程光華，張利君，盛學(xué)棟，趙繼勇，郭傳揚(yáng)，孫文朋，董念忠

（1．北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2．北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；3．山東黃金礦業(yè)萊西有限公司，山東 萊西266616）

采礦工藝包括鑿巖、爆破、通風(fēng)、出礦、充填等多工序。目前國內(nèi)由于技術(shù)及設(shè)備等條件限制，往往造成各工序之間獨(dú)立發(fā)展而不能較好地銜接，造成礦石較大的損失及貧化，尤其對于貴金屬而言，直接影響經(jīng)濟(jì)效益。

山東黃金下屬的萊西礦業(yè)公司山后金礦位于招遠(yuǎn)與萊西接壤的地帶，在招遠(yuǎn)城區(qū)南30km，萊西城區(qū)北34km，行政區(qū)劃隸屬萊西市南墅鎮(zhèn)管轄。采用上向分層膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行采礦。

控制損失貧化是采用上向分層法回采薄礦脈時(shí)的一個(gè)突出的難題，直接決定礦山的經(jīng)濟(jì)效益及礦山今后的發(fā)展方向。國內(nèi)外針對采空區(qū)掃描的主要手段有CMS、CLAS及國內(nèi)諸多三維空區(qū)掃描儀，但這類設(shè)備成本較高，對于規(guī)模較小的礦山往往很難做到［1］。因此萊西礦業(yè)公司采用全站儀對采空區(qū)實(shí)際形狀進(jìn)行邊界點(diǎn)測量，Surpac軟件進(jìn)行礦體及采空區(qū)三維實(shí)體模型的建立，準(zhǔn)確反映采空區(qū)和礦體實(shí)際情況，通過后期實(shí)體間的布爾運(yùn)算可以準(zhǔn)確地計(jì)算出試驗(yàn)采場的采礦損失貧化指標(biāo)。

1 Surpac軟件簡介

Surpac軟件是澳大利亞GEMCOM公司開發(fā)的大型礦業(yè)工程軟件，是一套強(qiáng)大的三維可視化建模工具，廣泛應(yīng)用于全球大量礦山測量、勘探、建模及采礦設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)［2］。Surpac軟件根據(jù)計(jì)算機(jī)圖像圖形方法和技術(shù)對用戶輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后以輸出圖形圖像的方式將數(shù)據(jù)處理的過程和結(jié)果進(jìn)行可視化的顯現(xiàn)，三維可視化模塊（3DGraphic System）為用戶提供直觀的效果。礦山生產(chǎn)是一種三維空間的生產(chǎn)過程，充分利用計(jì)算機(jī)礦業(yè)軟件的三維可視化空間分析的優(yōu)勢幫助礦山生產(chǎn)管理和規(guī)劃，可以大大提高生產(chǎn)效益［3］。

2 礦區(qū)地質(zhì)簡介

萊西礦業(yè)公司山后金礦礦體賦存于招平斷裂下盤40m范圍之內(nèi)，主要分布在勘探線16～32線間，－500 m以上。在礦區(qū)范圍內(nèi)，共有16個(gè)大小不一的礦體。其中，資源儲(chǔ)量占礦床資源總儲(chǔ)量65．5%的I－2礦體為主礦體，I－3礦體為次要礦體。礦體形態(tài)較簡單，沿傾向及走向上具有膨大收縮、尖滅再現(xiàn)、分支復(fù)合等現(xiàn)象。I－2主礦體上盤與斷層泥直接接觸，下盤位于斷層泥下盤20m范圍內(nèi)。賦存標(biāo)高156～－487m，礦體形態(tài)呈板柱狀。礦體產(chǎn)狀穩(wěn)定，走向30°～33°，平均32°，沿走向長75～349m，平均257m；傾向SE，傾角38°～46°，平均40°，延深87～1 012m，平均885m；礦體厚度0．63～20．26m，平均厚度4．02m，厚度變化系數(shù)82．15%；水文地質(zhì)簡單，圍巖較穩(wěn)固［4］。

