基于3Dmine技術(shù)建立三維地質(zhì)模型及儲量估算

王 珂，錢建平，周永寧，任 東

(桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541000)

隨著科技的飛速發(fā)展，計算機在各個行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用，地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域亦不例外。計算機在地質(zhì)領(lǐng)域最原始的功能是輔助地質(zhì)人員更加便捷地制作各類圖件，以提高地質(zhì)人員的工作效率。但是傳統(tǒng)的二維圖件表達各種地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象之間的相互關(guān)系上具有一定的局限性，它不能很好地展現(xiàn)各種構(gòu)造、各類地質(zhì)體在三維空間真實形態(tài)及相互關(guān)系，而更多的是需要地質(zhì)人員在腦中想象各種構(gòu)造、地質(zhì)體在三維中的真實形態(tài)，這樣假象出來的情況很容易和實際情況形成偏差，對實際工作的開展造成不良影響。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維圖像技術(shù)和計算機技術(shù)進一步的結(jié)合，構(gòu)建三維可視化地質(zhì)體模型的技術(shù)條件變得逐漸成熟，運用這一技術(shù)成果可以很好地解決上述問題。

構(gòu)建三維地質(zhì)體模型的技術(shù)就是指把二維地質(zhì)圖和數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)化為一標(biāo)準(zhǔn)格式，再在其中提取各種地質(zhì)體的輪廓線，然后通過相關(guān)方法連接輪廓線使其形成形實體模型，并將其在三維空間中呈現(xiàn)出來，利用這種在三維空間中的地質(zhì)模型分析各種地質(zhì)體的大小、形態(tài)、相互關(guān)系及分布規(guī)律。這種三維地質(zhì)體模型的構(gòu)建為地質(zhì)行業(yè)的發(fā)展提供了新的方法，為現(xiàn)代化礦山建設(shè)提供了新的方式。

1 三維地質(zhì)建模簡介

三維地質(zhì)建模(3D Geo-Modeling)主要是應(yīng)用三維空間信息管理、現(xiàn)代計算機技術(shù)、地質(zhì)解譯、空間分析與預(yù)測、地理信息技術(shù)和圖像處理及解譯技術(shù)，在三維空間模擬環(huán)境下分析和模擬地質(zhì)體的技術(shù)。這個概念在上世紀(jì)九十年代由Simon.W.Houlding首先提出后，被廣泛地應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探、工程建設(shè)、國土資源、地理信息系統(tǒng)等多個領(lǐng)域(Simon W.Houlding，1994)[1]。現(xiàn)在常見的三維地質(zhì)建模多是以三維地質(zhì)軟件為媒介來實現(xiàn)的，所以我們也可以說三維地質(zhì)建模的發(fā)展過程也就是三維地質(zhì)軟件的發(fā)展過程。這些軟件的發(fā)展依托于科技技術(shù)的發(fā)展，近年來在許多的地質(zhì)領(lǐng)域的學(xué)者和科研人員共同努力下，三維地質(zhì)方面的軟件有了很大的進展，例如3Dmine、Surpac和Dimine等軟件。三維地質(zhì)建模是地質(zhì)行業(yè)的新興課題，它特別適用于礦山地質(zhì)研究，可以為礦區(qū)的生產(chǎn)規(guī)劃、采礦設(shè)計等服務(wù)，從而大大提高礦區(qū)的生產(chǎn)效率，為礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開采做出一定的貢獻。

2 礦山建模過程中3Dmine的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫是現(xiàn)在常用的一種簡單有效的處理數(shù)據(jù)的工具，可以簡單直接的對數(shù)據(jù)進行檢索和處理。使用3Dmine建立數(shù)據(jù)庫，將收集的地質(zhì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，通過3Dmine軟件將數(shù)字形式的勘察資料變換為三維圖形，供我們后期的應(yīng)用與分析。

3DMine礦業(yè)軟件的數(shù)據(jù)庫格式是依據(jù)各種勘探工程編錄的格式而定的，其主要存儲的內(nèi)容為：鉆孔空間參數(shù)數(shù)據(jù)(鉆孔孔口位置、鉆孔類型、鉆孔最大孔深等)；鉆孔或坑道所揭露巖石性質(zhì)特征；巖芯元素分析數(shù)據(jù)及地質(zhì)剖面圖等。

3DMine礦業(yè)軟件使用的是Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，用戶可以將鉆孔柱狀圖中的數(shù)據(jù)以文本或者Excel表格的形式導(dǎo)入其中。通過3DMine礦業(yè)軟件的轉(zhuǎn)換，這些文字形式的勘探資料就變成三維圖形的形態(tài)來管理及使用了。3DMine軟件的數(shù)據(jù)庫中有兩個必需的表格(定位表和測斜表)和若干非必需的表格(化驗表、巖性表等)，其中定位表和測斜表是用以控制鉆孔在三維空間的位置和孔道軌跡，化驗表、巖性表等非必需性表格可以根據(jù)用戶的需求自己設(shè)定，本次研究共建立了四個表格如下：

