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内蒙某铅锌矿三维地质建模及储量估算
2019-06-05
某铅锌矿床是内蒙古二连浩特—东乌珠穆沁旗多金属成矿带中的代表性矿床之一, 成矿期经历了华力西期和燕山期的多期构造运动,断裂、褶皱的多次叠加使得该区地质情况复杂。 为探讨估算该矿矿山地质储量,借助三维地质建模及可视化方式,可以直观而形象地对矿区进行研 判。依据已有的地质勘探资料,在构建该铅锌矿地质数据库的基础上,运用三维地质建模技术建立 了该铅锌矿的地表实体模型、巷道实体模型、矿体的实体模型及块体模型,并采用距离幂次反比法 对块体模型进行了空间品位插值,对有用元素(铅、锌、银)进行了储量估算。
Serial No. 601 May. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 601期 2019 年 5 月第 5 期 内蒙某铅锌矿三维地质建模及储量估算 李欣欣ꢀ 刘保顺 北京科技大学土木与资源工程学院) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 某铅锌矿床是内蒙古二连浩特—东乌珠穆沁旗多金属成矿带中的代表性矿床之一, 成矿期经历了华力西期和燕山期的多期构造运动,断裂、褶皱的多次叠加使得该区地质情况复杂。 为探讨估算该矿矿山地质储量,借助三维地质建模及可视化方式,可以直观而形象地对矿区进行研 判。 依据已有的地质勘探资料,在构建该铅锌矿地质数据库的基础上,运用三维地质建模技术建立 了该铅锌矿的地表实体模型、巷道实体模型、矿体的实体模型及块体模型,并采用距离幂次反比法 对块体模型进行了空间品位插值,对有用元素(铅、锌、银)进行了储量估算。 关键词ꢀ 三维地质建模ꢀ 可视化ꢀ 储量估算ꢀ 实体模型 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 05. 022 Three-dimensional Geological Modelling and Reserve Estimation of a Lead-zinc Deposit in Inner Mongolia Li Xinxinꢀ Liu Baoshun ( Civil and Resource Engineering School,University of Science and Technology Beijing) Abstractꢀ A lead-zinc deposit is one of the representative deposits in the Erlianhaote-Dongwuzhu- muqiqi polymetallic metallogenic belt in Inner Mongolia. During the mineralization period,it experienced multi-phase tectonic movements in the Hualixi and Yanshanian periods,with many faults and folds. The secondary superposition makes the geological conditions of the area complicated. In order to explore the estimation of the geological reserves of the mine,the three-dimensional geological modeling and visualiza- tion methods can be used to visually and visually judge the mining area. Based on the existing geological exploration data,based on the geological database of the lead-zinc mine,the surface