攀枝花釩鈦磁鐵礦三維建模研究

 20世紀(jì)80年代末，3D-GIS和圖像仿真技術(shù)的應(yīng)用誕生了礦山三維可視化技術(shù)，繼而涌現(xiàn)了一大批礦業(yè)軟件公司[1]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，世界上各個(gè)國(guó)家陸續(xù)開(kāi)發(fā)了許多礦山數(shù)字建模的相關(guān)軟件，具有代表性的有：Surpac軟件、MINCAD系統(tǒng)、Datemine采礦軟件、Micromine軟件、Dimine軟件等等。我國(guó)也有不少礦山企業(yè)、研究院及教育機(jī)構(gòu)建立了礦山數(shù)字模型，如：2002年，金川集團(tuán)利用Surpac成功建立了礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、測(cè)量導(dǎo)線數(shù)據(jù)庫(kù)、平面圖和剖面圖的矢量圖庫(kù)、真實(shí)三維礦體模型、礦塊模型和井巷工程模型[2]。江西銅業(yè)使用Dimine軟件對(duì)七寶山鉛鋅礦進(jìn)行地質(zhì)建模[3]等。它們的成果在礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理中起到了舉足輕重的作用。攀枝花釩鈦磁鐵礦是一個(gè)大型的礦床，其生產(chǎn)規(guī)模巨大，為實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理，我們選用3Dmine軟件對(duì)攀枝花蘭家火山和尖包包進(jìn)行數(shù)字建模。
1 礦床地質(zhì)概況
攀枝花釩鈦磁鐵礦是我國(guó)儲(chǔ)量和開(kāi)采量最大的一個(gè)產(chǎn)地，也是世界上同類(lèi)礦床的重要產(chǎn)區(qū)之一。攀枝花釩鈦磁鐵礦自東北向西南分為7個(gè)礦區(qū)，分別是朱家包包、蘭家火山、尖包包、倒馬坎、公山、龍洞坪、納拉箐。礦體有依次變薄、變貧的趨向，但層位較穩(wěn)定。在這7個(gè)礦區(qū)中儲(chǔ)量比較大的是朱家包包、蘭家火山、尖包包，此次建模只針對(duì)蘭家火山、尖包包兩個(gè)礦區(qū)。蘭家火山礦區(qū)主要為流層狀輝長(zhǎng)巖，其產(chǎn)狀大體呈北40°-70°東，傾向北西，傾角35°-60°。礦區(qū)構(gòu)造以成礦后斷層為主，分北東向、南北向及北西向三組。釩鈦磁鐵礦賦存在輝長(zhǎng)巖上部（即上部含礦層）和底部（即底部含礦層）兩個(gè)層位，上部含礦層礦化很差；礦區(qū)主要勘探對(duì)象是底部含礦層。整個(gè)含礦層包括有Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅸ等5個(gè)礦帶。尖包包礦區(qū)含礦層有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ六個(gè)礦層。其中Ⅷ以厚層狀高品級(jí)礦石為主，Ⅵ號(hào)礦層以厚層狀中品級(jí)礦石為主，Ⅴ、Ⅶ以多層狀低品級(jí)為主，Ⅲ、Ⅳ號(hào)礦層多半是表外礦石和表內(nèi)低品級(jí)礦石。
2 3DMine軟件
3DMine礦業(yè)工程軟件應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如地質(zhì)、測(cè)量、采礦和礦山生產(chǎn)管理等，3Dmine的優(yōu)勢(shì)之一在于速度快，不論是旋轉(zhuǎn)、編輯三維模型還是圖切剖面都能迅速的切換運(yùn)轉(zhuǎn)，3Dmine還具有強(qiáng)大的兼容性，能兼容Surpac、Micromine、mapGIS、AutoCad、CASS數(shù)據(jù)、excel、文本數(shù)據(jù)等；易學(xué)易用。3Dmine具有6個(gè)板塊構(gòu)成，分別是：地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、測(cè)量、地質(zhì)模型、儲(chǔ)量計(jì)算、露天開(kāi)采設(shè)計(jì)和地下開(kāi)采設(shè)計(jì)。3Dmine能將數(shù)據(jù)庫(kù)與圖形結(jié)合起來(lái)。可以直觀地瀏覽、查詢(xún)鉆孔、探槽的詳細(xì)信息，比如空間位置關(guān)系、品位、孔深等等。地質(zhì)模型包括兩個(gè)方面：一個(gè)是地表、斷層模型，另一個(gè)是礦體的具體形態(tài)及空間接觸關(guān)系。國(guó)內(nèi)常用的傳統(tǒng)儲(chǔ)量計(jì)算方法有縱投影法和斷面法。而3Dmine采用了國(guó)外礦業(yè)界公認(rèn)的儲(chǔ)量計(jì)算方法，即距離冪次反比法和克里格法。
