3Dmine在礦區地勘工作中的應用

張 敏 楊 陽 鄧中飛 陳邦學 朱慧秦

（新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局第十一地質大隊 昌吉 831100）

當前在地質勘查、礦山開發及地質研究等方面加快礦業信息化和三維可視化是業界已達成的普遍共識，以AutoCAD、Mapgis等二維軟件為主的情況也正在逐漸變化，三維軟件逐漸在地礦行業普及應用。同時以數學統計為核心的地質統計學儲量計算方法，將逐漸發展成為主流的儲量計算方法，以手工計算為主的傳統方法逐漸被地質統計方法所替代[1]。礦區儲量計算也從二維向三維逐漸發展，將礦床的三維建模與儲量計算結合起來是當前礦產資源儲量計算新的手段，它能夠更加直觀、準確的對礦產儲量進行計算。

1 建立礦區數據庫及地形模型

數據庫的建立是為三維建模提供數據基礎，其中記錄了大量原始地質數據信息。以鉆孔數據庫為例，其主要由工程定位、樣品化驗數據、工程編錄數據等文件組成（表1）。數據庫的構建同時實現了對礦山地質資料數據的動態查詢和管理，能夠三維顯示地質信息、進行基本統計分析、地質解譯等[2]。

表1 鉆孔數據庫各文件示例表

數字地形模型（DTM）就是地形表面形態屬性信息的數字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數字描述。軟件中采用TIN技術構建地表模型，TIN模型可以根據地形的具體特點和復雜程度而確定采樣點的密度和位置，避免數據的冗余，并相對準確的描述出地形的結構和一些局部地區，同時又便于進行地形計算和分析，能夠較好地反映實際地形信息[3]。將矢量化的地形圖導入到軟件中進行高程賦值后，生成數字地形模型。

2 三維礦床建模

三維礦床建模是為了將礦體、斷層等在三維空間可視化，同時也是對數據的有效集成和信息挖掘的最佳方法。將技術人員對所研究區域各地質體的認識有效的體現在所建立的模型中，使所建立的模型最接近于實際地質環境，從而為后期礦塊品位插值、儲量估算等奠定基礎。3DMine軟件提供了多種方法進行三維地質建模，如自動建模、基于原始勘探線剖面的建模、基于鉆孔數據庫的建模等。

2.1 基于勘探線剖面的建模

在勘探線剖面圖的基礎上，整理提取出礦體邊界線、礦體編號、坐標網、地表界線等有用信息，進行優化、糾錯等處理，去除不利于建模的無關信息，經過多次坐標變換將二維剖面數據轉換到三維空間中正確的位置，使各剖面圖的位置與勘探錢相互對應（圖1）。軟件中設置合適的三角網參數，在相鄰的勘探線剖面圖中選擇同一礦體的閉合線，依次連接成三角網。在實際的建模過程中會有礦體的分支復合較多、對應較難的現象，此時在三維礦體的連接、外推及分支復合的處理上，可創建多個“輔助線”和“分區線”對礦體形態進行控制，最終形成完整的礦體模型。

圖1 勘探線剖面建模過程示意圖

2.2 基于鉆孔數據庫的人機交互建模

在鉆孔數據庫的基礎上，經過數據庫檢驗、特高品位處理、組合樣長、鉆孔設置及創建勘探線等步驟后，將一定容差范圍內的鉆孔投影到切割的剖面上，根據邊界品位、鉆孔數據信息及地質規律和建模原則對不同剖面的礦體進行解譯。解譯后根據相鄰剖面礦體賦存位置、地質規律、外推和尖滅原則等建立礦體面模型，最后為保證模型的可靠性要進行實體驗證，對錯誤實體進行修正。礦體模型的創建流程復雜，在圈連過程中容易出現邏輯錯誤，如自相交、無效邊、開放邊等，因此必須對建立的模型進行驗證，驗證合格的實體模型才可以進行查詢、編輯、體積計算等操作。建立的礦體模型具備三維可視化功能，并可在其內部任意設置剖面瀏覽，全面掌握礦體的形態、產狀及空間分布規律等（圖2），技術人員能夠更方便直觀的研究礦床的品位特征、分布規律及礦化與地質環境的關系等。

