矿山产能机器保障体系的建立与完善.pdf

1 第四篇第四篇第四篇第四篇 矿山产能及其保障体系的建立与完善矿山产能及其保障体系的建立与完善矿山产能及其保障体系的建立与完善矿山产能及其保障体系的建立与完善 2 第十五章第十五章第十五章第十五章 矿床开采数字模型及计算机辅助设计矿床开采数字模型及计算机辅助设计矿床开采数字模型及计算机辅助设计矿床开采数字模型及计算机辅助设计 矿山企业具有生产对象的不确定性、 生产环境的复杂性、 生产工艺的多样性、 工作场所的动态性和分散性，以及生产单元的时空制约性的等等。矿床开采数字 模型及计算机辅助设计是应对以上特征的有效解决办法，是数字矿山建设的基 础，数字矿山建设中的生产过程的控制、生产过程安全监控与预警、信息快速传 输以及矿山 ERP 都与矿床开采数字模型技术相关。 15.1 矿矿矿矿床开采床开采床开采床开采数字模拟及计算机辅数字模拟及计算机辅数字模拟及计算机辅数字模拟及计算机辅助设计系统现状助设计系统现状助设计系统现状助设计系统现状及发展趋势及发展趋势及发展趋势及发展趋势 随着计算机技术的飞速发展，三维地质建模技术越来越受到地学界的重视， 并成为地质可视化技术的一个热点。所谓三维地质建模，就是运用计算机技术， 在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体 内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并应用于地质分析的技术。 矿床可视化建模技术的发展实际上就是矿床可视化建模软件的推广和发展 过程， 三维地质建模方面的研究在国外开展得较早， 尤其是美国、 加拿大、 法国、 以色列等国， 开发了大量的三维建模和可视化的软件， 并已经形成了相当的规模。 这些软件 有澳大 利 亚 Maptek 公 司的 Vulcan， 加拿大 GemcomSoftware International 公司的 Gemcom， 加拿大 Kirkham Geosystems 公司的 MicroLynx ， 英国 VoluMetrix 公司的 FastTracker，美国德士古石油公司技术部开发的 GridstatPro ， 美国 CogniSeisDevelopment 公司CSD研制的 TerraCube、 GeoSec3D，以色列 Paradigm Geophysical 的 EarthModel，美国 Dynamic Graphics 公司DGI的 EarthVision，法国 Schlumberger 公司的 Petrel Workflow， 美国 Rockware 公司的 Rockware 系列等。另外还有一些通用软件，如三维建模和动 画制作软件 Soft Image、Maya、Solidwork 和 3D Studio MAX、仿真软件 Open Inventor 、VR 软件 World Tool Kit 、CAM 软件 ProEngineer、GIS 软件 ARC/INFO 等在地质三维建模和可视化方面也有了进展。 为了解决地学领域中遇到的三维问题。如三维地层、断裂、矿体和巷道的真 三维动态显示、剖面的生成、三维巷道的空间拓扑分析、三维矿体的体积、储量 的计算等问题。 国内外很多科研单位和公司先后推出了适合于矿山应用的地质矿 床可视化建模软件， 国外在这方面的研究进展较快， 并已开发出许多商业化软件， 如美国的 MINCIM，DGI 开发的可应用于露天和石油开采的可视化系统； Reservoir Characterization Research and Consulting 公司开发的 3D Earth Modling 软件；加拿大阿波罗科技集团公司开发的 MicroLYNX；加拿大金康公司开发的 3 GemCom 软件；英国的 DataMine 软件；澳大利亚的 MicroMine 软件、SMG 公 司的 Surpac 软件和美国 Mintec 公司开发的 MineSight 软件等。目前在中国这些 软件在矿业行业中应用比较广泛的有 Surpac 和 Micromine， Surpac 在矿山生产企 业中占有比较大的市场份额，而 Micromine 在地勘部门有比较广泛的市场。 