solid model,the tun- nel solid model,the solid model of the ore body and the block model of the lead-zinc mine were estab- lished by using 3D geological modeling technology. The space model is interpolated by the power-inverse ratio method,and the reserves of useful elements (lead,zinc,silver) are estimated. Keywordsꢀ 3D Geological modelling,Visualization,Reserve estimation,Solid model ꢀ ꢀ 随着计算机技术在社会的不断发展,采矿工业 对矿山设计者和生产者无疑具有重要的参考意义。 三 维 地 质 建 模 ( Three-dimensional geological modelling),指在三维环境下,采用适当的数据结构, 综合运用现代空间信息理论和计算机技术,将空间 信息管理、空间分析以及图形可视化等工具结合起 来,来研究地质体的具体特征和自身的属性,在此基 逐渐由传统的经验化操作向科学的、自动化的方向 发展,矿山模型的建立是矿山设计工作转型的重要 基础性环节。 传统方法绘制的二维平面图存在可视 性差、信息纷杂等缺点,难以体现地质体的纵向和横 向变 化, 为 矿 山 工 程 设 计 与 施 工 带 来 很 大 的 难 [ 1-2] [ 4] 度 。 利用三维地质建模技术可构建出三维可视 础上进行地质分析和资源储量估算 。 在建立矿 床模型时三维地质建模技术具有快速、动态、精细、 全息和地质—地理一体化的特点,工作人员可以根 据不同需求开展多尺度三维地质建模。 [ 3] , 化场景,并展现出地质体之间的空间相互关系 ꢀ ꢀ 李欣欣(1996—),女,硕士研究生,100083 北京市海淀区学院 路。 某铅锌矿位于内蒙东部靠蒙古国边境,在多期 构造运动的影响下,区内褶皱、断裂等构造发育,后 通信作者ꢀ 刘保顺(1967—),男,副教授,100083 北京市海淀区 学院路 30 号。 8 7 总第 601 期 现代矿业 2019 年 5 月第 5 期 期构造对早期断裂构造进行叠加,导致该铅锌矿矿 内容,通过软件三维可视化方面的特点详细的表达 地质实体的空间形态。 实体模型主要有 2 个特点: 一是开放的数字地形模型(Digitize Terrain Model), 或者称为表面模型(DTM);二是封闭的三维实体模 型,一个 3DM 就是通过用包裹一个 DTM 的方式而 形成的一种实体。 [ 5] 床结构非常复杂 。 针对这一特点,为了能够更好 地了解矿床赋存状况,为采矿生产设计和管理提供 可靠的依据,很有必要建立矿山的三维地质模型,以 实现矿山三维可视化以及动态管理矿山的储量分布 状况。 在建立该矿地质数据库的基础上,利用 Sur- pac 建立地表三维模型、巷道三维模型、矿体三维模 型,实现地下空间体的三维可视化,并在此基础上进 行品位估值和储量估算,为矿床的开采和勘探工程 的设计和施工管理奠定基础。 3ꢀ 地质数据库的建立 矿山地质数据库是三维建模的基础,需要将原 始的地质数据进行加工处理成为三维建模的数据格 式。 建立好的地质数据库具有强大的处理功能,不 仅可以实现复杂地质数据的管理存储,还可以对其 1 ꢀ 矿区地质简况 [ 12] 矿区位于东乌旗褶皱束额仁高毕复式向斜的东 进行图像显示、编辑和分析 。 基于 Surpac 的图形 显示功能,将所收集的地质数据显示为三维立体图 形,包括钻孔的轨迹线、品位值以及岩性等。 本研究将矿区地质地形图、地质钻孔数据和钻 孔采样分析结果等原始数据作为数据源,建立该铅 锌矿地质数据库。 首先建立空的数据库后将数据 txt 文件导入库内,随后通过定义文件建立后台数据 库和 Surpac 间的桥梁。 