基于钻孔编录信息可视化解译的矿床三维建模

罗周全，罗贞焱，刘晓明，李畅

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘  要：运用大型三维矿业软件SURPAC创建某矿深部矿段的地质数据库，可视化解译地质钻孔编录包含的断层、地层和矿体信息，构建断层、地层和矿体的三维模型；在建立该矿段品位块体模型的基础上，采用普通克立格法对矿体有用元素品位进行估值，并对矿段有用元素的平均品位和地质储量进行统计计算。以所建立的地质数据库和断层、地层、矿体和井巷工程三维实体模型为基础，实现包含矿体、断层、地层、巷道、钻孔、坐标、比例尺、标题栏等多种图元信息的地质剖面自动成图。实际应用结果表明：基于钻孔编录信息可视化解译所建立的矿床三维模型可靠，地质剖面出图能满足工程应用要求，具有重要的应用价值。

关键词：钻孔编录；矿体；三维建模；储量计算

中图分类号：TD672          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)06-2367-06

Deposit 3D modeling based on visible interpretation of drillhole information

LUO Zhou-quan, LUO Zhen-yan, LIU Xiao-ming, LI Chang

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Geological databases of the deep deposit in a mine were established, the geological drill-hole information including faults, stratums and ore-bodies was interpreted visually, and 3D models of faults, stratums and ore-bodies were established by using 3D mining software SURPAC. Ordinary Kriging was used to evaluate the grade of useful elements of the ore-bodies; the average grade of useful elements and geological reserves were computed statistically. Geological section-drawing was automatically created based on the established geological databases and the 3D models of ore-bodies, faults, stratums and sinking and driving engineering, including manifold graphics element information such as ore-bodies, faults, stratums, laneways, coordinates, scale title bar and so on. Practical application results show that the deposit 3D models based on visible interpretation of drillhole information are reliable and the geological section drawing can meet the need of engineering applications.

Key words: drillhole information; ore-bodies; 3D modeling; reserves estimation

三维可视化技术能很好地将大量复杂的和多维的科学或工程数据转化为直观的视觉信息，使人们可以更好地认识、发现和理解科学或工程计算过程中的各种现象和规律，从而优化工程设计和指导工程实践。近年来，随着以矿床模型为基础的矿业仿真软件的迅速发展，地矿工程三维可视化技术也得到了长足进  步^[1-2]。本文作者运用大型三维矿业软件SURPAC，根据地质钻孔编录信息，创建某矿深部矿段的地质数据库，对矿段所在区域内的断层、地层和矿体进行可视化地质解译，构建断层、地层三维表面模型和矿体的三维实体模型；建立矿体品位块体模型，按照不同中段对矿体地质储量和有用元素平均品位进行统计；基于建立的矿床三维模型对自动成图技术进行研究。

1  地质数据库建立

地质数据库是矿床建模系统中管理地质数据信息的数据库^[3-4]。根据实际需要，在建立的地质数据库中构建了如下数据库表：“钻孔开口信息表—collar”、“钻孔测斜信息表—survey”、“钻孔样品品位表—sample”、“钻孔各分段地质信息表—geology”和“钻孔矿体信息表—solids”，其中survey表结构如表1所示。将钻孔数据分别以数据文件的方式或程序转换的方式导入数据库后，完成地质数据库的构建。这样，不仅可以利用数据库对地质信息进行一系列的管理操作，如增加、更新、查看、修改等，还实现了地质数据的三维可视化，如直观地显示钻孔剖面上的岩层、品位等信息。图1所示为钻孔三维显示结果。地质数据库的成功建立为进行钻孔编录信息的可视化解译，以及三维建模、品位推估、储量计算和地质剖面成图奠定了基础。

