攀枝花钒钛磁铁矿三维建模研究

 20世纪80年代末，3D-GIS和图像仿真技术的应用诞生了矿山三维可视化技术，继而涌现了一大批矿业软件公司[1]。20世纪90年代以来，世界上各个国家陆续开发了许多矿山数字建模的相关软件，具有代表性的有：Surpac软件、MINCAD系统、Datemine采矿软件、Micromine软件、Dimine软件等等。我国也有不少矿山企业、研究院及教育机构建立了矿山数字模型，如：2002年，金川集团利用Surpac成功建立了矿山地质数据库、测量导线数据库、平面图和剖面图的矢量图库、真实三维矿体模型、矿块模型和井巷工程模型[2]。江西铜业使用Dimine软件对七宝山铅锌矿进行地质建模[3]等。它们的成果在矿山设计、生产、管理中起到了举足轻重的作用。攀枝花钒钛磁铁矿是一个大型的矿床，其生产规模巨大，为实现矿山生产动态管理，我们选用3Dmine软件对攀枝花兰家火山和尖包包进行数字建模。
1 矿床地质概况
攀枝花钒钛磁铁矿是我国储量和开采量最大的一个产地，也是世界上同类矿床的重要产区之一。攀枝花钒钛磁铁矿自东北向西南分为7个矿区，分别是朱家包包、兰家火山、尖包包、倒马坎、公山、龙洞坪、纳拉箐。矿体有依次变薄、变贫的趋向，但层位较稳定。在这7个矿区中储量比较大的是朱家包包、兰家火山、尖包包，此次建模只针对兰家火山、尖包包两个矿区。兰家火山矿区主要为流层状辉长岩，其产状大体呈北40°-70°东，倾向北西，倾角35°-60°。矿区构造以成矿后断层为主，分北东向、南北向及北西向三组。钒钛磁铁矿赋存在辉长岩上部（即上部含矿层）和底部（即底部含矿层）两个层位，上部含矿层矿化很差；矿区主要勘探对象是底部含矿层。整个含矿层包括有Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅸ等5个矿带。尖包包矿区含矿层有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ六个矿层。其中Ⅷ以厚层状高品级矿石为主，Ⅵ号矿层以厚层状中品级矿石为主，Ⅴ、Ⅶ以多层状低品级为主，Ⅲ、Ⅳ号矿层多半是表外矿石和表内低品级矿石。
2 3DMine软件
3DMine矿业工程软件应用于许多领域，如地质、测量、采矿和矿山生产管理等，3Dmine的优势之一在于速度快，不论是旋转、编辑三维模型还是图切剖面都能迅速的切换运转，3Dmine还具有强大的兼容性，能兼容Surpac、Micromine、mapGIS、AutoCad、CASS数据、excel、文本数据等；易学易用。3Dmine具有6个板块构成，分别是：地质数据库、测量、地质模型、储量计算、露天开采设计和地下开采设计。3Dmine能将数据库与图形结合起来。可以直观地浏览、查询钻孔、探槽的详细信息，比如空间位置关系、品位、孔深等等。地质模型包括两个方面：一个是地表、断层模型，另一个是矿体的具体形态及空间接触关系。国内常用的传统储量计算方法有纵投影法和断面法。而3Dmine采用了国外矿业界公认的储量计算方法，即距离幂次反比法和克里格法。
在收集整理分析矿区资料的基础上，以3Dmine为技术平台，建立相应的数据库，构建矿区的三维数字模型。具体的建模流程如图1。
3 钻孔数据库