DataMine 和 MineSight 的应用比较少，DataMine 在中国有色工程设计研究总院 和铜陵有色金属公司有应用，而 MineSight 主要应用在江西德兴铜矿和云南玉溪 矿业公司等矿山企业。 相对于国外的这些地质矿床三维可视化建模软件，国内的发展比较缓慢，目 前主要推出的软件系统和软件包有①马鞍山矿山设计研究院开发的“矿床模型 计算程序” ；②煤炭科学研究总院开发的“矿区资源与环境信息系统 MREIS” ； ③北京科技大学开发的“矿床三维可视化仿真系统” ；④中南大学开发的“可视 化集成采矿 CAD 系统” ；⑤长沙迪迈信息科技有限公司研发的“DIMINE 矿业软 件” 。 本章主要利用 DIMINE 软件， 进行冬瓜山矿床开采数字模型构建及计算机辅 助矿床设计。 15.2 DIMINE 软件软件软件软件简介简介简介简介 Dimine 系统充分采用当今世界上先进的三维可视化技术，以数据仓库技术、 三维表面建模技术、三维实体建模技术、国际上通用的地质统计学方法、数字采 矿设计方法、网络解算与优化技术、工程制图技术为基础，全面实现了从矿床地 质建模、 储量计算、 测量数据的快速成图、 地下矿开采系统设计与开采单体设计、 回采爆破设计、露天矿开采设计、矿井通风系统网络解算与优化到各种工程图表 的快速生成等工作的可视化、数字化与智能化。 Dimine 系统由九大功能模块组成，用户可根据项目需要来选择模块配置，但 其核心模块是必须的。 系统核心模块三维可视化平台、数据管理、基本图形编辑、三维建模、 图元查询等； 地质勘探数据分析、矿床建模与储量计算模块地质勘探数据的分析、 变异函数模型、块段模型、品位估值、储量分级与评价； 测量模块各种测量仪器的数据接口、数据的快速处理与三维成图、各 种量的计算； 开采系统设计模块中段矿体的自动切割、三维工程中心线精确设计、 工程断面设计、三维井巷工程的自动三维建模 4 地下矿开采单体设计模块回采单元矿体的自动切割、采切工程设计、 底部结构的参数化、智能化与可视化设计 回采爆破设计模块爆破单元的切割、爆孔的参数化设计、施工卡片的 生成 露天矿开采设计模块开采境界设计、开拓与运输系统、采剥计划编制 通风网络解算与优化通风网络的提取、各种通风构筑物设计、通风网 络解算与优化 工程制图模块各种平、剖面图形的绘制、自动标注、对象填充、打印 出图 15.3 样品品位空间结构性和变异性分析样品品位空间结构性和变异性分析样品品位空间结构性和变异性分析样品品位空间结构性和变异性分析 地质勘探和生产勘探样品是建立矿床地质和开采模型的基础。在建立三维可 视化模型之前， 采用数据库技术和系统对地质数据进行统一管理和分析是非常必 要的，采用数据库系统一方面有利于数据的维护和管理，另一方面便于样品品位 的概率分析及变异函数分析，确定其空间结构性和变异性。 15.3.1 样品数据库构建及其统计分析样品数据库构建及其统计分析样品数据库构建及其统计分析样品数据库构建及其统计分析 15.3.1.1 样品数据库构建 在建立地质数据库之前，将冬瓜山铜矿的所有“钻孔”数据中包含的内容按照 开口信息、测斜信息、品位信息、岩性信息等分别录入到不同的数据文件中，各 类数据文件所包含的信息及数据格式如表 15-1。 表表表表 15-1 数据文件及其格式数据文件及其格式数据文件及其格式数据文件及其格式 列编号 孔口信息 测斜信息 品位信息 岩性信息 1 名称HOLE 名称HOLE 名称HOLE 名称HOLE 2 孔口东坐标X 测斜点距孔口距 离AT 取样段起点距孔 口的距离FROM 取样段起点距孔口 的距离FROM 3 孔口北坐标Y 倾向BRG 取样段终点距孔 口的距离TO 取样段终点距孔口 的距离TO 4 孔口标高Z 倾角DIP 元素 1 品位 岩性类型ROCK 5 钻孔孔深DEPTH 元素 2 品位 6 元素 3 品位 其他属性 7 8 元素 n 品位 5 数据库结构定义后，将事先已经录入文本文件中的地质数据导入数据库中， 数据导入后应用 DIMINE 软件对钻孔数据文件进行校验、 合并， 对校验出的错误 查找原始数据后修改，最终生成地质数据库。地质数据库建立后，可以在三维窗 口中显示地质数据，包括钻孔的轨迹线、品位值、岩性及代码、岩层走向等。