三维可视化建模技术在某铁矿中的应用

田 雷,沙明光,秦 雷

(1.河南省有色金属地质矿产局第二地质大队,河南南阳 473400; 2.南阳市开元蓝晶石矿,河南南阳 473400)

三维可视化建模技术在某铁矿中的应用

田 雷1,沙明光2,秦 雷2

(1.河南省有色金属地质矿产局第二地质大队,河南南阳 473400; 2.南阳市开元蓝晶石矿,河南南阳 473400)

随着地质统计学、数学、计算机图形学和网络技术的发展,三维可视化技术在矿山建模中得到了广泛的应用。文章以某铁矿为例,基于地质统计学理论和方法,应用能够反映区域化变量特征的变异函数,利用矿业软件建立了矿山矿床、地表和工程实体模型。结果表明,建立的实体模型更加逼真地反映了矿山开采现状,储量计算结果与用传统方法计算的储量接近,为采矿工作者进行工程设计提供了可靠的依据。

三维可视化;实体模型;块段模型

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[1]。近些年来,随着计算机技术的飞速的发展,三维可视化技术在矿山建模中得到了广泛的应用[2]。通过建立地质体实体模型来研究矿床空间关系、分布规律以及进行工程设计等工作正在逐步取代传统手工方式[3]。三维实体模型不仅可以准确、直观地诠释地质体空间形态,并且能够为采矿工作者进行辅助工程设计提供可靠的依据。本文以国内某大型铁矿为例介绍了三维可视化建模技术在矿山中的具体实践及应用。

1 矿床地质条件

矿床赋存于震旦系上部层位,矿区构造的总体特征是以褶皱为主、断裂为辅。全矿区系一层矿,层位稳定,标志较明显。呈北东-西南向展布,长1 000 m。矿层厚度一般为2.5～8 m。

由于变质作用,岩层原始层理大部分已被后期构造片理(轴面片理)所掩盖。在褶曲两翼,层理于片理平行,唯在褶曲转折端层理与片理交切成直角。后期褶曲的叠加,片理系统发生弯曲,产状从南西向北东发生相应得变化。矿区矿层形态变化,浅部(100 m标高以上)较复杂,深部单一;两端复杂,中部简单。

铁主要赋存于磁铁矿、镜铁矿、赤铁矿、褐铁矿及含铁硅酸盐等矿物中,并以前三种矿物为主。TFe平均含量为26.72%,最高含量为53.25%,矿石的品位比较稳定。

2 地质体模型的建立

2.1 钻孔数据库及统计分析

地质钻孔数据库主要包含的信息有:孔口位置、测斜信息、样品品位信息。地质钻孔数据库就是将不同的地质数据信息按照一定的有机关系,共同表示钻孔完整信息的数据集合。

地质钻孔数据库是进行品位推估的重要基础,数据库的准确性对于数据信息的变异性分析十分重要。地质数据库建立过程中录入的记录有:开口表共计528条,测斜表共计1 164条,样品品位信息表共计10 215条记录。总共448个地表钻孔和80个生产勘探钻孔的信息。

2.1.1 样品统计分析

矿山矿床含有主要元素为Fe,对该矿床的主要元素品位Fe进行统计分析。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,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。

分别对矿山的原始和组合后的数据进行了统计分析,统计分析结果如表1、图1、图2所示,从原始和组合样品的直方图可以认为矿山的Fe元素呈正态分布,QQ图验证结果显示符合此种分布,如图3和图4所示。从表1和图1～图4可见,组合前后样品品位均值变化较小,并且组合前后样品品位的分布形式一致,说明组合样样长的选择是正确的。

表1 矿山样品品位基本统计参数一览表

图1 原始样Fe元素品位分布直方图

图2 组合样Fe元素品位分布直方图

图3 原始样Fe元素正态分布Q-Q检验图

图4 组合样Fe元素正态分布Q-Q检验图

2.1.2 组合样品位结构性和变异性分析

为利用样品数据,对块段模型中相应参数进行估值,除进行各样品参数的基本统计分析外(这是变异函数分析的基础),还需要进行变异函数分析,以确定各参数在空间上的相关性、结构性。变异函数分析可以得到的基本参数包括:各参数的基台值、各参数的块金值、各参数的变程(即其空间相关性,指某一样品段在三维空间上能够影响的范围)。

2.1.2.1 分析方向

按走向、倾向、厚度3个方向进行变异函数的分析,详细参数列于表2。

表2 变异性分析参数

2.1.2.2 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,需要指定的参数包括:棱柱体的容差角、容差限、滞后距,计算的最大距离,各参数的设置列于表3。

