基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的礦山三維數(shù)字建模與可視化技術(shù)研究

基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的礦山三維數(shù)字建模與可視化技術(shù)研究

床的三維數(shù)字模型是數(shù)字礦山的基礎(chǔ)，是床的數(shù)字表現(xiàn)。采用三維數(shù)字技術(shù)建立礦床地質(zhì)模型,進(jìn)行礦產(chǎn)儲(chǔ)量評(píng)價(jià)及礦山規(guī)劃設(shè)計(jì),對(duì)于我國(guó)礦業(yè)按國(guó)際通用方法評(píng)價(jià)礦床,適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需要等無(wú)疑有十分重要的意義。文章在對(duì)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和英國(guó)DATAMINE軟件技術(shù)的研究基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)某大型銅礦,介紹了三維數(shù)字建模技術(shù)在礦山中的具體實(shí)踐及應(yīng)用。1主礦及金屬資源銅礦是我國(guó)一大型的地下開(kāi)采礦山。共有銅、硫、鐵礦體140多個(gè),其中主礦體1個(gè),單硫小礦體3個(gè),未編號(hào)的零星小礦體百多個(gè)。主礦體賦存于泥盆系上統(tǒng)五通組頂界和石炭系中上統(tǒng)層位中,屬層控夕卡巖型銅礦床。主礦體長(zhǎng)1810m,寬平均500m。礦體埋藏深,賦存標(biāo)高為-690～-1007m。礦體最大厚度100.67m,最小l.13m,平均厚34.16m,厚度變化系數(shù)80.65%,屬較穩(wěn)定型。礦體總體走向北東35°～40°,傾向與背斜兩翼產(chǎn)狀一致,分別傾向北西和南東,礦體中部?jī)A角較緩,一般均小于10°;而西北及東南邊部較陡,一般為30°～40°。礦石中的金屬礦物主要有磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦等,主要的有用組份為銅。全礦床銅平均含量為1.01%,品位變化系數(shù)98.76%,屬較均勻變化型。2在復(fù)雜工程中的應(yīng)用Datamine是英國(guó)MICL公司開(kāi)發(fā)的一套廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、勘探、資源估計(jì)、儲(chǔ)量計(jì)算、露天采礦和地下采礦設(shè)計(jì)的大型數(shù)字化礦山軟件。它形成了一整套三維立體的和塊體的建模工具,可將土建工程設(shè)計(jì)、三維模型建立、工程數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建等完全圖形化,并解決復(fù)雜工程中境界優(yōu)化的施工管理。它提供了與其他數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)軟件接口的功能,使該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可與其他數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和相關(guān)軟件相互查詢(xún)和編輯,能夠?qū)崿F(xiàn)各種工程和礦體的三維立體顯示和成圖,并根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法和原理提供進(jìn)行礦體品位和儲(chǔ)量估值的各種方法,同時(shí)還可以進(jìn)行礦山的開(kāi)采設(shè)計(jì)以及數(shù)字地形模型的建立。作為一套全面的集成軟件系統(tǒng),它具有先進(jìn)、全面、高效、易于掌握等特點(diǎn),極大地改進(jìn)了測(cè)量工程師、采礦工程師、地質(zhì)工程師和高級(jí)管理人員之間的技術(shù)信息交流,使企業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)在高效的管理控制之下,從而獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。3建模的基本成本結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)圖件、鉆孔數(shù)據(jù)等情況,按照礦體的形態(tài)、走向、傾向和空間分布特征確定建模的范圍和基本參數(shù)。模型基本參數(shù)見(jiàn)表1。4三維數(shù)據(jù)建模方法根據(jù)datamine軟件的功能和特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)礦山數(shù)字化技術(shù)步驟見(jiàn)圖1。4.1組合樣長(zhǎng)度及長(zhǎng)度地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)由孔口坐標(biāo)文件、孔口測(cè)斜文件、鉆孔樣品文件、鉆孔巖性文件4個(gè)文件組成。它是進(jìn)行地質(zhì)解譯、品位推估、儲(chǔ)量計(jì)算與管理以及后續(xù)采礦設(shè)計(jì)等的基礎(chǔ);對(duì)樣品統(tǒng)計(jì)分析的目的,一方面是為了掌握礦床銅元素的分布情況,另一方面是指導(dǎo)后面品位推估時(shí)采用何種方法進(jìn)行變異函數(shù)計(jì)算與分析。