面向新標準的礦山資源儲量管理系統研發與應用

郭廣軍 李國清 李嘉平 王建剛 于倩倩 趙 威 盛寶麗

(1.山東黃金礦業(萊州)有限公司焦家金礦,山東 萊州 261441;2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;3.山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦,山東 萊州 261442)

礦產資源儲量管理是實現礦產資源合理、有效利用的基礎,對礦山生產建設規劃、資源勘查開發有著重要意義。 在礦山實際生產過程中所產生的資源儲量信息屬性復雜,并且隨著生產勘探的進行不斷變化,屬性及狀態的多樣性導致相關信息量十分龐大。資源儲量數據的冗雜與變動等特性,對管理工作的質效性與時效性提出了更高要求,傳統的儲量管理方法難以滿足高效率的管理需求,因此礦山企業多采用計算機技術實現資源儲量的信息化管理。 2020 年,我國發布了《固體礦產資源儲量分類》(GB/T 17766—2020)(簡稱“2020 標準”),將分類標準更改為探明資源量、控制資源量、推斷資源量、可信儲量、證實儲量5 類,與國際上主流分類標準如JORC 標準等非常相似,強調礦產資源的市場經濟屬性[1-3]。 資源儲量分類及內涵變化導致礦山企業自身特有的資源儲量信息化管理方法將不再適用,礦山企業需結合新標準內容完成資源儲量信息化管理的完善升級,以此出具新標準下的礦山資源儲量臺賬及年報。

礦山企業現有的資源儲量管理方法是基于固體礦產資源儲量分類標準搭建和運行的,在新標準發布后不再適用,并且難以滿足標準過渡時期礦山所產生的需求。 因此,隨著新標準出臺后礦山企業儲量管理重心發生轉移,相應的技術手段也需要根據新標準進行及時調整。 天池煤礦[4]基于設計的科學管理方法對儲量動態管理實行流程管控,建立了一套跨部門、系統、高效運作的儲量動態管理流程體系。 張麗麗等[5]針對地浸礦山的特殊性設計了四維資源儲量動態管理方法,充分利用B/S 架構實現模型與數據的聯通,保障數據的可靠性并為礦山資源儲量精細化管理提供支撐。 鄧頌平等[6]在國家級國土空間基礎信息平臺基礎上開發了礦產資源儲量管理專題應用模塊,集成了礦產資源儲量管理相關數據服務,為自然資源“一張圖”數據庫建設、礦產資源監督管理、礦產資源規劃編制和監督實施提供了平臺支撐、數據支撐和技術保障。 陳敏等[7]在梳理儲量統計工作目的和任務的基礎上,提出了一套系統化的解決方法,實現了便捷的數據采集、精細化的數據管理、豐富的技術校核與質量監控輔助、多樣化的報表輸出、嚴格的權限與日志管理等功能。

綜上所述,礦山企業在數字礦山軟件基礎上開發并應用地質資源數字化管理系統已逐漸成為資源儲量信息化管理的趨勢,在新標準發布后,儲量信息化管理需在結合新標準內容的基礎上完成原有方式方法的更新,形成滿足礦山當前需求的儲量管理方法及工具。 本研究在梳理新標準下的儲量管理流程的基礎上,提出將礦業軟件與管理系統相結合的管理模式,通過需求分析構建功能及數據過程模型,運用軟件工程技術建立適用于當前礦山的儲量管理系統,結合時間軸實現儲量數據動態管理,對礦山后續儲量劃分提供指導,最終服務于礦山生產建設。

1 新分類標準下資源儲量管理系統需求分析

1.1 新舊分類標準差異分析

新儲量分類標準是在自然資源部相關單位及社會各界的討論與意見反饋下,從原有的標準繼承和發展而來。 相比于《固體礦產資源/儲量分類》(GB/T 17766—1999)(簡稱“1999”標準),“2020 標準”在國家管理、市場經營以及礦山生產等方面進行了統一,簡明易用,便于操作,同時易于國際對比。 結合新舊分類標準內容進行對比分析,二者的差異主要體現在資源儲量分類類型以及不同的勘查階段劃分等方面。具體如下:

