烏山銅鉬礦三維地質資源模型的建立及應用*

呂海棟 趙春波 張海濤 王功文 張鵬海 劉 洋

（1.中國黃金集團內蒙古礦業有限公司；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院；3.東北大學資源與土木工程學院）

當前第四代工業革命及其技術推動了“智造業”的發展與新材料的應用，而銅礦資源是工業發展的重要材料，2020—2050年，銅礦資源需求依然強勁。國際地質科學聯合會（IUGS）2015年12月統計認為中國銅礦資源利用與世界同步，2040年為高峰期，2050年為平穩期。而銅礦資源的高精度勘探及建模則是支持銅礦資源高效開采及利用的基礎。

目前，礦產資源的高精度勘探十分注重勘查理論與勘查方法集成：一方面注重多學科交叉進行地球重大地學事件的綜合分析與驗證，如利用重、磁、電、震等多元地學三維建模探討殼幔結構及其成礦動力學背景［1］；另一方面注重礦床模型與礦產勘查的綜合研究［2-3］，世界上成功的案例如澳大利亞IOCG型成礦模式與勘查模型的建立。

資源建模注重地學模型與多元數據挖掘、綜合信息的集成與可視化，且模型維度由二維向三維乃至四維逐漸發展［4］。目前三維地學建模軟件趨于商業化，如國外地學軟件以法國GOCAD、澳大利亞Mircomine、美國3DMine與Petrel、加拿大Surpac為代表。在科學計算方面，利用高精度地學測試分析資料，通過數據驅動和知識驅動（內插與外推），綜合開展非線性、數據集成、模擬計算、不確定性評價是當今地學定量化研究的熱點和難點［5-7］。

本研究依托烏山銅鉬礦，通過大規模地表取樣及鉆孔巖芯的近紅外光譜分析，來獲取不利于選礦的黏土類礦物含量的空間分布，與品位數據庫相結合，利用克里格插值法建立精細的三維地質資源模型，作為精確配礦、提高選礦回收率及選礦效率的數據基礎。

1 礦山概況

烏山露天礦地處呼倫貝爾大草原腹地，為中國黃金集團內蒙古礦業有限公司重點開發項目，也是中國黃金集團有限公司實施“以金為主，多金屬開發并舉”戰略的示范性項目。該礦礦床為大型斑巖型銅鉬礦床，銅金屬量儲量達300萬t，鉬金屬儲量60萬t，是我國第四大銅鉬伴生礦床。

烏山銅鉬礦床中含有大量云母—伊利石、高嶺石、蒙脫石等黏土類礦物，這些黏土類礦物質地松軟、易泥化，在浮選過程中比表面能較大，影響金屬礦物上浮速率，會造成浮選指標異常惡化，不利于選礦。以往的地質勘查工作十分注重有用元素（銅、鉬等）的空間分布，但卻對黏土類礦物等有害元素的空間分布缺乏研究。因此，亟需建立可表征黏土礦物空間分布的三維地質資源模型，提高選礦效果。

2 三維地質資源數據庫建立

近紅外光譜分析是一種較為有效的蝕變礦物分析方法。光譜波長測量范圍一般為380~2 500 nm，掃描樣品的新鮮面，層狀硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物以及碳酸鹽礦物等在短波紅外波段均會有特征吸收光譜，根據礦物中某些官能團短波紅外吸收峰的位置和深度，可以識別不同種類的礦物或分析同種礦物間結晶度的差異，對黏土礦物定性及半定量組合分析。

2.1 采樣測試工作量

采場巖芯的采樣點如圖1所示，采樣時間為2018年8—9月以及2019年4—5月。利用巖礦石樣品的近紅外光譜掃描建庫技術，開展礦區鉆孔巖芯的光譜測量，并建立烏山銅鉬礦體的光譜圖庫，從而建立一整套基于光譜的巖礦鑒定模板。

2.2 近紅外光譜分析結果

通過近紅外光譜分析確定巖芯所含的主要黏土礦物包括云母—伊利石、高嶺石以及蒙脫石，也含有微量的多硅白云母、綠泥石化、碳酸鹽等。某鉆孔內黏土及銅鉬含量比例如圖2所示，從圖2中可以觀察到不同位置處對應的黏土礦物種類及含量是不同的，即使深度達近1 130 m，黏土礦物仍有分布且仍以云母—伊利石為主，在銅、鉬品位較高位置出現一定的蒙脫石化現象，300 m以淺高嶺石居多，深部蒙脫石居多。根據黏土礦物種類、含量及空間分布建立黏土礦物的鉆孔數據庫。

3 三維地質資源模型建立

GOCAD（Geological Object Computer Aided Design）地質建模軟件是國際上公認的主流三維地質建模軟件，在地質工程、地球物理勘探、礦業開發、水利工程中有廣泛的應用。本研究使用GOCAD軟件進行品位（有用元素、有害元素）的建模與數據分析。

