花山冲矿区数字化三维地质建模及建设规划

毛 振， 李 超， 罗 成

（1.安陆顺安矿业有限公司，湖北 安陆 432600；2.大悟顺通矿业有限公司，湖北 大悟 432807；3.孝昌顺和矿业有限公司，湖北 孝昌 432900）

本文研究的花山冲矿区主要出露地层为震旦系灯影组下段（Z2∈1d1）地层，矿区内F7 断层位于10线附近，由CK8 揭露。断层为正断层，呈北东走向，倾向为330°，倾角为75°，延伸长度＞800 m。破碎带宽10～15 m，由白云石大理岩质碎裂岩和碎裂岩化大理岩组成，岩石呈碎裂结构或粒状变晶结构，为块状构造或层状构造，局部较破碎，但仍具有一定强度，可抵抗锤击。经采样测试，该处碎裂岩抗压强度和压碎值等指标均满足一般建筑石料质量要求。该断层使两侧岩层发生错动，因未对其进行深部控制，断层两盘位移的规模是推断的[1]。为了进一步落实并满足我国对绿色矿山建设的需求，引导矿山企业进行科学规范开采，孝昌顺和矿业有限公司按照文件要求，针对此地区的矿山地质开展了勘查作业，并委托相关指导单位开展花山冲矿区建筑用大理岩矿地质储量三维建模工作，通过整理地区自然地理、生态红线、“十三五”矿产资源规划、地质矿产报告及相关文件、三合一方案及相关文件、生产勘探和开采经营台账等综合资料，为矿山企业规范开采、储量动态监管提供指导性意见。

1 花山冲矿区数字化三维地质建模及建设规划

1.1 花山冲矿区地质数据获取

为了确保构建的三维地质模型与花山冲矿区地质环境相匹配，需要在建模前，对花山冲矿区地质数据进行获取。

矿区建筑用大理岩矿体在平面上呈近似长方形，方向为北西—南东向，总体呈现南东高北西低态势。矿体长约1 400 m，宽300～550 m，地表岩层总体倾向南西，局部倾向北西或北东[2]。在8 勘查线以北（西）以80 m 最低开采标高为矿体底板，8 勘查线往南（东）以下伏滑石石英片岩为矿体底板，至矿体南端，其底板标高约为140 m，对应平面上以矿体资源储量估算范围作为矿体边界。

根据《勘查报告》，岩石化学成分主要为CaO、MgO，其次为SiO2，w（Fe2O3）＜1%，w（FeO）＜0.5%，w（P2O5）＜0.1%，岩石化学成分符合建筑石料质量要求。在矿区范围内有代表性的地段共采取11 组样品，用来测试岩石的抗压强度、小体重等指标。样品测试结果显示，除碎裂岩抗压强度＜50 MPa 外，其余样品抗压强度基本上＞60 MPa，强度较高，满足Ⅱ类建筑石料质量要求。石料压碎指标在21.4%～24.6%，整体指标在20%～25%，只能归为Ⅲ类建筑石料。其中检测样品的全部磨光值（PSV）≥35，但＜42，满足一般公路路面粗集料质量要求，但磨耗值全部≥20，明显高于≤16 的公路表层粗集料的质量要求。w（O3）、坚固性和吸水率指标很好，全部w（O3）≤0.2%，吸水率全部＜1%，坚固性除碎裂岩为5.2%外，其余5 个样品均＜5%。本次勘查依据岩性（大理岩和白云石大理岩）进行了碱活性矿物检测及放射性检测，结果显示，石料中不存在碱活性和放射性，该两项指标完全合格。

矿体岩性主要为厚层、中厚层、薄层大理岩与白云石大理岩，夹层较少见[3]。在4 线与10 线之间见一层薄层大理岩夹硅质岩，该层岩石总体呈红色，厚约10～22 m，总体倾向南西，局部倾向北东，倾角缓，褶皱发育。岩石风化强，总体强度低，但所夹的硅质岩（石英）强度较高，本次勘查将其作为夹石剔除。