通 过设置钻孔显示风格，沿着钻孔的方向对不同的岩性着不同的颜色，对不同的品 位区间显示不同的风格，图 15-1 为冬瓜山铜矿地质数据库中的所有钻孔下部为 矿体。 15.3.1.2 原始样统计分析 地质数据库中的数据是块段模型内所有单元块各种参数估值的依据，也是矿 床储量计算的依据，根据地质统计学原理，对某种变量进行估值，首先要知道变 量的值属于何种分布状态，冬瓜山铜矿钻孔原始样品铜元素统计结果如图 15-2 所示，图上显示了变量的均值，标准差等参数。从图上的柱状图可以简单判断元 素属于对数正态分布，再通过“QQ 图 PP 图”来验证属于此种分布，校验结果 如图 15-3 所示，原始样品铜元素统计参数如表 15-2 所示。 图 15-1 冬瓜山铜矿钻孔显示图 图 15-2 原始悪品铜元素品位分布直方图 图 15-3 原始悪悪铜元素品位对数正态 分布 Q-Q 检悚图 6 表表表表 15-2 原始悪品铜元素品位基本统计参数惊览表原始悪品铜元素品位基本统计参数惊览表原始悪品铜元素品位基本统计参数惊览表原始悪品铜元素品位基本统计参数惊览表不限制取值范围不限制取值范围不限制取值范围不限制取值范围 统计项目 统计指标 最小值 最大值 均值 中值 方差 标准差 歪度 峰度 0.001 11.26 0.80 0.6 0.791 0.889 3.312 17.64 15.3.1.3 样品组合及组合样统计分析 由于原始的地质数据是块段模型内所有单元块各种参数估值的依据，也是矿 床储量计算的依据，根据地质统计学原理，为确保得到个参数的无偏估计量，所 有的样品数据应该落在相同的承载上， 即同一类参数的地质样品段的长度应该一 致。因此，在原始地质数据库建立以后，必须进行样品的组合计算。除此之外， 样品组合的另外一个目的是生产各样品段的空间坐标，因为如表 15-1 所示，数 据库中原始数据记录的是钻孔或刻槽的开口坐标， 在利用组合样进行块段估值以 及变异函数分析之前，必须根据开口坐标、测斜信息等计算每一样品段的实际空 间坐标。 样品组合有多种方法，如按钻孔组合、按台阶组合、混合组合等。组合样长 度的确定要考虑多种因素，如样本长度、原始样本容量的大小、块段建模时单元 块的尺寸等。 对于实数型的参数，样品组合的计算公式为 ∑ ∑ ⋅ m i i m i ii C L LG G 1 1 ∑ ≥≥ m i ciC LLL 1 5 . 0 15-1 式中Gc组合样参数值； Gi位于组合样计算长度范围内的第i个样品的参数值； Li第i个样品的长度； Lc组合样的长度； m参与组合样计算的样品数； 而对于非实数型如整型、字符型代码表示的岩性等的参数，组合时位于某 一组合样段内的数据不能采用式15-1进行数值运算，其组合样取值可以为以下 几种情况 1 组合样段范围内第一个样品的值； 2 组合样段范围内最后一个样品的值； 3 组合样段范围内中间部位样品的值。 特高品位是指在品位分布很不均匀或极不均匀的矿床中，偶尔会出现个别 样品品位高于一般样品品位几倍、几十倍的特殊样品的品位。这种样品的品位叫 7 特高品位。特高值样品虽然数量少，但对金属量影响大，为使品位的分析计算结 果不致过分乐观，采用以下处理方法 1 剔除法。在计算平均品位与储量时，特高品位不参加计算。 2 矿体平均品位代替法。用包括特高品位在内的矿体全部样品品位的平 均值代替之。 3 单一工程或块段平均品位代替法。 4 用特高品位相邻的两个样品品位的平均值代替特高品位。 5 用特高品位与其相邻的2 个或3 个或4 个样品品位的平均值代替特高 品位。 6 用特高品位的下限值代替等处理方法。 在DIMINE软件中特高品位值的处理是在样品组合的时候， 通过设置一个品 位阀值和替换值，大于阀值的品位用替换值代替来处理。 在样品组合计算完成后，一般要对组合样品进行统计分析。组合样品统计分 析的目的一方面是为了掌握矿床各元素的分布情况，和原始样的分布情况对比， 观察组合前后元素分布状况是否发生变化， 另一方面是指导后面品位推估时采用 何种方法进行变异函数计算与分析。 冬瓜山的钻孔组合采用按钻孔组合的方式进 行组合，特高品位值用下限值代替的方法进行处理。组合样的品位统计及验证结 果如图15-4和图15-5所示，组合后的统计结果如表15-3所示。 