3.1 數據預處理及三維建模方法

以采場表面及鉆孔的品位數據為依托，通過采用離散光滑插值及普通克里格插值，建立品位確定性模型。將獲取的數據類別信息進行分類編碼，通過數據預處理方法，如箱型圖、除聚、除偏等處理后，得到各礦物成分的品位數據信息庫。大部分數據格式均為點集形式，可以利用point形式導入到GOCAD。

對地學信息數據庫的多屬性特征進行初步地質統計，獲得不同方向的多種屬性（礦產資源、不同黏土礦物）半差函數，以此獲得有用元素、有害元素平面分布與縱向分布的特征，初步揭示礦床地質特征信息。以銅為例，其品位的水平方向的變程約為250 m，其方位角45°與135°的規律性最強。而縱向上，其變程要小得多，變差函數到50 m就趨于穩定。由此反映銅的空間分布在水平方向的延展較大。同理可分析鉬及不同黏土礦物品位的空間分布。

3.2 三維地質資源模型

基于已有的烏山礦銅、鉬礦床品位數據庫，根據隱式建模方法，創建得到銅、鉬礦品位模型，如圖3、圖4所示。銅、鉬礦的空間分布基本一致，整體為一長環形，長軸長2 600 m，短軸寬1 350 m，走向50°左右，總體傾向北西，傾角從東向西由85°漸變成75°。銅礦平均品位為0.29%，鉬礦平均品位為0.039%，高品位銅礦多賦存于北礦段東部及北部、南礦段西部及南部，高品位鉬礦多賦存于北礦段及南礦段的中部。

基于烏山礦黏土礦物鉆孔數據庫，根據隱式建模方法，創建得到云母—伊利石、高嶺石、蒙脫石的品位模型，如圖5~圖7所示。云母—伊利石主要分布于北礦段的南北端，其西端的含量也較高，從北礦段一直延伸到南礦段。在深度上，云母—伊利石的分布也十分廣泛。高嶺石與蒙脫石都主要分布于北礦段的西南部，在北礦段深部有一定的高嶺石且含量較高，其銅含量較低。

4 三維地質資源模型應用效果

精確的自動化配礦是礦山企業降本增效的重要途徑，但精確的配礦需要精細化的礦物成分及含量數據為基礎。因此，需要在配礦過程考慮單個供礦爆堆的黏土類礦物質含量。基于包含黏土類礦物質的三維地質資源模型，通過配礦可以對每日供礦中的黏土類礦物質進行控制，以達到提高選礦回收率的目的。表1為11月9—15日供礦需要的爆堆信息，11個爆堆的云母—伊利石平均含量為0.396%，這周控制入選礦石云母—伊利石的綜合含量不得超過0.33%。

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配礦原則：在11個供礦爆堆中擇優選擇6~8個，并用礦塊品位模式對優選爆堆進行二次估值配礦，要求供礦綜合品位銅≥0.263%，鉬≥0.030%，且云母—伊利石綜合含量≤0.33%，對云母—伊利石含量超過0.6%的爆堆嚴格控制供礦量，每日一、二廠供礦計劃10 h進行互換。表2是11月13日供礦計劃，可以看到爆堆1的云母含量0.82%，在配礦時嚴格控制它的礦量。通過利用三維物理性質模式優化配礦方案，嚴格控制每日云母的綜合含量，保證了選廠指標穩定，提高了選礦回收率。銅回收率由87.57%提高至87.97%，鉬回收率由70.41%提高至71.55%，銅鉬分離藥劑單耗由0.44 kg/t下降到0.30 kg/t，處理量穩定于8.5萬t/d。

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5 結論

（1）通過近紅外光譜分析確定了巖芯所含的主要黏土礦物包括云母—伊利石、高嶺石以及蒙脫石，也含有微量的多硅白云母、綠泥石化、碳酸鹽等，可以直觀看到某鉆孔內巖芯不同位置處對應的黏土礦物種類及含量不同，并根據黏土礦物種類、含量及空間分布建立了黏土礦物的鉆孔數據庫，為三維建模提供了基礎數據。

（2）基于已有的烏山礦銅、鉬礦床品位數據庫和烏山礦黏土礦物鉆孔數據庫，通過GOCAD軟件，并根據隱式建模方法，建立了礦體及黏土礦物的品位模型，直觀地反映了銅鉬礦體和黏土礦物的空間分布形態，為資源量估算分析奠定了基礎，對數字礦山建設具有積極的作用。

（3）基于包含黏土類礦物質的三維地質資源模型，通過配礦可以對每日供礦中的黏土類礦物質進行控制，利用三維物理性質模式優化配礦方案，嚴格控制每日云母的綜合含量，保證了選廠指標穩定，提高了選礦回收率，銅回收率由87.57%提高至87.97%，鉬回收率由70.41%提高至71.55%，銅鉬分離藥劑單耗由0.44 kg/t下降到0.30 kg/t，處理量穩定于8.5萬t/d。三維地質資源模型的建立及應用對于非金屬礦山地質工作和地質勘查技術具有創新意義。