2.1.1 定位表的作用

定位表的作用主要是錄入鉆孔等地質(zhì)工程的坐標(biāo)及相關(guān)的基本信息(表1)。其字段主要包含工程號、孔口坐標(biāo)(X、Y、Z)、最大深度、軌跡類型及其它用戶自定義信息等，此外還有坑道、探槽等工程建立相關(guān)信息。

表1 定位表屬性結(jié)構(gòu)

2.1.2 測斜表的作用

測斜表的作用主要是錄入工程號、鉆孔進尺、傾向方位和傾斜程度等相關(guān)信息(表2)。其字段包含工程號、深度、方位角、傾角等。

表2 測斜表屬性結(jié)構(gòu)

2.1.3 化驗表的作用

化驗表的作用主要是錄入鉆孔或坑道所采金礦體樣的化驗分析結(jié)果等信息(表3)，為組合樣生成以及之后的礦體品位賦值提供數(shù)值。字段主要含有工程號、從、至、金元素化驗結(jié)果值及其他信息等。

表3 化驗表屬性結(jié)構(gòu)

2.1.4 巖性表的作用

巖性表的作用主要是錄入描述巖性及含礦程度等相關(guān)信息(表4)。字段主要含有工程號、從、至、巖性描述及巖性代碼信息等。

表4 巖性表的屬性結(jié)構(gòu)

以上這四張表，將鉆孔定位、測斜、取樣化驗、地質(zhì)編錄等工作分門別類，使地質(zhì)勘探等實際工作記錄起來更加條理清楚。雖然這四種表的內(nèi)容以及格式等是有區(qū)別的，但是這四張表中都通過“工程號”這一屬性建立了聯(lián)系，形成了一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。建立的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫包含定位表、測斜表、化驗表、巖性表這四種表格[2]。

2.2 地表模型的構(gòu)建

在地表模型構(gòu)建過程中，將礦區(qū)的AutoCAD地形地質(zhì)圖導(dǎo)入3Dmine中作為底圖，并將礦區(qū)地表出露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)信息；鉆孔、探槽、建筑等工程信息水平投影到該底圖上的地質(zhì)用圖。由于圖件上的線條高程不準(zhǔn)確，因而圖中等高線進行處理如：坐標(biāo)校正、等高線連接、線上冗余點清理等，將地形地質(zhì)圖上一些不需要的信息進行刪除或隱藏處理，之后利用該軟件工具欄中線賦高程功能將所有等高線賦上其對應(yīng)的高程值，最后利用DTM工具生成地表模型(圖1)。

2.3 礦體實體模型的建立

三維地質(zhì)體模型就是通過不規(guī)則的三角網(wǎng)將礦體的各個輪廓線連接起來，形成形態(tài)各異的密不透風(fēng)的網(wǎng)。具體步驟是先將鉆孔柱狀圖、中段地質(zhì)平面圖以及勘探線剖面圖等處理好，再加載到3DMine軟件中，然后延勘探線方向?qū)@孔模型切剖面，再根據(jù)要求及實際情況圈閉連接所切剖面上的礦體品位分布線或者直接在勘探線剖面圖或中段地質(zhì)平面圖上提取礦體輪廓線，最后通過閉合線到閉合線的連接三角網(wǎng)功能生成礦體實體模型(圖2)。在實際建模過程中，因為礦體的不規(guī)則性我們總會遇到一些存在分支、復(fù)合現(xiàn)象的礦體模型需要處理，所以，3DMine礦業(yè)軟件在連接礦體輪廓線時可以通過利用控制線以及分區(qū)線的方法來解決礦體形態(tài)不規(guī)則的問題從而使構(gòu)建地礦體形態(tài)與真實情況更接。

圖1 地表模型示例圖

圖2 礦體模型示例圖

構(gòu)建地質(zhì)體實體模型的方法主要有以下三種：

(1)運用三維鉆孔模型及其上的三維品位數(shù)據(jù)信息圈定礦體剖面輪廓線從而建立地質(zhì)體實體模型；

(2)利用礦區(qū)勘探線剖面圖直接在圖中提取地質(zhì)體豎直輪廓線從而建立地質(zhì)體實體模型；

(3)利用中段地質(zhì)平面圖直接提取地質(zhì)體水平輪廓線從而建立地質(zhì)體實體模型。在實際建模過程中，我們需要依據(jù)礦區(qū)資料的多少選擇適合的建模方法。根據(jù)上述原則，對本研究區(qū)礦體實體模型創(chuàng)建的方法選擇具體情況具體分析。