图 15-4 组合悪品铜元素品位分布直方图 图 15-5 组合悪悪铜元素品位对数 正态分布 Q-Q 检悚图 8 表表表表 15-3 铜元素组合悪品位基本统计参数惊览表铜元素组合悪品位基本统计参数惊览表铜元素组合悪品位基本统计参数惊览表铜元素组合悪品位基本统计参数惊览表 统计项目 统计指标 最小值 最大值 均值 中值 方差 标准差 歪度 峰度 0.0002 10.39 0.75 0.57 0.6704 0.796 3.094 15.854 15.3.2 组合样品位变异函数计算及分析组合样品位变异函数计算及分析组合样品位变异函数计算及分析组合样品位变异函数计算及分析 15.3.2.1变异函数分析方向 变异函数分析的目的是确定地质样品的空间结构性参数， 理论变异函数是品 位估值时，克立格方程组的重要变量。变异函数分析需要对不同方向进行计算， 为减少计算量，实际应用中，通常取反映矿床赋存特征的、互相垂直的三个方向 进行计算。根据经验，一般在进行金属元素品位变异函数分析时，要按走向、倾 向、厚度3个方向进行变异函数的分析，因此，对于铜元素品位进行这3个方向 的实验变异函数计算，具体参数见表15-4。 表表表表 15-4 铜元素品位实悚变惻函数计算方向铜元素品位实悚变惻函数计算方向铜元素品位实悚变惻函数计算方向铜元素品位实悚变惻函数计算方向 方向编号 方 位 倾 角 说 明 1 53 0 走向方向 2 143 0 勘探线方向 3 0 0 垂直厚度方向 15.3.2.2冬瓜山铜矿变异函数计算参数 在进行各个方向的变异函数计算分析时， 一般是分布于某个方向一定范围内 的样品点参与进行该方向的变异函数计算。需要指定的参数包括圆锥体的容差 角、容差限、滞后距，计算的最大距离。这些参数代表的意义见图15-6。变异函 数计算参数如表15-5。 表表表表 15-5 变惻函数计算时设置的参数变惻函数计算时设置的参数变惻函数计算时设置的参数变惻函数计算时设置的参数 参数名称 参数取值 容差角 15 容差限m 10 滞后距m 5 计算的最大距离m 60 9 图 15-6 变惻函数计算时各参数代表的惱惴及作用 15.3.2.3理论变异函数参数拟合 变异函数作为地质统计学的主要工具， 无论是用来对区域化变量进行结构分 析或是进行地质统计学品位或储量估算，都必须将前面得到的实验变异函数关 系进行拟合，确定出合理的理论变异函数模型，得到变异函数的参数变程、基 台、块金常数等。 变异函数的理论模型又分为有基台和无基台2大类，其中有基台的模型有 球状模型、指数模型和高斯模型；无基台的模型有幂函数模型、对数函数模型、 纯块金效应模型及空穴效应模型等。实际应用中，以球状模型和指数模型为多。 球状模型的函数表达式为式15-2。      ≥         − ahCCh ah a h a h CCh 0 2 3 0 22 3 γ γ 15-2 式中，Co为块金常数代表随机变化部分，C指基台，CCo 为先验方差，a 为变程，在变程范围内才有结构性变化。 冬瓜山铜矿三个方向理论变异函数参数拟合结果如表15-6所示。 10 表表表表 15-6 理论变惻函数拟合参数结果表理论变惻函数拟合参数结果表理论变惻函数拟合参数结果表理论变惻函数拟合参数结果表 方向 参数 块金 基台 变程 走向方向 0.057423 0.312833 28.858 勘探线方向 0.181778 0.296261 16.233 竖直方向 0.184814 0.184814 11.957 15.4 地质与工程环境三维形态模型地质与工程环境三维形态模型地质与工程环境三维形态模型地质与工程环境三维形态模型 15.4.1 原始地形原始地形原始地形原始地形、、、、地质及工程图的矢量化地质及工程图的矢量化地质及工程图的矢量化地质及工程图的矢量化 15.4.1.1工程图纸的数字化 工程图纸一直以来都是矿山企业生产中表达规划、 设计与生产过程的主要技 术文件，从投产设计、工艺规程制订到整个生产过程都是以工程图纸为主要的信 息载体。 每个单位都积累了大量工程图纸， 它们是广大设计人员辛勤劳动的结晶， 是一笔巨大的物质财富。 为了建模的需要，对冬瓜山铜矿的工程图纸进行了扫描，并对扫描后的图纸 进行数字化处理。