面向新標準的礦山資源儲量三維評估體系

李嘉平 侯 杰 李國清 趙 威 盛寶麗

(1.蘇州中材非金屬礦工業設計研究院有限公司,江蘇 蘇州 215151;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)

固體礦產資源儲量分類是國家掌握礦產資源狀況、制定長遠開采計劃以及合理保護和利用礦產資源的重要手段。 為滿足我國不同時期的礦產資源管理、礦業市場發展、礦業權評估與投資等需求,固體礦產資源儲量分類標準在半個多世紀以來進行了5 次修訂,經歷了經濟模式從計劃經濟到市場經濟的轉變,形成了滿足不同發展階段的資源分類標準[1-3]。 同時,礦山企業通過解讀資源分類標準內涵,充分考慮礦山地質條件、開采方式及基礎設施等因素后,建立了符合自身特點的資源儲量評估模式,完成了資源儲量的動態管理,并隨著標準的變化進行不斷更迭。 因此,在《固體礦產資源儲量分類》(GB/T 17766—2020)發布后,礦山企業需結合新標準特點對資源儲量數據進行更新,并完成資源評估模式的全面升級。

目前,我國礦山企業在資源儲量評估方面正向著專業化、數字化與可視化的方向發展,借助三維礦業軟件對地質資源進行數字化估算已成為資源儲量評估的重要手段。 例如泥河鐵礦[4]結合三維建模技術進行了地質統計學儲量估算;普朗銅礦[5]在完成地質資料的數字化和三維可視化后對資源儲量類別進行了劃分;烏山銅鉬礦[6]通過建立三維地質模型進行儲量分析與計算,并根據開采情況進行定期更新。在新標準指導下,礦山企業亟須根據新的分類標準對資源儲量分類進行重新界定、歷史數據進行無縫轉換、儲量估算方法進行全面更新。 馬建明等[7]指出礦產資源儲量統計工作需要在當前信息技術上與科學合理的分類標準相結合,確保數據真實全面和及時獲取;曲俊利等[8]認為當前儲量管理改革的主要內容包括建立新的資源儲量統計途徑、儲量年度報告分類管理等,建議礦山在管理制度設計上做好銜接,提高儲量數據可靠性及資源儲量管理信息化水平。

綜上所述,我國礦山企業已普遍形成了滿足自身管理要求的資源儲量評估模式,在新標準發布后,礦山需根據新標準實現對儲量估算方式的升級與完善,形成適用于新標準的儲量評估體系。 本研究在深入解讀新分類標準的基礎上,梳理礦山企業資源儲量數字化管理流程,以新舊標準對應關系為基準,運用三維礦業軟件實現資源儲量數據更新,研究與新分類方式相匹配的資源儲量估算方法并完成地質資源建模。通過在山東某地下金屬礦山進行應用與驗證,解決新標準發布以來礦山儲量信息確認過程中存在的分類關系不清晰、歷史數據銜接困難、資源評估方式不適用等問題,研究成果可為其他類似礦山實現新標準下的礦山資源儲量評估提供借鑒。

1 新分類標準下的礦山資源儲量評估

1.1 新舊分類標準差異解讀

固體礦產資源儲量分類標準是礦產資源儲量統計工作的基礎,對礦產資源管理規劃、礦產資源勘查開發、資源儲量估算與評價有著重要意義。 儲量評估對象即地質資料和礦產資源,分類標準的改變將直接影響礦山資源儲量統計工作。 與《固體礦產資源儲量分類》(GB/T 17766—1999)相比,《固體礦產資源儲量分類》(GB/T 17766—2020)的變化主要體現在以下幾個方面[9-12]:

(1)資源儲量分類依據簡化使得分類類型減少。新分類標準將舊分類標準下的經濟意義、可行性評價階段和地質可靠程度“三軸”,修改為地質可靠程度、可行性評價結果“兩軸”,同時將原16 個類型減為5個類型。

(2)地質可靠程度評價依據調整。 新分類標準更加強調礦體、礦石質量的連續性,去除了舊分類標準中地質可靠程度中的選冶性能、開采條件等勘查階段研究內容,便于更好地確定礦體地質特征及品位的連續性。

(3)資源量、儲量可以互相轉換,更加重視礦產資源的開發利用。 資源量轉換為儲量需要考慮轉換因素的合理性,并且在轉換因素改變或不滿足條件時,將儲量轉換為資源量。

(4)資源量、儲量劃分簡化了經濟意義,儲量確定更加合理全面。 可行性研究需對儲量的轉換因素及其他相關運作因素做出詳細評價,并考慮采礦過程中的損失貧化,以此保證儲量確定的技術經濟合理性。

