基于Surpac的水泥礦山三維建模與設(shè)計

趙翔，魯承桂，邢利偉，樸志友

現(xiàn)階段，國內(nèi)傳統(tǒng)的水泥礦山設(shè)計方法是根據(jù)礦山地質(zhì)基礎(chǔ)資料，使用AutoCAD等平面設(shè)計工具，進(jìn)行地質(zhì)巖性判斷、元素品位分析、礦石儲量計算、礦山開采設(shè)計和采剝進(jìn)度計劃編制等工作，核心設(shè)計理念是以出平面和剖面圖的二維方式來表達(dá)三維空間的、復(fù)雜動態(tài)的礦山地形地質(zhì)，因此在礦山設(shè)計中一直存在著設(shè)計效率低、成果不直觀的缺點[1]。隨著國內(nèi)外水泥礦山開采設(shè)計技術(shù)和計算機(jī)三維可視化技術(shù)的發(fā)展，以三維可視化設(shè)計軟件Surpac為核心工具的三維地質(zhì)采礦設(shè)計系統(tǒng)逐漸在水泥礦山設(shè)計行業(yè)中興起，可以有效解決上述傳統(tǒng)設(shè)計方法中存在的不足。

本文以天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司所設(shè)計的都江堰Lafarge三線石灰石礦山擴(kuò)建工程為研究對象，將Surpac軟件運用于該項目礦山的三維采礦設(shè)計和采剝進(jìn)度計劃編制中，成功實現(xiàn)了項目礦山三維可視化，大大提高了設(shè)計效率，為合理開采礦山資源提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 項目概況

都江堰Lafarge三線大尖包礦區(qū)南西段石灰?guī)r礦位于都江堰市349°方向，平直距離8.5km。礦山礦體呈板塊狀，出露寬度＞340m，控制厚度239.22～485.78m，平均厚度388.64m，控制走向長度＞1500m，屬厚大礦體。礦體賦存于二疊系下統(tǒng)棲霞、茅口組地層，呈層狀單斜產(chǎn)出。礦體直接頂板為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，直接底板為二疊系下統(tǒng)棲霞組下段，頂?shù)装迮c含礦層巖性差異明顯，界線清楚。

將礦山AutoCAD格式的地質(zhì)地形圖中的地形線賦高程值后保存為單獨文件，直接導(dǎo)入Surpac軟件，即可形成礦山三維地表模型。通過建立都江堰Lafarge三線礦山的地表模型，有助于設(shè)計者直觀明了地對礦山地表形態(tài)進(jìn)行初步解讀[2]。礦山三維地表模型見圖1所示，圖1中不同的地表顏色代表一定的海拔標(biāo)高。

2 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫及地質(zhì)解譯

礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)是進(jìn)行地質(zhì)評估、建立礦床三維模型和采礦設(shè)計的基礎(chǔ)，地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完備性、真實性和可靠性直接影響到礦山礦體建模和設(shè)計的精度，乃至礦山經(jīng)營和決策的準(zhǔn)確性[3]。在建立礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫前，首先應(yīng)對礦山地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的統(tǒng)計分析。對本項目礦區(qū)范圍內(nèi)參與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的10條勘探線和16個勘探鉆孔中的2010組單樣數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布和線性回歸分析，先剔除品位數(shù)據(jù)中偏離標(biāo)準(zhǔn)差的極大和極小值，再分別計算出各元素品位的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等指標(biāo)，以對礦體質(zhì)量和各元素品位分布趨勢進(jìn)行初步的分析與估算，表1為對礦體中樣品數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表。

提取經(jīng)過初步統(tǒng)計分析的地質(zhì)數(shù)據(jù)中的各鉆孔和探槽的孔口開口坐標(biāo)、空間走向、各元素品位和礦區(qū)地質(zhì)巖性等數(shù)據(jù)信息，按照Surpac軟件規(guī)定的格式歸納整理后，建立軟件需要的collar、survey、sample和geology數(shù)據(jù)表，再將上述數(shù)據(jù)表導(dǎo)入軟件的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫模塊，即可生成礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。

礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立后，在軟件主視窗內(nèi)可以便捷直觀的顯示所有鉆孔和探槽的孔口位置坐標(biāo)、空間走向、各元素品位數(shù)據(jù)等信息，并可在窗口內(nèi)360°任意旋轉(zhuǎn)、縮放觀察感興趣的區(qū)域，還可沿礦山勘探線“切剖面”，自動生成礦山各勘探線地質(zhì)剖面圖，見圖1、圖2。圖1中地表模型上的紅色線條為礦山各勘探線實際位置。圖2為礦山A-A'勘探線剖面地質(zhì)解譯圖，圖上各鉆孔、探槽的深度和CaO、MgO元素品位分別顯示在其兩側(cè)，元素品位數(shù)據(jù)根據(jù)礦石工業(yè)指標(biāo)以不同顏色區(qū)別顯示。

圖1 礦山地表模型及勘探線布置

圖2 礦山A-A'剖面地質(zhì)解譯圖

在生成的礦山各勘探線地質(zhì)剖面圖上，綜合考慮礦石工業(yè)指標(biāo)、勘探類型、樣品化學(xué)分析數(shù)據(jù)、礦體產(chǎn)狀特征和巖石類型等因素，在劃定的礦區(qū)范圍內(nèi)，精確地在各地質(zhì)剖面圖上進(jìn)行地質(zhì)解譯，圈定各勘探剖面上礦體和夾石的邊界范圍，再將各剖面上圈定的礦體和夾石的邊界范圍界線在三維空間中連接起來，并在兩側(cè)邊界處進(jìn)行合理外推，即可形成本項目礦山礦體和夾石的三維實體模型[4]。圖3為礦山三維礦體與地表模型，圖中紅色的三維模型為礦體，白色線條為礦山勘探線，土黃色透明二維模型為礦山地表。

3 塊體模型及儲量計算

塊體模型是在三維空間內(nèi)將已建立的礦山礦體和夾石的三維實體模型依據(jù)地勘工程網(wǎng)度、礦體產(chǎn)狀、元素品位變異函數(shù)等特征因素，在礦區(qū)范圍內(nèi)劃分為規(guī)定尺寸的眾多單元子塊后，再應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)原理和克里格法、距離冪次反比法等數(shù)學(xué)方法，由有限的已知品位數(shù)據(jù)來估算已知品位數(shù)據(jù)周圍空間的品位數(shù)據(jù)，并將其直接或計算后賦值到所有單元子塊中[5]。通過Surpac軟件的塊體模型模塊，考慮礦山實際地形地質(zhì)特征，本礦山礦體模型按照子塊體尺寸10m×10m×1m的空間網(wǎng)度進(jìn)行建立。

礦山塊體模型建立后，可根據(jù)實際需要，通過設(shè)置不同的約束條件，以及使用不同的顏色和圖例符號來顯示研究區(qū)域內(nèi)礦體、夾石和各元素品位的空間分布情況；也可根據(jù)礦山各水平臺段標(biāo)高和指定元素的不同品位區(qū)段進(jìn)行分類，生成包含礦石量、廢石量和元素平均品位等信息的儲量報告；還可將設(shè)計優(yōu)化后的礦山采剝終了圖作為約束條件，計算礦山的可采礦石總量、夾石總量和剝離總量等數(shù)據(jù)，為下一步的礦山采礦設(shè)計、采剝進(jìn)度計劃編制和礦山生產(chǎn)開采的動態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)[6]。表2為礦山采剝終了后以CaO元素品位范圍劃分的礦山可采礦量統(tǒng)計表，由表2可知，礦山可采礦量總計約為2.37億噸，礦山整體礦石質(zhì)量優(yōu)良，絕大部分礦石為Ι級品，僅有少部分為Ⅱ級品。

