基于Surpac的二维地质块段法资源量自动估算

李海泉

(北京中矿智信科技有限公司,北京 100043)

现阶段,用传统几何法编制矿山储量核实报告和地质勘查报告还占据主导地位。经过简单统计,目前国内通过评审、备案的矿山储量核实报告、地质勘查报告中用三维软件提交的报告数量不足5%,其余95%以上是采用传统几何法编制的。地质块段法是传统几何法中常用的资源量估算方法,该方法通过在MapGIS或AutoCAD格式的地质剖面图、中段图和矿体投影图上手工量测所有取样线产状、矿体产状、地质块段的面积,将这些参数填入Excel表格中,结合矿体的单工程与样品的对应关系、地质块段与单工程的对应关系,编辑计算公式,完成资源量的计算。整个过程操作繁琐、效率低、易出错,检查修改困难,对操作人员要求高,在一定程度上制约了该方法的应用。

随着 MapGIS、AutoCAD、Excel软件在矿业领域的应用以及三维矿业软件逐渐推广,从用计算器计算资源量的方式发展到现在用软件计算资源量,业内围绕几何法及其与软件技术相结合开展了深入研究及应用。具体表现在:①样品和矿体厚度理论计算,从早期将探槽样品、坑道样品、钻孔样品用3个不同的公式计算,发展到现在用一个万能公式计算这3种类型的样品厚度,为程序化处理提供了便利[1-3],在Excel软件中编制了一些VBA或计算公式简化了计算过程[4-5];②地质块段法的矿体外推和计算方法,研究讨论了不同地质条件的矿体外推和计算方法的实现过程[6-7],同时将地质块段法和地质统计学法从计算过程和结果上做了对比分析[8];③ 三维地质建模软件应用,随着国外 Surpac、MicroMine、Vulcan和国内3Dmine、Dimine等三维矿业软件的应用,按照三维建模技术准则,将矿体的空间实体位置划分为小的块体,用距离幂次反比法、普通克立格法、多重指示克里格法估算每个小块体的品位、体积质量等信息,根据小块体的三维尺寸,计算矿石量、金属量并进行累计汇总得到矿体的资源量,建立了一些矿床的三维模型[9-14];④几何法与三维软件相结合,针对地质断面法,结合Surpac软件的高精度三维环境和数据结构,建立了一套较为完整的估算流程和相关程序,在Surpac软件中实现了垂直断面法的资源储量估算[15],估算成果与传统断面法资源量计算表不完全一致。综上所述,现阶段针对矿体厚度计算、矿体外推等方面研究较深入,但参与地质块段法计算的矿体产状、取样线产状、块段面积等参数仍以人工交互式查询计算为主,在获取方法和途径创新等方面存在一定的不足;三维矿业软件的应用虽然提高了计算速度,由于三维软件与传统几何法估算原理有所区别,三维软件的资源量估算无需计算矿体的真厚度,从而无法直接给出地质块段法的计算参数。尽管有学者通过相关三维软件实现了地质断面法的资源量估算,但是估算成果与相关规范规定的资源量估算成果要素不完全一致,缺少样品和矿体真厚度等重要参数,没有形成符合规范要求的成套的资源量计算表。可见,目前地质块段法资源量估算涉及的矿体产状、取样线产状、块段面积等参数的查询仍以人机交互为主,利用Excel表完成资源量估算,尚无法完全摆脱人工查询参数的复杂工作。

Surpac软件是法国GEOVIA三维国际矿业软件公司的产品,被用于三维地质建模、测量验收、采矿设计。本研究提出了利用Surpac软件及其开发技术实现传统地质块段法资源量自动估算的技术方案,在Surpac软件三维地质建模成果的基础上,仅增加矿体中心线解译和地质块段圈定等极少量的工作,实现自动计算盲矿体的产状,自动查询取样线产状、地质块段的投影面积,用Surpac软件的二次开发工具TCL/SCL调用TCOM接口,根据地质块段法的计算原理,将上述参数写入Excel表中,同时写入表单之间单元格相互引用的计算公式,完成所有资源量表格的自动估算,从而大幅提升工作效率,提高成果准确度和标准化程度。研究成果与传统手工编制的地质块段法成果完全一致,与三维软件没有任何关联,可用于向资源量管理门提交报告、指导地质找矿和采矿生产、验证Surapc软件三维资源量估算成果等。

