基于三維可視化模型的礦床儲量動態(tài)管理方法

劉淑英

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

基于三維可視化模型的礦床儲量動態(tài)管理方法

劉淑英

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

針對地下金屬礦山的特點,從促進地下采礦技術(shù)的可視化和數(shù)字化出發(fā),在分析礦床復雜介質(zhì)體特征的基礎上,提出了地質(zhì)數(shù)據(jù)的存儲和管理方式,闡述了基于三維可視化模型的礦床儲量動態(tài)管理模型與方法。

礦床儲量;三維地質(zhì)體模型;儲量管理

應用先進的數(shù)字技術(shù)提升我國地下礦山的設計、管理和決策手段及模式,是從事礦業(yè)相關(guān)領域研究的單位迫切需要考慮的問題。本文在分析礦床復雜介質(zhì)體特征的基礎上,研究分析了基于三維可視化模型的礦床儲量動態(tài)管理與品位控制技術(shù),以促進地下采礦技術(shù)和管理的可視化、數(shù)字化。

1 礦床地質(zhì)體三維模型及數(shù)據(jù)管理

建立礦床模型是實現(xiàn)礦床開采可視化的第一步,也是礦山數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)之一。但礦床是一個極為復雜的地質(zhì)體,包括巖層、礦體、斷層等。由于受到各種地質(zhì)作用的影響,使得它的組成與形態(tài)變化多樣,尤其是它的地下賦存條件復雜多變。礦床地質(zhì)體特征包含礦床開采過程中發(fā)生相互作用和影響的各種因素。在礦山開采過程中,通常以平面圖表、文字等形式表示。在具體工作中,技術(shù)人員以及管理人員要根據(jù)這些平面圖表、文字等信息,憑借自身的空間想象力和平時的工作經(jīng)驗,對礦床地質(zhì)體特征在腦海中進行三維重建。但由于想象力的發(fā)揮具有較大的主觀隨意性和不確定性,經(jīng)常會產(chǎn)生對實際情況的錯誤判斷,致使設計出現(xiàn)嚴重錯誤和偏差,導致管理中的決策失誤,造成生產(chǎn)的被動和資源的損失。構(gòu)建可視化的礦床地質(zhì)體三維可視化模型,將為實現(xiàn)礦床地質(zhì)數(shù)據(jù)管理的可視化、采礦設計的數(shù)字化,以及相關(guān)生產(chǎn)管理的智能化奠定基礎。

礦床地質(zhì)數(shù)據(jù)是礦山資源評估、儲量計算和采礦設計的基礎,是礦山生產(chǎn)管理的重點。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫包括了海量的地質(zhì)和工程信息,地質(zhì)數(shù)據(jù)的完善性和可靠性,直接影響一個礦山的生產(chǎn)經(jīng)營和決策。因此,根據(jù)需要,可以采用不同的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)。

在分析地、測、采原始數(shù)據(jù)的基礎上,可以采用三個基本的數(shù)據(jù)表,即鉆孔表、測量表、數(shù)據(jù)字典表來構(gòu)成數(shù)據(jù)庫的基本結(jié)構(gòu)。采用此基本數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),有利于加強系統(tǒng)平臺的適應性和系統(tǒng)的兼容性,有助于系統(tǒng)資源數(shù)據(jù)的整合。

鉆孔表主要包括鉆孔編號、鉆孔開孔位置(XYZ坐標)、最大孔深、鉆孔軌跡等。其它一些鉆孔信息,如鉆探時間、類型或者項目名稱,也都可以存儲在鉆孔表中。此處的鉆孔是廣義“鉆孔”,還可包括坑探、槽探工程的信息。

測量表用來存儲鉆孔測量信息,基本字段包括鉆孔號、鉆孔深度、鉆孔的方位角和傾角等。對于沒有測量過的垂直鉆孔,測量表的深度值就是鉆孔表中的深度值,方位角為0度,傾角為-90°。可用X、Y和Z字段存儲測量后糾正過的坐標值,表中還可以加入定位中心等一些測量點信息的可選字段。

