小鐵山礦三維數字化模型的建立與應用

劉 亭，朱來東，王永智

（西北礦冶研究院， 甘肅白銀市 730900）

小鐵山礦三維數字化模型的建立與應用

劉 亭，朱來東，王永智

（西北礦冶研究院， 甘肅白銀市 730900）

基于三維建模理論，應用3DMine礦業工程軟件平臺，構建了甘肅省白銀礦區小鐵山礦基礎數據庫，建立了該礦地表三維模型、1544m標高以下礦體三維實體模型、礦體塊體模型、井巷開拓系統等三維模型；采用距離冪次反比法對塊體模型Cu、Pb、Zn等元素品位進行賦值，對礦體各元素分別分中段、分級別進行儲量計算。通過建立礦山三維數字化模型，直觀展現了礦山勘探工程、礦體、井巷開拓工程等地下信息，進行儲量動態管理、生產計劃編制等。

數字化礦山；三維模型；3DMine

0 前 言

隨著科技的進步、礦產資源的需求日益增大、全球礦產資源的逐步減少及現有礦山開采難度的加大，運用現代空間理論及計算機和網絡等高新科技建立礦山三維空間與屬性模型，將礦山的所有空間及數據信息實現數字化存儲、傳輸和表達，已成為當今礦產資源勘查及礦山管理的發展方向之一。

目前，國際上一些大型礦山已經實現了在辦公室開展礦山生產的資源合理利用和動態管理工作，礦業較發達國家數字化礦山的建設重點已經轉移向遠程遙控和自動化開采。1990年代以來，世界上一些發達國家相繼開發出許多數字化礦山建設方面的專業軟件，較成熟的且具有代表性的有：Datamine采礦軟件、Surpac軟件、Micromine軟件、MINCAD系統等［1－2］。國內近年來也有不少大型礦山企業建立了礦床三維模型，如銅陵有色金屬公司冬瓜山銅礦運用Datamine礦業軟件建立三維礦床模型，華錫集團有限公司銅礦、廣西高峰礦業有限公司等運用Surpac軟件建立了三維礦床模型，提出新的勘查、開采模式的探討和嘗試，降低了礦山勘查和開采成本，提高了礦山經濟效益。基于國內外數字礦山研究水平，本文借助3DMine礦業工程軟件，研究建立甘肅省白銀礦區小鐵山礦基礎數據庫、地表三維模型、深部礦體三維實體模型、礦體塊體模型、井巷開拓系統三維模型，對塊體金屬元素品位進行賦值、計算儲量，實現礦山深部的三維可視化，介紹符合礦山地質、測量、采礦、管理等領域的應用現狀與前景。

1 礦山概況

白銀廠礦區的采礦業歷史悠久，有記載的采礦活動始于漢代。礦區大規模的地質工作始于建國后，1950年代初期根據鐵帽和蝕變帶進行地表露頭找礦，尤其是煙灰色粉末狀輝銅礦的發現，使白銀廠礦區的找礦工作獲得了巨大的成功，經過近半個世紀的勘探工作，確定小鐵山礦為大型銅鉛鋅多金屬礦床，探明銅鉛鋅地質儲量數萬t［3］。至1970年代，小鐵山礦建成投產，隨著生產的不斷發展，礦床的銅鉛鋅資源量銳減，礦山已進入開發晚期。礦山采用巷道式膠結充填采礦法，開拓方式為主副井—斜坡道聯合開拓，主井地面標高1919m，現采礦深度已達到1424m標高。

礦床礦體基本呈似層狀、透鏡狀，礦體在走向和傾向上存在分支復合、膨脹狹縮和尖滅再現等特征，礦體膨脹地段往往是礦體分支復合部位，其厚度較大，但很快變薄或分支為數個平行小礦體。