1.2 分類標準變化產生的主要影響

新分類標準對礦山資源儲量統計工作的影響體現在以下幾個方面:

(1)礦山儲量數據具有連續性,在分類標準改變后需隨之更新。 當前,礦產資源開發所產生的儲量數據根據舊分類標準劃分并記錄在冊,對于礦山而言,資源儲量數據具有延續性,因此,礦山企業需要對歷史數據進行合理科學的轉換以適用于新分類標準下的礦產資源管理,形成一系列可追溯的儲量臺賬、報表等,用于指導后續生產勘探工作。

(2)新標準發布后需要升級完善現有的儲量評估體系,用于新增勘探資源儲量的評估。 新增礦區資源儲量的確定將按照新標準進行,不同的資源儲量分類方式促使原有的儲量評估手段需要同步更新,包括提出基于新標準的資源評估方式和儲量轉換方法等。

(3)礦山企業在確定資源儲量時需充分考慮轉換因素和可能造成的損失貧化,注重產生經濟效益的資源量,強調時效性以適應市場需要。

(4)新標準促進了礦山企業資源評估在信息化和數字化水平上的本質提升。 新標準發布后出臺的相關政策對儲量數據質量及數據時效提出了更高的要求,并鼓勵礦山企業通過三維地質建模等方式進行資源儲量估算,礦山儲量評估方法向信息技術方向邁進已成為企業發展的必然趨勢。

1.3 新標準下的礦山資源儲量評估需求

針對分類標準變化及其影響,當前背景下礦山企業的儲量評估內容主要包括新舊標準過渡和新標準解讀及應用,形成一套承上啟下的儲量統計模式,如圖1 所示。 同時隨著我國淺部礦產資源逐步消耗殆盡,礦山企業的生產中心轉向了淺部殘礦回收和深部礦產資源開發,對于礦石品位信息的精確性有了更高要求。 在新分類標準發布的背景下,礦山資源儲量評估需要充分考慮礦山現有的資源儲量信息化環境,構建新舊分類標準下的資源儲量數據對接與轉化模型,平穩有效地完成標準過渡時期礦山資源儲量統計工作。 同時,在新標準指導下,需要綜合考慮當前礦產資源市場環境、新探明礦產資源特征、開采技術條件等因素,借助三維礦業軟件[13]完成地質建模、品位估算、經濟評價等內容,全面評估礦產資源情況。

圖1 礦山企業資源儲量評估核心內容Fig.1 Core content of resource reserve assessment of mining enterprises

2 新標準下儲量評估體系構建

2.1 新標準下儲量評估體系架構

在礦山儲量評估內容指導下,有必要從以新舊標準對應關系為基準的資源儲量數據更新,及以新標準為依據的地質資源建模兩個方面完成資源儲量評估體系搭建,如圖2 所示。

圖2 新標準下儲量評估流程Fig.2 Reserve assessment process under the new standard

(1)以新舊標準對應關系為基準的資源儲量數據更新。 由于新標準在資源儲量分類類型及概念內涵上較舊標準存在差異,需對其分析后得到歷史數據轉換模型。 在礦山已有的三維數字化資源模型基礎上,通過數據轉換模型對歷史地質數據庫進行數據更新,以支撐后續開采計劃編制。

(2)以新標準為依據的地質資源建模。新標準對于資源儲量分類內容及依據做出了調整,礦山后續資源勘探需按照新標準進行地質資源建模,結合新標準分類規范提出三維環境下資源量類型劃分方法,合理確定轉換因素及“兩率”(損失率、貧化率)完成資源量、儲量的對應轉換,從而出具礦山資源儲量報告。

2.2 新舊分類標準對應關系模型構建

通過對分類調整的分析,得到一套新舊標準對應數據的轉換模型,如圖3 所示。 以三維建模形成的塊體模型為基礎,通過在三維礦業軟件中編寫數據轉換程序,可以快速、準確地完成數據更新。

圖3 新舊標準分類類型轉換模型Fig.3 Conversion model of old and new standard classification types

資源儲量轉換需要按照礦山詳查或生產勘探獲得的儲量、資源量數據類型,并結合具體情況進行轉換。 例如礦山獲得的經濟基礎儲量111b、122b 按轉換模型首先轉換為探明資源量和控制資源量,充分考慮損失貧化和轉換因素后,將資源量轉換為對應的儲量進行評估;部分資源量為壓覆礦量,需要轉換為尚難利用的礦產資源。

