朱明海等--层状薄矿体模型构建及资源评估研究

引 言

矿业作为国民经济的支撑，其现代化离不开计算机技术的发展。国外矿山在未进入开采阶段就已完成矿山三维建模工作，极大推动了三维矿业软件的进步。美国著名的矿业软件公司mintec开发的minesight软件已有20多个国家近300多家矿业公司在使用 ^[1]，类似应用较为普遍的国外软件还有英国datamine 软件、澳大利亚surpac软件和micromine软件等^[2]。随着我国“数字矿山”的建设，国内矿业领域也涌现出一批优秀软件。相对国外软件，国内矿业软件的优势主要在于软件的操作思维、价格、二次开发以及售后服务的方面^[3]~[5]。

本文借助国产三维矿业软件平台dimine，针对设计工作中的一个铬矿项目，通过钻孔勘探的原始编录数据，按照软件生成钻孔的格式要求收集四个表格信息，快速建立地质数据库，实现钻孔三维可视化和矿体圈定；根据矿体的空间赋存形态，提出一种基于层状薄矿体的建模方法；运用距离幂次反比法进行矿石品位和体重估值，在此基础上计算全矿床资源量，并对资源量进行分级。鉴于dimine软件的成功运用及软件功能的不断完善，国产三维矿业软件已具备了替代国外软件的能力。

1  数据整理

根据国家现行的岩心钻探和固体矿产勘查原始地质编录规程要求，钻探工程编录应该包含如下信息：钻孔的孔口坐标、钻孔深度、方位角、倾角、勘探线号、地质现象位置及产状、取样起止位置及化验数据、测斜位置（测斜深度）及测得的方位角与倾角等。

三维矿业软件的使用通例是先将钻探工程编录信息分别录入到四张表格中（数据结构见表1），再保存成矿业软件能够兼容的文件格式，最后通过接口导入到软件当中。excel软件在编辑和储存数据方面功能强大，使其成为众多软件的兼容文件格式。因此，在前期资料收集整理阶段，数据信息储存在excel表格文件中。

建立地质数据库所需的四张表格分别为：

（1）孔口表（collar），记录钻孔开口信息，包括坐标值、终孔孔深、工程类型等；

（2）测斜表（survey），记录钻孔偏斜信息，包括测点深度、实测方位角和倾角；

（3）样品表（assay），记录样品化验信息，包括取样深度，元素品位信息；

（4）岩性表（geology），记录岩性描述信息，包括岩层深度、岩性及代码。

本次项目共有82个钻孔对上、中、下的三个铬矿层进行了地质勘探。勘探数据在excel软件中按照上述四个表格文件样式进行录入，并保存为矿业软件兼容的txt file(.txt)或excel file(.csv)文件格式。数据录入过程中，注意各个钻孔数据的完整性。四个表格内钻孔编号保持一致，为方便起见编号中的字母用大写字母。测斜表中方位角和倾角的单位为度，如果原始数据格式是度分秒，可按度分秒的格式先行录入，录入完成后在excel表中用公式统一进行转换。若钻孔无测斜数据，则该钻孔作直孔处理，测斜记录从必须0m开始。

表1  数据结构

备注：1、深度数值不能为负，测斜深度、取样深度不能超过孔深；

      2、倾角向上为正，向下为负，取值范围（-90,90）；

      3、方位角以正北方设为°，顺时针转一圈后的角度为360°。

2  地质数据库

2.1    数据导入

导入功能提供了外部数据转化为软件自身数据的接口。将上述孔口表、测斜表、样品表及岩性表逐个导入，注意文件中数据之间的分隔符号、标题行和数据行的位置，指定各列字段的数据类型。主要用到的数据类型有字符型和数值型两种：不具有计算能力的字段为字符型，类型设置为字符串，如工程类型、钻孔编号、岩性代码等；表示数量、可以进行数值运算的数据字段为数值型，类型设置为浮点型或者双精度型，像坐标值、样品品位、深度等。

2.2    数据校验

地质数据由于人为录入或者从外部导入，难免造成错误，这些错误影响数据准确性，甚至导致后续工作无法进行。因此，进行数据的校验是非常有必要的。数据错误划归为两类：第一类是直接影响钻孔空间轨迹生成的认定性错误，第二类是不影响钻孔轨迹的计算的判断性错误。第一类的错误必须更正，否则无法进行后续工作；第二类的数据是否认定为错误需由操作者来判断^[6]。

第一类错误包括以下内容：

（1）孔口表、测斜表中存在空白数据，字段对应的数据未录入；

（2）孔口表中存在相同编号的钻孔，以及各个表格间钻孔编号不一致；

（3）孔口表中钻孔数据不存在，而其它表格中存在记录；

（4）方位角、倾角超出范围；

（5）样品表和岩性表中钻孔编号、取样深度等字段值不能为空；

（6）样品表和岩性表中取样起始值和终止值不符合空间逻辑，例如错误：depth from>=depth to。

第二类错误包括以下内容：

（1）钻孔角度变化过大。钻孔测点之间的角度变化是个渐变过程，若同一钻孔的连续两个测斜记录变化大于设定值，则可能存在错误，需进行判断。

（2）样长过长，样段缺失。

dimine软件通过程序自动检测错误，并生成一份错误提示文件。有以下两种处理方式：

（1）按照错误描述在原表格中更改错误数据，再导入重新检测，直到所有错误被修正；这种方法在原数据表上修改，从源头上更正错误的数据，需要重新导入dimine软件。

（2）软件中弹出的错误报告内数据对应原表格数据，双击错误条目，系统自动在数据表中定位到错误所在行后，再根据错误描述进行修正。第二种方法直接修改导入dimine后的数据，原始表格中的数据未作更改。

