三維可視化建模技術(shù)在某鐵礦中的應用

田 雷,沙明光,秦 雷

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊,河南南陽 473400; 2.南陽市開元藍晶石礦,河南南陽 473400)

三維可視化建模技術(shù)在某鐵礦中的應用

田 雷1,沙明光2,秦 雷2

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊,河南南陽 473400; 2.南陽市開元藍晶石礦,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(luò)技術(shù)的發(fā)展,三維可視化技術(shù)在礦山建模中得到了廣泛的應用。文章以某鐵礦為例,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),利用礦業(yè)軟件建立了礦山礦床、地表和工程實體模型。結(jié)果表明,建立的實體模型更加逼真地反映了礦山開采現(xiàn)狀,儲量計算結(jié)果與用傳統(tǒng)方法計算的儲量接近,為采礦工作者進行工程設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

三維可視化;實體模型;塊段模型

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,這種方式存在著表達信息不充分,缺乏直觀感等特點[1]。近些年來,隨著計算機技術(shù)的飛速的發(fā)展,三維可視化技術(shù)在礦山建模中得到了廣泛的應用[2]。通過建立地質(zhì)體實體模型來研究礦床空間關(guān)系、分布規(guī)律以及進行工程設(shè)計等工作正在逐步取代傳統(tǒng)手工方式[3]。三維實體模型不僅可以準確、直觀地詮釋地質(zhì)體空間形態(tài),并且能夠為采礦工作者進行輔助工程設(shè)計提供可靠的依據(jù)。本文以國內(nèi)某大型鐵礦為例介紹了三維可視化建模技術(shù)在礦山中的具體實踐及應用。

1 礦床地質(zhì)條件

礦床賦存于震旦系上部層位,礦區(qū)構(gòu)造的總體特征是以褶皺為主、斷裂為輔。全礦區(qū)系一層礦,層位穩(wěn)定,標志較明顯。呈北東-西南向展布,長1 000 m。礦層厚度一般為2.5～8 m。

由于變質(zhì)作用,巖層原始層理大部分已被后期構(gòu)造片理(軸面片理)所掩蓋。在褶曲兩翼,層理于片理平行,唯在褶曲轉(zhuǎn)折端層理與片理交切成直角。后期褶曲的疊加,片理系統(tǒng)發(fā)生彎曲,產(chǎn)狀從南西向北東發(fā)生相應得變化。礦區(qū)礦層形態(tài)變化,淺部(100 m標高以上)較復雜,深部單一;兩端復雜,中部簡單。

鐵主要賦存于磁鐵礦、鏡鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦及含鐵硅酸鹽等礦物中,并以前三種礦物為主。TFe平均含量為26.72%,最高含量為53.25%,礦石的品位比較穩(wěn)定。

2 地質(zhì)體模型的建立

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)庫及統(tǒng)計分析

地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫主要包含的信息有:孔口位置、測斜信息、樣品品位信息。地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫就是將不同的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息按照一定的有機關(guān)系,共同表示鉆孔完整信息的數(shù)據(jù)集合。

地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫是進行品位推估的重要基礎(chǔ),數(shù)據(jù)庫的準確性對于數(shù)據(jù)信息的變異性分析十分重要。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立過程中錄入的記錄有:開口表共計528條,測斜表共計1 164條,樣品品位信息表共計10 215條記錄。總共448個地表鉆孔和80個生產(chǎn)勘探鉆孔的信息。

2.1.1 樣品統(tǒng)計分析

礦山礦床含有主要元素為Fe,對該礦床的主要元素品位Fe進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析的目的一方面是為了掌握礦床各元素的分布情況,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。

分別對礦山的原始和組合后的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析,統(tǒng)計分析結(jié)果如表1、圖1、圖2所示,從原始和組合樣品的直方圖可以認為礦山的Fe元素呈正態(tài)分布,QQ圖驗證結(jié)果顯示符合此種分布,如圖3和圖4所示。從表1和圖1～圖4可見,組合前后樣品品位均值變化較小,并且組合前后樣品品位的分布形式一致,說明組合樣樣長的選擇是正確的。

表1 礦山樣品品位基本統(tǒng)計參數(shù)一覽表

圖1 原始樣Fe元素品位分布直方圖

圖2 組合樣Fe元素品位分布直方圖

圖3 原始樣Fe元素正態(tài)分布Q-Q檢驗圖

圖4 組合樣Fe元素正態(tài)分布Q-Q檢驗圖

2.1.2 組合樣品位結(jié)構(gòu)性和變異性分析

為利用樣品數(shù)據(jù),對塊段模型中相應參數(shù)進行估值,除進行各樣品參數(shù)的基本統(tǒng)計分析外(這是變異函數(shù)分析的基礎(chǔ)),還需要進行變異函數(shù)分析,以確定各參數(shù)在空間上的相關(guān)性、結(jié)構(gòu)性。變異函數(shù)分析可以得到的基本參數(shù)包括:各參數(shù)的基臺值、各參數(shù)的塊金值、各參數(shù)的變程(即其空間相關(guān)性,指某一樣品段在三維空間上能夠影響的范圍)。

2.1.2.1 分析方向

按走向、傾向、厚度3個方向進行變異函數(shù)的分析,詳細參數(shù)列于表2。

表2 變異性分析參數(shù)

2.1.2.2 變異函數(shù)計算參數(shù)

在進行各個方向的變異函數(shù)計算分析時,需要指定的參數(shù)包括:棱柱體的容差角、容差限、滯后距,計算的最大距離,各參數(shù)的設(shè)置列于表3。

表3 變異函數(shù)計算時設(shè)置的參數(shù)