(1)固體礦產資源勘查階段調整。 為降低標準差異所帶來的信息交易成本,簡化勘查階段邏輯,“2020 標準”取消了預查階段,將礦產勘查階段由原有的四階段調整為三階段,同時明確將勘查各階段對象由區域調整為礦床。

(2)固體礦產資源儲量分類依據調整。 “2020 標準”將經濟意義簡化為兩類,資源量對應預期經濟,儲量對應經濟采出,去除了邊際及次邊際經濟意義的分類,更加注重儲量的經濟含義。

(3)固體礦產資源儲量轉換依據調整。 相較于“1999 標準”狀態變更不及時,“2020 標準”更加著重反映礦產資源的開發狀態,資源量與儲量的狀態隨轉換因素的改變而發生變化,且兩者轉換是相互的。

總體來看,新標準是對舊標準的簡化、繼承與發展,對部分基礎儲量或資源量類型進行刪減,部分資源儲量類型進行合并使其變得簡潔明了;但新標準分類類型的變化并非簡單地減少考慮因素,而是結合當前礦山實際管理工作,將經濟意義與可行性評價納入可行性研究內容中進行綜合考慮。

1.2 新標準下儲量管理方法及流程

鑒于當前礦山資源儲量管理模式,礦山企業利用計算機技術、數據庫管理技術設計開發礦產資源儲量信息管理系統,用于日常、動態的儲量管理工作,掌握礦產資源儲量變動情況。 作為儲量管理的數據采集工具,主要的功能結構由數據庫系統和圖形編譯系統組成,前者用于完成儲量數據錄入、計算和儲量報表生成,后者提供圖形或實體的三維顯示,實現多源數據的可視化集成,主要功能結構如圖1 所示[8-9]。

圖1 儲量管理系統功能結構Fig.1 Functional structure of reserve management system

新標準發布以后,礦山儲量統計類型發生改變,因此需要設計適用于新分類標準的儲量管理系統,在繼承原有功能的基礎上涵蓋當前礦山儲量管理工作,主要包括儲量管理流程更新及管理方法完善等模塊。

(1)資源儲量管理流程更新。在新標準指導下,以采場為單位的儲量管理流程更新結果如圖2 所示[10]。 由于三級礦量相關的數據來源及管理規則未定,所需的相關報表數據量較少,主要通過人工調整相關數據填報,所以本研究中不包含“三級礦量管理”部分。

圖2 以采場為單位的新標準儲量管理流程Fig.2 New standard reserve management process on a stope basis

(2)新分類標準下儲量管理方法設計。 儲量管理方法的完善需要以更新后的儲量管理流程為基礎構建新的資源儲量管理系統。 除此之外,由于三維礦業軟件在地質資源建模方面有著無可替代的優勢,管理系統與礦業軟件進行數據對接以及人機交互能夠極大提升礦山儲量管理工作效率。 因此,在管理系統模型構建過程中需考慮與三維礦業軟件相結合,實現資源與數據的高度共享,建立和完善礦山儲量管理技術體系。

1.3 系統功能需求分析

結合新分類標準帶來的影響和資源儲量信息化管理方法,礦山資源儲量管理系統需滿足以下幾點需求[11]:

(1)新舊資源儲量轉換原則指導下的歷史數據轉換。 資源儲量分類標準的調整使得礦山企業需對歷史數據進行無縫轉換。 基于新舊資源儲量的級別轉化原則,需建立新舊標準轉化關系模型,對歷史儲量數據進行合理轉化,并遷移至新儲量管理系統,保證礦山資源儲量數據全生命周期內的連續性。

(2)資源儲量新分類數據管理。 資源儲量分類數據一部分由歷史數據轉換而來,另一部分則是通過新探明儲量分類獲得。 資源儲量管理系統需以新分類標準為基礎對兩部分數據進行匯總管理,以支撐礦山開采計劃編制,為企業生產調度甚至長期發展提供有效的資源信息,并為后續礦山儲量管理奠定基礎。