1 利用Surpac软件自动估算地质块段法资源量

1.1 三维地质模型数据成果及成果数据

(1)成果简述。利用Surpac软件建立三维地质模型,成果主要为:①通过导入井口定位、测斜、样品和岩性等探矿数据建立地质数据库;② 根据数据库的信息在剖面或中段上圈连矿体、地层、岩体、断层等地质界线,形成三维空间实体;③通过工程轨迹与矿体实体相交运算标识探矿工程的见矿部位,将相交结果(相当于地质块段法中的单工程)保存于数据库中;④对照见矿部位将矿体内的样品提取出形成线串文件,用于基础统计、特高品位处理、样品组合等;⑤在矿体的空间分布位置创建块体模型,添加属性,根据样品组数据用距离幂次反比法或普通克立格法估算品位、体积质量等信息;⑥ 按矿体勘查类型和控制矿体的工程网度,对矿体进行资源量分类后,报告矿体的资源量,得到估算结果文件。

(2)成果数据分析。地质块段法的资源量计算过程中需要获取地质块段的面积、厚度、体积质量、品位等参数,而Surpac等三维软件是根据矿体表面围成的封闭空间计算矿体的体积,无法直接提供地质块段法估算所需的相关参数。分析Surpac软件的三维模型成果可知:①地质数据库信息包含了所有的取样线空间位置信息,可以查询得到每个样品的长度、品位、取样线中点处的方位角和倾角;② 通过矿体的空间实体和地质数据库的空间分析运算得到了探矿工程中各矿体的见矿部位,即地质块段法资源量估算中的单工程;③在Surpac软件中没有提供单工程处矿体产状的查询功能,导致无法直接计算样品真厚度、投影厚度等关键参数;④三维软件将所有相邻的相同资源量类别的块体模型圈定为一个独立的空间,不按地质块段法的思路划分地质块段。

1.2 地质块段法资源量自动估算方案

为尽可能将技术人员从手工交互查询资源量计算参数的繁杂工作中解脱出来、提高资源量估算效率和成果准确度,本研究充分利用Surpac软件三维模型成果数据及其二次开发技术,通过编制宏命令实现地质块段法的自动估算,具体思路如下。

(1)单工程矿体产状查询。参照手工交互方式在地质图上查询计算矿体产状的方法,在Surpac软件中将所有单工程矿体的中心线绘制出来,根据探矿工程的控矿中心点坐标,查询计算两侧相邻勘探线相同标高矿体中心线的位置,连接成线,查询连线的方位角并计算平均值得到该探矿中心点处的矿体走向;在剖面位置将控矿中心点与前、后排孔的控矿中心点连线,查询控矿中心点连线的方位角与视倾角,结合矿体走向,计算单工程矿体真倾角。

(2)取样线产状查询。利用Surpac软件从数据库提取矿体内各样品的中心点坐标,根据该中心点的坐标,利用Surpac软件的二次开发功能查询各样品取样线的方位角和倾角。

(3)地质块段圈定。利用Surpac软件提取各矿体在见矿工程中的见矿中心点的三维空间坐标和工程编号信息,形成数据文件,在Surpac软件三维图形编辑环境中,根据矿体的见矿中心点、矿体勘查类型和矿体中心点间距,按不同矿石类型圈连不同资源量类别的地质块段。

(4)地质块段面积查询。①水平投影的地质块段,用Surpac软件直接查询即可得到地质块段的水平投影面积;②垂直纵投影的地质块段,首先通过坐标变换,将地质块段变换成水平投影方式,再用Surpac软件查询可得投影面积。

(5)样品、单工程厚度计算。通过调用TCOM接口开发程序处理Excel表,写入上述计算查询得到的参数和相关的计算公式,完成样品、单工程厚度计算。

(6)矿石密度。直接将矿石小体重的统计结果,写入地质块段和矿体资源量计算表中的对应位置。

(7)地质块段、矿体资源量估算。按地质块段法的资源量计算表格式,引用地质块段面积表和样品、单工程厚度计算结果表中的单元格,输入相应的计算公式,完成资源量计算,得到矿体的矿石量、金属量及平均品位。