在收集整理分析礦區(qū)資料的基礎(chǔ)上，以3Dmine為技術(shù)平臺(tái)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建礦區(qū)的三維數(shù)字模型。具體的建模流程如圖1。
3 鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)
將收集回來(lái)的勘探工程數(shù)據(jù)，包括鉆孔和探槽數(shù)據(jù)，按照3Dmine數(shù)據(jù)表格式在excel表里將其整理成3個(gè)表，分別是定位表、測(cè)斜表、化驗(yàn)表。其中定位表（包括：工程號(hào)開(kāi)孔坐標(biāo)E、開(kāi)孔坐標(biāo)N、開(kāi)孔坐標(biāo)R、最大孔深、軌跡類(lèi)型）和測(cè)斜表（包括：工程號(hào)、深度、方位角、傾角）確定了鉆孔的空間軌跡，化驗(yàn)表（包括：工程號(hào)、從、至、tfe、tio2、v2o5、s）描述了在空間位置上該點(diǎn)的化驗(yàn)信息。打開(kāi)3Dmine軟件，新建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，將定位表、測(cè)斜表、化驗(yàn)表中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到此數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件。3Dmine軟件功能強(qiáng)大，在導(dǎo)入的過(guò)程中可以自動(dòng)搜索并報(bào)告錯(cuò)誤及重復(fù)的數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)誤或漏掉的鉆孔，還可以對(duì)單個(gè)鉆孔的任何信息進(jìn)行修改或添加。最終形成一個(gè)“.mdb”類(lèi)型的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，并在工作區(qū)顯示出鉆孔圖形（見(jiàn)圖2），在圖中能表達(dá)鉆孔的編號(hào)、巖性、品位、軌跡和深度等。還可以通過(guò)不同屬性的顏色設(shè)置顯示單個(gè)或多個(gè)工程的地質(zhì)巖性、品位、軌跡和深度等數(shù)據(jù)信息。
4 組合樣的處理
鉆孔數(shù)據(jù)建立之后的一個(gè)重要應(yīng)用是樣品組合，在3Dmine軟件中，可以按“地質(zhì)帶”、“實(shí)體內(nèi)提取化驗(yàn)樣”“圈礦指標(biāo)”進(jìn)行組合。綜合考慮，此次按“地質(zhì)帶”進(jìn)行組合，組合長(zhǎng)度為2m，缺失樣按平均值代替。組合方式是按實(shí)體約束進(jìn)行組合。組合樣最終產(chǎn)生一些離散的點(diǎn)，用來(lái)描述該點(diǎn)的品位值、組合長(zhǎng)度、鉆孔編號(hào)等等。組合樣的生成為品位模型的建立提供了依據(jù)。同時(shí)對(duì)儲(chǔ)量計(jì)算能否比較準(zhǔn)確的反應(yīng)鐵礦的實(shí)際儲(chǔ)量起到了舉足輕重的作用。
5 三維地質(zhì)模型的構(gòu)建
5.1 地表模型的建立 為了更清楚、直觀地表示礦體與地表的三維位置關(guān)系圖，我們需要建立地表模型。首先是對(duì)收集回來(lái)的紙質(zhì)地質(zhì)圖進(jìn)行校正并矢量化，得到Mapgis地形地質(zhì)圖，將其導(dǎo)入到3Dmine的工作區(qū)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將地形圖調(diào)整到相應(yīng)的實(shí)際位置，在對(duì)圖上的等高線進(jìn)行高程賦值，應(yīng)用“生成DTM表面”功能生成表面輪廓，并對(duì)其進(jìn)行裁剪，就完成了地表模型的建立。