2.1.2.3 變異性和結(jié)構(gòu)性分析結(jié)果

對礦山Fe元素的變異性進行分析后的試驗及理論變異函數(shù)如圖5所示。

圖5 Fe元素試驗及理論變異函數(shù)圖

由上述試驗及理論變異函數(shù)曲線圖可以看出,礦山Fe元素樣品品位具有明顯的結(jié)構(gòu)性和變異性,即品位值既是隨機的,又是與周圍一定距離內(nèi)的樣品值有關(guān)的。變異性參數(shù)列于表4。

表4 組合樣Fe品位在三個方向上的變異函數(shù)參數(shù)

2.1.2.4 變異函數(shù)參數(shù)交叉驗證

為了確保克立格估值的精度,對理論變異函數(shù)參數(shù)的取值進行檢驗,考察變異函數(shù)計算及擬合的效果的過程就是交叉驗證。其基本原理:假定某已知樣品點處的品位是不知道的,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。如果交叉驗證的平均誤差應趨近于0、誤差的方差趨近于平均推估克立格方差、誤差分布應屬于正態(tài)分布,且95%置信限應位于正負兩倍的克立格方差范圍內(nèi),則理論變異函數(shù)參數(shù)是準確的。

礦山交叉驗證后誤差統(tǒng)計分析結(jié)果如圖6和表5所示。由圖6和表5可見,表4所列的關(guān)于礦山Fe元素的變異函數(shù)模型及其參數(shù)滿足交叉驗證的判斷準則,擬合的理論變異函數(shù)是比較準確的,這意味著:塊段模型中Fe元素的品位值可依據(jù)已知樣品數(shù)據(jù),采用表4所列的變異函數(shù)參數(shù),由克里格估值理論方法推估而得。

圖6 誤差統(tǒng)計分析圖

表5 Fe元素品位變異函數(shù)參數(shù)的交叉驗證結(jié)果

2.2 礦體模型

在現(xiàn)有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,根據(jù)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,按一定的比例進行坐標轉(zhuǎn)換得到線框集,然后建立礦體模型,如圖7所示。

圖7 礦體模型

2.3 地表模型

地表模型是建立三維地質(zhì)實體模型的重要組成部分,建立好地表模型,可以對礦區(qū)所在位置在宏觀上有個完整的認識。一些地表工程的設(shè)計和施工包括排土場、選場、井口等位置都是以地表模型為參考,同時,地表模型作為邊界約束條件,還直接影響到技術(shù)經(jīng)濟指標和工程量的計算。地表模型由若干地形線和散點生成,把地形線和散點以DXF文件格式導入可視化軟件中,系統(tǒng)根據(jù)每個點的坐標值,將所有點(線亦由散點組成)聯(lián)成若干相鄰的三角面,然后形成一個隨著地面起伏變化的單層模型。根據(jù)礦山的地形圖生成的地表模型如圖8所示。

2.4 工程實體模型

工程實體模型根據(jù)礦山提供現(xiàn)有中段開拓平面圖,通過矢量化過程后借助可視化軟件生成,如圖9所示。

2.5 礦體三維品位模型

地質(zhì)模型建立以后,要采用矢量模型與柵格模型相結(jié)合的方式來準確、完整地表達地質(zhì)體的空間形態(tài)和內(nèi)部屬性[4]。體元模型可以按體元的類型分為四面體、六面體、棱柱體和多面體共4種類型[5],目前應用較為廣泛的是六面體,如礦業(yè)軟件DataMine,MicroMine,Surpac等都是應用六面體作為體元進行實體建模,并稱為塊段模型[6,7]。本研究中也采用六面體的方式建立塊段模型。通常塊段模型中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(guān)。本次建模塊度尺寸:8×8×8 m,在邊界處按4×4×4進行次分。模型東方向單元塊塊數(shù):260塊;模型北方向單元塊塊數(shù):225塊;模型高程方向單元塊塊數(shù):50塊。

圖8 地表模型

圖9 工程實體模型

3 儲量計算

塊段模型建立好以后,可以根據(jù)上節(jié)的變異性分析結(jié)果和建立的實體模型對礦山礦體內(nèi)塊段模型應用克里格方法進行估值,然后按照不同的邊界品位對礦山的儲量進行統(tǒng)計分析,儲量統(tǒng)計結(jié)果列于表6。

表6 礦床地質(zhì)礦床模型儲量計算結(jié)果表

4 結(jié) 論

利用三維可視化建模技術(shù)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(shè)計等提供很好的平臺,該項技術(shù)在礦山的發(fā)展應用不僅促進了傳統(tǒng)采礦手段的發(fā)展,也將對我國礦山企業(yè)的數(shù)字化進程起到巨大的推動作用。

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Application of 3-D Visual Modeling Technique in a Iron Mine

TIAN Lei1,SHA Ming-guang2,QIN Lei2
(1.Geology and Mineral Resources Bureau of Henan Nonferrous Metal Second Geological Brigade, Nanyang473400,China;2.Nanyang City Kaiyuan Aquamarine Quarry,Nanyang473400,China)

With the development of the geological statistics,mathematics,computer graphics and network technology,three-dimensional visualization technology has been widely used in the mining model.Based on the theories and methods of geostatistics,the 3-D models of deposit,surface and engineering were established for a iron mine,in which the variograms reflecting the characteristics of regionalized variables were used designedly.The research shows that these models are vivid reflection of the mining current status,and the present results of reserves are comparable with that calculated by traditional method,which proves that the three-dimensional models could give reliable bases for engineering design.

3D visualization;solid model;block model

TD15

A

1003-5540(2010)04-0005-04

田 雷(1972-),男,工程師,主要從事野外地質(zhì)工作。

2010-05-26