本次建模共收集和使用鉆孔216個(gè),有效樣品數(shù)為7945個(gè)。根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,為確保得到參數(shù)的無(wú)偏估計(jì)量,所有的樣品數(shù)據(jù)應(yīng)該落在相同的承載上,即同一類(lèi)參數(shù)的地質(zhì)樣品段的承載應(yīng)該一致。因此,在建立品位模型之前,需對(duì)樣品進(jìn)行組合。樣品組合有多種方法,如按鉆孔長(zhǎng)度組合、按臺(tái)階高度組合、混合組合等。本次研究選用“按鉆孔長(zhǎng)度組合方法”。組合樣長(zhǎng)度的確定要考慮多種因素,如原始樣本長(zhǎng)度、原始樣本容量的大小、塊體建模時(shí)單元塊的尺寸等等。由于該礦床平均原始樣品長(zhǎng)度為1.5m,為了降低樣品組合過(guò)程中可能導(dǎo)致的品位平均化程度,取組合樣長(zhǎng)度仍為1.5m。采用按鉆孔長(zhǎng)度組合法組合樣計(jì)算完成后,為了合理選擇品位推估方法,確保估值精度,需進(jìn)行組合樣品統(tǒng)計(jì)分析了解其分布形式。銅組合樣統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。在品位估值時(shí),為了消除特高品位樣品的“屏蔽”效應(yīng),需限制樣品品位區(qū)間。由于該銅礦床,品位高于6%的銅元素樣品數(shù)目較少,這里把6%作為特異值,將品位大于6%的樣品數(shù)據(jù)剔除。4.2cu樣品的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換按球狀模型用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算了Cu元素在走向、傾向、垂直(厚度)3個(gè)方向的變參數(shù)異函數(shù)。對(duì)該礦床Cu元素樣品品位統(tǒng)計(jì)分析表明,Cu品位服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,因此,變異分析時(shí),對(duì)銅樣品品位進(jìn)行了對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。變異分析參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表3,實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)及擬合的理論變異函數(shù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2～4。4.3交叉驗(yàn)證理論變異函數(shù)參數(shù)將用于后續(xù)的礦床品位推估或儲(chǔ)量計(jì)算中,因此,理論變異函數(shù)參數(shù)取值的正誤對(duì)品位估值結(jié)果的準(zhǔn)確性具有非常大的影響。進(jìn)行交叉驗(yàn)證的目的就是對(duì)理論變異函數(shù)參數(shù)的取值進(jìn)行檢驗(yàn),判斷應(yīng)用這些參數(shù)進(jìn)行品位估值時(shí)的估值效果。交叉驗(yàn)證的基本思想是:假定某已知樣品點(diǎn)處的品位是不知道的,根據(jù)其周?chē)囊阎獦悠伏c(diǎn),應(yīng)用計(jì)算得到的理論變異函數(shù)參數(shù)對(duì)該點(diǎn)處的品位進(jìn)行推估,然后計(jì)算該點(diǎn)處的實(shí)際品位與估計(jì)品位之間的誤差。如果交叉驗(yàn)證的平均誤差應(yīng)趨近于0、誤差的方差趨近于平均推估克立格方差、誤差分布應(yīng)屬于正態(tài)分布且95%置信限應(yīng)位于正負(fù)兩倍的克立格方差范圍內(nèi)。則理論變異函數(shù)參數(shù)是準(zhǔn)確的。交叉驗(yàn)證結(jié)果如表4,圖5所示。由表4可知:變異函數(shù)參數(shù)比較準(zhǔn)確、合理,可以用于進(jìn)行克立格估值。4.4礦段礦體圈定礦體的圈定對(duì)礦床三維實(shí)體建模以及后續(xù)的礦產(chǎn)儲(chǔ)量計(jì)算都起了關(guān)鍵性的作用。如果圈定的礦體接近實(shí)際情況,那么儲(chǔ)量計(jì)算準(zhǔn)確,對(duì)礦山生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用,否則,將影響礦山的開(kāi)采規(guī)模及生產(chǎn)。礦體圈定是在指在截取礦段,確定了各見(jiàn)礦工程中的礦體邊界(包括表內(nèi)外儲(chǔ)量及夾石的邊界)基點(diǎn)之后,在勘探線(xiàn)剖面圖上,結(jié)合地質(zhì)條件及圈定原則,將這些基點(diǎn)合理地連接而圈出整個(gè)礦體的邊界(圖6)。但是,由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性,地質(zhì)工作人員根據(jù)實(shí)際情況可能需要對(duì)圈定的礦體邊界進(jìn)行調(diào)整,以反映實(shí)際生產(chǎn)需要。因此,通過(guò)采用datamine交互式的礦體邊界點(diǎn)修改工具,對(duì)邊界控制點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào)整,以反映實(shí)際情況。