5.2 斷層模型的建立 研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，皆為成礦后斷層，其中有些重要斷層對(duì)礦體的破壞作用較大，所以在連礦體時(shí)應(yīng)考慮斷層的影響。因此建立斷層模型具有重要的意義。此外，還可以用于分析斷層控礦的作用機(jī)制。在建立斷層模型時(shí)應(yīng)首先結(jié)合中斷圖、剖面圖將每個(gè)斷層的具體方位及范圍進(jìn)行一個(gè)確定，再將相同編號(hào)的斷層及破碎帶通過(guò)“開(kāi)放線到開(kāi)放線”進(jìn)行連接。這樣就完成了斷層模型的建立。見(jiàn)圖3。
5.3 礦體模型的建立 礦體模型是一個(gè)封閉的實(shí)體模型，一般采用剖面來(lái)建立模型。此次建模的范圍蘭家火山及尖包包礦區(qū)，一共19個(gè)剖面，將剖面圖進(jìn)行優(yōu)化、糾錯(cuò)等處理，導(dǎo)入3Dmine軟件中使每條礦體線都閉合，再將剖面圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使其位于實(shí)際的坐標(biāo)位置處，見(jiàn)圖4。
采用 “控制線”、“擴(kuò)展外推體”的方法將相鄰剖面圖中屬于同一礦體的礦體線進(jìn)行連接，對(duì)于復(fù)雜的礦體，需要借助“使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”、“使用分區(qū)連接”等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在建立模型的過(guò)程中，不同品位的礦體賦予不同的編號(hào)不同的顏色，這樣既便于編輯修改又便于合并，一個(gè)封閉的實(shí)體建成以后還需要進(jìn)行“實(shí)體驗(yàn)證”。因?yàn)槿绻麑?shí)體的各三角面存在無(wú)相鄰邊、自相交，無(wú)效邊，重復(fù)邊，則該實(shí)體就是一個(gè)無(wú)效的實(shí)體，無(wú)效的實(shí)體無(wú)法進(jìn)行計(jì)算體積、空間約束、邏輯運(yùn)算等。3Dmine軟件通過(guò)“實(shí)體驗(yàn)證”后會(huì)報(bào)告相應(yīng)的錯(cuò)誤，并在工作區(qū)錯(cuò)誤的地方用醒目的線條表示，這樣更便于修改編輯。最后對(duì)實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算，就形成了我們需要的實(shí)體模型。如圖5。
6 品位模型的建立
創(chuàng)建品位模型首先創(chuàng)建一個(gè)塊體模型，塊體模型是在空間上，在一定的范圍內(nèi)，確定一定尺寸的空間塊體，相對(duì)應(yīng)的塊體都有一個(gè)質(zhì)心點(diǎn)，在質(zhì)心點(diǎn)上可以存儲(chǔ)所有屬性；新建一個(gè)塊體模型，并對(duì)這個(gè)塊體模型進(jìn)行實(shí)體約束，然后對(duì)塊體模型進(jìn)行賦值，如TFe的品位、體重等，TFe的品位根據(jù)組合樣用普通克里格法來(lái)進(jìn)行賦值，體重用數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)賦值。最終得到其品位模型。在這個(gè)品位模型里，可以隨意選擇一個(gè)塊體，就可以查詢(xún)?cè)搲K體的相關(guān)屬性：如坐標(biāo)、品位、比重、類(lèi)型等等。
7 結(jié)論
運(yùn)用3Dmine進(jìn)行三維礦山建模，可以直觀真實(shí)的反應(yīng)出礦體的具體形態(tài)、構(gòu)造的復(fù)雜程度以及地質(zhì)地形條件，為儲(chǔ)量計(jì)算、地質(zhì)地形條件分析提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為礦山的生產(chǎn)設(shè)計(jì)、采礦及管理提供了重要依據(jù)。