數(shù)據(jù)字典表用來存儲字符代碼,這些代碼可以等同于某范圍內(nèi)的數(shù)字值,也可以代表一個有效的字符字段。表的名字、待轉(zhuǎn)換的字段的名字、轉(zhuǎn)換后的代碼、代碼等同的數(shù)字范圍、代碼名字等都可作為數(shù)據(jù)字典表的基本字段。數(shù)據(jù)字典表實現(xiàn)從實際數(shù)據(jù)代表類型到用戶定義的等價字符之間的轉(zhuǎn)換,有助于數(shù)據(jù)的分析、表達和歸類。

除了上述3個基本數(shù)據(jù)表之外,根據(jù)系統(tǒng)需要,可建立地質(zhì)表、品位信息表等可選表。

地質(zhì)表主要包括以下字段:鉆孔號、樣品號、樣長、樣品起始位置(XYZ坐標)、樣品終止位置(XYZ坐標)、樣品性質(zhì)(巖性、節(jié)理特征等)。

樣品表主要包括以下字段:鉆孔號、樣品號、樣長、樣品起始位置(XYZ坐標)、樣品終止位置(XYZ坐標)、樣品品位等。

在基本表和可選表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)確定的基礎上,即可選擇合適的數(shù)據(jù)庫平臺,建立地下礦山的地、測、采數(shù)據(jù)庫,為采礦設計、儲量計算及管理服務。

坑探數(shù)據(jù)是生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)的主要來源之一,如何快速有效的獲取坑探樣品的有效信息并存儲,是必須解決的問題。采用計算機圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)編制坑探數(shù)據(jù)批量處理模塊,實現(xiàn)對坑探數(shù)據(jù)的快速和批量化處理。模塊包括兩部分:第一部分是根據(jù)文本或電子表格中的數(shù)據(jù)生成坑探線,并將品位等地質(zhì)信息寫到圖形線文件的描述屬性中;第二部分是從包含坑探品位信息的圖形線文件中提取坑探信息,并存儲到地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中。

2 地下采礦動態(tài)儲量管理模型與方法

儲量動態(tài)管理便于生產(chǎn)礦山根據(jù)礦產(chǎn)品的市場價格變動隨時計算出礦種的贏利臨界品位,自動計算可采礦體地質(zhì)儲量,圈定可采礦體邊界,進行三級礦量的計算和動態(tài)管理,動態(tài)儲量管理與品位控制技術(shù)的基礎是礦床三維儲量塊體模型的建立。

2.1 儲量塊體模型建模

儲量塊體模型是礦床品位估算和儲量計算及管理的基礎,其基本思想是根據(jù)已知的樣品品位信息按一定的數(shù)學方法對塊體模型進行品位估算,然后在此基礎上進行礦床儲量計算。

為便于儲量估算,采用塊體建模技術(shù)將礦床劃分為由許多單元塊組成的塊體模型。首先確定模型基本塊的尺寸,在基本塊尺寸的基礎上采用八叉樹算法,根據(jù)塊體模型和實體模型之間的關(guān)系,對單元塊進行細分。采用基本塊對模型細分,在實體邊界,包括實體外邊界(如礦體邊界線)和實體內(nèi)邊界(如礦體內(nèi)夾石)采用更小的單元塊進行細分。

基本單元塊的邊長視具體情況而定,并不是單元塊越小,品位、礦量計算結(jié)果越精確。從地質(zhì)統(tǒng)計學理論可知,在已知數(shù)據(jù)(即樣品數(shù)與樣品的空間分布)一定的條件下,單元塊越小,對其品位的估計誤差越大。當單元塊小到一定程度時,相鄰的幾個單元塊的品位估計值會非常接近,與它們的平均品位相差無幾,這種現(xiàn)象稱為平滑作用,故用一個大塊代替幾個小塊,品位與礦量的計算結(jié)果變化很小。這樣做可以降低對計算機容量的要求,加快計算速度。一般的經(jīng)驗規(guī)則是,單元塊在水平方向上的邊長不應小于鉆孔平均間距的1/4或1/5。對于100 m的鉆孔間距,單元塊的邊長一般取30m左右。