这个工作主要包括两个部分一是将公司的原始扫描图纸在 CAD环境下的矢量化；二是将已有的CAD图转换成后期所需要的存储格式。 15.4.1.2 图纸图像的矢量化 此项工作主要在AUTOCAD中进行，主要是对图像中的文字、线条等进行 矢量化。在矢量化的过程中遵循了以下原则 1 用层定义来区分不同的岩石类型，即在同一剖面中不同层位分别用不同 的图层表示；在不同剖面中同种层位颜色一致。这主要是为了在以后的矿业软件 中进行三维数字化时提供方便。 2 尽量考虑矿体和岩石的实际赋存状态，针对存在侵入岩使层位线打断的 地方，根据地质统计学的解译，尽量使层位线沿着其走向趋势连接起来。 3 采用多线段方式连接并封闭所圈区域，不能采用弧线连接。 4 每条线段在连接时中途不能断开，若存在此种情况，则用“修改多线段” 命令将其重新连成一条线。 5 对每种岩性进行编号， 以保证在不同的CAD图中能使同一个层代表同样 的岩石类型。 经过此项工作，不仅满足了建模工作的需要，而且使公司的资料得到了及时 的保护，以后在需要的时候，可重新打印。 11 15.4.2 基于三维样品数据的地质界线二次解译基于三维样品数据的地质界线二次解译基于三维样品数据的地质界线二次解译基于三维样品数据的地质界线二次解译 离散分布的钻孔信息是工程勘察获得地层信息的最直接来源。 工程人员根据 钻孔地层信息，同时加入专家的经验与解释，可以绘制出工程地质剖面图。传统 的工程勘察成果是以二维图钻孔柱状图、工程地质剖面图的方式来表达地层信 息空间分布的，而这越来越不能满足人们对地层认识和空间分析的需求。 现在的矿山勘探剖面图大多是五、六十年代经过地质解译等到的，但是随着 经济的发展，许多圈矿的指标发生了变化，有必要进行二次解译。应用DIMINE 软件，可以基于三维样品数据对地质界线进行二次解译。二次解译时按上节的方 法建立钻孔数据库，对数据库的数据按照圈矿指标进行查找，把不合格的数据隐 藏，合格的数据显示，根据显示的数据按照勘探线重新圈定矿体，如图15-7所 示。 图 15-7 地质界线二次解惺后钻孔图剖面图 15.4.3 地形地形地形地形、、、、地质三维形态模型构建地质三维形态模型构建地质三维形态模型构建地质三维形态模型构建 在传统的地质现象表达中， 通常是以二维平面图和剖面图来表示地质勘探的 成果，这种方式存在着表达信息不充分，缺乏直观感等特点。随着地质统计学、 数学、 计算机图形学和网络技术的发展， 工程地质逐渐向着综合集成化、 数字化、 可视化的方向发展。三维地质建模已成为数字化的一个重要方面，并成为当前地 学信息技术领域最富有活力的研究方向之一。 实体模型是用来描述三维空间的物 体，是矿床三维建模的基础。 计算机是如何描述矿山的矿体、巷道、地形、断层、采场、岩层等的形态和 所属信息的呢图15-8描述了基本思路 12 特征线（点） Dtm（数字地形模型）如地 形、断层、岩层 3dm（三维实体模型）如矿 体、巷道、采场 自动连线框 手功或半自动连线框 图15-8 矿山实体的构模过程 特征线点是指描述物体表面特征的一些点和线。 数字地形模型dtm，digitize terrain model即表面模型，来描述虚拟地形和 表面。一般由若干特征线和点，考虑每个点的X和Y值，将所有的点连成若干 相邻的三角面，形成上下不透气的面。表面模型只能描述面，不能有折叠，在平 面视图中，不能有重叠，即在Z值方向，永远有唯一的X，Y。用线生成dtm时， 不会考虑Z值的影响。 三维实体模型3dm由一系列相邻三角面，包裹成内外不透气的实体。实 体是一系列在线上的点，连成内外不透气的线框，这些线框的平面视图中，肯定 有交迭，但在三维空间内，任何两个三角面之间不能有交叉、重叠，任何一个三 角面的边必须有相邻的三角面， 任何三角面的3个顶点， 必须依附在有效的点上， 否则实体是开放的或无效的。 建立的冬瓜山矿山实体模型主要包括冬瓜山数字地形模型、冬瓜山矿体 实体模型、冬瓜山岩体构造模型、冬瓜山围岩模型、冬瓜山夹石模型等，下面分 别介绍各种模型的建模方法。 15.4.3.1 地形三维模型 地表模型是建立三维地质实体模型的重要组成部分，建立好地表模型，可 以使我们对冬瓜山矿区所在位置在宏观上有个完整的认识。 