2 數字化礦山建設流程

通過建立礦床三維模型，實現礦山信息數字化、可視化，從而解決礦山生產動態管理、生產方案優化、生產規劃、深邊部找礦、資源合理開發利用等技術問題，以便減少資源的浪費和環境污染，提高礦業開發經濟效益。數字化礦山建設流程如圖1所示，整個流程包括：基礎數據的整理、檢查與校正，完成基礎數據庫的建立；單工程礦體圈定，構建礦體、地質體實體模型及空間屬性模型，基于空間插值理論構建礦體屬性模型；構建礦山地形、開拓工程三維實體模型；基于三維數字化模型的模型應用。

圖1 數字化礦山建設流程

3 基礎數據庫的建立

3.1 原始數據的收集與處理

礦山原始數據中的地質、勘探、測量等信息是礦山三維建模技術的基礎，是礦體圈定、三維模型建立、塊體估值、儲量計算準確與否的關鍵。由于小鐵山礦開采歷史悠久，先后有多家勘探隊伍參與該礦的勘探工作，所采用的坐標系不同、數據類型較多、信息量大，且資料保存多為原始紙質材料。因此依據3DMine軟件數據格式要求，對原始鉆孔、探槽等數據進行如下處理：將原始紙質信息進行數字化；對不同坐標系下的測量信息進行坐標轉化，統一為北京54坐標系；按照向上鉆孔傾角為正，向下鉆孔傾角為負修改鉆孔傾角數據；對原始數據進行核對檢查，修正邏輯錯誤；按照3Dmine軟件數據庫格式要求，將原始信息按照定位表、測斜表、化驗表、巖性表保存為EXCEL格式文件，做為建立數據庫源文件，各數據表結構見表1。

表1 數據庫數據表結構

3.2 基礎數據庫的建立

根據3DMine軟件建立鉆孔數據庫，并在數據庫中建立與源數據相同的數據表，導入源數據使其與數據庫表一一對應。后期可利用數據庫編輯、查詢、導入等強大的數據后處理功能進行數據庫的更新、修改、查詢等操作，通過鉆孔顯示功能可查看鉆孔的空間立體分布狀況（見圖2）。

圖2 鉆孔空間立體分布

4 構建三維模型

4.1 地表模型的建立

地形地表基礎數據一般表現為地質調查和測量中的一系列離散不均勻數據，通過對這些數據的插值，加密高程點后，才能形成完整的地形地表三維模型。本文以礦山地形地質圖為原始資料，從Map－GIS文件中提取等高線及相應標高值，刪除重復點、跨接；將等高線對應標高值賦予等高線Z值形成三維等高線，并生成地表DTM面，完成地表模型的建立（見圖3）。

4.2 礦體模型的建立

在建立礦體實體三維模型前，首先要確定單工程礦體的圈定，小鐵山礦為銅鉛鋅多金屬礦，單工程礦體圈定按照銅或鉛或鋅品位大于等于邊界品位，及夾石厚度小于2m的樣品，一律圈入礦體。通過3DMine軟件設置圈礦指標，完成單工程礦體自動圈定，人機交互式修訂單工程礦體。本文所用礦體三維模型的建立采用勘探線剖面圖礦體線框與鉆孔礦體線框結合的方式，以礦體圈定原則確定礦體勘查剖面線框模型。然后按照礦體產狀等，通過將相鄰剖面線框模型進行連接生成三維礦體模型，以封閉三角網的形式存儲。

圖3 地表三維模型

由于該礦山礦體較薄，如何準確判定剖面間礦體輪廓線的對應關系及三角網自相交情況成為礦體圈定需要解決的主要問題。因此本文在礦體連接時充分分析礦床地質信息、鉆孔巖性信息等，確定勘探線間礦體對應關系，對礦體的分支、復合等現象進行有效處理，通過添加控制線，人機交互式實現礦體三維模型的構建（見圖4）。礦床地層模型的建立參照礦體三維模型建立方法，實現礦床地層地質體三維建模。