数据库包括如下字段属性 表:钻孔开口信息表(collar)、钻孔测斜信息表(sur- vey)、钻孔各分段地质信息表(geology) 和钻孔样品 品位表(sample),分别记录探矿工程的孔口位置、测 斜、岩性和样品分析化验数据。 其中,前两个表为强 制性表而后两个表为非强制性表。 南翼,经历了多期构造运动。 区内地质情况复杂,广 泛发育褶皱、断裂、节理及劈理等构造,后期发育的 构造在早期的断裂构造之上进行再次叠加,对早期 的构造改造作用强烈。 矿区范围内侵入岩出露情况 较少,但大面积的花岗岩在矿区的北东和北西方向 出露较多。 矿区内的变质岩主要有板岩、千枚岩等。 矿区围岩蚀变类型比较复杂,主要有黄铁矿化、毒砂 矿化、硅化、碳酸盐化、萤石矿化、绢云母、绿帘石化、 绿泥石、滑石化、高岭土化、褐铁矿化、锰矿化。 矿区内主要矿体的规模比较大且储量集中,Ⅰ 号带 7 ~ 39 线 5 条主要矿体(Pb+Zn)2005 年勘探 获得储量合计为 44. 3 万 t、占详查区储量总量的 7 9. 4% 。 单个矿体长一般为 100 ~ 500 m,矿体延深 本数据库中的数据来源于该矿 2005 年的详查 报告和 2011 年的勘探和详查报告,研究范围位于Ⅰ 号带 7 ~ 39 勘探线。 一般在 100 ~ 500 m。 泥硅质板岩和安山质凝灰岩 是主要的矿体的围岩组成,也有少量矿体存在于在 粉砂质泥质板岩和凝灰岩内,矿区内凝灰岩中的蚀 变构造破碎带为主要的矿体赋存区。 4ꢀ 三维地质建模 4. 1ꢀ 地表模型 2 ꢀ 三维地质建模的方法 矿区三维地质建模主要包括:原始资料的整理 地表模型通常用来模拟地表形态,通常由区域 的地形线和散点组成,把各个散点通过建立相邻三 角网的方式进行联合,最后形成一个可以表示地面 起伏变化的三角网。 数字地表模型(DTM) 一般通 过等高线生成。 将等高线及相应标高值提取后按照 标高值置于不同地层中,清理线文件中的杂点并将 线进行闭合,通过线文件完成地表模型的构建。 本 文以研究矿区地形图为原始资料构建地表模型,并 对模型表面进行相应地离散光滑插值,使数字地形 模型更加完善,接近实际地表。 通过模型(图 1) 可 以观察发现本研究的矿区地形高程起伏变化不大, 整体北高南低,北南最高与最低间差值小于 100 m。 4. 2ꢀ 巷道模型 和预处理、建立地质数据库、生成轮廓线、构建矿体 实体模型和块体模型、估算资源储量与模型应用等 过程。 尽管地质工作者对三维地质建模方法和软件有 着强烈需求,但由于获取真三维数据比较困难,目前 最常见的方法仍是采用低维的数据生成三维地质模 型。 近些年国内外学者相继提出多种三维地质建模 方法,如:基于钻孔的建模,基于三棱柱的建模,基于 平行剖面的建模,非层状地质体建模,基于曲面的建 模,基于多源数据的建模等。 这些方法各有优缺点, 所以在实际的建模工作中,我们必须根据具体的情 [ 6-11] 况选择相适应的建模方法 三维地质模型中,地质实体模型是比较核心的 。 巷道模型可以较为直接地反映出矿山内部矿体 和巷道之间的空间位置关系,在此基础上为工作人 8 8 ꢀ ꢀ 李欣欣ꢀ 刘保顺:内蒙某铅锌矿三维地质建模及储量估算ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 5 月第 5 期 表 1ꢀ 矿体圈定标准 边界品位 最低工业 矿床平均 最小可采 夹石剔除 项目 / % 品位/ % 品位 / % 厚度/ m 厚度/ m ≥ 0. 5 ≥1. 0 铅+锌≥5. 0 ≥1 ≥2 铅 锌 硫化 矿石 ≥1. 0 ≥2. 0 4 . 3. 2ꢀ 创建矿体实体模型 本研究的锌矿矿床结构复杂,矿体数目较多,当 图 1ꢀ 矿区地表模型 所有矿体在同一图层内进行建模时,矿体间容易产 生混淆,因此采用“逐个建模,合并成型”的办法,每 次建立一到多个矿体的矿体模型,所有矿体建模结 束时将其合并即可完成整个矿体的建模。 本文的矿 体模型构建方法是以矿体边界线作为主要数据,通 过钻孔数据与勘探线剖面图进行调整,使模型能够 与矿体相契合。 在三维立体空间内建立各剖面的闭 合曲线,依据矿体的走向趋势进行三角网连接,最后 将矿体的两端封闭起来,就完成了矿体的实体模型 的构建。 