3Dmine在矿区地勘工作中的应用

张 敏 杨 阳 邓中飞 陈邦学 朱慧秦

（新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第十一地质大队 昌吉 831100）

当前在地质勘查、矿山开发及地质研究等方面加快矿业信息化和三维可视化是业界已达成的普遍共识，以AutoCAD、Mapgis等二维软件为主的情况也正在逐渐变化，三维软件逐渐在地矿行业普及应用。同时以数学统计为核心的地质统计学储量计算方法，将逐渐发展成为主流的储量计算方法，以手工计算为主的传统方法逐渐被地质统计方法所替代[1]。矿区储量计算也从二维向三维逐渐发展，将矿床的三维建模与储量计算结合起来是当前矿产资源储量计算新的手段，它能够更加直观、准确的对矿产储量进行计算。

1 建立矿区数据库及地形模型

数据库的建立是为三维建模提供数据基础，其中记录了大量原始地质数据信息。以钻孔数据库为例，其主要由工程定位、样品化验数据、工程编录数据等文件组成（表1）。数据库的构建同时实现了对矿山地质资料数据的动态查询和管理，能够三维显示地质信息、进行基本统计分析、地质解译等[2]。

表1 钻孔数据库各文件示例表

数字地形模型（DTM）就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。软件中采用TIN技术构建地表模型，TIN模型可以根据地形的具体特点和复杂程度而确定采样点的密度和位置，避免数据的冗余，并相对准确的描述出地形的结构和一些局部地区，同时又便于进行地形计算和分析，能够较好地反映实际地形信息[3]。将矢量化的地形图导入到软件中进行高程赋值后，生成数字地形模型。

2 三维矿床建模

三维矿床建模是为了将矿体、断层等在三维空间可视化，同时也是对数据的有效集成和信息挖掘的最佳方法。将技术人员对所研究区域各地质体的认识有效的体现在所建立的模型中，使所建立的模型最接近于实际地质环境，从而为后期矿块品位插值、储量估算等奠定基础。3DMine软件提供了多种方法进行三维地质建模，如自动建模、基于原始勘探线剖面的建模、基于钻孔数据库的建模等。

2.1 基于勘探线剖面的建模

在勘探线剖面图的基础上，整理提取出矿体边界线、矿体编号、坐标网、地表界线等有用信息，进行优化、纠错等处理，去除不利于建模的无关信息，经过多次坐标变换将二维剖面数据转换到三维空间中正确的位置，使各剖面图的位置与勘探钱相互对应（图1）。软件中设置合适的三角网参数，在相邻的勘探线剖面图中选择同一矿体的闭合线，依次连接成三角网。在实际的建模过程中会有矿体的分支复合较多、对应较难的现象，此时在三维矿体的连接、外推及分支复合的处理上，可创建多个“辅助线”和“分区线”对矿体形态进行控制，最终形成完整的矿体模型。

图1 勘探线剖面建模过程示意图

2.2 基于钻孔数据库的人机交互建模

在钻孔数据库的基础上，经过数据库检验、特高品位处理、组合样长、钻孔设置及创建勘探线等步骤后，将一定容差范围内的钻孔投影到切割的剖面上，根据边界品位、钻孔数据信息及地质规律和建模原则对不同剖面的矿体进行解译。解译后根据相邻剖面矿体赋存位置、地质规律、外推和尖灭原则等建立矿体面模型，最后为保证模型的可靠性要进行实体验证，对错误实体进行修正。矿体模型的创建流程复杂，在圈连过程中容易出现逻辑错误，如自相交、无效边、开放边等，因此必须对建立的模型进行验证，验证合格的实体模型才可以进行查询、编辑、体积计算等操作。建立的矿体模型具备三维可视化功能，并可在其内部任意设置剖面浏览，全面掌握矿体的形态、产状及空间分布规律等（图2），技术人员能够更方便直观的研究矿床的品位特征、分布规律及矿化与地质环境的关系等。