4 礦山設(shè)計及采剝進(jìn)度計劃編制

圖3 礦山礦體與地表模型

表2 礦山以CaO元素品位范圍劃分的礦量分布表

圖4 三線礦山總平面布置圖

圖5 礦山第5年末綜合采剝界線圖

完成上述建立礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、地表模型、實體和塊體模型的準(zhǔn)備工作后，即可開始本項目礦山的三維設(shè)計工作。根據(jù)都江堰Lafarge三線礦山的地形地質(zhì)特點、礦體空間賦存特征和各元素品位空間分布趨勢，并參考一、二線礦山開采現(xiàn)狀和現(xiàn)場實際經(jīng)驗，進(jìn)行三線礦山的礦山基建總平面布置設(shè)計。根據(jù)礦山總體布置，礦山1540m標(biāo)高以上全部削頂，首采區(qū)布置有1530m、1518m和1506m水平三個采準(zhǔn)工作面，礦山設(shè)計有上山道路、新上山道路、至排土場連接道路等聯(lián)絡(luò)道路與礦山一、二線采區(qū)和廢石場連接。礦山開采的礦石經(jīng)運礦道路運輸至1450m溜井平臺，在溜井硐室內(nèi)破碎后由5條膠帶機(jī)運輸至廠區(qū)。礦山最低開采標(biāo)高為1170m，采場各水平臺段設(shè)計高度均為12m，共設(shè)計有30個水平臺段；考慮礦山邊坡穩(wěn)定性因素，各水平臺段坡面角按60°設(shè)計放坡，安全平臺與清掃平臺分別按4m和8m相隔設(shè)計，見圖4所示。圖4中，右下藍(lán)線區(qū)域為礦山一線采區(qū)，現(xiàn)已基本開采完畢；左側(cè)黃線區(qū)域為礦山二線采區(qū)，現(xiàn)正常生產(chǎn)開采中；右上淺藍(lán)線區(qū)域為三線礦山基建位置處。

根據(jù)三線礦山基建總平面布置、礦山采剝終了后采坑內(nèi)各水平臺段可采礦量、廢石量和剝離量，以及礦山礦石總量、夾石和剝離總量等數(shù)據(jù)，參考一、二線礦山實際開采經(jīng)驗，編制礦山總體采剝進(jìn)度計劃。礦山采剝進(jìn)度計劃按照年設(shè)計生產(chǎn)能力534萬噸，礦山投產(chǎn)即達(dá)產(chǎn)進(jìn)行編制。在編制進(jìn)度計劃時，綜合考慮礦山二、三線采區(qū)不同品位礦石的開采平衡，并盡量搭配高、低品位的礦石和夾石，以合理利用資源。圖5為礦山第五年末綜合采剝界線圖。

5 結(jié)論

本文以Surpac軟件在都江堰Lafarge三線工程項目中的運用為例，對使用Surpac軟件進(jìn)行水泥礦山三維設(shè)計和采剝進(jìn)度計劃編制進(jìn)行了簡要的介紹，并在使用中得到以下幾點經(jīng)驗體會：

（1）應(yīng)用Surpac軟件建立都江堰Lafarge三線擴(kuò)建項目的礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、地表模型、三維礦體和塊體模型，實現(xiàn)了地形地質(zhì)條件和礦體賦存條件復(fù)雜礦山設(shè)計的三維可視化，并可直觀形象地反映礦體產(chǎn)狀和各元素品位分布特征，使設(shè)計人員在礦山設(shè)計時能夠?qū)ΦV山有一個比較直觀、清楚的把握。

（2）通過Surpac軟件塊體模型的儲量計算功能，可快速、準(zhǔn)確地得到礦山任意臺段指定區(qū)域內(nèi)的礦石量、廢石量、元素平均品位，以及礦山礦石總量、總廢石量等數(shù)據(jù)，極大地提高了礦山地質(zhì)儲量統(tǒng)計的精確度和效率，大大減少了手工計算工作量，并為礦山開采設(shè)計和采剝進(jìn)度計劃編制提供了良好的基礎(chǔ)和工作平臺[7]。

（3）Surpac軟件的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)查詢和實時更新功能，可為改擴(kuò)建礦山的設(shè)計和開采提供極大的方便，并可在礦山生產(chǎn)開采中提供持續(xù)服務(wù)。

[1]魏連江,方宗武,王紅勝.三維可視化技術(shù)在礦山開采輔助設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].礦業(yè)工程,2006,4(3):61.

[2]潘東,李向東.基于SURPAC的礦山三維地質(zhì)模型開發(fā)[J].采礦技術(shù),2006,6(3):499～501.

[3]張國亮,張海峰,周勇.基于Surpac的某珍珠巖礦三維建模與露天境界圈定[J].采礦技術(shù),2012,12(1):11-13.

[4]張長鎖.礦業(yè)軟件在礦山三維可視化建模中的應(yīng)用[J].有色金屬,2011,63(6):72-76.

[5]李志民,高艷磊,于正興,等.Surpac vision 軟件在某露天礦的應(yīng)用研究[J].采礦技術(shù),2009,9(1):113-115.

[6]趙翔,黃東方,張萬利.Surpac軟件在水泥礦山設(shè)計中的應(yīng)用[J].水泥技術(shù),2009,149(5):35-37.

[7]楊彪,羅周全,陸廣,等.露天礦山三維設(shè)計方法應(yīng)用研究[J].工程設(shè)計學(xué)報,2011,18(1):48-52.■