图 3 与图 4 建成的矿体模型图,分别为走 向视角与俯视角下的矿体模型图,矿体呈似层状产 出,表面多呈东北向长条状,矿体多呈陡倾斜,倾角 多在 50° ~ 70°,部分直立。 员提供巷道设计的一些思路和依据。 建立空间的巷 道系统,在综合考虑矿床的三维地质模型、矿区地质 构造及矿床的资源赋存条件等因素的基础上,利用 数字化模型的可视化功能,模拟建立一个虚拟现实 的工作环境,以此直观反映出矿体与巷道间的空间 位置关系。 同时依据最小运输功原理,工作人员可 以迅速且精准地确定拟建探矿、生产等巷道工程的 位置,这对于压缩工程设计周期,提高工程设计的准 确度,降低巷道建设的投资及时间成本,具有非常重 要的实际意义。 地质资料收集过程中,共收集各中生产中段平 面图 3 张,分别为 808 m、848 m、888 m 3 个中段。 经过综合考虑,选用由轮廓线法生成实体巷道模型 和相关的地下工程。 首先存储各中段坑道的线框 架,然后对各中段的线文件进行数字化并清理杂点, 最终对各线的高程赋值,生成的巷道模型见图 2。 建立巷道主干道大致呈北西走向,分支巷道沿主干 道向两侧进行,多集中在西南向,与矿体分布基本吻 合。 图 3ꢀ 走向视角的矿体模型 图 2ꢀ 巷道模型 4 . 3ꢀ 矿体模型 实体模型是矿体在地下的三维表现,同时也是 图 4ꢀ 俯视下的矿体模型 4 . 4ꢀ 矿体块体模型的建立 构建块体模型的基础。 通过块体模型的构建,可以 较为清晰地观察出矿体的走向分布规律,并在此基 础上进行矿体储量分析。 矿体品位和资源储量推估计算需要以建立块体 模型为前提。 建立块体模型可按照一定的程序来进 行,主要思路就是将矿床在三维空间内按照一定的 标准划分为众多大小不一的单元块,然后根据己知 的样品,对填满整个矿床范围内的单元块的品位进 行推估,以此为基础进行储量估算。 4 . 3. 1ꢀ 圈定矿体轮廓 根据已有的钻孔剖面线图、单个矿体水平投影 图及中段投影图,并参照矿体轮廓圈定原则(表 1) 对矿体进行圈定。 将勘探线剖面每个剖面进行空间 坐标转换后提取各剖面中的框体界线,将界线在同 一个图层打开进行修改完善后即完成框体圈定。 4. 4. 1ꢀ 确定块模型 将模型所覆盖的区域用单元块去填充,是很难 8 9 总第 601 期 现代矿业 2019 年 5 月第 5 期 从形体上反映矿床矿体或其他岩体的情况的,因此, 在大部分矿业软件中都是采用块体模型与实体模型 套合的方法,Surpac 也是采用这种套合的方法。 为 了确保块体模型能够反映矿体或其他实体的几何形 态的真实性,基于次级分块技术使得块体模型在实 体边界处的单元块的大小自动进行细分。 在圈定模型的范围时,应确定模型的范围要比 矿体的空间范围大。 在建立模型时主轴与水平方向 一致、模型的方位平面处于正常水平状态、水平块沿 模型的方位为 0 的方向分布,即研究模型不做旋转。 为了更好地与实体模型的边界吻合,模型通常针对 不同类型的矿床,划分为父块、子块,子块的大小一 般为父块的整数倍分之一。 图 5ꢀ 铅品位分布 4 . 4. 2ꢀ 块体模型赋值 建立好空模型后,要完成单元块相关信息的充 图 6ꢀ 锌品位分布 填,才能真正完成块体模型的构建。 对于不同属性 要求,采用不同的插值方法。 如矿岩类型、矿石和岩 石体重等信息可以通过直接赋给其一个值,而对于 有空间变化性的元素(品位、岩性等信息)就要通过 估值的方法对其进行空间插值。 Surpac 软件提供了 多种估值方法,如最近距离法、距离幂次反比法、部 分百分比法、地质统计学法(普通克里格法、简单克 里格、指示克里格等) 等。 每种方法都有其使用范 围和条件,在估值时应该综合考虑选取合适的估值 方法。 通过对研究矿区铅锌矿组合样品的基本地质 统计分析,各种有用元素品位的空间变异系数都比 较小,说明其空间变异性也比较小,结合西方国家和 国内常用的处理方法:对于变异系数小于 1. 5 的样 品数据,一般采用距离幂次反比法,本研究也采用此 方法对铅、锌、银的品位进行空间插值。 图 7ꢀ 复合(+)品位分布 计算机操作指令来进行交互式地划分块段,由计算 机完成矿体块段体积计算和储量估算。 三维模型建 立后,也可以在地质统计学的指导下对矿体的储量 进行估算。 