表1  survey表结构

Table 1  Structure of survey datasheet

图1  钻孔三维显示

Fig.1  3D view of drillhole

2  钻孔编录信息可视化地质解译

钻孔编录信息地质解译是建立矿床三维模型的基础和依据。地质解译包括解译断层、地层和矿体等。地质解译前必须定义解译剖面，根据不同钻孔类型定义解译剖面，分为沿勘探线定义解译剖面和中段平面定义解译剖面。其中，平行钻孔时沿中段平面定义解译剖面，而斜钻孔时则沿勘探线(穿脉线)定义解译剖面，在所定义的解译剖面上完成地质解译工作。

2.1  断层解译

断层解译是地质解译的首要工作，只有准确解译了断层，才能进行地层和矿体的解译，因此，断层解译的准确性至关重要。完成断层解译后获得的某单一剖面断层线解译结果如图2所示，断层解译后建立断层表面模型如图3所示。

图2  某单一剖面断层线解译结果

Fig.2  Interpretation result of single fault borderline

图3  解译后建立的断层表面模型

Fig.3  Fault DTM model established after interpretation

2.2  地层解译

地层解译在已完成的断层解译基础上进行，地层线必须与断层相连。由于钻孔数据中地层揭露的准确性往往不高，因此，应参考多方面资料，如钻孔数据、中段平面图、穿脉编录资料及整个地层的大致走向、倾向等。完成地层解译后获得的某单一剖面地层线解译结果如图4所示，地层解译后建立的地层表面模型如图5所示。

2.3  矿体解译

矿体解译通常是在所有地质解译的最后阶段完成，矿体圈定必须在基本认清矿体变化规律、赋存条件、控矿因素的基础上，综合考虑钻孔编录信息及矿体的走向、倾向等因素。完成矿体解译后获得的某单一剖面矿体线解译结果如图6所示，矿体解译后建立的矿体实体模型如图7所示。

图4  某单一剖面地层线解译结果

Fig.4  Interpretation result of single stratum borderline

图5  解译后建立的地层表面模型

Fig.5  Stratum DTM model established after interpretation

图6  某单一剖面矿体线解译结果

Fig.6  Interpretation result of single ore-bodies borderline

图7  解译后建立的矿体实体模型

Fig.7  Ore-bodies solid model established after interpretation

2.4  工程巷道实体建模

为满足地质剖面成图的需要，还需建立地质解译矿段范围内的工程巷道三维实体模型。其中，中(分)段水平巷道根据各中(分)段平面图建立巷道三维模型，其他工程如斜坡道、井筒、盲斜井等则根据中线及断面实测尺寸建立三维模型。图8所示为某中段水平巷道三维实体模型。

图8  某中段水平巷道实体模型

Fig.8  A sublevel laneway model

3  品位推估与储量计算

3.1  地质样组合分析

根据地质统计学原理，为确保得到参数的无偏估计量，所有的样品数据应该落在相同的承载上，即同一类参数的地质样品段的长度应该一致。而地质勘探阶段所获取的原始样品一般是非等长的，为此，需要按一定的长度采用一定的方法对原始样品进行组合。为了降低样品组合过程中可能导致的品位平均化程度，取组合样长度，为平均原始样品的长度即1 m，最小组合样长度为原始样品的75%，即0.75m ，采用长度加权法对钻孔进行组合。

样品组合的计算公式为：

               (1)

≥≥          (2)

式中：G_C为组合样参数；G­_i为位于组合样计算长度范围内的第i个样品的参数值；L_i为第i个样品的长度；L_C为组合样的长度；m为参与组合样计算的样品数。

进行组合样运算以后，再对组合样品位进行统计分析，获得各元素的样品品位分布情况，组合样品位分布如图9所示。

为了利用样品数据进行块体模型中相应参数的估值，除进行各个样品参数的基本统计分析外，还需要进行变异函数分析，以确定各参数在空间上的相关性和结构性^[5-8]。选择球状变异函数模型，根据矿床特征确定实验变异函数的计算参数，通过计算拟合得到实验变异函数关系，获得理论变异函数的参数。其中沿走向方向的各元素理论变异函数拟合参数结果见   表2。