2.3 基于新分類標準的地質資源建模

針對新探明礦體建立新的儲量分級體系,以地質數據為基礎完成對礦體的品位估值,在此基礎上劃分資源量和儲量,主要流程分析如下。

2.3.1 以鉆孔數據為基礎完成礦產資源建模

三維礦業軟件采用地質統計學法進行資源量估值的主要步驟如圖4 所示[14-20]。 其中,塊體模型估值需要逐次放大搜索橢球體范圍,確保涵蓋所有塊體以完成全部估值。

圖4 三維建模及估值流程Fig.4 3D modeling and valuation process

2.3.2 依據地質可靠程度劃分資源量級別

地質統計學法根據搜索半徑、勘探工程網度、樣品數等因素對塊體進行資源量分類。 三維礦業軟件中的搜索橢球體定義了在塊體估值過程中搜索的空間范圍和樣品點數目等相關參數,能夠反映橢球體范圍內的工程控制程度。 在構建空間搜索橢球體時,應充分考慮礦體空間賦存狀態,在礦體走向、傾向和厚度方向保持一致;搜索橢球體的半徑要與勘查規范一致,根據空間位置所對應的不同工程密度設置不同的橢球體半徑,如圖5 所示[21]。

圖5 搜索橢球體示意Fig.5 Schematic of searching for ellipsoids

采用地質統計學法完成塊體模型估值后,塊體中添加了品位、估值次數、估值樣品數、估值距離等屬性,利用這類參數對估值塊體進行工程控制程度分級,確定不同地質可靠程度的資源量類型。

資源量類型劃分準則中各項參數的取值范圍與勘探工程數據和礦體賦存屬性相關。 其中,估值次數與橢球體搜索范圍直接關聯,隨著搜索范圍增大而增加;參與估值最小樣品數由塊體模型變量估值樣品數決定,將該變量的置信區間劃分為分級準則,最小樣品數隨著資源量級別降低而減小;參與估值的最小距離與勘探網度和估值次數有關,最小距離隨著資源量級別降低而增大[22-24]。

2.3.3 考慮各中段損失貧化后確定儲量

新標準規定儲量是經過與之相當的技術經濟評價,考慮礦石損失貧化,合理使用轉換因素后由對應的資源量轉換而來。 由于轉換因素包括礦山采選冶技術條件、市場經濟情況等,在不同時段、不同空間條件下各中段轉換因素存在差異,因此儲量估算需針對不同中段將滿足技術可行性和經濟合理性要求的資源量進行轉換。

同樣,三維礦業軟件中儲量確定需要結合當前轉換因素進行綜合研判。 具體工作內容是根據可行性研究和工業指標方案確定采礦方法及采出品位,三維礦業軟件依據采礦方法將礦體實體模型進行中段劃分,對塊體模型添加約束賦值中段編號,分別對探明的、控制的資源量中達到采出品位的塊體以中段編號形式導出,對其分別計算損失貧化率,從而得到各中段的儲量。

3 工程實例

3.1 金礦床概況

某黃金礦山礦床為大型蝕變巖型金礦床,主要賦存于主裂面之下0 ～35 m 內的黃鐵絹英巖化碎裂巖帶中。 礦體主要由黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖組成,前者以浸染狀為主,后者以細脈狀為主。 礦體被第四系沉積物覆蓋,礦體厚度為0.48～40.65 m,平均厚度達8.96 m,礦體最深位置為-710 m,淺處為-30 m,礦體埋藏狀態為隱伏,大部分緊靠主裂面分布,顯現于71#～20#線。 礦體走向為42°～80°,總體走向62°,走向延長長度為1 145 m,在走向方向上,礦體兩端厚中間薄;礦體傾向SE,斜長最大達到900 m,最短處為135 m,平均斜長為591 m;礦體傾角為33°～67°,大部分為40°～50°,平均傾角為46°,礦體由北向南傾角有逐漸變陡趨勢。

該礦山的數字化建設起步較早,已運用三維礦業軟件完成了礦產資源建模與評估,現有礦區(-400 m中段及以上)在三維環境下已完成舊標準的資源儲量統計工作,新探明礦區(-400 m 中段以下)未完成固體礦產資源量與儲量估算。

