基于Surpac的水泥矿山三维建模与设计

赵翔，鲁承桂，邢利伟，朴志友

现阶段，国内传统的水泥矿山设计方法是根据矿山地质基础资料，使用AutoCAD等平面设计工具，进行地质岩性判断、元素品位分析、矿石储量计算、矿山开采设计和采剥进度计划编制等工作，核心设计理念是以出平面和剖面图的二维方式来表达三维空间的、复杂动态的矿山地形地质，因此在矿山设计中一直存在着设计效率低、成果不直观的缺点[1]。随着国内外水泥矿山开采设计技术和计算机三维可视化技术的发展，以三维可视化设计软件Surpac为核心工具的三维地质采矿设计系统逐渐在水泥矿山设计行业中兴起，可以有效解决上述传统设计方法中存在的不足。

本文以天津水泥工业设计研究院有限公司所设计的都江堰Lafarge三线石灰石矿山扩建工程为研究对象，将Surpac软件运用于该项目矿山的三维采矿设计和采剥进度计划编制中，成功实现了项目矿山三维可视化，大大提高了设计效率，为合理开采矿山资源提供了科学的依据。

1 项目概况

都江堰Lafarge三线大尖包矿区南西段石灰岩矿位于都江堰市349°方向，平直距离8.5km。矿山矿体呈板块状，出露宽度＞340m，控制厚度239.22～485.78m，平均厚度388.64m，控制走向长度＞1500m，属厚大矿体。矿体赋存于二叠系下统栖霞、茅口组地层，呈层状单斜产出。矿体直接顶板为二叠系上统龙潭组，直接底板为二叠系下统栖霞组下段，顶底板与含矿层岩性差异明显，界线清楚。

将矿山AutoCAD格式的地质地形图中的地形线赋高程值后保存为单独文件，直接导入Surpac软件，即可形成矿山三维地表模型。通过建立都江堰Lafarge三线矿山的地表模型，有助于设计者直观明了地对矿山地表形态进行初步解读[2]。矿山三维地表模型见图1所示，图1中不同的地表颜色代表一定的海拔标高。

2 地质数据库及地质解译

矿山地质数据是进行地质评估、建立矿床三维模型和采矿设计的基础，地质基础数据的完备性、真实性和可靠性直接影响到矿山矿体建模和设计的精度，乃至矿山经营和决策的准确性[3]。在建立矿山地质数据库前，首先应对矿山地质基础数据进行必要的统计分析。对本项目矿区范围内参与数据统计分析的10条勘探线和16个勘探钻孔中的2010组单样数据进行正态分布和线性回归分析，先剔除品位数据中偏离标准差的极大和极小值，再分别计算出各元素品位的平均值、标准差和变异系数等指标，以对矿体质量和各元素品位分布趋势进行初步的分析与估算，表1为对矿体中样品数据的统计分析表。

提取经过初步统计分析的地质数据中的各钻孔和探槽的孔口开口坐标、空间走向、各元素品位和矿区地质岩性等数据信息，按照Surpac软件规定的格式归纳整理后，建立软件需要的collar、survey、sample和geology数据表，再将上述数据表导入软件的地质数据库模块，即可生成矿山地质数据库。

矿山地质数据库建立后，在软件主视窗内可以便捷直观的显示所有钻孔和探槽的孔口位置坐标、空间走向、各元素品位数据等信息，并可在窗口内360°任意旋转、缩放观察感兴趣的区域，还可沿矿山勘探线“切剖面”，自动生成矿山各勘探线地质剖面图，见图1、图2。图1中地表模型上的红色线条为矿山各勘探线实际位置。图2为矿山A-A'勘探线剖面地质解译图，图上各钻孔、探槽的深度和CaO、MgO元素品位分别显示在其两侧，元素品位数据根据矿石工业指标以不同颜色区别显示。

图1 矿山地表模型及勘探线布置

图2 矿山A-A'剖面地质解译图

在生成的矿山各勘探线地质剖面图上，综合考虑矿石工业指标、勘探类型、样品化学分析数据、矿体产状特征和岩石类型等因素，在划定的矿区范围内，精确地在各地质剖面图上进行地质解译，圈定各勘探剖面上矿体和夹石的边界范围，再将各剖面上圈定的矿体和夹石的边界范围界线在三维空间中连接起来，并在两侧边界处进行合理外推，即可形成本项目矿山矿体和夹石的三维实体模型[4]。图3为矿山三维矿体与地表模型，图中红色的三维模型为矿体，白色线条为矿山勘探线，土黄色透明二维模型为矿山地表。

3 块体模型及储量计算

块体模型是在三维空间内将已建立的矿山矿体和夹石的三维实体模型依据地勘工程网度、矿体产状、元素品位变异函数等特征因素，在矿区范围内划分为规定尺寸的众多单元子块后，再应用地质统计学原理和克里格法、距离幂次反比法等数学方法，由有限的已知品位数据来估算已知品位数据周围空间的品位数据，并将其直接或计算后赋值到所有单元子块中[5]。通过Surpac软件的块体模型模块，考虑矿山实际地形地质特征，本矿山矿体模型按照子块体尺寸10m×10m×1m的空间网度进行建立。