2.2 塊體儲量模型賦值

將礦床分為單元塊后,需要應用某種方法對每一小塊的品位值進行估計,進而計算礦床的儲量。常用的方法有3種,即最近樣品法、距離N次方反比法和地質(zhì)統(tǒng)計學法(即克里格法)。三者均是基于樣品加權(quán)平均的概念,即對落在以單元塊為中心的影響范圍內(nèi)的樣品品位進行加權(quán)平均求得單元塊的品位。3種方法的根本區(qū)別在于所用權(quán)值不同。

無論用什么方法對塊狀模型中每一單元塊的品位進行估值,均需要確定由哪些樣品參與估值運算。一般地講,對被估單元塊有影響的樣品(即落入影響范圍內(nèi)的樣品)都應參與估值運算。確定影響范圍和影響權(quán)值是品位估算的關(guān)鍵技術(shù)之一。

地質(zhì)統(tǒng)計學把礦床的品位看作是區(qū)域化變量,而控制這一區(qū)域化變量之變化規(guī)律的是地質(zhì)構(gòu)造和成礦作用。用于描述區(qū)域化變量變化規(guī)律的基本函數(shù)是協(xié)變異函數(shù)和半變異函數(shù)。對于任何礦床,都可計算出其協(xié)變異函數(shù)和半變異函數(shù),但在利用協(xié)變異函數(shù)對礦床中單元體的品位進行估值時,需滿足二階穩(wěn)定性條件。應用半變異函數(shù)進行參數(shù)估計時,需滿足內(nèi)蘊假設。研究表明,在大多數(shù)情況下,品位的半變異函數(shù)的數(shù)學模型為球狀模型。球狀模型的特點是:半變異函數(shù)γ(h)隨距離h的增加而增加,當h增加到變程a時γ(h)達到檻值。達到檻值后,γ(h)將不再增加。由于檻值為樣品的方差,這表明當h≥a時樣品值變?yōu)橥耆S機的,樣品之間失去了相互影響。因此,半變異函數(shù)的變程a可以被看作是影響半徑的一種表述。然而當存在各向異性時,不同方向上的品位半變異函數(shù)具有不同的變程,因此,影響范圍是一橢球體,即各向異性橢球體。

影響范圍在品位估算、礦量計算中起著相當重要的作用,在某些情況下,所選取的影響范圍不同,礦量計算結(jié)果會有很大的差別。然而,確定合理影響范圍是一件不容易的事,需要對礦床的成礦特征有深入的了解,同時也需要豐富的實踐經(jīng)驗。

2.3 動態(tài)儲量管理與品位控制方法

動態(tài)儲量管理與品位控制建立在塊體儲量模型的基礎上,塊體儲量模型能夠準確地反映出礦床的品位分布及分布規(guī)律,可為礦床前期開采規(guī)劃和后期生產(chǎn)延伸提供技術(shù)和決策支持。

塊體儲量模型中,礦塊的儲量是品位的函數(shù):

式中,R為礦塊儲量,而x(p,c)是礦產(chǎn)品價格p、成本c的函數(shù)。實際應用中,x(p,c)在綜合考慮市場價格和成本的基礎上,可以由下式確定:

式中,x0(p,c)為礦塊最低可采品位,xc為生產(chǎn)成品品位,c為計算出的噸礦生產(chǎn)成本,ρ為采礦貧化率,為選礦回收率。

由(2)可知,在儲量塊體模型的基礎上,可根據(jù)礦產(chǎn)品的市場價格變動以及采礦及加工成本隨時計算出礦種的贏利邊界品位,從而確定不同邊際品位的礦塊儲量。

具體實踐中,在塊體儲量模型的基礎上,綜合考慮各種相關(guān)因素,通過分別建立品位約束、礦體約束、標高約束、區(qū)域約束、空間實體約束等約束條件,建立不同約束和范圍內(nèi)的儲量品位模型,實現(xiàn)動態(tài)儲量管理和品位控制。

