面向新标准的矿山资源储量管理系统研发与应用

郭广军 李国清 李嘉平 王建刚 于倩倩 赵 威 盛宝丽

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿,山东 莱州 261441;2.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;3.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿,山东 莱州 261442)

矿产资源储量管理是实现矿产资源合理、有效利用的基础,对矿山生产建设规划、资源勘查开发有着重要意义。 在矿山实际生产过程中所产生的资源储量信息属性复杂,并且随着生产勘探的进行不断变化,属性及状态的多样性导致相关信息量十分庞大。资源储量数据的冗杂与变动等特性,对管理工作的质效性与时效性提出了更高要求,传统的储量管理方法难以满足高效率的管理需求,因此矿山企业多采用计算机技术实现资源储量的信息化管理。 2020 年,我国发布了《固体矿产资源储量分类》(GB/T 17766—2020)(简称“2020 标准”),将分类标准更改为探明资源量、控制资源量、推断资源量、可信储量、证实储量5 类,与国际上主流分类标准如JORC 标准等非常相似,强调矿产资源的市场经济属性[1-3]。 资源储量分类及内涵变化导致矿山企业自身特有的资源储量信息化管理方法将不再适用,矿山企业需结合新标准内容完成资源储量信息化管理的完善升级,以此出具新标准下的矿山资源储量台账及年报。

矿山企业现有的资源储量管理方法是基于固体矿产资源储量分类标准搭建和运行的,在新标准发布后不再适用,并且难以满足标准过渡时期矿山所产生的需求。 因此,随着新标准出台后矿山企业储量管理重心发生转移,相应的技术手段也需要根据新标准进行及时调整。 天池煤矿[4]基于设计的科学管理方法对储量动态管理实行流程管控,建立了一套跨部门、系统、高效运作的储量动态管理流程体系。 张丽丽等[5]针对地浸矿山的特殊性设计了四维资源储量动态管理方法,充分利用B/S 架构实现模型与数据的联通,保障数据的可靠性并为矿山资源储量精细化管理提供支撑。 邓颂平等[6]在国家级国土空间基础信息平台基础上开发了矿产资源储量管理专题应用模块,集成了矿产资源储量管理相关数据服务,为自然资源“一张图”数据库建设、矿产资源监督管理、矿产资源规划编制和监督实施提供了平台支撑、数据支撑和技术保障。 陈敏等[7]在梳理储量统计工作目的和任务的基础上,提出了一套系统化的解决方法,实现了便捷的数据采集、精细化的数据管理、丰富的技术校核与质量监控辅助、多样化的报表输出、严格的权限与日志管理等功能。

综上所述,矿山企业在数字矿山软件基础上开发并应用地质资源数字化管理系统已逐渐成为资源储量信息化管理的趋势,在新标准发布后,储量信息化管理需在结合新标准内容的基础上完成原有方式方法的更新,形成满足矿山当前需求的储量管理方法及工具。 本研究在梳理新标准下的储量管理流程的基础上,提出将矿业软件与管理系统相结合的管理模式,通过需求分析构建功能及数据过程模型,运用软件工程技术建立适用于当前矿山的储量管理系统,结合时间轴实现储量数据动态管理,对矿山后续储量划分提供指导,最终服务于矿山生产建设。

1 新分类标准下资源储量管理系统需求分析

1.1 新旧分类标准差异分析

新储量分类标准是在自然资源部相关单位及社会各界的讨论与意见反馈下,从原有的标准继承和发展而来。 相比于《固体矿产资源/储量分类》(GB/T 17766—1999)(简称“1999”标准),“2020 标准”在国家管理、市场经营以及矿山生产等方面进行了统一,简明易用,便于操作,同时易于国际对比。 结合新旧分类标准内容进行对比分析,二者的差异主要体现在资源储量分类类型以及不同的勘查阶段划分等方面。具体如下:

(1)固体矿产资源勘查阶段调整。 为降低标准差异所带来的信息交易成本,简化勘查阶段逻辑,“2020 标准”取消了预查阶段,将矿产勘查阶段由原有的四阶段调整为三阶段,同时明确将勘查各阶段对象由区域调整为矿床。

(2)固体矿产资源储量分类依据调整。 “2020 标准”将经济意义简化为两类,资源量对应预期经济,储量对应经济采出,去除了边际及次边际经济意义的分类,更加注重储量的经济含义。

(3)固体矿产资源储量转换依据调整。 相较于“1999 标准”状态变更不及时,“2020 标准”更加着重反映矿产资源的开发状态,资源量与储量的状态随转换因素的改变而发生变化,且两者转换是相互的。