矿山块体模型建立后，可根据实际需要，通过设置不同的约束条件，以及使用不同的颜色和图例符号来显示研究区域内矿体、夹石和各元素品位的空间分布情况；也可根据矿山各水平台段标高和指定元素的不同品位区段进行分类，生成包含矿石量、废石量和元素平均品位等信息的储量报告；还可将设计优化后的矿山采剥终了图作为约束条件，计算矿山的可采矿石总量、夹石总量和剥离总量等数据，为下一步的矿山采矿设计、采剥进度计划编制和矿山生产开采的动态管理提供科学依据[6]。表2为矿山采剥终了后以CaO元素品位范围划分的矿山可采矿量统计表，由表2可知，矿山可采矿量总计约为2.37亿吨，矿山整体矿石质量优良，绝大部分矿石为Ι级品，仅有少部分为Ⅱ级品。

4 矿山设计及采剥进度计划编制

图3 矿山矿体与地表模型

表2 矿山以CaO元素品位范围划分的矿量分布表

图4 三线矿山总平面布置图

图5 矿山第5年末综合采剥界线图

完成上述建立矿山地质数据库、地表模型、实体和块体模型的准备工作后，即可开始本项目矿山的三维设计工作。根据都江堰Lafarge三线矿山的地形地质特点、矿体空间赋存特征和各元素品位空间分布趋势，并参考一、二线矿山开采现状和现场实际经验，进行三线矿山的矿山基建总平面布置设计。根据矿山总体布置，矿山1540m标高以上全部削顶，首采区布置有1530m、1518m和1506m水平三个采准工作面，矿山设计有上山道路、新上山道路、至排土场连接道路等联络道路与矿山一、二线采区和废石场连接。矿山开采的矿石经运矿道路运输至1450m溜井平台，在溜井硐室内破碎后由5条胶带机运输至厂区。矿山最低开采标高为1170m，采场各水平台段设计高度均为12m，共设计有30个水平台段；考虑矿山边坡稳定性因素，各水平台段坡面角按60°设计放坡，安全平台与清扫平台分别按4m和8m相隔设计，见图4所示。图4中，右下蓝线区域为矿山一线采区，现已基本开采完毕；左侧黄线区域为矿山二线采区，现正常生产开采中；右上浅蓝线区域为三线矿山基建位置处。

根据三线矿山基建总平面布置、矿山采剥终了后采坑内各水平台段可采矿量、废石量和剥离量，以及矿山矿石总量、夹石和剥离总量等数据，参考一、二线矿山实际开采经验，编制矿山总体采剥进度计划。矿山采剥进度计划按照年设计生产能力534万吨，矿山投产即达产进行编制。在编制进度计划时，综合考虑矿山二、三线采区不同品位矿石的开采平衡，并尽量搭配高、低品位的矿石和夹石，以合理利用资源。图5为矿山第五年末综合采剥界线图。

5 结论

本文以Surpac软件在都江堰Lafarge三线工程项目中的运用为例，对使用Surpac软件进行水泥矿山三维设计和采剥进度计划编制进行了简要的介绍，并在使用中得到以下几点经验体会：

（1）应用Surpac软件建立都江堰Lafarge三线扩建项目的矿山地质数据库、地表模型、三维矿体和块体模型，实现了地形地质条件和矿体赋存条件复杂矿山设计的三维可视化，并可直观形象地反映矿体产状和各元素品位分布特征，使设计人员在矿山设计时能够对矿山有一个比较直观、清楚的把握。

（2）通过Surpac软件块体模型的储量计算功能，可快速、准确地得到矿山任意台段指定区域内的矿石量、废石量、元素平均品位，以及矿山矿石总量、总废石量等数据，极大地提高了矿山地质储量统计的精确度和效率，大大减少了手工计算工作量，并为矿山开采设计和采剥进度计划编制提供了良好的基础和工作平台[7]。

（3）Surpac软件的地质数据库具有强大的数据查询和实时更新功能，可为改扩建矿山的设计和开采提供极大的方便，并可在矿山生产开采中提供持续服务。

[1]魏连江,方宗武,王红胜.三维可视化技术在矿山开采辅助设计中的应用研究[J].矿业工程,2006,4(3):61.

[2]潘东,李向东.基于SURPAC的矿山三维地质模型开发[J].采矿技术,2006,6(3):499～501.

[3]张国亮,张海峰,周勇.基于Surpac的某珍珠岩矿三维建模与露天境界圈定[J].采矿技术,2012,12(1):11-13.

[4]张长锁.矿业软件在矿山三维可视化建模中的应用[J].有色金属,2011,63(6):72-76.

[5]李志民,高艳磊,于正兴,等.Surpac vision 软件在某露天矿的应用研究[J].采矿技术,2009,9(1):113-115.

[6]赵翔,黄东方,张万利.Surpac软件在水泥矿山设计中的应用[J].水泥技术,2009,149(5):35-37.

[7]杨彪,罗周全,陆广,等.露天矿山三维设计方法应用研究[J].工程设计学报,2011,18(1):48-52.■