对理论变异函数参数值进行交叉检验，交叉验证结果见表3。

图9  组合样品品位分布

Fig.9  Grade distribution of elements compounding sample

表2  各元素样品理论变异函数拟合参数

Table 2  Theory variation function parameters of elements sample

表3  元素品位各项异性变异函数参数的交叉验证结果

Table 3  Intersect testing results of variation function’s parameters

根据理论变异函数参数交叉验证判断准则，所拟合的理论变异函数模型可靠，参数准确，可以用于该矿床的品位推估和储量计算。

3.2  品位块体模型

3.2.1  品位块体模型构建

品位块体模型是将矿床在三维空间内按照一定的尺寸划分为众多的单元块，然后，对建模矿段范围内的单元块的品位根据已知的样品进行推估，并在此基础上进行储量计算^[9-12]。根据矿体实体模型在平面和沿标高方向的范围，构建包含所有深部矿体在内的长方体状的块体模型。块体模型单元块尺寸见表4。

表4  块体模型单元块尺寸

      Table 4  Range parameters of block model     m

利用所建的矿体实体模型作为约束条件对块体模型进行约束，约束后生成矿体块体模型，如图10所示。

3.2.2  块体模型赋值

单元块品位估值采用克立格法。克里格法是根据待估样本点有限临域内若干已测定的样本点数据，考虑了样本点的形状、大小和空间相互位置关系，与待估样本点的相互空间位置关系，以及变异函数所提供的结构信息，对待估样本点值进行的一种线性无偏最优估计方法^[13]，其计算公式为：

               (3)

式中：为待估样本点参数的估计值；G_i为待估样本点周围参与估值的已知参数值；K_i为数据G_i参与估

值时的权系数，应满足约束条件，同时，还应满足估计的无偏性，即。

图10  矿体块体模型

Fig.10  Block model of ore-bodies

块体模型赋值后，可以按照品位级别、矿岩信息等显示块体模型，查询任意一个单元块的属性信息，为准确了解矿床品位分布和进行储量计算做准备。

3.3  储量计算

应用已经建立好的品位块体模型，可以对矿体有用元素的品位和储量进行统计计算。根据矿山的实际需要，按不同穿脉对元素品位和地质储量进行了统计计算。某中段不同穿脉平均品位和地质储量统计结果如表5所示。

表5  某中段平均品位和地质储量统计结果

Table 5  Statistic results of average grade and geological reserves of a sublevel

3.4  地质剖面图绘制

为了满足矿山生产部门作图工作的需要，以基于解译钻孔编录信息建立的断层、地层、矿体三维实体模型，结合井巷工程三维模型，实现了包含矿体、断层、地层、巷道、钻孔、坐标、比例尺、标题栏等多种图元信息输出的地质剖面的自动成图，结果如图11所示。

图11  穿脉剖面图CAD显示

Fig.11  A section of crossing laneway displayed in CAD

4  结论

(1) 在SURPAC中建立矿床地质数据库，实现包含钻孔编录信息钻孔三维的显示。根据所定义的解译剖面上钻孔编录信息完成断层、地层和矿体的地质解译工作，从而建立断层、地层表面模型和矿体实体模型。

(2) 结合地质统计学理论，对所建立的矿床模型进行品位推估和储量计算，根据实际需要按不同穿脉对有用元素平均品位和地质储量进行统计计算。

(3) 实现包含有矿体、断层、地层、巷道、钻孔、坐标、比例尺、标题栏等多种图元信息地质剖面图成图技术。

(4) 基于钻孔编录信息可视化解译建立的矿床三维模型可靠，利用所建模型进行的品位推估、储量计算和地质剖面出图能满足工程应用要求。该研究成果在矿山资源评估、开采计划编制以及采矿设计等领域具有重要的应用价值。

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(编辑 赵俊)

收稿日期：2009-09-15；修回日期：2009-12-08

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2007BAK22B04-12, 2006BAB02B04-1-3-1)

通信作者：罗周全(1966-)，男，湖南邵阳人，教授，从事金属矿深井开采数字化理论与技术研究；电话：0731-88879612；E-mail: lzq505@hotmail.com