一些地表工程的设计 和施工包括排土场、选场、井口等位置都是以地表模型为参考的；同时，地表模 型作为边界约束条件，还直接影响到技术经济指标和工程量的计算，因此，为了 达到最好的实际效果，地表模型必须满足精度要求。 地表模型一般由若干地形线和散点生成，在DIMINE中，系统根据每个点 的坐标值，将所有点线亦由散点组成联成若干相邻的三角面，然后形成一个随 着地面起伏变化的单层模型。 地表测量所获得的数据，通常为一系列离散的、 稀疏的、空间上分布不均匀的数据。利用这些离散数据形成三维地表时有两种方 法，一是直接采用不规则三角网构模，二是在三角网过于稀疏的地方，首先通过 数据插值的方法，对该区域内的点进行加密处理，最终采用三角网构模技术生成 完整的地形模型。 目前空间数据插值的方法很多，主要有双线性插值、趋势面插值、样条 13 函数插值、 距离幂次反比法和克里金Kriging插值等。 图15-9为冬瓜山地形等高 线图。采用地形等高线图创建三维数字地形网格模型，在三维数字地形网格模型 形成以后，通过对各三角面的着色处理就可以生成三维地形数字模型，如图 15-10。 图21 地形等值线图 图 15-9 冬瓜山地形等高线图 图 15-10 有网格生成的冬瓜山三维数字地形图 15.4.3.2地层三维模型 三维地层模型能够完整地表达复杂地质现象的边界条件及地质体内含的各 种地质构造，形象生动地展示空间分布的效果，更可根据用户需要对其进行全方 位、动态的分析。在三维地层空间中一个最显著的特点就是“层”，这也是与传统 GIS研究对象的很大差异。因此，如何刻划这些层面就显得非常重要了，可以说 确定了地层界面就基本确定了地层模型的基本几何构造。 三维地层模型的建立通常有两种方法，一种是类似地表的方法，通过绘制地 层上下两个层面，然后根据上下层面的边界绘制地层四周的边界，从而建立起一 个封闭的实体模型。这种方法适用于在煤层建模或是地层分界比较明显的岩层 中。另一种是剖面重构出三维实体，这此方法适用于特殊的矿体或岩体。 图15-11表示采用DTM方法建立的冬瓜山岩石层面模型。 图15-12表示采用 多个DTM岩石层面模型所生成的冬瓜山层状岩体实体模型。 大理岩层位面 蛇纹岩层位面 图 15-11 层状地质体 DTM 模型 图 15-12 冬瓜山层状地质体实体模型 15.4.3.3闪长岩侵入体三维模型 闪长岩的侵入方式十分复杂，几何变化较大，从冬瓜山铜矿地质揭露的信息 来看，大致可以把它分成两个大块如图15-13中绿线和黄线各自一块。另外， 14 要创建一个闪长岩线框模型还存在以下困难 1剖面中闪长岩范围大多不封闭； 2已有的闪长岩边界线在剖面间变化太大，几何形状匹配极不规则； 3相邻剖面间的闪长岩距离较大，难以控制中间的形态变化； 4很多剖面上闪长岩往往只在左侧有一个边界，右侧只有一小部分甚至没 有。 图 15-13 闪长悃勘探线剖面轮廓 基于以上原因，要想创建一个实体模型，必须要对这些线文件进行补充、修 改。针对不同剖面的特点，主要采取了以下几个方法 1对已有线不能随便删减，以实际揭露的为准； 2对过于扭曲的边界线做适当处理，尽量不做大的改动，只要能满足联实 体的要求即可； 3先把两边都有线控制的剖面连成一个封闭的区域，处理时上表面以实际 地表线为边界，下表面用已有的闪长岩端点直接相连； 4对在右侧只有一小段边界控制的剖面，沿着已有线的方向延伸，直到在 高程上与其左侧的高程相等或相近为止。 这样做的目的是为了能让该线封闭， 当 然，这样一来，联接的实体的右侧就成了一个虚拟的边界，不代表实际的闪长岩 边界，但这并不影响之后的块段处理； 5所有剖面线都处理成封闭的线这后，用剖面间联接线框模型的方法联成 实体。若效果不理想，则在剖面间添加一系列控制线，采用改变三角网运算法则 以得到最佳的结果； 最终建立的冬瓜山闪长岩侵入体实体模型如图15-14、图15-15。 由图15-14可以看出，由于闪长岩侵入体实体模型建立时，左侧采用的是其 真实边界，所以扭曲比较厉害，而图15-15表明该模型右侧非常平整光滑，这是 由于实体模型建立时，对右侧部分的轮廓线进行了延伸、修正等，为虚拟边界。 15 图 15-14 闪长悃左侧实际边界 图 15-15 闪长悃右侧边界 15.4.3.4矿体三维模型 矿体模型的建立是整个模型建立过程中最重要的部分。 