图2 切割状态下三维矿床模型效果图

2.3 自动建模

3Dmine提供一种在钻孔数据库基础上的自动建模方法，通过设置边界条件、网格、剔除厚度等参数，直接生成矿体模型。该自动建模的矿体模型是基于固定的算法生成，针对不同的矿床其矿体形态可能与专业技术人员的预期有一定的差异，且不同矿床的矿体形态与矿床成因和地质环境密切相关，故因综合考虑判断自动建模模型的可靠性或仅做参考使用。另外，利用地质统计学对矿体进行结构各向异性分析，分析得出主轴/次轴、主轴/短轴、主轴方位角、主轴倾伏角、次轴倾角等参数值。将各向异性分析结果加入到自动建模过程中生成矿体模型（图3）。通过自动建模结果的比较，认为加入矿体结构各向异性参数为指导的自动建模较直接自动建模的结果可靠性更强，更加接近矿体的实际真实形态。

图3 结构各向异性指导的自动建模效果图

3 储量估算及方法比较

3.1 地质块段法储量计算

软件中用地质块段法进行储量估算试验（图4），完成矿段圈定、矿体投影、创建块段及储量报告等，得出软件与人工储量计算的相对误差为4.6%，相对误差较小，该方法本身不存在误差，推测软件与人工计算引起误差的原因是人为因素或投影产生的误差等。

图4 地质块段法储量计算三维块段模

利用3Dmine软件进行传统的地质块段法储量计算较人工方法计算更加方便快捷，在数据量较大时更显优势，同时能够减少人为因素产生的误差，提高技术人员的工作效率，方便后期的数据管理及应用等。

3.2 地质统计学储量估算

地质统计学是以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，研究那些在空间分布上既有随机性，又有结构性的自然现象的科学。基于地质统计学的储量估算方法，考虑了矿石的空间品位变化，可提高资源储量估算的准确性[4]。

实验半变差函数分析。在地质统计学中，变差函数是最基本与最重要的模拟工具，是计算区域化变量空间结构特征的函数[5]。通过计算变量得到实验变差函数，拟合出理论变差函数，再将不同方向的拟合结果套合为一个函数，用于估值计算。根据矿体产状计算三个方向的半变差函数，走向、倾向和厚度方向分别对应主轴、次轴和短轴，最终选择拟合理论变差函数的参数：块金值、基台值及变程。本次分析使用指数模型。

克里格估值。估值前需建立矿体空块模型和交叉验证，对矿体模型内部进行块体分割，形成由n个体元模拟的区域，每个体元都有相应坐标并可以任意添加属性，克里格法估值结果会作为一个属性值加入块模型。交叉验证是对所拟合的理论半变差函数的可靠性进行检验，即从已知信息样本总体中抽离某个点，用抽离点以外的其他信息结合半变差函数模型估计被抽离点，结果得到一系列估计值和误差等参数，根据误差判断模型的准确性。软件中设置估值参数、搜索参数、分区参数、孔约束等，用普通克里格法进行空间估值，在估值过程中需通过改变主轴搜索半径、分区设置、约束条件等参数进行了多次克里格估值，确保所有的空块均被赋予品位等属性。

资源储量估算结果对比。对普通克里格法估值的块体模型进行资源量报告，并与人工地质块段法储量计算结果进行比较，得出人工地质块段法与普通克里格法两种方法L1、L2矿段估算结果（表2）的相对误差分别为0.73%、4.40%，相对误差均小于5%，说明储量估算结果的可靠性较强，同时提高了储量估算的准确性。不同的估算方法产生误差是正常的，误差产生的原因是多方面、综合性的，但两种估算方法的相对误差较小，估算结果可靠。

表2 资源量估算结果对比表

4 结论

⑴通过三维矿床建模，改进了对矿区地质数据的认识和理解，有利于提高信息的利用率和空间分析能力，为地质人员在三维空间中观察、分析研究地质现象以及空间展布特征等提供了一种全新的方法。

⑵根据国内广泛采用几何方法进行储量估算、提交报告的实际情况，以地质块段法为例进行软件和人工储量计算的对比，结果显示两种方法的相对误差小，且运用三维软件计算储量避免了人工计算繁琐、人为因素多的缺陷，大大提高了技术人员的工作效率，同时软件可运用多种方法验证对比，提高了储量计算结果的可靠性，并在实际生产中快速给出储量报告。

⑶基于3DMine软件实现了矿区地质建模及储量估算的三维可视化，给出了基于三维可视化的矿床建模和储量估算的流程方法，并运用多种方法快速有效地实现资源储量可视化评价，促进矿区地勘工作由二维向二三维一体化转变。