总体来看,新标准是对旧标准的简化、继承与发展,对部分基础储量或资源量类型进行删减,部分资源储量类型进行合并使其变得简洁明了;但新标准分类类型的变化并非简单地减少考虑因素,而是结合当前矿山实际管理工作,将经济意义与可行性评价纳入可行性研究内容中进行综合考虑。

1.2 新标准下储量管理方法及流程

鉴于当前矿山资源储量管理模式,矿山企业利用计算机技术、数据库管理技术设计开发矿产资源储量信息管理系统,用于日常、动态的储量管理工作,掌握矿产资源储量变动情况。 作为储量管理的数据采集工具,主要的功能结构由数据库系统和图形编译系统组成,前者用于完成储量数据录入、计算和储量报表生成,后者提供图形或实体的三维显示,实现多源数据的可视化集成,主要功能结构如图1 所示[8-9]。

图1 储量管理系统功能结构Fig.1 Functional structure of reserve management system

新标准发布以后,矿山储量统计类型发生改变,因此需要设计适用于新分类标准的储量管理系统,在继承原有功能的基础上涵盖当前矿山储量管理工作,主要包括储量管理流程更新及管理方法完善等模块。

(1)资源储量管理流程更新。在新标准指导下,以采场为单位的储量管理流程更新结果如图2 所示[10]。 由于三级矿量相关的数据来源及管理规则未定,所需的相关报表数据量较少,主要通过人工调整相关数据填报,所以本研究中不包含“三级矿量管理”部分。

图2 以采场为单位的新标准储量管理流程Fig.2 New standard reserve management process on a stope basis

(2)新分类标准下储量管理方法设计。 储量管理方法的完善需要以更新后的储量管理流程为基础构建新的资源储量管理系统。 除此之外,由于三维矿业软件在地质资源建模方面有着无可替代的优势,管理系统与矿业软件进行数据对接以及人机交互能够极大提升矿山储量管理工作效率。 因此,在管理系统模型构建过程中需考虑与三维矿业软件相结合,实现资源与数据的高度共享,建立和完善矿山储量管理技术体系。

1.3 系统功能需求分析

结合新分类标准带来的影响和资源储量信息化管理方法,矿山资源储量管理系统需满足以下几点需求[11]:

(1)新旧资源储量转换原则指导下的历史数据转换。 资源储量分类标准的调整使得矿山企业需对历史数据进行无缝转换。 基于新旧资源储量的级别转化原则,需建立新旧标准转化关系模型,对历史储量数据进行合理转化,并迁移至新储量管理系统,保证矿山资源储量数据全生命周期内的连续性。

(2)资源储量新分类数据管理。 资源储量分类数据一部分由历史数据转换而来,另一部分则是通过新探明储量分类获得。 资源储量管理系统需以新分类标准为基础对两部分数据进行汇总管理,以支撑矿山开采计划编制,为企业生产调度甚至长期发展提供有效的资源信息,并为后续矿山储量管理奠定基础。

(3)资源储量模型的三维可视化。 地下矿产资源储量由于其隐蔽性和不确定性,传统管理手段难以直观地显现地下矿体赋存条件,通过在管理系统中实现三维可视化功能,直观展示数据信息,使得信息分析更加简便,能够辅助生产过程中的资源储量管理。

(4)便捷可溯源的储量变动统计。 资源储量由于矿山开采、生产勘探、补充地质勘探、重算重评等会发生变动,为使矿山企业能够及时针对储量变动信息进行生产计划编制及地质工作调整,掌握并制定开采计划,需要实时高效地对储量变动数据进行统计,实现资源储量数据的便捷填报,通过系统实现追溯管理以便数据核实。

(5)多样化的矿山储量报表输出。 按照《矿山资源储量管理规范》(DZ/T 0399—2022)中矿产资源储量有关台账的相关规定,实现诸多储量台账及年报附表的输出,降低矿山企业工作负担,同时结合储量变动及时更新各类资源储量台账,全面反映矿山资源储量情况[12]。

(6)严格的权限管理和可查询的日志管理。 为保障统计数据质量和落实数据报送主体责任,系统需根据不同用户分配不同的数据管理权限,并实现数据填报、修改审核等全过程的记录留痕管理,间接提高数据质量。

2 资源储量数字化管理系统设计

2.1 系统功能体系设计

基于上述系统需求,新标准资源储量管理系统需要实现以下功能:① 建立新旧标准对应关系模型,对历史数据进行转换;② 基于新标准进行资源量储量分级数据管理,结合转换因素将资源量科学合理地转换为储量;③ 基于新标准对储量变动数据进行统计,用于形成储量变动统计台账;④ 设置各类报表模板文件,将相关数据精准填入并完成部分数据的数学计算;⑤ 建立三维显示模块,将块体模型数据在系统中进行可视化,辅助储量管理;⑥ 设置登录用户及密码,在管理系统中的数据操作将写入日志文件中,方便查询和整理。 基于此,本研究将系统分为新旧标准转换、资源储量分级(三维可视化展示)、储量管理、报表生成、用户管理共5 个功能模块,系统功能结构模型如图3 所示[13]。