在此次建立地质数据库的过程中结合上述两种方法，在dimine软件表格中修改错误数据的基础上，同时更正原表格中的数据，虽然增加了工作流程，但是保证了表格间的数据统一，有助于后续工作顺利开展。

2.3  钻孔轨迹

地质勘探钻孔终孔深度一般很深，由于钻杆与岩石相互挤压作用，实际的钻孔在三维空间内是一条复杂曲线。软件中的钻孔轨迹其实是通过测量过程记录不同深度处的方位角和倾角，利用数学模型计算出来的连续空间曲线，是真实钻孔的模拟可视化。

完成数据校核后，合并钻孔数据中的孔口表.dmt、测斜表.dmt、样品表.dmt和岩性表.dmt为一个文件，生成dimine钻孔文件，文件后缀名为.dmd。在软件中调入钻孔文件，设置好显示风格，三维轨迹效果如图1所示。

图1 钻孔轨迹（部分）

2.4  数据统计分析

通过观察钻孔属性柱状图了解地质数据的特征值和离散情况。直方图用于地质数据库中的样品长度、矿体厚度和元素品位等统计分析。图2、表2列出lg矿层部分统计结果。

表2  lg矿层数据统计

（a） 厚度  

（b） cr203

图2  lg矿层厚度、cr203品位分布直方图

3          矿层模型

3.1  钻孔属性可视化

三维可视化是一种描述地质现象特征的工具，也是一种表达地质成果的工具。对于钻孔数据来说，见矿段可以按照元素的品位值区间用不同的颜色显示，或者将品位值以图形或曲线的方式显示在钻孔一侧，也可以将岩性按照不同的代码和纹理图案显示在钻孔一侧。钻孔带有的属性数据均可以用文字的形式显示在几何图形附近。如图3所示，钻孔bh48中元素cr203品位值的直方图显示。

图3  bh48元素cr203品位可视化图

3.2  矿体圈定

在单个钻孔工程中，将等于或大于边界品位25%（铬矿富矿的边界品位）的样品分布地段圈为矿体，矿体与顶、底板分界位置即矿体外边界线基点；最低开采厚度0.5m，夹石剔除厚度0.5m。相邻钻孔工程矿段用多段线连接，推定的矿体厚度不大于相邻两工程的最大见矿厚度。矿体沿倾斜方向无工程控制时，视周围控制情况和矿体稳定程度，用无限外推法外推至正常工程间距300m，沿走向外推工程间距的 1/2 即150m。矿体圈定效果如图4所示。

图4 矿体圈定

3.3   矿层建模

从钻孔数据统计分析看，ug、mg、lg平均厚度分别为1.12m、1.05m、0.97m，属缓倾斜层状薄矿床。矿体建模可以通过传统方法连接相邻矿体线圈生成模型。但是，在实际应用中由于两个矿体线圈距离远，降低了delaunay算法生成三角网时对线圈上的点的约束能力，使得生成的矿体表面与实际地质体表面有比较明显的差异。所以，本次矿体建模中，采用先建立层状矿体的顶、底板面，再提取顶、底板面边界生成闭合线圈，连接闭合线圈生成围面，合并顶、底板面和围面形成封闭实体，这样，矿体模型就建立好了。ug、mg、lg三层矿体模型如图5所示。

图5 矿层模型（局部）

4     品位推估

4.1  块段模型

块段模型建立的两个原则：一、模型的范围应该包括整个研究区域；二、模型的行与列的方向应与矿体的走向、倾向或者延伸方向一致^[7]。当层状矿体呈倾斜或倾伏时，旋转块段模型十分有必要，旋转后模型块拟合矿体边界的程度好得多。块段模型旋转角度是指块段模型的轴连同它的块相对于坐标轴旋转过的角度，分别对应倾伏角（绕x轴旋转）、倾角（绕y轴旋转）、方位角（绕z轴旋转）。

根据上述原则，本次项目建立的块段模型参数如表3所示。

表3  块段模型参数

4.2    估值方法

在层状矿床估值中，距离幂次反比法因方法筒单、计算速度快、精度满足需要而得以广泛应用^[8]。幂指数的大小决定着距离的权重，距离越近的样品的权重越大。对于大多数地质方面的情况而言，幂次取2会取得比较好的效果，此时即为距离平方反比法^[9]。本次估值方法采用距离平方反比法。

4.3    估值参数

估值半径确定：根据地质统计学理论，有效估值半径应为地质变量变异函数的变程值，而实践中通常取勘探网度的1.5倍左右的距离来确定^[8]~[9]。勘探网度为300m×300m,估值半径第一次取450m，第二次取600m。为了使全矿区范围内的估值块都附上属性值，第三次估值距离取3000m。

参估点选择：前期处理钻孔单层矿体按厚度组合为一个样品，估值时每个钻孔每个矿层只对应一个样品值，这样参估点比较均匀地分布在估值空间。文献8通过对多个层状矿床的估值实践表明，距待估点最近的8～12个参估点估值结果占有99%以上的权重，过多的钻孔参与估值结果几乎不产生影响。故此次参与单个块估值的样品数取3～10个。

估值结果如图6所示。

图6 估值结果

5    储量计算

在矿床的品位模型建立之后，储量计算公式如下：

\* mergeformat

式中： \* mergeformat ——矿床金属量，t；

\* mergeformat ——单元块体积=单元块长×宽×高，m³；

\* mergeformat ——矿石体重，t/m³；

\* mergeformat ——第i个单元块品位，%。

第一次估值获取的资源量为探明资源量，第二次估值获取的资源量为控制资源量，第三次估值获取的资源量为控制资源量。lg矿层储量计算表见表4。

表4 lg矿层储量计算表

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