(8)特高品位处理。遇到需要处理特高品位的矿种,可根据三维模型中各矿体的品位变化系数确定矿体品位的变化均匀程度,进而确定特高品位下限的倍数,得到矿体的特高品位下限,将品位高于特高品位下限的样品品位值在样品计算表中直接用特高品位所在的单工程的平均品位替换,由于计算公式是互相关联的,所有资源量计算表格会自动更新计算。

1.3 地质块段法自动估算实现过程

1.3.1 矿体中心线解译

如图1所示,在Surpac软件中,调入并显示地质数据库,按勘探线切制剖面,调入三维资源量估算时解译形成的矿体轮廓线,并以此为参照,在每个工程中找到见矿中心点,顺次连接得到解译矿体的中心线。为了在投影图上控制矿体的外推,在解译矿体中心线时,将矿体中心线向两端按趋势延长,与相邻探矿工程轨迹线相交,如图中虚线所示,虚线与工程轨迹的交点用于该矿体绘制投影图时周边不见矿工程的控制位置。沿矿体走向方向,在矿体两端的相邻剖面如果存在控矿工程,也需要解译出按矿体中心面的趋势与控矿工程轨迹的交点,用于绘制矿体投影图。

图1 矿体轮廓线和矿体中心线剖面解译示意Fig.1 Interpretation schematic of orebody boundary and orebody centerline profile

1.3.2 地质块段划分

三维软件在资源量估算过程中,所有连片的相同资源量类别划分为一个大的范围,用于为块体模型赋予资源量类别,不划分与地质块段法估算相对应的块段。地质块段法需要以矿体为单位,在Surpac软件中提取保存在地质数据库中的钻孔与矿体实体相交运算结果的中心点,即为矿体的见矿中心点,在三维软件环境中,根据见矿中心点位置和块段划分原则,捕捉见矿中心点,划分地质块段;按照矿体的勘查类型、见矿中心点的距离,将块段划分为相应的资源量类别(图2)。

图2 地质块段划分示意Fig.2 Schematic of the division of geological block

1.3.3 单工程矿体产状查询计算

在地质块段法中,各控矿工程控制矿体处的矿体产状是计算样品和单工程矿体真厚度的必要参数,在槽、井、坑探等探矿工程中,可以直接测量得到该类参数;对于深部钻孔控制的矿体部位产状,需要根据该部位周边的钻孔的控制情况,通过相关查询、解析计算得到。

图 3中,点 A、B、C、D、E、F、G、H、K 是分布在某矿体3条相邻勘探线上的钻孔控矿中心点,每条勘探线上有 3个相邻钻孔;线段 AB、BC、DE、EF、GH 和HK是剖面上相邻2个钻孔控矿中心点连线,表示矿体在剖面上的矿体中心线。本研究以中间勘探线的中间点E点为例,分析利用Surpac软件及二次开发宏命令查询计算盲矿体的单工程产状的技术思路。

图3 盲矿体产状查询计算示意Fig.3 Schematic of blind orebody occurrence query calculation

1.3.3.1 矿体倾向计算

平面HP是过E点的水平面,利用Surpac软件的线段与平面的相交点功能,计算HP水平面与BC段矿体中心线的交点M、HP水平面与GH段矿体中心线的交点N的三维空间坐标;利用Surpac软件查询两点方位角功能,查询M点和E点方位角θ2,E点和N点的方位角θ1;两个方位角θ1和θ2的平均值即为E点处矿体走向θ。过E点,绘制方位角为θ的直线PQ表示矿体走向线。矿体的倾向φ为φ=θ±90°(根据倾角方向判断取“+”号或“-”号)。

1.3.3.2 矿体倾角计算

铅直面VP是过E点与矿体走向线PQ垂直的铅垂面。线段UE是DE段矿体中心线在水平面上的投影,由 D、E、U 三点构成的角 δ1是矿体在过 D、E、U三点铅直面的视倾角。由V、E、U三点构成的角λ1是矿体视倾向和矿体倾向之间夹角,根据线段DE所表示的矿体中心线计算矿体的倾角α1,公式为

同理,根据线段EF所表示的矿体中心线计算的矿体倾角α2为

则矿体在E点的倾角α为

1.3.4 样品、单工程、地质块段真厚度和投影厚度计算

(1)样品真厚度。计算公式为[3]

式中,m为样品真厚度,m;l为岩、矿芯样长,m;α为矿层倾角,(°);β为工程样槽(或钻孔岩芯)的倾角,(°);γ为工程样槽(或钻孔)倾向方位角与矿体倾向方位角间的夹角,(°)。