3.2 歷史資源儲量數據轉換

現有礦區按照礦業軟件中的數據轉換程序完成資源儲量數據轉換。 在舊資源儲量分類中,為簡化儲量類型便于實際操作,將該礦山的資源儲量分為5種,基礎儲量包括111b、122b,資源量包括331、332、333。 資源量在轉換過程中不產生變動,因此需要對采場區域的儲量級別進行轉換,完成儲量變動統計。

在Vulcan 礦業軟件中以-400 m 以上中段某采場為例進行儲量轉換,部分采場由于生產地質勘探程度較低尚未開采,儲量級別仍為122b,現有分級結果及轉換結果見表1。

表1 某采場轉換結果Table 1 Results of a stope conversion

從采場轉換前后的儲量數據可以看出礦塊整體平均品位有所提升,金屬量反而減少,原因在于新標準下的儲量確定需要考慮轉換因素及損失貧化率,由此造成采場中較高品位礦量才能滿足采出品位要求,最終納入儲量的礦量減少導致金屬量減少。

3.3 新探明礦區資源儲量估算

新探明礦區按照新分類標準進行資源儲量評估,以勘探鉆孔數據為基礎,在Vulcan 礦業軟件中完成三維建模和品位估值,采用資源量劃分準則確定資源量類型繼而轉換儲量,主要步驟如下:

(1)實體模型建立。 通過導入-400 m 中段以下鉆孔數據,在Vulcan 軟件中建立地質數據庫,經可行性研究確定邊界品位為1 g/t,在此基礎上利用勘探線剖面圈定礦體,修改礦體解譯線避免實體交叉,利用創建實體功能建立的實體模型如圖6 所示。

圖6 -400 m 中段以下實體模型Fig.6 Solid model below the middle section of -400 m

(2)塊體模型建立。 對塊體模型的父塊尺寸設置為50 m×25 m×10 m,子塊尺寸為2 m×1 m×2 m,塊體內部約束塊尺寸為10 m×5 m×10 m,創建塊體模型內部變量并用實體模型進行約束,加載約束塊模型如圖7 所示。

圖7 塊體模型Fig.7 Block model

(3)品位估值。 采用克里格估值法對塊體模型進行估值,克里格估值參數及變異函數擬合參數如表2 和表3 所示,估值結果如圖8 所示。

表2 克里格法估值參數Table 2 Estimation parameters of Kriging method

表3 變異函數擬合參數Table 3 Fitting parameters of the variance function

圖8 三維環境下估值結果Fig.8 Valuation results in a three-dimensional environment

(4)資源量分類。 以資源量類別劃分準則為依據確定各類資源量,若未滿足任一劃分條件則依次降低資源量級別,分類劃分依據以及劃分結果如表4所示,在三維環境下的分類結果如圖9 所示。

表4 資源量分類依據及結果Table 4 Classification basis and results of resources

圖9 三維環境下分類結果Fig.9 Classification results in a three-dimensional environment

(5)以中段為單位將資源量轉換為對應的儲量。在Vulcan 軟件中劃分中段并對塊體添加范圍約束,確定各中段的損失貧化率以及采出品位,以-440、-480 m 中段為例將滿足轉換條件的資源量轉換為儲量,劃分結果如表5 所示。 其中,-480 m 中段由于水文地質條件較為復雜,礦體變薄,造成貧化率上升。

表5 儲量計算結果Table 5 Calculation results of reserves

4 結 論

針對固體礦產資源儲量分類新標準對礦山資源儲量評估的內在影響,全面分析了資源儲量評估核心內容,進而構建了新分類標準支撐下的現代礦山資源儲量評估新體系,借助三維礦業軟件,從新舊儲量標準過渡和新儲量標準解讀與應用兩個方面形成了儲量數據評估方法,并以山東某黃金礦山為例進行了應用。 所得結論如下:

(1)根據新舊分類標準的資源儲量類型對應關系建立轉換模型,在礦業軟件中編寫類型轉換程序,完成了儲量歷史數據轉換,解決了由于分類標準變化所導致的數據銜接困難問題。

(2)以新標準中資源儲量定義及轉換原則為依據,在三維環境下以搜索橢球體為基礎確定資源量類型分類準則,以采場為單位進行資源儲量量化評估,形成了三維礦業軟件支持下的礦山資源儲量數字化、可視化評估新方法。

(3)以山東某黃金礦山為例,基于Vulcan 軟件完成了三維環境下已開采采場儲量數據更新以及新探明采場資源儲量估算,為其他類似礦山進行資源儲量評估提供了參考。