图3 新标准资源储量管理系统功能结构模型Fig.3 Functional structure model of new standard resource reserve management system

2.2 系统数据流程设计

为实现新标准资源储量管理系统的各项功能,需建立以下数据文件:

(1)矿山原有资源储量数据。 对矿山原有的矿区资源储量数据进行整理,以便于转换为新标准规范下的数据类型,并在转换完成后与后续新增资源储量数据进行统一管理。 当指标体系如边界品位、工业品位、损失率、贫化率等发生变化时,资源储量数据也应做出相应调整。

(2)地质勘探数据。 通过探明矿区的勘探钻孔数据建立地质数据库,以此完成实体模型、块体模型建模,内部存储的品位信息为资源储量数据确定提供依据,勘探工程同样可成为采场布置的参考。

(3)块体模型估值数据。 块体模型在完成样品数据分析与处理、地质统计学品位估值后,估值过程及估值结果变量等成为资源储量类型划分的依据,结合矿山开采计划实现储量变动统计。

(4)三维可视化模型。 块体模型内包含坐标位置信息以及点位属性信息,在资源储量管理系统中实现采场可视化,可以为资源储量分析提供可视化工具。

(5)报表模板文件。 为减少矿山储量管理中频繁的数据变化所带来的工作量,生成一系列资源储量台账报表的模板文件,在填报时可选择对应的模板,为资源储量报送上级部门提供便捷工具。

(6)日志文件。 对资源储量管理系统中的操作内容及数据变化情况进行留痕管理,同时与操作人员相关联,为地质资源数据溯源、填报问题校核、报送责任审核等提供数据基础。

基于上述数据文件,本研究采用新标准下的资源储量管理系统与三维矿业软件相结合的手段,依托矿业软件中各类数据库,承接资源储量评估数据进行功能实现。 在该过程中会出现诸多输入输出数据文件,如资源储量分级数据文件、三维模型文件、日志文件等。 该系统的数据流程如图4 所示。

图4 管理系统数据流程Fig.4 Dataflowofmanagementsystem

2.3 系统业务流程设计

面向新标准的矿山资源储量管理系统的核心功能模块业务流程如图5 所示。

图5 系统业务流程Fig.5 System business process

(1)基于地质勘探和生产推进数据,在Vulcan 矿业软件中进行资源储量分级后,产生的数据将导入储量管理系统中进行管理。

(2)基于新旧标准对应关系的历史资源储量数据更新。 在Vulcan 矿业软件中使用脚本语言建立新旧资源储量转换模型,完成采场历史储量数据更新,以衔接新标准资源储量数据。

(3)针对新标准下的地质资源建模,结合三维环境下的资源量类别划分准则,封装资源量和储量分类模型。

(4)为了直观地对采场数据进行分析,采用TVTK 模块进行块体三维展示。

(5)动态更新的储量信息可以通过自定义查询或储量报表形式进行查询和处理。

3 系统实现及应用

3.1 软件开发步骤

资源储量管理系统采用Python GUI 编程语言中的PyQt5 模块进行软件开发,模块中包含诸多类及功能控件,能够满足系统开发需求[14-18]。 主要步骤包括:

(1)开发环境配置。 选择PyCharm 作为Python开发工具,并且配置PyQt5 环境,使用pip 安装相关模块及依赖包。 为提高开发效率,在开发工具中设置Qt designer 和PyUIC 为外部工具,前者提供可视化窗口界面生成.ui 文件,后者将其转换为.py 文件。

(2)程序开发。 程序开发的主要流程包括构建主窗体循环、界面布局及美化、槽函数设置、逻辑代码与UI 分离等,如图6 所示。 主窗口文件中需调用窗体文件及功能所需第三方库,运行主窗口文件即可显示GUI 界面。

图6 程序开发流程Fig.6 Progress of program development

(3)程序打包。 PyQt5 是一个第三方模块,在打包开发程序时需要指定PyQt5 模块所在位置,其他第三方库也如此。 软件采用Pyinstaller 进行打包,生成.exe 格式的程序文件,favicon. ico 为系统图标,main.py 为主窗口文件,log.py 为登录界面文件,ui.py为系统界面文件,打包命令如下:

其中,-F 为打包单个文件;-i 为改变程序图标;-p 为添加包所在位置并寻找程序所需资源。

3.2 用户登录与管理

为保障资源储量数据质量,落实数据报送责任,在管理系统中设置用户管理模块,对系统操作及数据变动进行留痕处理,同时连接数据库,增加数据稳定性和安全性。 用户完成登录后,通过管理员设置可限制功能模块使用和账号添加删除权限,并且在完成数据更新和变动的同时生成日志文件,为查阅审核提供可溯源的数据依据。 系统用户管理界面如图7 所示。