表3 变异函数计算时设置的参数

2.1.2.3 变异性和结构性分析结果

对矿山Fe元素的变异性进行分析后的试验及理论变异函数如图5所示。

图5 Fe元素试验及理论变异函数图

由上述试验及理论变异函数曲线图可以看出,矿山Fe元素样品品位具有明显的结构性和变异性,即品位值既是随机的,又是与周围一定距离内的样品值有关的。变异性参数列于表4。

表4 组合样Fe品位在三个方向上的变异函数参数

2.1.2.4 变异函数参数交叉验证

为了确保克立格估值的精度,对理论变异函数参数的取值进行检验,考察变异函数计算及拟合的效果的过程就是交叉验证。其基本原理:假定某已知样品点处的品位是不知道的,根据其周围的已知样品点,应用计算得到的理论变异函数参数对该点处的品位进行推估,然后计算该点处的实际品位与估计品位之间的误差。如果交叉验证的平均误差应趋近于0、误差的方差趋近于平均推估克立格方差、误差分布应属于正态分布,且95%置信限应位于正负两倍的克立格方差范围内,则理论变异函数参数是准确的。

矿山交叉验证后误差统计分析结果如图6和表5所示。由图6和表5可见,表4所列的关于矿山Fe元素的变异函数模型及其参数满足交叉验证的判断准则,拟合的理论变异函数是比较准确的,这意味着:块段模型中Fe元素的品位值可依据已知样品数据,采用表4所列的变异函数参数,由克里格估值理论方法推估而得。

图6 误差统计分析图

表5 Fe元素品位变异函数参数的交叉验证结果

2.2 矿体模型

在现有地质资料的基础上,根据已经诠释的工程剖面图纸,以DXF文件格式导入可视化软件中,按一定的比例进行坐标转换得到线框集,然后建立矿体模型,如图7所示。

图7 矿体模型

2.3 地表模型

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,可以对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,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。地表模型由若干地形线和散点生成,把地形线和散点以DXF文件格式导入可视化软件中,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。根据矿山的地形图生成的地表模型如图8所示。

2.4 工程实体模型

工程实体模型根据矿山提供现有中段开拓平面图,通过矢量化过程后借助可视化软件生成,如图9所示。

2.5 矿体三维品位模型

地质模型建立以后,要采用矢量模型与栅格模型相结合的方式来准确、完整地表达地质体的空间形态和内部属性[4]。体元模型可以按体元的类型分为四面体、六面体、棱柱体和多面体共4种类型[5],目前应用较为广泛的是六面体,如矿业软件DataMine,MicroMine,Surpac等都是应用六面体作为体元进行实体建模,并称为块段模型[6,7]。本研究中也采用六面体的方式建立块段模型。通常块段模型中单元块尺寸确定与勘探网度、采矿方法以及矿体形状有关。本次建模块度尺寸:8×8×8 m,在边界处按4×4×4进行次分。模型东方向单元块块数:260块;模型北方向单元块块数:225块;模型高程方向单元块块数:50块。

图8 地表模型

图9 工程实体模型

3 储量计算

块段模型建立好以后,可以根据上节的变异性分析结果和建立的实体模型对矿山矿体内块段模型应用克里格方法进行估值,然后按照不同的边界品位对矿山的储量进行统计分析,储量统计结果列于表6。

表6 矿床地质矿床模型储量计算结果表

4 结 论

利用三维可视化建模技术建立实体模型更加逼真地反映地质体空间形态,根据建立的矿体模型可为品位估值、储量计算、采矿设计等提供很好的平台,该项技术在矿山的发展应用不仅促进了传统采矿手段的发展,也将对我国矿山企业的数字化进程起到巨大的推动作用。

[1] 曾庆田,王李管,李德,等.云南某铜矿资源及开采环境评价可视化建模技术研究[J].矿冶工程,2007,27(3):15-19.

[2] 龚元翔,王李管,贾明涛,等.金川Ⅲ矿区复杂地质体三维可视化建模技术研究[J].中国矿山工程,2007,(6):8-12.

[3] 王李管,曾庆田,贾明涛,等.复杂地质构造矿床三维可视化实体建模技术[J].金属矿山,2006,(12):49-52.

[4] 毕林,王李管,陈建宏,等.基于八叉树的复杂地质体块段模型建模技术[J].中国矿业大学学报,2008,37(4):532-537.

[5] 吴江斌,朱合华.基于Delaunay构网的地层3D TEN模型及建模[J].岩石力学与工程学报,2005,24(24):4 581-4 587.

[6] 毕思文,殷作如,何晓群,等.数字矿山的概念、框架、内涵及应用示范[J].科技导报,2004,(6):39-63.

[7] 李清泉,李德仁.三维空间数据模型集成的概念框架研究[J].测绘学报,1998,27(4):325-330.

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,工程师,主要从事野外地质工作。

2010-05-26