(3)資源儲量模型的三維可視化。 地下礦產資源儲量由于其隱蔽性和不確定性,傳統管理手段難以直觀地顯現地下礦體賦存條件,通過在管理系統中實現三維可視化功能,直觀展示數據信息,使得信息分析更加簡便,能夠輔助生產過程中的資源儲量管理。

(4)便捷可溯源的儲量變動統計。 資源儲量由于礦山開采、生產勘探、補充地質勘探、重算重評等會發生變動,為使礦山企業能夠及時針對儲量變動信息進行生產計劃編制及地質工作調整,掌握并制定開采計劃,需要實時高效地對儲量變動數據進行統計,實現資源儲量數據的便捷填報,通過系統實現追溯管理以便數據核實。

(5)多樣化的礦山儲量報表輸出。 按照《礦山資源儲量管理規范》(DZ/T 0399—2022)中礦產資源儲量有關臺賬的相關規定,實現諸多儲量臺賬及年報附表的輸出,降低礦山企業工作負擔,同時結合儲量變動及時更新各類資源儲量臺賬,全面反映礦山資源儲量情況[12]。

(6)嚴格的權限管理和可查詢的日志管理。 為保障統計數據質量和落實數據報送主體責任,系統需根據不同用戶分配不同的數據管理權限,并實現數據填報、修改審核等全過程的記錄留痕管理,間接提高數據質量。

2 資源儲量數字化管理系統設計

2.1 系統功能體系設計

基于上述系統需求,新標準資源儲量管理系統需要實現以下功能:① 建立新舊標準對應關系模型,對歷史數據進行轉換;② 基于新標準進行資源量儲量分級數據管理,結合轉換因素將資源量科學合理地轉換為儲量;③ 基于新標準對儲量變動數據進行統計,用于形成儲量變動統計臺賬;④ 設置各類報表模板文件,將相關數據精準填入并完成部分數據的數學計算;⑤ 建立三維顯示模塊,將塊體模型數據在系統中進行可視化,輔助儲量管理;⑥ 設置登錄用戶及密碼,在管理系統中的數據操作將寫入日志文件中,方便查詢和整理。 基于此,本研究將系統分為新舊標準轉換、資源儲量分級(三維可視化展示)、儲量管理、報表生成、用戶管理共5 個功能模塊,系統功能結構模型如圖3 所示[13]。

圖3 新標準資源儲量管理系統功能結構模型Fig.3 Functional structure model of new standard resource reserve management system

2.2 系統數據流程設計

為實現新標準資源儲量管理系統的各項功能,需建立以下數據文件:

(1)礦山原有資源儲量數據。 對礦山原有的礦區資源儲量數據進行整理,以便于轉換為新標準規范下的數據類型,并在轉換完成后與后續新增資源儲量數據進行統一管理。 當指標體系如邊界品位、工業品位、損失率、貧化率等發生變化時,資源儲量數據也應做出相應調整。

(2)地質勘探數據。 通過探明礦區的勘探鉆孔數據建立地質數據庫,以此完成實體模型、塊體模型建模,內部存儲的品位信息為資源儲量數據確定提供依據,勘探工程同樣可成為采場布置的參考。

(3)塊體模型估值數據。 塊體模型在完成樣品數據分析與處理、地質統計學品位估值后,估值過程及估值結果變量等成為資源儲量類型劃分的依據,結合礦山開采計劃實現儲量變動統計。

(4)三維可視化模型。 塊體模型內包含坐標位置信息以及點位屬性信息,在資源儲量管理系統中實現采場可視化,可以為資源儲量分析提供可視化工具。

(5)報表模板文件。 為減少礦山儲量管理中頻繁的數據變化所帶來的工作量,生成一系列資源儲量臺賬報表的模板文件,在填報時可選擇對應的模板,為資源儲量報送上級部門提供便捷工具。