3 應用示例

某礦床為一大型接觸交代矽卡巖礦床,屬云英巖矽卡巖復合型鎢、錫、鉬、鉍多金屬礦床。根據(jù)礦體產(chǎn)出的部位,礦化特點,以及礦石類型的不同,礦體劃分為4個礦帶(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦帶)。各礦帶之間一般沒有明顯的界線,多呈漸變過渡接觸關(guān)系。特別是Ⅱ、Ⅲ礦帶,主要根據(jù)蝕變類型,礦化強弱,有益元素組合及含量,借助化學分析結(jié)果來劃分。

根據(jù)礦床的三維實體模型,建立礦床塊體模型,礦床基礎塊體模型在X、Y、Z方向的延伸尺寸分別為1140,870,390m,模型范圍較大,而礦體整體成扁平透鏡狀產(chǎn)出。取基本單元塊尺寸為30m×30 m×15m,最小單元塊尺寸為1.875m×1.875m×0.937m。在基礎塊體模型的基礎上,通過礦體實體模型、夾石實體模型,分別建立礦床礦體約束、夾石約束文件,為塊體儲量模型賦值做好準備。研究中,分別求取了礦床在3個方向上的品位變異函數(shù)類型及參數(shù),見表1。采用克里格法對礦床品位進行估值和礦量統(tǒng)計,計算結(jié)果見表2。

表1 礦床品位變異函數(shù)參數(shù)及類型

礦床塊體儲量模型賦值之后,通過建立不同的約束,實現(xiàn)了對礦床的不同空間范圍、品位范圍的儲量及品位的動態(tài)分析及管理。包括儲量和品位的計算,按剖面線、品位、標高、礦塊對儲量進行統(tǒng)計分析。在塊體模型的基礎上,系統(tǒng)分別建立品位約束、富礦帶約束、標高約束、區(qū)域約束等約束條件,建立不同約束和范圍內(nèi)的儲量品位模型。表3為按剖面線統(tǒng)計的礦床儲量。

表2 克里格法計算的礦床平均品位和儲量

表3 礦床儲量按剖面線統(tǒng)計

由表3可知,16～24線礦體比較厚大,品位較高,礦山前期規(guī)劃開采的富礦帶范圍正是在這一范圍之內(nèi)。這一范圍的礦量占了礦床總礦量的84%。

按標高對礦床儲量統(tǒng)計后,可知礦床大多賦存在385～586m范圍內(nèi),該范圍內(nèi)的礦石儲量占了礦床總礦石儲量的95%。按品位對礦床統(tǒng)計后可知,,鎢元素品位主要集中在0.1%～0.7%的范圍之內(nèi),占整個礦量的86%。鉬元素品位主要集中在0.03%～0.09%品位范圍之內(nèi),占整個礦量的62%。鉍元素品位主要集中在0.05%～0.17%的范圍之內(nèi),占整個礦量的73%。

4 結(jié)束語

較之其他行業(yè),礦山開采的生產(chǎn)對象和過程有其特殊性。作為開采對象的礦體,其賦存條件不以人的意志為轉(zhuǎn)移,不同礦床甚至同一礦床不同區(qū)段的資源狀況、開采技術(shù)條件等都會千差萬別,在被采準切割工程完全揭露之前,被認知的程度是不全面的,采礦過程是一個隨著地、測、采等工程的開展不斷反饋、修正和優(yōu)化的動態(tài)過程。在建立礦床三維模型的基礎上,采用地質(zhì)統(tǒng)計學方法,對礦床品位進行估值,并根據(jù)礦產(chǎn)品市場價格和采礦成本建立礦床的動態(tài)儲量模型,可實現(xiàn)礦床儲量的動態(tài)管理。

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2010-01-08)

劉淑英(1962-),女,河北衡水人,高級工程師,主要從事采礦技術(shù)等研究,Email:lsy@cimr.com.cn。