图7 用户管理功能应用界面Fig.7 Application interface of user management function

3.3 新旧标准储量转换

针对新标准下的资源储量转换需求,在系统中构建新旧标准对应转换模型,将旧标准下的16 种类型转换为5 种。 在实际应用中,矿山为简化储量类型便于实际操作,主要包括基础储量111b、122b 和资源量331、332、333,在系统中选择性填入即可。 系统新旧标准储量转换功能应用界面如图8 所示。

图8 储量转换功能应用界面Fig.8 Application interface of reserve conversion function

除此之外,用户能够以当前指标为参考调整后续指标,并产生新指标体系下的资源储量数据。 上述计算依据为Vulcan 地质数据库的资源储量数据,并且为确保计算的合理性,储量相关计算单位设置为采场或中段。

3.4 资源储量分级管理与三维显示

依赖于Vulcan块体模型参数及变量信息,在管理系统中导入TVTK 模块读取块体模型数据创建数据源,满足不同级别资源量品位的块体赋值不同颜色以便区分,如图9 所示。 储量分级数据按照采场数据进行管理,系统日期与电脑日期同步,如图10 所示。

图9 资源量分级与三维显示界面Fig.9 Interface of resource classification and 3D display

图10 储量分级统计功能应用界面Fig.10 Application interface of reserve grading statistics function

3.5 储量变动统计

系统储量管理界面包括储量消耗、重算增减、地质勘探、生产勘探4 个模块。 该界面会读取分级界面数据,并在相应表格中显示,方便查阅和更改。 山东某地下黄金矿山 X12131、X12105 采场储量消耗统计界面如图11 所示,X12149 采场储量重算增减统计界面如图12 所示,X12186 采场地质勘探储量变化统计界面如图13 所示。

图11 采场储量消耗统计界面Fig.11 Statistics interface of stope reserve consumption

图12 采场储量重算增减统计界面Fig.12 Statistics interface of the increase and decrease of stope reserve by recalculation

图13 采场地质勘探储量变化统计界面Fig.13 Statistics interface of reserves change in stope geological exploration

3.6 储量变动查询及报表生成

管理系统在实际操作时,需要对多个采场数据进行填报,所产生的日志文件由于包含多个模块的数据信息较为冗杂,而储量统计需要对某项变动达成统一管理的目标,因此对其中所需信息的抽取和汇总是必要的。 管理系统提供4 种信息查询方式,包括采场更新记录、日期更新记录、台账更新记录以及该日期采场台账更新记录,如图14 所示。

图14 储量变动查询界面Fig.14 Query interface of reserve change

储量变动及保有储量统计需要明晰各种变动原因,将与之对应的储量数据经过计算形成储量台账,以及截至年底的资源储量报表。 通过分析台账类型及内容,汇总变动信息形成报表,选择需要生成的报表,将相关数据自动填入相应的表格模板中完成计算,其中系统生成采场储量消耗统计台账的功能应用界面如图15 所示。

图15 储量报表生成功能应用界面Fig.15 Application interface of reserve report generation function

本系统在山东某地下黄金矿山进行现场应用与验证,系统可在三维矿业软件所创建的三维地质模型基础上,完成资源储量分级与统计、储量变动管理、多样化储量报表和报告生成等功能,实现了储量信息在全矿范围内的共享与协同更新,提高了信息传递效率。 由于储量管理的连续不间断性,储量数据的滚动更新也极大提高了数据统计质量和速度。

4 结 论

本研究针对新标准发布后的矿山资源储量信息化管理现状,在结合矿业软件资源储量估算优势的基础上,开发了适用于新标准下的资源储量管理系统,实现了数据互通以提高资源储量数据的科学可靠性,满足了当前储量信息动态管理需求。

(1)基于新标准内容完成采场储量管理流程更新,以资源储量信息化管理功能需求及数据需求为依据,结合矿业软件功能构建了管理系统功能模型及数据流动模型。

(2)基于Python GUI 编程语言及新标准信息化管理流程构建了新标准下的资源储量管理系统,利用PyQt5 和Qt 设计师完成各个功能和窗体的设计,为用户提供可交互的系统界面,对其中控件添加槽函数并完成程序打包,形成了储量管理信息化工具。

(3)结合山东某地下黄金矿山实际进行了资源储量管理系统功能应用,实现了新旧标准转换、资源储量分级(三维可视化展示)、储量管理、报表生成、用户管理等功能,可满足当前矿山储量管理需求,为矿山后续开拓、采准等工作奠定了基础。