花山沖礦區數字化三維地質建模及建設規劃

毛 振， 李 超， 羅 成

（1.安陸順安礦業有限公司，湖北 安陸 432600；2.大悟順通礦業有限公司，湖北 大悟 432807；3.孝昌順和礦業有限公司，湖北 孝昌 432900）

本文研究的花山沖礦區主要出露地層為震旦系燈影組下段（Z2∈1d1）地層，礦區內F7 斷層位于10線附近，由CK8 揭露。斷層為正斷層，呈北東走向，傾向為330°，傾角為75°，延伸長度＞800 m。破碎帶寬10～15 m，由白云石大理巖質碎裂巖和碎裂巖化大理巖組成，巖石呈碎裂結構或粒狀變晶結構，為塊狀構造或層狀構造，局部較破碎，但仍具有一定強度，可抵抗錘擊。經采樣測試，該處碎裂巖抗壓強度和壓碎值等指標均滿足一般建筑石料質量要求。該斷層使兩側巖層發生錯動，因未對其進行深部控制，斷層兩盤位移的規模是推斷的[1]。為了進一步落實并滿足我國對綠色礦山建設的需求，引導礦山企業進行科學規范開采，孝昌順和礦業有限公司按照文件要求，針對此地區的礦山地質開展了勘查作業，并委托相關指導單位開展花山沖礦區建筑用大理巖礦地質儲量三維建模工作，通過整理地區自然地理、生態紅線、“十三五”礦產資源規劃、地質礦產報告及相關文件、三合一方案及相關文件、生產勘探和開采經營臺賬等綜合資料，為礦山企業規范開采、儲量動態監管提供指導性意見。

1 花山沖礦區數字化三維地質建模及建設規劃

1.1 花山沖礦區地質數據獲取

為了確保構建的三維地質模型與花山沖礦區地質環境相匹配，需要在建模前，對花山沖礦區地質數據進行獲取。

礦區建筑用大理巖礦體在平面上呈近似長方形，方向為北西—南東向，總體呈現南東高北西低態勢。礦體長約1 400 m，寬300～550 m，地表巖層總體傾向南西，局部傾向北西或北東[2]。在8 勘查線以北（西）以80 m 最低開采標高為礦體底板，8 勘查線往南（東）以下伏滑石石英片巖為礦體底板，至礦體南端，其底板標高約為140 m，對應平面上以礦體資源儲量估算范圍作為礦體邊界。

根據《勘查報告》，巖石化學成分主要為CaO、MgO，其次為SiO2，w（Fe2O3）＜1%，w（FeO）＜0.5%，w（P2O5）＜0.1%，巖石化學成分符合建筑石料質量要求。在礦區范圍內有代表性的地段共采取11 組樣品，用來測試巖石的抗壓強度、小體重等指標。樣品測試結果顯示，除碎裂巖抗壓強度＜50 MPa 外，其余樣品抗壓強度基本上＞60 MPa，強度較高，滿足Ⅱ類建筑石料質量要求。石料壓碎指標在21.4%～24.6%，整體指標在20%～25%，只能歸為Ⅲ類建筑石料。其中檢測樣品的全部磨光值（PSV）≥35，但＜42，滿足一般公路路面粗集料質量要求，但磨耗值全部≥20，明顯高于≤16 的公路表層粗集料的質量要求。w（O3）、堅固性和吸水率指標很好，全部w（O3）≤0.2%，吸水率全部＜1%，堅固性除碎裂巖為5.2%外，其余5 個樣品均＜5%。本次勘查依據巖性（大理巖和白云石大理巖）進行了堿活性礦物檢測及放射性檢測，結果顯示，石料中不存在堿活性和放射性，該兩項指標完全合格。

礦體巖性主要為厚層、中厚層、薄層大理巖與白云石大理巖，夾層較少見[3]。在4 線與10 線之間見一層薄層大理巖夾硅質巖，該層巖石總體呈紅色，厚約10～22 m，總體傾向南西，局部傾向北東，傾角緩，褶皺發育。巖石風化強，總體強度低，但所夾的硅質巖（石英）強度較高，本次勘查將其作為夾石剔除。