之前的地质岩性模型 的建立主要是为了揭露了冬瓜山矿体的赋存位置， 周边及上下地质岩体对矿体开 挖的影响， 它们都是为矿体的开采服务的。 建立矿体模型除了之前所说的可视化、 体积计算、在任意方向上产生剖面 、与来自于地质数据库的数据相交四种功能 外，还有一个极其重要的功能，就是为之后的品位估值和块段分析提供基础。 由于矿体模型是一个封闭的3DM模型，且变化复杂，只能采用剖面相联的 方法来创建。 建立一个矿体模型比建立一个岩性模型需要涉及更多的地质矿床理 论、 更为复杂的联接方式和更为熟练的联接技巧， 其复杂性和难度主要表现在分 叉及断层的处理上。 在一般情况下， 如果两个勘探线剖面的变化不大， 几何匹配性相对较好的时 候，只需要段间自动相连就能够满足要求了。但实际上，矿体的赋存条件是非常 复杂的，往往存在着其它岩性侵或者是断层错动现象。因此，如何有效处理这些 问题显得犹为重要。 15.4.3.5.1分叉的处理 由于冬瓜山矿体是构造作用的结果， 在成矿时受到其它地质作用的影响， 在 某些位置出现了分枝，如由一个大块突然分为两个，或者更多的小块，这就需要 用到分叉技术。 分叉技术是一个包括单三角形和手动三角形网的组合功能。 虽然这项功能已 经是一个相当自动化的过程， 但仍需要一定的人工干预才能确保准确建模。 需要 人工把一个大块分成和小块向对应的块数， 然后连接起来。 如图15-16～图15-17 所示。 这样连接之后，两个体就很好的在空间上相交了。当然，不同的技术员对同 一地质现象存在着不同的地质解释，因而有可能在选择分叉位置上有不同的认 识。尽管如此，这种细微上的差别并不是很大，因而对整个矿体模型的影响也是 有限的。 16 图15-16 分叉剖面线 图15-17 大块分叉 图15-18最终生成的矿体 15.4.3.5.2断层的处理 断层模型在数字三维模拟中的重构一直是一个难点。 它需要对软件本身有一 个非常深刻的认识和对建模规则的灵活运用。一旦掌握了这些规则，建模过程就 变得非常简单，但这种方法却极负创意。在建立模型之前，需要对实体的定义进 行认真研究，特别是以下几点 1一个实体就是一个封闭的3DM模型 2不存在开放边现象 3不存在重复边现象 4不存在无效边现象 5不存在自相交现象 只要实体满足以上几个要求，就会被认为是一个有效的实体，能够通过体积 验证、报告实体体积、进行数学运算和其它用途的调用。下面用一个具体的剖面 来说明这种方法的运用。 调入冬瓜山49～51勘探线剖面的矿体边界线， 将视图转到一个合适的视角， 从中可以看出，50线和51线在几何关系上匹配的非常好，但49和50线之间却 变化巨大如图15-19。 主要表现在 1在50和51线处存在着断层，使得矿体发生突然错动； 2在49线的右侧也存在着一块小矿体。 先把49线和50线的大块切成两个小块以便观察。在这种情况下，采用通常 的两两相联已不适用了。因为区域2与区域3实际上是同一条封闭曲线，区域4 和区域5也是同一封闭曲线。根据成矿原理，应该是区域1曲线与区域4，区域 2与区域5，区域3与区域6相联如图15-19。但这又涉及一个问题50线与 51线几何上匹配的相当完好，不能将50线的大块分成两个小块再与51线的大 块相联；同样，49线的左侧的大块也不行。 根据实体建模的基本原理，在49线位置复制一个线，并把它隐藏，把原有 的49线大块沿所画的红线切断成两个区域， 将新建的区域4与区域1联接实体， 如图15-21；余下的部分如图15-22就成为一个段到两个段的问题，用分叉的方 17 法来处理。 图15-20 分块建模示惱图 图 15-21 分块联接实体 图 15-22 惊个段到两个段联接实体 这部分联好后，当用49勘探线剖面与它之前的46线联实体时，就隐藏掉在 49线上新建的两个区域，用49线的两条封闭曲线与46相连，联接方法为分叉 过程采用的方法。分叉和断层联好后合到一起，效果如图15-22，转动一个角度 观看如图15-23。 图 15-23 分叉和断层合并后的线框模型 图 15-24 转动惊个角度后的线框模型 从上面两图可以看出， 这个联接效果在总体上能够很好地反映了地质构造的 真实赋存状态。当分叉和断层处理好这后，其它部分实体的联接就相对容易了。 