(6)日志文件。 對資源儲量管理系統中的操作內容及數據變化情況進行留痕管理,同時與操作人員相關聯,為地質資源數據溯源、填報問題校核、報送責任審核等提供數據基礎。

基于上述數據文件,本研究采用新標準下的資源儲量管理系統與三維礦業軟件相結合的手段,依托礦業軟件中各類數據庫,承接資源儲量評估數據進行功能實現。 在該過程中會出現諸多輸入輸出數據文件,如資源儲量分級數據文件、三維模型文件、日志文件等。 該系統的數據流程如圖4 所示。

圖4 管理系統數據流程Fig.4 Dataflowofmanagementsystem

2.3 系統業務流程設計

面向新標準的礦山資源儲量管理系統的核心功能模塊業務流程如圖5 所示。

圖5 系統業務流程Fig.5 System business process

(1)基于地質勘探和生產推進數據,在Vulcan 礦業軟件中進行資源儲量分級后,產生的數據將導入儲量管理系統中進行管理。

(2)基于新舊標準對應關系的歷史資源儲量數據更新。 在Vulcan 礦業軟件中使用腳本語言建立新舊資源儲量轉換模型,完成采場歷史儲量數據更新,以銜接新標準資源儲量數據。

(3)針對新標準下的地質資源建模,結合三維環境下的資源量類別劃分準則,封裝資源量和儲量分類模型。

(4)為了直觀地對采場數據進行分析,采用TVTK 模塊進行塊體三維展示。

(5)動態更新的儲量信息可以通過自定義查詢或儲量報表形式進行查詢和處理。

3 系統實現及應用

3.1 軟件開發步驟

資源儲量管理系統采用Python GUI 編程語言中的PyQt5 模塊進行軟件開發,模塊中包含諸多類及功能控件,能夠滿足系統開發需求[14-18]。 主要步驟包括:

(1)開發環境配置。 選擇PyCharm 作為Python開發工具,并且配置PyQt5 環境,使用pip 安裝相關模塊及依賴包。 為提高開發效率,在開發工具中設置Qt designer 和PyUIC 為外部工具,前者提供可視化窗口界面生成.ui 文件,后者將其轉換為.py 文件。

(2)程序開發。 程序開發的主要流程包括構建主窗體循環、界面布局及美化、槽函數設置、邏輯代碼與UI 分離等,如圖6 所示。 主窗口文件中需調用窗體文件及功能所需第三方庫,運行主窗口文件即可顯示GUI 界面。

圖6 程序開發流程Fig.6 Progress of program development

(3)程序打包。 PyQt5 是一個第三方模塊,在打包開發程序時需要指定PyQt5 模塊所在位置,其他第三方庫也如此。 軟件采用Pyinstaller 進行打包,生成.exe 格式的程序文件,favicon. ico 為系統圖標,main.py 為主窗口文件,log.py 為登錄界面文件,ui.py為系統界面文件,打包命令如下:

其中,-F 為打包單個文件;-i 為改變程序圖標;-p 為添加包所在位置并尋找程序所需資源。

3.2 用戶登錄與管理

為保障資源儲量數據質量,落實數據報送責任,在管理系統中設置用戶管理模塊,對系統操作及數據變動進行留痕處理,同時連接數據庫,增加數據穩定性和安全性。 用戶完成登錄后,通過管理員設置可限制功能模塊使用和賬號添加刪除權限,并且在完成數據更新和變動的同時生成日志文件,為查閱審核提供可溯源的數據依據。 系統用戶管理界面如圖7 所示。

圖7 用戶管理功能應用界面Fig.7 Application interface of user management function

3.3 新舊標準儲量轉換

針對新標準下的資源儲量轉換需求,在系統中構建新舊標準對應轉換模型,將舊標準下的16 種類型轉換為5 種。 在實際應用中,礦山為簡化儲量類型便于實際操作,主要包括基礎儲量111b、122b 和資源量331、332、333,在系統中選擇性填入即可。 系統新舊標準儲量轉換功能應用界面如圖8 所示。

圖8 儲量轉換功能應用界面Fig.8 Application interface of reserve conversion function

除此之外,用戶能夠以當前指標為參考調整后續指標,并產生新指標體系下的資源儲量數據。 上述計算依據為Vulcan 地質數據庫的資源儲量數據,并且為確保計算的合理性,儲量相關計算單位設置為采場或中段。