1.2 融合地质数据的数字化三维地质模型构建流程

本次三维地质模型的构建选用3DMine 软件，基本流程如下图1 所示[4]。

图1 三维地质模型构建基本流程

按照上述图1 所示的基本流程，生成地表模型。在此过程中，获取地质数据中的散点数据，将数据整理成文件后导入建模软件。点击软件操作界面中的“视图窗口”，创建一个DTM 工具，使用此工具将界面中的三点数据按照三角网进行连接，以此种方式生成一个地层表面图形。在此基础上，对地形线进行高程赋值，利用3Dmine 矿业软件的数值地形处理功能来生成地表模型。

完成对地表建模的研究后，按照图1 所示的步骤，进行矿体模型构件的研究。立剖面圈矿体建模基本流程如下：建立对应的矿体三角网，对接不同颜色、不同体号的三角网，将其合并为相同颜色、实体号描述的颜色体[5]。为建立与开采现状相吻合的矿体模型，需要根据采矿许可证标高，以得到实体模型，再利用生成的三维地形表面模型、夹石模型与实体模型进行布尔运算，最后剔除掉边坡压覆量，即可得到实际的矿体模型。

矿山公路模型是露天矿山三维模型构建的重要环节，公路的优化设计直接影响到矿山开拓、运输环节的费用。一般公路模型构建可采用以下方式：其一，在公路外缘线高程已知的情况下，可根据闭合线生成DTM；其二，在公路外缘线高程未知情况下，首先根据地形地质图获得公路中心线高程点，然后导入3Dmine，利用线形高程中的搜索参考点功能，将公路两侧外缘线高程赋值。利用上述方法可得到花山冲矿区建筑用大理岩矿公路模型。

将地表模型、矿体模型、公路模型融合后得到花山冲矿区三维地质模型。

1.3 基于矿区储量统计的花山冲矿区建设规划

本次在对矿区进行保有储量统计时，需在矿体模型的基础上，剔除掉表层覆盖层、风化层及剩余夹石。根据《湖北省孝感市花山冲矿区建筑用大理岩矿勘查报告》，通过地质勘查发现矿体覆盖层厚度一般在0～2 m，平均为1 m。风化层厚度一般在0.5～1.5 m，平均为1 m。本次对矿体覆盖层和风化层体积进行估算，采用宏观、简单而较为准确的估算方法，即以除采坑、道路以外的矿体出露范围的面积与覆盖层、风化层平均厚度的乘积作为矿体覆盖层和风化层的体积，用如下公式表达：

式中：V覆为覆盖层体积；H覆覆盖层平均厚度；S1为矿体出露范围面积；S2为采坑面积；S3为道路面积（风化层与此方法相同）。

由于采用以上矿体覆盖层、风化层体积估算方法，因而在矿体资源储量估算中，除采坑、道路以外部位的地表以下2 m 范围圈定的覆盖层、风化层将不参与矿体资源储量估算。

在掌握花山冲矿区矿体资源储量后，对矿区建设规划提出下述几点建议。

1）矿山采用露天开采方式采矿，在矿床开采过程中，矿山应加强防、排水工作。采坑外缘应挖掘截水沟，坑内挖掘排水沟，防止大气降水，尤其是暴雨形成山洪对坑壁造成冲刷，影响边坡的稳定性。因此在未来开采过程中必须注意排水。

2）未来矿山必须加强对固体废弃物的管理，矿石、废石必须在地势较低、地形宽缓处有序堆放，堆积场应清底，挡土坝应修建牢固，并修好截排水沟。发现问题应及时处理整改，建议矿山对剥离出的废土、废渣进行综合利用，尽量减少废渣、弃石的堆积量[6]。矿坑废水排放应避开水体，经净化达标后方可顺沟排放。做好采坑边坡、废石场稳定性长期监测，做到预防为主，防治结合。