针对不同的剖面用相应的方法联接好所有的剖面之后，合并成一个线框模型文 件，见图15-24。 18 图 15-24 冬瓜山矿体模型 15.4.3.5难易选矿石分界面三维模型 它的建立过程完全相同于地层表面模型的建立， 所做工作方要就是把难选易 选线的稍微比矿体的范围扩大了一些， 以便在与矿体拟合时使其能够超出矿体模 型范围，能够很好将难选、易选两个部分分离出来。因在原始资料上矿体两端的 剖面上没有难选易选线，故难易线的DTM没能将整个矿体分成难易两个部分。 具体创建过程可参照地层表面模型的建立，结果如图15-25。 图 15-25 难恒惦恒线 DTM 15.4.3.6已有开拓及采准工程三维模型 随着计算机技术的发展， 矿山采用基于计算机系统的三维可视化软件进行井 下三维可视化工程设计，能综合考虑矿床的三维地质模型、矿区地表地形、地质 构造及矿床赋存条件等因素，利用数字化、模型化、可视化功能，模拟建立一个 虚拟现实的工作环境，根据最小运输功原理能快速准确地确定拟建探矿、生产等 巷道工程的位置，缩短设计周期，提高设计的准确度，减少开拓工程量，从 而减少巷道的建设投资及时间， 同时矿山的数字化也是矿山实现现代化和自动化 的基础 ，因此对矿山企业具有非同寻常的意义。在建模的过程中，对于冬瓜山 已开采部分现有的巷道工程，可以利用导入的开拓系统工程数据直接生成巷道。 生成的冬瓜山开拓系统整体如图15-26所示。 19 图 15-26 冬瓜山开拓系统整体图 如图15-27是根据冬瓜山提供的图纸生成的矿山整体开拓系统和矿体的关系 图。 图 15-27 冬瓜山工程模型与矿体的布置关系 冬瓜山工程实体模型建立，不仅可以用于工程量计算、平剖面任意切割提供 了极为方便的操作环境，而且对于了解整个工程的整体布置、实时了解地下工作 位置以及对整个开采进度的可视化过程都具有重大的意义。 15.5 三维矿床块段模型构建及矿量分析三维矿床块段模型构建及矿量分析三维矿床块段模型构建及矿量分析三维矿床块段模型构建及矿量分析 块段建模是矿床品位推估及储量计算的基础， 块段模型的基本思想是将矿床 在三维空间内按照一定的尺寸划分为众多的单元块， 然后根据已知的地质勘探样 品的品位及其空间变异特征对填满整个矿床范围内的单元块的品位进行推估， 并 在此基础上进行储量的计算。 采用单一尺寸的单元块去填充模型所覆盖的区域时， 将很难从形体上反映矿 20 床矿体、 岩层或其它地质体的特征， 除非单元块的尺寸足够的小， 因此，DIMINE 采用块段模型与实体模型相套合的方法， 并采用块段尺寸细分技术使块段模型在 实体边界处的单元块的大小自动进行细分， 以确保块段模型能够真实的反映矿体 或其他地质体的几何形态。 在块段模型建模时，各种地质体实体或DTM模型将用来对块段模型进行控 制，使得不同的岩体、岩层能够在块段模型中得到真实的反映，并利用钻孔品位 组合样数据对矿石的品位进行推估，以进行储量计算，确保满足设计和生产管理 的需要。 15.5.1 矿床块段模型建模范围矿床块段模型建模范围矿床块段模型建模范围矿床块段模型建模范围 描述块段模型范围的参数包括模型地理坐标X、Y、Z的最小、最大值及 模型在X、Y和Z三个坐标方向的几何尺寸。通常，模型范围的确定应从平面及 深度范围2个方面来考虑。 在平面上的范围应该能够覆盖矿床的主要特征， 因此， 可以先将已经建立的地质体实体模型或DTM模型在平面视图中显现出来，并以 此为基础圈出一个能够容纳这些实体的最小的矩形， 当地质勘探线方向有一定的 偏角时，圈出的矩形应有一个转角。同样，在确定深度方向的范围时，可以将地 质体实体模型或DTM模型在剖面视图中显现出来，以此为基础圈出一个能够容 纳这些实体的最小的矩形。 范围确定后要就要设定单元块尺寸， 单元块尺寸的确定一般要考虑如下几个 因素，即矿床的勘探类型、地质勘探网度、矿体的空间形态、品位的变化的均匀 程度、拟采用的开采方法及技术经济评价方法等。一般来讲，勘探网度大、矿体 形态简单、品位分布均匀时可以采用较大的单元块尺寸。否则，可以选用较小的 单元块尺寸。冬瓜山矿床块段模型原型在三个方向的尺寸为2200m、1540m、 1360m，因为范围较大，取单元块尺寸为20m20m20m。 模型中的线框边界通