攀枝花釩鈦磁鐵礦三維建模研究

 20世紀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90年代以來，世界上各個國家陸續(xù)開發(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。我國也有不少礦山企業(yè)、研究院及教育機構(gòu)建立了礦山數(shù)字模型，如：2002年，金川集團利用Surpac成功建立了礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、測量導(dǎo)線數(shù)據(jù)庫、平面圖和剖面圖的矢量圖庫、真實三維礦體模型、礦塊模型和井巷工程模型[2]。江西銅業(yè)使用Dimine軟件對七寶山鉛鋅礦進行地質(zhì)建模[3]等。它們的成果在礦山設(shè)計、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大型的礦床，其生產(chǎn)規(guī)模巨大，為實現(xiàn)礦山生產(chǎn)動態(tài)管理，我們選用3Dmine軟件對攀枝花蘭家火山和尖包包進行數(shù)字建模。
1 礦床地質(zhì)概況
攀枝花釩鈦磁鐵礦是我國儲量和開采量最大的一個產(chǎn)地，也是世界上同類礦床的重要產(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個礦區(qū)中儲量比較大的是朱家包包、蘭家火山、尖包包，此次建模只針對蘭家火山、尖包包兩個礦區(qū)。蘭家火山礦區(qū)主要為流層狀輝長巖，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巖上部（即上部含礦層）和底部（即底部含礦層）兩個層位，上部含礦層礦化很差；礦區(qū)主要勘探對象是底部含礦層。整個含礦層包括有Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅸ等5個礦帶。尖包包礦區(qū)含礦層有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ六個礦層。其中Ⅷ以厚層狀高品級礦石為主，Ⅵ號礦層以厚層狀中品級礦石為主，Ⅴ、Ⅶ以多層狀低品級為主，Ⅲ、Ⅳ號礦層多半是表外礦石和表內(nèi)低品級礦石。
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)、測量、采礦和礦山生產(chǎn)管理等，3Dmine的優(yōu)勢之一在于速度快，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轉(zhuǎn)，3Dmine還具有強大的兼容性，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個板塊構(gòu)成，分別是：地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、測量、地質(zhì)模型、儲量計算、露天開采設(shè)計和地下開采設(shè)計。3Dmine能將數(shù)據(jù)庫與圖形結(jié)合起來?？梢灾庇^地瀏覽、查詢鉆孔、探槽的詳細信息，比如空間位置關(guān)系、品位、孔深等等。地質(zhì)模型包括兩個方面：一個是地表、斷層模型，另一個是礦體的具體形態(tài)及空間接觸關(guān)系。國內(nèi)常用的傳統(tǒng)儲量計算方法有縱投影法和斷面法。而3Dmine采用了國外礦業(yè)界公認的儲量計算方法，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，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，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
將收集回來的勘探工程數(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個表，分別是定位表、測斜表、化驗表。其中定位表（包括：工程號開孔坐標E、開孔坐標N、開孔坐標R、最大孔深、軌跡類型）和測斜表（包括：工程號、深度、方位角、傾角）確定了鉆孔的空間軌跡，化驗表（包括：工程號、從、至、tfe、tio2、v2o5、s）描述了在空間位置上該點的化驗信息。打開3Dmine軟件，新建一個數(shù)據(jù)庫，將定位表、測斜表、化驗表中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到此數(shù)據(jù)庫中，生成一個數(shù)據(jù)庫文件。3Dmine軟件功能強大，在導(dǎo)入的過程中可以自動搜索并報告錯誤及重復(fù)的數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)有錯誤或漏掉的鉆孔，還可以對單個鉆孔的任何信息進行修改或添加。最終形成一個“.mdb”類型的數(shù)據(jù)庫文件，并在工作區(qū)顯示出鉆孔圖形（見圖2），在圖中能表達鉆孔的編號、巖性、品位、軌跡和深度等。還可以通過不同屬性的顏色設(shè)置顯示單個或多個工程的地質(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)建立之后的一個重要應(yīng)用是樣品組合，在3Dmine軟件中，可以按“地質(zhì)帶”、“實體內(nèi)提取化驗樣”“圈礦指標”進行組合。綜合考慮，此次按“地質(zhì)帶”進行組合，組合長度為2m，缺失樣按平均值代替。組合方式是按實體約束進行組合。組合樣最終產(chǎn)生一些離散的點，用來描述該點的品位值、組合長度、鉆孔編號等等。組合樣的生成為品位模型的建立提供了依據(jù)。同時對儲量計算能否比較準確的反應(yīng)鐵礦的實際儲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。首先是對收集回來的紙質(zhì)地質(zhì)圖進行校正并矢量化，得到Mapgis地形地質(zhì)圖，將其導(dǎo)入到3Dmine的工作區(qū)，通過坐標轉(zhuǎn)換將地形圖調(diào)整到相應(yīng)的實際位置，在對圖上的等高線進行高程賦值，應(yīng)用“生成DTM表面”功能生成表面輪廓，并對其進行裁剪，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礦體的破壞作用較大，所以在連礦體時應(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制。在建立斷層模型時應(yīng)首先結(jié)合中斷圖、剖面圖將每個斷層的具體方位及范圍進行一個確定，再將相同編號的斷層及破碎帶通過“開放線到開放線”進行連接。這樣就完成了斷層模型的建立。見圖3。
5.3 礦體模型的建立 礦體模型是一個封閉的實體模型，一般采用剖面來建立模型。此次建模的范圍蘭家火山及尖包包礦區(qū)，一共19個剖面，將剖面圖進行優(yōu)化、糾錯等處理，導(dǎo)入3Dmine軟件中使每條礦體線都閉合，再將剖面圖進行坐標轉(zhuǎn)換，使其位于實際的坐標位置處，見圖4。
采用 “控制線”、“擴展外推體”的方法將相鄰剖面圖中屬于同一礦體的礦體線進行連接，對于復(fù)雜的礦體，需要借助“使用坐標轉(zhuǎn)換”、“使用分區(qū)連接”等方法來實現(xiàn)，在建立模型的過程中，不同品位的礦體賦予不同的編號不同的顏色，這樣既便于編輯修改又便于合并，一個封閉的實體建成以后還需要進行“實體驗證”。因為如果實體的各三角面存在無相鄰邊、自相交，無效邊，重復(fù)邊，則該實體就是一個無效的實體，無效的實體無法進行計算體積、空間約束、邏輯運算等。3Dmine軟件通過“實體驗證”后會報告相應(yīng)的錯誤，并在工作區(qū)錯誤的地方用醒目的線條表示，這樣更便于修改編輯。最后對實體進行布爾運算，就形成了我們需要的實體模型。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，相對應(yīng)的塊體都有一個質(zhì)心點，在質(zhì)心點上可以存儲所有屬性；新建一個塊體模型，并對這個塊體模型進行實體約束，然后對塊體模型進行賦值，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進行賦值，體重用數(shù)學(xué)計算來賦值。最終得到其品位模型。在這個品位模型里，可以隨意選擇一個塊體，就可以查詢該塊體的相關(guān)屬性：如坐標、品位、比重、類型等等。
7 結(jié)論
運用3Dmine進行三維礦山建模，可以直觀真實的反應(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，為儲量計算、地質(zhì)地形條件分析提供了堅實的基礎(chǔ)，為礦山的生產(chǎn)設(shè)計、采礦及管理提供了重要依據(jù)。