2 实例应用分析

本次实例研究选择的试点地区为花山冲矿区，此矿区距孝感城区的直线距离约50 km。行政区划属孝昌县小河镇花山村管辖。矿区范围的地理坐标为：东经114°03′49″—114°06′11″，北纬31°21′16″—31°23′30″。S243 省道从矿区西北通过，向北25 km 通达大悟，向南可到孝昌并向西转抵安陆，在孝昌转107 国道可直通孝感城区。矿区周边道路条件较好，交通十分方便。

本地区地处大别山中段南麓，属丘陵—垅岗区，海拨标高286.2 m，最低点位于区北西边环水河床。区内地形切割不深，山包多呈浑圆，沟谷多为“U”型谷，自然坡度一般为20°～40°，近山脚部分相对较缓，坡度一般在10°～15°之间。矿区主要出露大理岩，岩溶不发育，地表分布以溶沟、溶槽为主。矿区南部为丘陵山地，地表可见溶沟、溶槽发育，地貌类型为裸露型岩溶山地。资源储量估算范围内植被较发育，采坑范围相对较小。

通过槽探、采坑、钻探工程揭露以及地表地质调查，基本查明了矿体覆盖层厚度总体在0～2 m，局部可达2～4 m，平均厚度为1 m。矿区大理岩风化程度总体不强，只在表层可见较强风化，岩石强度相对较低。矿石自然类型为大理岩，为了与《孝感市乙类矿产矿业权设置方案》（鄂土资函[2013]1060 号）开采矿种一致，本次工作将矿石工业类型定名为建筑用大理岩。

考虑到目前矿区资源量类别有控制资源量与推断资源量两种类型，因此，可使用本文设计的建模方法，在矿体模型的基础上建立块体模型，对矿区进行资源储量估算。

块体模型创建基本流程如下：在三维实体模型基础上，选择合适的尺寸创建块体模型。输入块体属性、资源类别，创建不同资源类别的块体模型约束，重复上一步操作，对推断资源量进行约束，根据建立的块体模型及实体约束、地表约束、压覆模型表面约束，运用软件进行矿体储量计算，统计得到花山冲矿区不同资源类别、分台阶地质储量，将使用三维模型得到的资源统计量与储量报告进行分析，可得到如表1 所示的内容。

表1 储量报告数据与地质建模数据对比 万t

通过三维地质模型可知，矿区保有资源量7 960.6 万t，其中保有控制资源量6 885.6 万t，保有推断资源量1 075.0 万t，与2020 年矿山储量年度报告存在一定的差距。一般来讲，两种统计方法得到的储量数据会有所偏差，主要原因在于三维地质模型储量的统计方法与传统的地勘报告储量计算方法有区别。传统的地质报告中储量计算方法主要是根据典型剖面的面积采用一定的公式进行测算，对于地形变化较大的区域的矿体赋存形态的空间规律难以把握，因此存在一定的误差。

本矿山地形高差变化大，南高北低；矿体在由西向东的展布过程中，在8 号辅助剖面线附近变得尤为狭小，三维地质模型是在充分掌握矿山地表地形变化的基础上建立的，相对而言，准确度更高。

3 结语

本次研究由武汉理工大学承办，通过收集区内地质、矿产等地质资料，在综合整理分析的基础上，开展了本次三维地质模型构建工作。

在此基础上，对矿区资源进行了统计，截至2020 年12 月，矿区保有资源量7 960.6 万t，其中保有控制资源量6 885.6 万t，保有推断资源量1 075.0 万t，与2020 年矿山储量年度报告相比偏大。出现该情况的主要原因是三维地质模型储量的统计方法与传统的地勘报告储量计算方法存在区别，三维地质模型的建立是在充分掌握矿山地表地形变化的基础上建立的，相对而言，准确度更高。因此，可在后续的研究中，加大对此方面研究的投入，以此为矿山企业规范开采、储量动态监管等工作的实施提供指导意见。