物性分析，分析结果均符合实际数据，为 利用A S P E NP L U S 软件对散装乳化炸药工艺流程进行 模拟做好了准备。 散装乳化炸药工业是国家一个特殊危险的行业， 生产表明，每进行一个工艺参数的改变都可能引起安 全隐患，如果通过模拟试验能够很好地反映出实际生 产效果，那么炸药生产工艺的参数调整将更为精确，生 产安全系数将大大提高。 参考文献 [ 1 ]唐秀永．乳化炸药移动式地面站油相与水相流量的模糊控制 [ J ] ．爆破器材，2 0 0 7 ，3 6 6 1 2 1 4 ． [ 2 ] 汪旭光．乳化炸药[ M 】．北京冶金T 业出版社，2 0 0 8 ． [ 3 】屈一新．化工过程数值模拟及软件[ M ] ．北京化学工业出版社， 2 0 【 6 ． [ 4 ] A S P E NT e c hI n c ．A S P E NP L U SR e l e a s e9 [ M ] ．C ．枷o r n i a A S P E N T e e hI n e ，1 9 9 5 ． 上援第1 7 页 了凡口铅锌矿地质软件G e o c a d 与矿业软件S u r p a c 钻 孔数据的无缝集成，建立了钻孑L 数据库，为矿山有效管 理地质数据奠定了基础。 2 创建的矿床三维实体模型及品位块体模型满 足资源储量计算要求，选用普通克立格法能准确、快速 计算矿山地质储量，根据不同的边界品位和中段生成 的储量报告，为矿山进行储量动态管理提供依据。 3 地质平剖面图的自动给制将复杂的地质绘图 过程简单化，成图结果与传统绘图相比，在绘图质量、 方便程度等方面有众多突出优势。 参考文献 [ 1 ]黄文斌，肖可炎，陈学工，等．矿产勘查储量估算三维可视化原 型系统的开发[ J ] ．矿床地质．2 0 0 6 ，2 5 2 2 0 7 2 1 2 ． [ 2 3 李仲学，李翠平，李春民，等．地矿工程三维可视化技术[ M ] ． 北京科学出版社。2 0 0 7 ． [ 3 3s u l p ∽M i n e xG r o u p ．s I 印∽V i s i o nS o f t w t h - gU s e rM a n u a l [ M ] ．B e i - j i n g S I l l p ∽S0 f i ㈣I n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 2 ． 【4 ] 采矿手册 编辑委员会．采矿手册 第一卷 [ M ] ．北京冶金 工业出版社，1 9 8 8 ． [ 5 ] L U OZ h o u q u a n ，L 1 UX i a o m i n g ，S UJ i a h o n g ．D e p o n i t3 Dm o d e l i n g a n da p p l i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o - g Y ，2 0 0 7 ，1 4 2 2 2 5 2 2 9 ． [ 6 ] 罗周全，李畅，刘晓明，等．金属矿床可视化建模及储量计算 [ J ] ．矿冶工程，2 0 0 9 ，2 9 1 1 0 1 4 ． [ 7 ] 徐海，罗周全，刘晓明．复杂巷道工程三维可视化建模方法研 究及应用[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 l ，3 1 1 1 9 2 3 ． [ 8 ] 罗周全．罗贞焱，刘晓明，等．基于钻孔编录信息可视化解译的 矿床三维建模[ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ，2 0 1 0 ，4 1 6 2 3 6 7 2 3 7 2 ． [ 9 】毕林，王李管，陈建宏。等．基 P ／k 叉树的复杂地质体块段模 型建模技术[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 8 ，。7 4 5 3 2 5 3 7 ． [ I o ] 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，2 0 0 8 。2 8 3 1 4 ． [ 1 1 】G o n gJY ，C l 。哪P G ，W a n gYD ．T h r e e - d i m e n s i u n a l m o d e l i n ga n d a p p l i c a t i o ni n 唧1 ．，g i c a le x p l a n a t i o ne n g i n e e r i n g 【J ] ．C o m p u t e r s ＆ C , e o s c i e n e e s ，2 0 0 4 ，3 0 4 3 9 1 - 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