三維模型在超大規模礦山建設中的應用

吉學文，潘張偉

(大興安嶺金欣礦業有限公司，黑龍江 大興安嶺 165000)

隨著信息化數字化智能化礦山的發展，三維地質模型在礦山規劃建設、生產管控、運營策劃過程中越來越重要。大興安嶺金欣礦業有限公司利用3DMine軟件建立三維模型，應用于礦山的規劃建設，取得了較好的效果。

1 礦山概況

大興安嶺金欣礦業有限公司位于大興安嶺松嶺區，為云南馳宏鋅鍺股份有限公司的下屬礦山。目前正在開發建設岔路口鉬鉛鋅多金屬礦，該礦體儲量巨大，為特大型鉬礦床，規劃建設生產規模為5萬t/d，1 650萬t/a，礦山服務年限80 a。采用膠帶斜井—豎井開拓方式，大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法。

2012年礦床勘探完畢，從地表采用鉆孔進行礦床勘探，剖面線間距100 m，最深鉆孔1 500 m。岔路口鉬鉛鋅多金屬礦為斑巖型礦床，主要圍巖是花崗斑巖、石英斑巖、閃長玢巖。鉬礦體呈拉長的穹窿狀，主體隱伏。主礦體頂板埋深200～400 m。已控制礦體長2 600 m，寬360～1 260 m。礦體延深大于1 500 m，垂直厚度200～900 m。在平面上，不同標高礦體形態、規模不同。地表至300 m標高，礦體呈北東向的寬帶狀。隨深度增加，礦體寬度增大。300～0 m標高漸變為北東向的橢圓狀。0～-400 m標高，礦體進一步擴大，呈東西向拉長的橢圓形，長軸1 840 m，短軸1 400 m。

該礦體礦石品位分布不均勻，總體上為上貧下富。剖面上礦體呈穹窿狀，垂向上礦體分三層結構，上部以薄層狀低品位礦為主，中部為厚層狀，下部為巨厚層狀富礦。

2 礦體三維模型建立

2.1 地表模型建立

地表模型屬于表面建模(Surface Modeling)，在3DMine軟件中使用優化的三角形法創建三維線框文件，它屬于目前三維軟件兩大流行建模方法之一的Polygon建模方式[1]。

本課題研究中，利用了測量成果——等高線、高程控制點完成地表三維模型的建立。建模過程中發現，3DMine軟件針對傳統的二維圖紙圖形開發了獨特的處理技術，可提取二維圖紙標注的等高線高程文字信息，實現快速為等高線賦高程，得到三維等高線，之后一步即可完成三維地表模型建立[2-6]。同時將地質信息、地貌特征以及與工程、礦體的空間關系充分展現出來，便于對礦區的總體設計，礦區地表模型見圖1。

圖1 礦區地表模型 Fig.1 Mining area surface model

2.2 礦體模型建立

1)圈礦工業指標

針對礦床地質特征、礦種與礦產品用途、開采技術條件、采礦工藝及礦石加工選冶技術性能等選擇確定采用礦塊指標體系進行礦體圈定。

礦塊指標體系：論證的工業指標通常以邊際品位為主，兼顧其他因素。通常在地質統計學法、距離冪次反比法等估算資源儲量時采用。一般根據地質礦化規律采用某一個品位界線(一般介于地質上的礦化品位與工程指標體系中的邊界品位之間)圈出一個比較完整的礦化域，在礦化域內按照一定的大小劃分估計品位的單元塊，繼而對單元塊進行品位估值，再采用邊際品位界定單元塊是礦石還是廢石，然后統計資源儲量，在單元塊中用邊際品位來圈定礦塊，其中起關鍵作用的是邊際品位及最小開采單元大小。單元塊(估值單元塊)是品位估值對象的礦塊，其大小應考慮礦床開采方式、采礦工藝及炮孔間距、礦體復雜程度、礦體規模，一般應大于礦床開采基本(最小)單元；最小開采單元是實際可采的最小的體積和形狀，即一次采礦(打孔放炮)的最小體積。

2)礦化域空間解譯

按照斑巖型礦床的特點，可以采用軟邊界即礦體與圍巖的界線采用品位確定的方式，也可通過巖性帶或蝕變帶范圍圈定礦化域。

本礦體研究中，主要采用蝕變帶圈定礦化域，結合三維空間剖面功能，大大提升了地質空間解譯的可靠性以及礦化域圈定的合理性。

在實際地質空間解譯和礦體圈連的過程中，結合工程數據庫的空間關系，形成一系列的剖面(見圖2)。

3)礦化域及夾石模型

根據本礦區一系列剖面解譯結果，包括礦化域邊界線和明確界定的夾石范圍，通過3DMine軟件的實體建模功能分別完成礦化域模型和夾石模型的建立。根據此模型確定品位和相關屬性估值范圍和約束條件，為下一步利用邊際品位確定礦體奠定基礎。