1.2 融合地質數據的數字化三維地質模型構建流程

本次三維地質模型的構建選用3DMine 軟件，基本流程如下圖1 所示[4]。

圖1 三維地質模型構建基本流程

按照上述圖1 所示的基本流程，生成地表模型。在此過程中，獲取地質數據中的散點數據，將數據整理成文件后導入建模軟件。點擊軟件操作界面中的“視圖窗口”，創建一個DTM 工具，使用此工具將界面中的三點數據按照三角網進行連接，以此種方式生成一個地層表面圖形。在此基礎上，對地形線進行高程賦值，利用3Dmine 礦業軟件的數值地形處理功能來生成地表模型。

完成對地表建模的研究后，按照圖1 所示的步驟，進行礦體模型構件的研究。立剖面圈礦體建模基本流程如下：建立對應的礦體三角網，對接不同顏色、不同體號的三角網，將其合并為相同顏色、實體號描述的顏色體[5]。為建立與開采現狀相吻合的礦體模型，需要根據采礦許可證標高，以得到實體模型，再利用生成的三維地形表面模型、夾石模型與實體模型進行布爾運算，最后剔除掉邊坡壓覆量，即可得到實際的礦體模型。

礦山公路模型是露天礦山三維模型構建的重要環節，公路的優化設計直接影響到礦山開拓、運輸環節的費用。一般公路模型構建可采用以下方式：其一，在公路外緣線高程已知的情況下，可根據閉合線生成DTM；其二，在公路外緣線高程未知情況下，首先根據地形地質圖獲得公路中心線高程點，然后導入3Dmine，利用線形高程中的搜索參考點功能，將公路兩側外緣線高程賦值。利用上述方法可得到花山沖礦區建筑用大理巖礦公路模型。

將地表模型、礦體模型、公路模型融合后得到花山沖礦區三維地質模型。

1.3 基于礦區儲量統計的花山沖礦區建設規劃

本次在對礦區進行保有儲量統計時，需在礦體模型的基礎上，剔除掉表層覆蓋層、風化層及剩余夾石。根據《湖北省孝感市花山沖礦區建筑用大理巖礦勘查報告》，通過地質勘查發現礦體覆蓋層厚度一般在0～2 m，平均為1 m。風化層厚度一般在0.5～1.5 m，平均為1 m。本次對礦體覆蓋層和風化層體積進行估算，采用宏觀、簡單而較為準確的估算方法，即以除采坑、道路以外的礦體出露范圍的面積與覆蓋層、風化層平均厚度的乘積作為礦體覆蓋層和風化層的體積，用如下公式表達：

式中：V覆為覆蓋層體積；H覆覆蓋層平均厚度；S1為礦體出露范圍面積；S2為采坑面積；S3為道路面積（風化層與此方法相同）。

由于采用以上礦體覆蓋層、風化層體積估算方法，因而在礦體資源儲量估算中，除采坑、道路以外部位的地表以下2 m 范圍圈定的覆蓋層、風化層將不參與礦體資源儲量估算。

在掌握花山沖礦區礦體資源儲量后，對礦區建設規劃提出下述幾點建議。

1）礦山采用露天開采方式采礦，在礦床開采過程中，礦山應加強防、排水工作。采坑外緣應挖掘截水溝，坑內挖掘排水溝，防止大氣降水，尤其是暴雨形成山洪對坑壁造成沖刷，影響邊坡的穩定性。因此在未來開采過程中必須注意排水。

2）未來礦山必須加強對固體廢棄物的管理，礦石、廢石必須在地勢較低、地形寬緩處有序堆放，堆積場應清底，擋土壩應修建牢固，并修好截排水溝。發現問題應及時處理整改，建議礦山對剝離出的廢土、廢渣進行綜合利用，盡量減少廢渣、棄石的堆積量[6]。礦坑廢水排放應避開水體，經凈化達標后方可順溝排放。做好采坑邊坡、廢石場穩定性長期監測，做到預防為主，防治結合。