圖2 切割狀態下三維礦床模型效果圖

2.3 自動建模

3Dmine提供一種在鉆孔數據庫基礎上的自動建模方法，通過設置邊界條件、網格、剔除厚度等參數，直接生成礦體模型。該自動建模的礦體模型是基于固定的算法生成，針對不同的礦床其礦體形態可能與專業技術人員的預期有一定的差異，且不同礦床的礦體形態與礦床成因和地質環境密切相關，故因綜合考慮判斷自動建模模型的可靠性或僅做參考使用。另外，利用地質統計學對礦體進行結構各向異性分析，分析得出主軸/次軸、主軸/短軸、主軸方位角、主軸傾伏角、次軸傾角等參數值。將各向異性分析結果加入到自動建模過程中生成礦體模型（圖3）。通過自動建模結果的比較，認為加入礦體結構各向異性參數為指導的自動建模較直接自動建模的結果可靠性更強，更加接近礦體的實際真實形態。

圖3 結構各向異性指導的自動建模效果圖

3 儲量估算及方法比較

3.1 地質塊段法儲量計算

軟件中用地質塊段法進行儲量估算試驗（圖4），完成礦段圈定、礦體投影、創建塊段及儲量報告等，得出軟件與人工儲量計算的相對誤差為4.6%，相對誤差較小，該方法本身不存在誤差，推測軟件與人工計算引起誤差的原因是人為因素或投影產生的誤差等。

圖4 地質塊段法儲量計算三維塊段模

利用3Dmine軟件進行傳統的地質塊段法儲量計算較人工方法計算更加方便快捷，在數據量較大時更顯優勢，同時能夠減少人為因素產生的誤差，提高技術人員的工作效率，方便后期的數據管理及應用等。

3.2 地質統計學儲量估算

地質統計學是以區域化變量理論為基礎，以變異函數為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機性，又有結構性的自然現象的科學。基于地質統計學的儲量估算方法，考慮了礦石的空間品位變化，可提高資源儲量估算的準確性[4]。

實驗半變差函數分析。在地質統計學中，變差函數是最基本與最重要的模擬工具，是計算區域化變量空間結構特征的函數[5]。通過計算變量得到實驗變差函數，擬合出理論變差函數，再將不同方向的擬合結果套合為一個函數，用于估值計算。根據礦體產狀計算三個方向的半變差函數，走向、傾向和厚度方向分別對應主軸、次軸和短軸，最終選擇擬合理論變差函數的參數：塊金值、基臺值及變程。本次分析使用指數模型。

克里格估值。估值前需建立礦體空塊模型和交叉驗證，對礦體模型內部進行塊體分割，形成由n個體元模擬的區域，每個體元都有相應坐標并可以任意添加屬性，克里格法估值結果會作為一個屬性值加入塊模型。交叉驗證是對所擬合的理論半變差函數的可靠性進行檢驗，即從已知信息樣本總體中抽離某個點，用抽離點以外的其他信息結合半變差函數模型估計被抽離點，結果得到一系列估計值和誤差等參數，根據誤差判斷模型的準確性。軟件中設置估值參數、搜索參數、分區參數、孔約束等，用普通克里格法進行空間估值，在估值過程中需通過改變主軸搜索半徑、分區設置、約束條件等參數進行了多次克里格估值，確保所有的空塊均被賦予品位等屬性。

資源儲量估算結果對比。對普通克里格法估值的塊體模型進行資源量報告，并與人工地質塊段法儲量計算結果進行比較，得出人工地質塊段法與普通克里格法兩種方法L1、L2礦段估算結果（表2）的相對誤差分別為0.73%、4.40%，相對誤差均小于5%，說明儲量估算結果的可靠性較強，同時提高了儲量估算的準確性。不同的估算方法產生誤差是正常的，誤差產生的原因是多方面、綜合性的，但兩種估算方法的相對誤差較小，估算結果可靠。

表2 資源量估算結果對比表

4 結論

⑴通過三維礦床建模，改進了對礦區地質數據的認識和理解，有利于提高信息的利用率和空間分析能力，為地質人員在三維空間中觀察、分析研究地質現象以及空間展布特征等提供了一種全新的方法。

⑵根據國內廣泛采用幾何方法進行儲量估算、提交報告的實際情況，以地質塊段法為例進行軟件和人工儲量計算的對比，結果顯示兩種方法的相對誤差小，且運用三維軟件計算儲量避免了人工計算繁瑣、人為因素多的缺陷，大大提高了技術人員的工作效率，同時軟件可運用多種方法驗證對比，提高了儲量計算結果的可靠性，并在實際生產中快速給出儲量報告。

⑶基于3DMine軟件實現了礦區地質建模及儲量估算的三維可視化，給出了基于三維可視化的礦床建模和儲量估算的流程方法，并運用多種方法快速有效地實現資源儲量可視化評價，促進礦區地勘工作由二維向二三維一體化轉變。