通過三維建模完成的礦化域和夾石模型如圖3所示。

圖2 礦區剖面示意圖 Fig.2 Sketch of mining area profile

圖3 礦化域和夾石模型Fig.3 Mineralization domain and the stone band model

2.3 品位模型

塊體模型是用規則的塊體(一定尺寸的長方體或立方體)充填不規則的礦化域，同時采用次級分塊技術，確保邊部塊體與礦巖界線盡可能趨于近似，從而得到礦體資源儲量的合理性和準確性。

塊體模型的屬性特別是主礦產品位，是通過地質統計學方法進行插值，根據一定的估值和搜索參數，從而得到每個搜到范圍內的塊體均有相應的品位值。

具體估值參數有：

1)組合樣

通過對鉆孔數據庫的分析，按照2 m等長樣品進行Mo品位組合，有效長度為1 m，選擇可采長度為2 m，夾石剔除厚度為3 m，缺失樣品按0計算，形成的組合樣文件，其中屬性1為Mo品位，屬性2為組合長度，屬性3為工程號(如圖4所示)。

2)特高品位處理

結合地質勘探報告，選取品位0.482%為特高品位值，從而對原始的組合樣文件進行屬性計算，將其中的高品位按照0.482%代替，從而形成了處理后的組合樣文件。

圖4 估值組合樣品對比圖Fig.4 The comparison of portfolio valuation sample

3)變異函數分析

通過對上述組合樣的普通分析和變異函數分析，發現組合樣品點數據只是在一個方向(即走向或傾向)有很好的連續性，但沒有基臺和塊金值，在另一個方向則沒有連續性，因而采用距離冪次(平方)反比法進行估值。同時將礦帶分為北西側和東南側，其中，北西側選取走向60°，傾角16°。東南側傾角為8°，長軸/次軸=2，長軸/短軸=10，最少3個樣品，最多12個樣品，并限定每個工程不多于5個樣品進行插值計算。

本次研究中，采用普通克里格法進行估值。具體的結果如圖5所示。

圖5 塊體模型示意圖Fig.5 Sketch of the block model

3 三維模型的應用

3.1 優化前期開采部位

建立礦體模型后，利用塊體報告，計算出各中段標高之間的不同品位儲量，根據品位儲量分布情況，選擇首采中段開采位置。從-580～550 m范圍內，按照60 m中段高度，以鉬0.06%～0.15%為邊界品位，計算出-460～-340 m中段儲量8 000萬 t以上(大于0.1%)，見表1，據此，初步確定主要首采中段為-460 m，開采品位0.14%。另外，為保證生產規模，上部選擇80 m作為首采中段，補充部分產能，使礦山投產初期獲得顯著經濟效益。

表1 鉬邊界不同品位礦石儲量分布情況

3.2 優化礦體開采移動界限

根據建立的三維模型，確定礦體的最大開采邊界線，以最低開采位置，采用充填法，移動角度70o～75o，在每個剖面上確定地表移動點，即可圈出地表移動界限。模型中礦體投影長度為2 120 m，寬度為1 600 m，高度為840 m。

3.3 優化主體井巷工程布置

從三維模型中，可直觀看出礦體在地下的埋藏情況，礦體與地表地形、河流及其它構筑物的相對位置。根據地表工業場地的布置，礦體礦量的分布，選擇主要井巷的位置，使地表及井下的運輸距離最短。經過方案比較論證，礦山采用膠帶斜井—豎井開拓方案，位于礦體的南東側，距離礦體250～350 m。礦體開采系統模型見圖6。

圖6 礦體開采系統模型Fig.6 Ore mining system model

3.4 優化采準切割工程布置

根據首采中段的位置，從三維模型中切出中段平面圖，按照品位的分布，布置中段采準巷道。首采中段為80 m和-460 m，分別從豎井開掘聯道至礦體南側沿脈道，再選擇合理位置，開掘出礦道至計劃開采礦石品位位置。采準巷道設計效率高，選擇位置合理可行。

3.5 作采礦進度計劃

依據不同品位各中段的資源量，排出采礦進度計劃。礦石品位大于0.1%，-460～-400 m，礦石量95 466 220 t，年出礦量8 250 000 t，可開采10 a。

3.6 構建智能化開采平臺

隨著智能化裝備及大數據云計算技術的發展，礦山將逐漸實現智能化開采。三維礦山模型的建立，為井下人員定位、設備設施實時監測監控、物流導航、通風系統監測等提供了技術基礎，實現礦山開采系統的真三維智能化管控。

4 結論

通過對本區三維建模和品位分布的研究，特別是采用礦塊指標體系對礦化域的圈定和估值結果，在礦山建設初期，構建礦體三維地質模型，對礦山規劃設計，選擇礦體首采區位置、確定礦體移動界限、優化主體井巷工程及采準工程布置、作采礦進度計劃、智能化開采等方面取得了良好的應用效果，為生產過程中取得較高的經濟效益奠定基礎。同時，地表井下相對位置形象逼真，易于審查和表述，設計效率高，井巷工程選擇位置合理經濟。