2 實例應用分析

本次實例研究選擇的試點地區為花山沖礦區，此礦區距孝感城區的直線距離約50 km。行政區劃屬孝昌縣小河鎮花山村管轄。礦區范圍的地理坐標為：東經114°03′49″—114°06′11″，北緯31°21′16″—31°23′30″。S243 省道從礦區西北通過，向北25 km 通達大悟，向南可到孝昌并向西轉抵安陸，在孝昌轉107 國道可直通孝感城區。礦區周邊道路條件較好，交通十分方便。

本地區地處大別山中段南麓，屬丘陵—垅崗區，海撥標高286.2 m，最低點位于區北西邊環水河床。區內地形切割不深，山包多呈渾圓，溝谷多為“U”型谷，自然坡度一般為20°～40°，近山腳部分相對較緩，坡度一般在10°～15°之間。礦區主要出露大理巖，巖溶不發育，地表分布以溶溝、溶槽為主。礦區南部為丘陵山地，地表可見溶溝、溶槽發育，地貌類型為裸露型巖溶山地。資源儲量估算范圍內植被較發育，采坑范圍相對較小。

通過槽探、采坑、鉆探工程揭露以及地表地質調查，基本查明了礦體覆蓋層厚度總體在0～2 m，局部可達2～4 m，平均厚度為1 m。礦區大理巖風化程度總體不強，只在表層可見較強風化，巖石強度相對較低。礦石自然類型為大理巖，為了與《孝感市乙類礦產礦業權設置方案》（鄂土資函[2013]1060 號）開采礦種一致，本次工作將礦石工業類型定名為建筑用大理巖。

考慮到目前礦區資源量類別有控制資源量與推斷資源量兩種類型，因此，可使用本文設計的建模方法，在礦體模型的基礎上建立塊體模型，對礦區進行資源儲量估算。

塊體模型創建基本流程如下：在三維實體模型基礎上，選擇合適的尺寸創建塊體模型。輸入塊體屬性、資源類別，創建不同資源類別的塊體模型約束，重復上一步操作，對推斷資源量進行約束，根據建立的塊體模型及實體約束、地表約束、壓覆模型表面約束，運用軟件進行礦體儲量計算，統計得到花山沖礦區不同資源類別、分臺階地質儲量，將使用三維模型得到的資源統計量與儲量報告進行分析，可得到如表1 所示的內容。

表1 儲量報告數據與地質建模數據對比 萬t

通過三維地質模型可知，礦區保有資源量7 960.6 萬t，其中保有控制資源量6 885.6 萬t，保有推斷資源量1 075.0 萬t，與2020 年礦山儲量年度報告存在一定的差距。一般來講，兩種統計方法得到的儲量數據會有所偏差，主要原因在于三維地質模型儲量的統計方法與傳統的地勘報告儲量計算方法有區別。傳統的地質報告中儲量計算方法主要是根據典型剖面的面積采用一定的公式進行測算，對于地形變化較大的區域的礦體賦存形態的空間規律難以把握，因此存在一定的誤差。

本礦山地形高差變化大，南高北低；礦體在由西向東的展布過程中，在8 號輔助剖面線附近變得尤為狹小，三維地質模型是在充分掌握礦山地表地形變化的基礎上建立的，相對而言，準確度更高。

3 結語

本次研究由武漢理工大學承辦，通過收集區內地質、礦產等地質資料，在綜合整理分析的基礎上，開展了本次三維地質模型構建工作。

在此基礎上，對礦區資源進行了統計，截至2020 年12 月，礦區保有資源量7 960.6 萬t，其中保有控制資源量6 885.6 萬t，保有推斷資源量1 075.0 萬t，與2020 年礦山儲量年度報告相比偏大。出現該情況的主要原因是三維地質模型儲量的統計方法與傳統的地勘報告儲量計算方法存在區別，三維地質模型的建立是在充分掌握礦山地表地形變化的基礎上建立的，相對而言，準確度更高。因此，可在后續的研究中，加大對此方面研究的投入，以此為礦山企業規范開采、儲量動態監管等工作的實施提供指導意見。