3.4 資源儲量分級管理與三維顯示

依賴于Vulcan塊體模型參數及變量信息,在管理系統中導入TVTK 模塊讀取塊體模型數據創建數據源,滿足不同級別資源量品位的塊體賦值不同顏色以便區分,如圖9 所示。 儲量分級數據按照采場數據進行管理,系統日期與電腦日期同步,如圖10 所示。

圖9 資源量分級與三維顯示界面Fig.9 Interface of resource classification and 3D display

圖10 儲量分級統計功能應用界面Fig.10 Application interface of reserve grading statistics function

3.5 儲量變動統計

系統儲量管理界面包括儲量消耗、重算增減、地質勘探、生產勘探4 個模塊。 該界面會讀取分級界面數據,并在相應表格中顯示,方便查閱和更改。 山東某地下黃金礦山 X12131、X12105 采場儲量消耗統計界面如圖11 所示,X12149 采場儲量重算增減統計界面如圖12 所示,X12186 采場地質勘探儲量變化統計界面如圖13 所示。

圖11 采場儲量消耗統計界面Fig.11 Statistics interface of stope reserve consumption

圖12 采場儲量重算增減統計界面Fig.12 Statistics interface of the increase and decrease of stope reserve by recalculation

圖13 采場地質勘探儲量變化統計界面Fig.13 Statistics interface of reserves change in stope geological exploration

3.6 儲量變動查詢及報表生成

管理系統在實際操作時,需要對多個采場數據進行填報,所產生的日志文件由于包含多個模塊的數據信息較為冗雜,而儲量統計需要對某項變動達成統一管理的目標,因此對其中所需信息的抽取和匯總是必要的。 管理系統提供4 種信息查詢方式,包括采場更新記錄、日期更新記錄、臺賬更新記錄以及該日期采場臺賬更新記錄,如圖14 所示。

圖14 儲量變動查詢界面Fig.14 Query interface of reserve change

儲量變動及保有儲量統計需要明晰各種變動原因,將與之對應的儲量數據經過計算形成儲量臺賬,以及截至年底的資源儲量報表。 通過分析臺賬類型及內容,匯總變動信息形成報表,選擇需要生成的報表,將相關數據自動填入相應的表格模板中完成計算,其中系統生成采場儲量消耗統計臺賬的功能應用界面如圖15 所示。

圖15 儲量報表生成功能應用界面Fig.15 Application interface of reserve report generation function

本系統在山東某地下黃金礦山進行現場應用與驗證,系統可在三維礦業軟件所創建的三維地質模型基礎上,完成資源儲量分級與統計、儲量變動管理、多樣化儲量報表和報告生成等功能,實現了儲量信息在全礦范圍內的共享與協同更新,提高了信息傳遞效率。 由于儲量管理的連續不間斷性,儲量數據的滾動更新也極大提高了數據統計質量和速度。

4 結 論

本研究針對新標準發布后的礦山資源儲量信息化管理現狀,在結合礦業軟件資源儲量估算優勢的基礎上,開發了適用于新標準下的資源儲量管理系統,實現了數據互通以提高資源儲量數據的科學可靠性,滿足了當前儲量信息動態管理需求。

(1)基于新標準內容完成采場儲量管理流程更新,以資源儲量信息化管理功能需求及數據需求為依據,結合礦業軟件功能構建了管理系統功能模型及數據流動模型。

(2)基于Python GUI 編程語言及新標準信息化管理流程構建了新標準下的資源儲量管理系統,利用PyQt5 和Qt 設計師完成各個功能和窗體的設計,為用戶提供可交互的系統界面,對其中控件添加槽函數并完成程序打包,形成了儲量管理信息化工具。

(3)結合山東某地下黃金礦山實際進行了資源儲量管理系統功能應用,實現了新舊標準轉換、資源儲量分級(三維可視化展示)、儲量管理、報表生成、用戶管理等功能,可滿足當前礦山儲量管理需求,為礦山后續開拓、采準等工作奠定了基礎。