2.4 創(chuàng)建塊體模型并估值

礦體是在各種地質(zhì)作用下形成的不規(guī)則的幾何體，我們利用3DMine礦業(yè)軟件構(gòu)建礦體實體模型其實只是模擬了礦體的實際輪廓，但這個輪廓也只是一個表殼，沒有實質(zhì)性的內(nèi)容，因此我們創(chuàng)建塊體模型，塊體模型其實是利用若干個一定大小的長方體來填充這個不規(guī)則的幾何實體，然后通過累加所有充填的長方體體積就可以近似得到這個實體的體積，若再給每個長方體內(nèi)部添加一些屬性如比重和品位等，我們就可以計算該礦體實體模型所含有的實際礦石量和內(nèi)部礦的總重量等。

搜索塊體空間：應(yīng)盡可能將整個礦體實體模型都包含在里面，有時候還要包含不可剔除的夾石。

定義塊體尺寸：一般情況下，主要依據(jù)礦體的類型、規(guī)模及開采方式等來定義其尺寸大小(王李管，2008)。塊體模型是若干大小相同的長方體累加而成的，但這種等大小的塊體累加不能將不規(guī)則的礦體實體模型全部充滿，在礦體實體模型邊緣還會留存小部分的空間未被充填，因此需要使用更次一級的子塊體充填實體模型邊緣未被充填的部分，這樣才能更貼近礦體實際輪廓從而保證儲量估算的準(zhǔn)確性。二三級模塊按幾何級數(shù)進行尺寸分割，但尺寸不能設(shè)置太小，否則容易占用電腦內(nèi)存導(dǎo)致運行緩慢。

選擇估值方法：一般情況下，主要依據(jù)礦床類型、鉆孔及坑探取樣化驗數(shù)量及分析結(jié)果等方面綜合考慮來選擇合適的品位估值方法。對于一般普查勘探層次的礦山而言，相關(guān)數(shù)據(jù)資料較少，適合選用距離冪次反比法或最近距離法。對于詳細勘探或已進行生產(chǎn)的礦山而言，各方面數(shù)據(jù)資料比較齊全，通常使用克里格法。

添加約束條件：就是限制塊體模型空間形狀，約束條件有以下五種：表面、實體、塊值、閉合線和區(qū)域文件，這些條件應(yīng)用在不同的地方，目的是對塊體進行選擇，它是塊體估值過程中的重要環(huán)節(jié)。

塊體模型的屬性如同數(shù)據(jù)庫的字段名一樣會被用以存儲相應(yīng)的內(nèi)容，而品位屬性則是對塊體模型進行估值賦值。由于鉆孔和坑探采樣相對較少，已有的品位數(shù)據(jù)不可能包含每一個充填塊體所需的品位屬性，所以，我們采用估值方法插值來賦給所有塊體品位屬性，而估值方法一般采用距離冪次反比法及普通克里格法。

3 儲量計算

根據(jù)地質(zhì)資料確定礦體的體重，將此數(shù)值通過塊體模塊中單一屬性賦值法賦給已成功估值的塊體就可以計算出該礦體的總的礦石量，下一步就是通過塊體模塊中的分類功能進行計算得到該礦體的金平均品位，最后通過以下公式就可計算出該區(qū)金的金屬總量(圖5)。

P=V×D×C

公式中P代表礦體中的金含量，V代表礦體的總體積，

D代表礦石的體重，C代表礦體中金的平均品位。

通過對礦體塊體模型中每個單元塊的累加平均統(tǒng)計計算可得礦體體積、質(zhì)量和重量，同時也證明3Dmine軟件計算與傳統(tǒng)方法相比更加簡單、快捷。

表5 3Dmine礦體儲量計算報告示例

4 結(jié)論

3Dmine礦業(yè)工程軟件是以礦區(qū)地質(zhì)、測量和采礦為基礎(chǔ)，在實際使用過程中應(yīng)用3Dmine礦業(yè)工程軟件利用地形地質(zhì)圖、勘探線剖面圖、井下中段圖及鉆孔數(shù)據(jù)等資料分別對礦山的地表模型、三維礦體模型和塊體模型進行創(chuàng)建，利用三者創(chuàng)建出礦區(qū)的三維地質(zhì)體綜合體模型，建立的三維地質(zhì)體綜合模型可以直觀生動的表現(xiàn)出礦體的特征，以便于礦山后期的開發(fā)利用，又以三維地質(zhì)體模型為基礎(chǔ)，利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)計算方法對建立的塊體進行估值，實現(xiàn)了在投影方向上進行三維塊體的劃分和儲量計算，解決了傳統(tǒng)計算儲量方法的不穩(wěn)定和經(jīng)常出現(xiàn)不可預(yù)測的誤差等問題，同時也彌補了單純利用地學(xué)統(tǒng)計法計算的工作量大的問題，提高了計算儲量的效率，創(chuàng)新了地質(zhì)工作的傳統(tǒng)模式，對現(xiàn)代化礦山建設(shè)提供了指導(dǎo)作用。