4.5維地質(zhì)建模礦體是由一系列相鄰三角面,包裹成內(nèi)外不透氣的三維實(shí)體,其表面為不規(guī)則曲面。根據(jù)圈定的礦體剖面圖,Datamine采用線(xiàn)框構(gòu)模法來(lái)建立礦體三維模型,線(xiàn)框構(gòu)模法是一種表面構(gòu)模技術(shù),即把面上的點(diǎn)用直線(xiàn)連接起來(lái),形成一系列多邊形,然后把這些多邊形拼接起來(lái),形成一個(gè)多邊形網(wǎng)格,以此來(lái)模擬礦體邊界和空間形態(tài)(圖7)。4.6礦床基于塊體的模型擬合礦床的實(shí)體模型雖然給出了礦體的幾何空間形態(tài),但無(wú)法描繪出礦體內(nèi)部的品位分布情況,因此必須在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上,建立礦床塊體模型并應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)模型進(jìn)行品位賦值。Datamine塊體品位建模的基本思想是將礦床在三維空間內(nèi)按照一定的尺寸劃分為眾多的單元塊,然后對(duì)填滿(mǎn)整個(gè)礦床范圍內(nèi)的單元塊的品位根據(jù)已知的樣品進(jìn)行推估,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行儲(chǔ)量的計(jì)算。塊體模型屬性可以是金屬的品位,也可以是煤的質(zhì)量或者比重等。塊體的屬性和圖例都可以自動(dòng)地用不同的顏色顯示從而揭示礦體內(nèi)部品位的具體分布情況(圖8)。本次建模參數(shù)見(jiàn)表5。需要指出的是,搜索半徑本應(yīng)采用變異函數(shù)分析時(shí)計(jì)算出的變程,但由于模型規(guī)模較大,且勘探網(wǎng)度在首采區(qū)段以外較大,已知樣品點(diǎn)較少,為估計(jì)出整個(gè)礦體范圍內(nèi)的品位,人為將其增大;但為了減少由于人為增大搜索半徑導(dǎo)致的品位估值精度的降低(在勘探網(wǎng)度較密區(qū)域),特意將參與估值的樣品點(diǎn)數(shù)進(jìn)行限制;其他的變異函數(shù)參數(shù)采用計(jì)算得到的參數(shù)。4.7床儲(chǔ)量及提交報(bào)表礦床品位模型建立后,便可以快捷地計(jì)算礦床儲(chǔ)量,并提交儲(chǔ)量報(bào)表(表6)。同時(shí)可以根據(jù)需要計(jì)算任意邊界的儲(chǔ)量,大大節(jié)約了人力、物力和時(shí)間,提高了效率和精度。4.8工程圖紙數(shù)字化工程建模之前應(yīng)將工程圖紙進(jìn)行數(shù)字化處理。工程圖紙主要包括礦山原始的掃描圖紙,還有部分生產(chǎn)過(guò)程中的CAD圖紙。工程圖紙數(shù)字化工作主要包括兩個(gè)部分:一是將原始掃描圖紙?jiān)贑AD環(huán)境下的矢量化;二是將已有的CAD圖轉(zhuǎn)換成后期所需要的存儲(chǔ)格式并進(jìn)行3D轉(zhuǎn)換及坐標(biāo)修正,從而形成工程平剖面分布圖。然后同樣采用線(xiàn)框構(gòu)模法建立工程實(shí)體模型(圖9)。5任務(wù)作業(yè)流程開(kāi)采計(jì)劃編制的主要流程包括:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、生成任務(wù)、流程優(yōu)化與確定任務(wù)作業(yè)順序、生產(chǎn)計(jì)劃報(bào)表與可視化表達(dá)及動(dòng)態(tài)更新與調(diào)整?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備主要包括三維塊體地質(zhì)模型,掘進(jìn)設(shè)計(jì)線(xiàn),巷道固定斷面形狀,采場(chǎng)輪廓,不規(guī)則斷面工程,設(shè)備臺(tái)效,生產(chǎn)工序等。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分段,形成生產(chǎn)任務(wù),同時(shí)根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計(jì)算各分段任務(wù)的工程量,并為各分段任務(wù)添加各種屬性與性質(zhì)。流程優(yōu)化指的是根據(jù)任務(wù)的工程量與設(shè)備臺(tái)效確定各任務(wù)的作業(yè)時(shí)間,然后根據(jù)計(jì)劃技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)目標(biāo),由工程的銜接關(guān)系及設(shè)備資源等約束條件,優(yōu)化并確定作業(yè)順序。生產(chǎn)計(jì)劃報(bào)表主要包括設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)表、虛擬評(píng)估數(shù)據(jù)報(bào)表、地質(zhì)數(shù)據(jù)評(píng)估報(bào)表、品位與開(kāi)采噸位統(tǒng)計(jì)表。同時(shí),可由每一個(gè)任務(wù)的屬性,通過(guò)一定的操作來(lái)生成各種所需的報(bào)表。輸出各種數(shù)據(jù)報(bào)表,生成生產(chǎn)調(diào)度甘特圖(圖10),開(kāi)采計(jì)劃的生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)畫(huà)(圖11)。6維數(shù)字建模技術(shù)在礦業(yè)中應(yīng)用研究數(shù)字建模技術(shù)不僅十分必