通过对矿产资源的储量估算,可以通过计算机 自动生成对块段和矿区资源储量的分类管理和品 位、吨位等统计数据,并在取样数据的基础上自动生 成矿区的资源储量分布图、储量等值线图及储量分 类统计等图表。 使用搜索椭球体对块体模型进行空间品位插值 时,第一次估值由于最大搜索半径比较小,可能会有 一部分块不能赋上品位值,这就要就行调整其大小, 进行第二次、第三次,甚至第四次的估值。 在通常的 情况下,最多进行 4 次估值:首次估值时普遍以勘探 线间距作为最大搜索半径,若同时考虑探矿工程中 存在偏离勘探线的现象,可将最大搜索半径设置勘 探线间距的 1 ~ 1. 2 倍;第二、三、四次的最大搜索半 径分别取第一次搜多半径的 2、4、8 倍。 分别对研究矿区的有用矿物元素铅、锌、银按不 同阶段和不同剖面区间进行了资源储量估算,对 3 种金属进行总量的统计,结果见表 2、表 3 和表 4。 表 2ꢀ 铅资源储量估量 3 品位区间 / % 体积/ m 储量/ t 铅品位/ % 铅金属量 / t 0 1 3 ~ 1 ~ 3 2 133 500 6 933 875 0. 65 1. 75 3. 67 6. 4 45 244. 56 229 328. 57 64 926. 72 31 726. 92 1 740. 86 4 035 750 13 116 188 对块体模型的不同属性进行插值(或赋值)后, 就完成了整个矿体的资源模型的构建(图 5、图 6、图 ~ 5 544 500 152 500 4 750 1 769 625 495 625 15 438 5 ~ 10 7 )。 10 ~ 15 11. 28 1. 67 5 ꢀ 储量分析 总计 6 871 000 22 330 750 372 967. 65 建立好矿体的三维模型后,地质人员可以通过 9 0 ꢀ ꢀ 李欣欣ꢀ 刘保顺:内蒙某铅锌矿三维地质建模及储量估算ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 5 月第 5 期 表 3ꢀ 锌资源储量估量 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 3 品位区间/ % 体积 / m 储量/ t 锌品位/ % 锌金属量/ t [ [ 1]ꢀ BISTACCHI A,MASSIRONI M,Dal P G,et al. 3D fold and fault reconstruction with an uncertainty model:An example from an Al- pine tunnel case study [ J]. Computers & Geosciences,2008,34 0 1 3 ~ 1 ~ 3 209 750 684 688 0. 83 2 5 671. 27 317 392. 15 168 209. 48 67 920. 48 3 722. 15 63. 42 4 891 000 15 895 750 ~ 5 1 421 250 338 500 9 250 4 619 063 1 100 125 30 063 3. 64 6. 17 12. 38 15. 59 2. 52 ( 4):351-372. 5 ~ 10 2] ꢀ KAUFMANN O,MARTIN T. 3D geological modelling from bore- holes,cross-sections and geological maps,application over former natural gas storages in coal mines[J]. Computers & Ge-osciences, 2008,34 (3):278-290. 1 1 0 ~ 15 5 ~ 20 总计 1 250 4 063 6 871 000 22 330 750 563 548. 97 [ [ 3]ꢀ 李青元,贾慧玲,王宝龙,等. 三维地质建模的用途、现状、存在 问题与建议[J]. 中国煤炭地质,2015,27(11):74-78. 4]ꢀ SIMON W HOULDING. 