圖4 礦體三維實體模型

4.3 塊體模型的建立

礦體實體模型給出了礦體的空間幾何分布形態，但無法表達礦體金屬品位的分布狀況，也無法直接用于儲量計算，因此利用礦體實體模型建立礦體塊體的空塊模型，以實體模型邊界為約束條件對邊界塊體進行取舍，生成礦體空間屬性模型，對屬性模型的塊體進行賦值。考慮所選礦山礦體厚度較薄，因此確定的屬性模型單元塊尺寸為5m×5m×5 m，次級單元塊尺寸為2.5m×2.5m×2.5m［4－6］。沿礦體傾向、走向、厚度確定搜索橢球體參數，按照生成的組合樣品點文件，利用距離冪次反比法對屬性模型的Cu、Pb、Zn等品位信息進行塊體賦值，礦體品位模型建立后，可根據不同顏色及圖案顯示各金屬元素品位分布情況（見圖5），揭示礦體內部品位空間分布情況，為礦山生產動態管理提供可靠依據。

圖5 按Cu品位顯示的礦體塊體模型

4.4 井巷三維模型的建立

在巷道的三維建模時，可根據巷道形狀將巷道分為均勻巷道和非均勻巷道［7］。均勻巷道是指巷道斷面形狀、大小等參數都相同的巷道，此類巷道可根據開采設計圖件提取巷道中線及斷面參數，利用巷道中線及斷面輪廓來形成巷道實體模型。由于非均勻巷道在不同部位巷道斷面形狀與大小都不同，無法用一條中心線來表示，建模比較繁瑣，因此將其分解為局部巷道，利用多條中線及一系列的斷面輪廓線生成巷道實體（見圖6）。

圖6 巷道建模示意

小鐵山礦采用主副井＋斜坡道聯合開拓方式，礦山開采時間長，井下巷道、主副井、斜坡道、風井、溜井錯綜復雜，因此在巷道建模時根據各中段、用途采用不同斷面參數分類進行，巷道模型與地表、礦體、井巷開拓系統復合后如圖7所示。

圖7 地表、礦體、開拓系統三維模型綜合顯示

5 三維數字化模型的應用

通過小鐵山礦三維數字化模型建立的實踐，實現了礦山生產技術管理從二維向三維的轉變，填補了白銀有色集團股份有限公司在三維數字化管理方面的空白，其應用如下：

（1）利用建立基礎數據庫，實現了礦山工程圖紙、報表的快速生成，提高了礦山地質、測量、采礦等專業技術人員工作效率，降低了日常管理工作勞動強度；

（2）通過開采進度及對礦山研究工作的不斷深入，實現了礦山儲量動態管理與指標優化，提高了礦山經濟效益；

（3）結合礦山地質地層信息及礦體空間分布狀況，快速、準確地完成地下礦開采系統設計、開采單體設計、回采爆破設計、生產計劃編制、礦井通風系統網絡解算與優化、采掘計劃的編制與優化等設計工作；

（4）利用三維數字化模型，充分研究地質與成礦規律，指導了礦山深部及周邊隱伏礦體找礦工作，增加了礦山儲量，對礦山可持續發展、提高礦山社會經濟效益具有重要意義。

［1］孫豁然，徐 帥.論數字礦山［J］.金屬礦山，2007（2）：1－5.

［2］朱 超，吳仲雄，張詩啟.數字礦山的研究方向和發展趨勢［J］.現代礦業，2010（2）：25－27.

［3］李克強.小鐵山礦床銅礦與鉛鋅礦分采工程研究及經濟評價［J］.甘肅冶金，2009，31（1）：34－36.

［4］羅周全，鹿 浩，劉曉明，等.礦山三維實體建模［J］.南華大學學報（自然科學版），2007，21（4）：9－15.

［5］LEMON A M，JONES N L.Building solid models from boreholes and user－defined cross－sections［J］.Computers ＆Geosciences，2003，29（3）：547－555.

［6］朱良峰，吳信才，劉修國，等.基于鉆孔數據庫的三維地層模型的構建［J］.地理與地理信息科學，2004，20（3）：26－30.

［7］周智勇，陳建宏，楊立兵.大型礦山地礦工程三維可視化模型的建立［J］.中南大學學報（自然科學版），2008，39（3）：423－427.

2011－10－14）

劉 亭（1985－），男，地質助理工程師，主要從事數字化礦山的建立與研究，Email：bylting＠163.com。