(2)样品水平厚度。计算公式为

式中,mh为样品的水平厚度,m;m为样品真厚度,m;α为矿体倾角,(°)。

(3)样品水平投影厚度。计算公式为

式中,mhp为样品水平投影厚度,m;mh为样品的水平厚度,m;γ为工程样槽(或钻孔)倾向方位角与矿体倾向方位角间的夹角,(°)。

(4)样品铅直厚度。计算公式为

式中,mv为样品铅直厚度,m;m为样品真厚度,m;α为矿体倾角,(°)。

(5)单工程厚度。计算公式为

式中,md为单工程矿体真厚度,m;m1,m2,…,mn1为单工程内各样品的真厚度,m;n1为单工程内样品数,件。

(6)地质块段厚度。地质块段平均厚度用块段内单工程的厚度采用算术平均法计算,公式为

式中,mb为块段的平均厚度,m;m1,m2,…,mn2为块段内各单工程内的真厚度,m;n2为地质块段的工程数目,个。

1.3.5 单工程、地质块段平均品位计算

(1)单工程平均品位。通过单工程内各样品的品位与样品真厚度加权平均求得,公式为

式中,cd为单工程平均品位,g/t;c1,c2,…,cn3为各个样品的品位,g/t;m1,m2,…,mn3为单工程内各样品的真厚度,m;n3为单工程内样品数,件。

(2)地质块段平均品位。采用块段内单工程平均品位与真厚度加权平均进行计算:

式中,cb为块段平均品位,g/t;c1,c2,…,cn4为块段内各单工程平均品位,g/t;l1,l2,…,ln4为块段内各单工程的真厚度,m;n4为地质块段的单工程数量,个。

1.3.6 块段面积查询计算

1.3.6.1 水平投影

如图4所示,四边形ABCD是由A、B、C、D控矿中心点连接而成的地质块段,四边形 A′B′C′D′是该块段在水平面上的水平投影,利用Surpac软件的线段查询功能,可直接得到地质块段的水平投影面积。

图4 水平投影块段面积查询示意Fig.4 Query schematic of horizontal projection block segment area

1.3.6.2 垂直纵投影

Surpac软件无法直接查询矿体垂直纵投影的地质块段面积,需要将垂直纵投影的地质块段进行坐标旋转和互换等操作,将垂直纵投影的地质块段变换为水平投影的形式,再通过软件的查询功能方可获得地质块段的纵投影面积。

垂直纵投影块段的面积查询过程如图5所示。图5(a)中铅直面1234是矿体的垂直纵投影面,方位角为,四边形ABCD是由A、B、C、D控矿中心点连接而成的地质块段,四边形 A′B′C′D′是该块段的垂直纵投影;图5(b)中铅直面12′3′4是东西向的铅直面,方位角为90°,用Surpac软件的线文件2D转换功能,将地质块段数据绕铅直面1234上的铅直线段12顺时针旋转(90-μ)°,如图5(b)所示。再用Surpac软件的线串运算功能,将旋转后的地质块段数据的Y坐标和Z坐标互换,结果如图5(c)所示。地质块段经过上述变换后,在Surpac软件中可按水平投影查询块段面积的方式,获取地质块段的投影面积。

图5 垂直纵投影块段面积查询示意Fig.5 Query schematic of vertical projection block segment area

1.3.7 资源量计算

(1)地质块段资源量计算。块段矿石量等于块段体积乘以块段体积质量,块段金属量等于块段矿石量乘以块段平均品位。

(2)矿体资源量计算。矿体内各块段的矿石量和金属量累计求和,用矿体的金属量除以矿体的矿石量得到矿体的平均品位。

(3)全区资源量汇总。全区所有矿体的矿石量和金属量累计求和,用全区矿体的金属量除以全区矿体的矿石量得到全区矿体的平均品位。

1.3.8 特高品位处理

在前述资源量计算表完成后,矿体的单工程、地质块段、矿体的平均品位数据即可计算出。对需要处理特高品位的矿种,查询Surpac软件对于矿体品位变化系数的统计结果,根据矿体品位变化的均匀程度确定矿体平均品位的6、7或8倍为矿体的特高品位下限,判定矿体的特高品位,并在“槽、坑、钻探工程中矿体平均品位、厚度计算表”中用样品所在单工程的平均品位代替特高品位。由于整个资源量计算表是由公式联动的,特高品位被代替后,便自动完成了整个资源量计算流程。