3D Geoscience Modelling:Computer Tech- niques for Geological Characterization[ M]. Berlin:Springer-Ver- lag,1994. 表 4ꢀ 银资源储量估量 3 ꢁ6 品位区间/ % 体积/ m 储量/ t 银品位/ ×10 29. 27 银金属量/ t 409 0 ~ 50 4 299 250 13 972 563 2 058 000 6 688 500 50 ~ 100 68. 15 455. 8 100 ~ 150 150 ~ 200 200 ~ 450 总计 363 250 134 500 16 000 1 180 563 437 125 52 000 118. 71 171. 79 249. 8 140. 15 75. 09 [5]ꢀ 黄再兴,王治华,常春郊,等. 内蒙东乌珠穆沁旗成矿带多金属 成矿规律与找矿方向[J]. 地质调查与研究,2013,36(3):205- 2 12. 6]ꢀ 曹代勇,王占刚. 三维地质模型可视化中直接三维交互的实现 J]. 中国矿业大学学报,2004,33(5):384-387. 12. 98 [ 6 871 000 22 330 750 48. 95 1 093. 04 [ ꢀ ꢀ 本研究建立的三维矿体模型,求得的铅锌银的 [7]ꢀ 潘ꢀ 炜,刘大安,钟辉亚,等. 三维地质建模以及在边坡工程中 的应用[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(4):597-602. 矿石量为 2 233 万 t,与该矿区 2005 年和 2011 年 2 次勘探共获得的矿石量 2 239 万 t(1 102 万 t+1 137 万 t)基本接近。 [ 8]ꢀ HOU Y B. Visual works structure tree of the mine construction J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 999,21(3):227-230. [ 1 6 ꢀ 结ꢀ 论 在已有的矿区地形地质图、勘探线剖面图、钻孔 [ 9]ꢀ 柳炳利. 基于 SD 法的固体矿产资源研究[D]. 成都:成都理工 大学,2009 数据等资料的基础上,建立了研究矿区铅锌矿的地 质数据库,为今后的矿区数据储存、管理和分析提供 了良好的数据基础。 通过三维地质建模技术,建立 了矿体地表模型、巷道模型、矿体模型和块体模型, 使得矿区几何结构和矿体信息清晰可见,方便了工 作人员进行分析工作。 在此基础上对Ⅰ号带矿体的 主要矿物铅、锌、银进行储量估算,为矿山资源的合 理开发和利用提供有力的支撑。 [10]ꢀ 蒋京名,王李管. DIMINE 矿业软件推动我国数字化矿山发展 J]. 中国矿业,2009,18(10):90-92 . [ [ 11]ꢀ 宋启彬. DIMINE 三维数字化软件在矿山的应用[J]. 科技信 息,2010(1):680,767. [ 12]ꢀ 武ꢀ 强,徐ꢀ 华. 三维地质建模与可视化方法研究[J]. 中国 科学(D 辑:地球科学),2004(1):54-60. ( 收稿日期 2019-03-12ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ · 记者在线· 河北承德启动“双百行动”整治矿山企业 ꢀ ꢀ 据报道,4 月 17 日,随着 6 座废弃矿山被同时 局土壤污染防治科科长刘连海介绍,这是推进京津 冀协同发展,加速建设京津冀水源涵养功能区的重 大举措。 刘连海:在系统的考虑承德生态环境的影 响下,对产业结构进行一种调整,对水、土壤还有大 气进行全方位的一种保护和修复。 炸毁,河北省承德市正式启动“2019 双百行动”。 今年,承德市将对百家重点矿山企业进行修复 绿化,同时将关停取缔百家资源品位低、经济效益 差、生态环境不达标的矿山企业。 承德市生态环境 9 1
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