将收集回来的勘探工程数据，包括钻孔和探槽数据，按照3Dmine数据表格式在excel表里将其整理成3个表，分别是定位表、测斜表、化验表。其中定位表（包括：工程号开孔坐标E、开孔坐标N、开孔坐标R、最大孔深、轨迹类型）和测斜表（包括：工程号、深度、方位角、倾角）确定了钻孔的空间轨迹，化验表（包括：工程号、从、至、tfe、tio2、v2o5、s）描述了在空间位置上该点的化验信息。打开3Dmine软件，新建一个数据库，将定位表、测斜表、化验表中的数据导入到此数据库中，生成一个数据库文件。3Dmine软件功能强大，在导入的过程中可以自动搜索并报告错误及重复的数据，如果发现有错误或漏掉的钻孔，还可以对单个钻孔的任何信息进行修改或添加。最终形成一个“.mdb”类型的数据库文件，并在工作区显示出钻孔图形（见图2），在图中能表达钻孔的编号、岩性、品位、轨迹和深度等。还可以通过不同属性的颜色设置显示单个或多个工程的地质岩性、品位、轨迹和深度等数据信息。
4 组合样的处理
钻孔数据建立之后的一个重要应用是样品组合，在3Dmine软件中，可以按“地质带”、“实体内提取化验样”“圈矿指标”进行组合。综合考虑，此次按“地质带”进行组合，组合长度为2m，缺失样按平均值代替。组合方式是按实体约束进行组合。组合样最终产生一些离散的点，用来描述该点的品位值、组合长度、钻孔编号等等。组合样的生成为品位模型的建立提供了依据。同时对储量计算能否比较准确的反应铁矿的实际储量起到了举足轻重的作用。
5 三维地质模型的构建
5.1 地表模型的建立 为了更清楚、直观地表示矿体与地表的三维位置关系图，我们需要建立地表模型。首先是对收集回来的纸质地质图进行校正并矢量化，得到Mapgis地形地质图，将其导入到3Dmine的工作区，通过坐标转换将地形图调整到相应的实际位置，在对图上的等高线进行高程赋值，应用“生成DTM表面”功能生成表面轮廓，并对其进行裁剪，就完成了地表模型的建立。
5.2 断层模型的建立 研究区内的地质构造复杂，断层发育，皆为成矿后断层，其中有些重要断层对矿体的破坏作用较大，所以在连矿体时应考虑断层的影响。因此建立断层模型具有重要的意义。此外，还可以用于分析断层控矿的作用机制。在建立断层模型时应首先结合中断图、剖面图将每个断层的具体方位及范围进行一个确定，再将相同编号的断层及破碎带通过“开放线到开放线”进行连接。这样就完成了断层模型的建立。见图3。
5.3 矿体模型的建立 矿体模型是一个封闭的实体模型，一般采用剖面来建立模型。此次建模的范围兰家火山及尖包包矿区，一共19个剖面，将剖面图进行优化、纠错等处理，导入3Dmine软件中使每条矿体线都闭合，再将剖面图进行坐标转换，使其位于实际的坐标位置处，见图4。
采用 “控制线”、“扩展外推体”的方法将相邻剖面图中属于同一矿体的矿体线进行连接，对于复杂的矿体，需要借助“使用坐标转换”、“使用分区连接”等方法来实现，在建立模型的过程中，不同品位的矿体赋予不同的编号不同的颜色，这样既便于编辑修改又便于合并，一个封闭的实体建成以后还需要进行“实体验证”。因为如果实体的各三角面存在无相邻边、自相交，无效边，重复边，则该实体就是一个无效的实体，无效的实体无法进行计算体积、空间约束、逻辑运算等。3Dmine软件通过“实体验证”后会报告相应的错误，并在工作区错误的地方用醒目的线条表示，这样更便于修改编辑。最后对实体进行布尔运算，就形成了我们需要的实体模型。如图5。
6 品位模型的建立
创建品位模型首先创建一个块体模型，块体模型是在空间上，在一定的范围内，确定一定尺寸的空间块体，相对应的块体都有一个质心点，在质心点上可以存储所有属性；新建一个块体模型，并对这个块体模型进行实体约束，然后对块体模型进行赋值，如TFe的品位、体重等，TFe的品位根据组合样用普通克里格法来进行赋值，体重用数学计算来赋值。最终得到其品位模型。在这个品位模型里，可以随意选择一个块体，就可以查询该块体的相关属性：如坐标、品位、比重、类型等等。
7 结论
运用3Dmine进行三维矿山建模，可以直观真实的反应出矿体的具体形态、构造的复杂程度以及地质地形条件，为储量计算、地质地形条件分析提供了坚实的基础，为矿山的生产设计、采矿及管理提供了重要依据。