1.4 宏命令开发

根据本研究资源量估算过程,在Surpac软件中编制宏命令:①按照矿体次序,根据矿体在剖面上控矿中心点连线,计算各矿体的所有控矿中心点处的倾向和倾角;②从数据库中读取每个矿体的所有见矿工程的见矿部位,通过Surpac软件查询出各见矿部位对应位置的样品取样长度、中心点坐标、取样线方位角和倾角,并计算取样线和矿体倾向之间的夹角;③查询各地质块段的投影面积;④ 调用TCOM接口,创建Excel工作簿,在工作簿中按照地质块段法规范要求的格式创建样品厚度计算表、面积表、地质块段计算表、矿体资源量计算表、全区矿体资源量汇总表等表单,将前述查询计算结果写入到对应表单中;⑤通过TCOM接口用宏命令在Excel表写入公式,建立表单之间的公式关联关系,自动计算样品的真厚度、投影厚度,单工程真厚度、投影厚度,地质块段和矿体的体积、矿石量、金属量和平均品位,汇总全部矿体资源量。

2 应用实例

内蒙古自治区阿鲁科尔沁旗巴彦包勒格矿区银多金属矿勘探报告通过三维距离幂次反比法用Surpac软件完成了资源量估算,通过了自然资源管理部门的评审、备案[16]。该报告用Surpac软件估算了全区数十条矿体的资源量,其中1号银主矿体呈陡倾、脉状产出,品位变化较均匀,厚度变化较稳定,满足选用传统地质块段法估算条件。采用本研究方法进行了地质块段法资源量估算,并与三维软件估算成果进行对比。在Surpac软件三维估算成果的基础上,解译了矿体中心线并按矿体勘查类型和工程控制间距划分地质块段,自动完成了矿体产状、取样线产状、块段投影面积查询计算,在Excel表中完成了地质块段法的自动估算。1号银主矿体地质块段法、距离幂次反比法资源量估算结果分别见表1、表2。

表1 巴彦包勒格矿区1号银矿体地质块段法估算结果Table 1 Estimation results with geological block method for No.1 silver orebody in Bayanbaolege Mine

表2 巴彦包勒格矿区1号银矿体距离幂次反比法估算结果Table 2 Estimation results with inverse distance weighted method for No.1 silver orebody in Bayanbaolege Mine

对比两种估算方法的结果(表1和表2)可知:相对于距离幂次反比法估算结果,地质块段法矿石量多11.4×104t(6.52%)、品位高0.79 g/t(0.53%)、金属量多18 t(6.90%),两种估算方法相对偏差在合理范围内,说明该区应用两种估算方法进行资源量估算的结果都是可靠的。

3 结 论

结合Surpac软件三维资源量估算成果和二次开发技术,提出了用Surpac软件完成传统地质块段法资源量自动估算的技术方案,详细论述了实现过程,并结合实例分析了其估算效果。主要结论如下:

(1)该技术在Surpac软件三维地质建模成果的基础上,仅增加绘制剖面矿体中心线和圈连地质块段这2项简单的图形编辑操作,通过开发Surpac软件宏命令,完成取样线产状、矿体产状和块段投影面积的自动查询计算,调用TCOM接口创建Excel表和地质块段法的所有表单,将样品、单工程、地质块段计算查询结果写入表单,以公式关联的方式写入计算公式,便可实现地质块段法的自动估算。该方法估算成果与传统手工编制的块段法结果完全一致,节省了人工交互式查询资源量估算参数的繁杂工作;估算成果和三维软件没有关联,可用于三维软件估算结果相互验证,能够用于提交矿山资源储量核实报告和地质勘查报告,指导矿山采矿和地质找矿生产工作。

(2)《固体矿产资源量估算规程》(DZ/T 0338.1—2020)规定了传统几何法有地质块段法、断面法、多边形法等7种,这些方法都需要手工交互式量测取样线产状、矿体产状、地质块段面积等参数。本研究方法利用三维软件技术实现了该类参数的自动查询计算,按地质块段法的要求实现了资源量自动估算。未来需加强对其余6种方法的自动估算技术方法的研究,实现二维传统资源量估算技术与三维现代资源量估算技术相融合,提升资源量估算的自动化水平。