3 現(xiàn)場測量

針對礦體特殊的賦存條件，萊西礦業(yè)公司采用脈內(nèi)采準(zhǔn)巷道沿礦體走向進(jìn)行掘進(jìn)。以＋10m中段試驗(yàn)采場第一分層采空區(qū)為研究對象，采空區(qū)清理完畢以后，將全站儀安置在采場空區(qū)；礦體整體沿走向產(chǎn)狀變化較大，采用全站儀通過之前布置的基準(zhǔn)點(diǎn)每隔1．0m進(jìn)行采場邊界實(shí)測，在遇到拐彎處或巷道分岔口處時(shí)調(diào)整為每隔0．5m測1次采場邊界頂板及底板實(shí)際坐標(biāo)。由于全站儀沿直線進(jìn)行測量，因此在測量過程中會(huì)遇阻擋或遮擋，導(dǎo)致部分區(qū)域無法測到而出現(xiàn)測量盲區(qū)［5］。因此，對于試驗(yàn)采場內(nèi)復(fù)雜的邊界，可以多移動(dòng)幾次位置進(jìn)行測量，盡量避免出現(xiàn)較多的盲區(qū)，保證測量的精度。探測完成后，保存數(shù)據(jù)并進(jìn)行儀器自動(dòng)復(fù)位，儀器整理完畢后歸位。在測量工作完成后將完整數(shù)據(jù)錄入電子表格模版。表格中的地質(zhì)信息可以導(dǎo)入Access數(shù)據(jù)庫中，為后期的精細(xì)建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理由專人負(fù)責(zé)并定期更新。

4 數(shù)據(jù)處理

4．1 數(shù)據(jù)處理流程

現(xiàn)場掃描完成后，測量數(shù)據(jù)在測量工作完成當(dāng)天導(dǎo)出到測量數(shù)據(jù)庫中，由專人管理，建立專門的文件夾，定期進(jìn)行備份，導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式為．csv或．txt格式，文件名：中段標(biāo)高—采場編號—分層編號．txt格式，以方便今后的管理和保存。利用三維礦業(yè)軟件Surpac軟件將．txt文本文件轉(zhuǎn)化為．str線文件，而后生成．dtm實(shí)體模型，經(jīng)過實(shí)體模型驗(yàn)證后獲得空區(qū)實(shí)體，實(shí)時(shí)進(jìn)行空區(qū)模型實(shí)際體積測量并生成．not報(bào)告文件［6］。實(shí)現(xiàn)空區(qū)體積的計(jì)算功能具體處理步驟見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig．1 Data processing flow chart

4．2 建立三維實(shí)體模型

1）建立礦體三維實(shí)體模型。根據(jù)山后金礦地質(zhì)詳查報(bào)告，并應(yīng)用Surpac礦業(yè)軟件對礦體進(jìn)行三維實(shí)體模型的建立。由于礦體厚度較薄，礦體邊界的精確測量就顯得尤為重要，礦體的實(shí)際邊界僅根據(jù)詳查報(bào)告不能真實(shí)地反應(yīng)礦體的形態(tài)，在開拓采礦過程中對礦體邊界進(jìn)行二次實(shí)測，隨時(shí)更改礦體邊界。因Surpac軟件北向用y，東向用x表示，在建模過程中注意輸入的字段與坐標(biāo)是否對應(yīng)［7］，避免錯(cuò)誤線文件的生成，經(jīng)處理后最終得到＋10～＋120 m礦體三維實(shí)體模型（見圖2）。

2）建立采空區(qū)三維實(shí)體模型。全站儀掃描完成后輸出．xyz文件，通過編輯生成的．txt文件，將其導(dǎo)入Surpac軟件中，需要指出的是全站儀輸出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surpac生成的線文件會(huì)自動(dòng)將散點(diǎn)連接成線。

圖2 ＋10～＋120m礦體模型Fig．2 The model of orebody between＋10mto＋120m

將全站儀在所有架設(shè)點(diǎn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，最終得到空區(qū)線文件，在合并后的線文件處理過程中應(yīng)注意到掃描點(diǎn)數(shù)較少的區(qū)段實(shí)際上是不可靠的點(diǎn)，在不影響模型整體性的前提下進(jìn)行適當(dāng)取舍是允許的。將處理完成后的線文件通過三角網(wǎng)化創(chuàng)建實(shí)體并驗(yàn)證其是否有效，通過驗(yàn)證后最終得到空區(qū)實(shí)體模型。

圖3 采場采空區(qū)主視圖Fig．3 Main view of stope gob

建立的三維空區(qū)實(shí)體模型如圖3和圖4所示。由圖可以直觀看出采空區(qū)實(shí)際空間形態(tài)。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析還可以得到更詳細(xì)的信息：＋60m中段水平60－6#－2分層和60－6#－3分層回采完畢；60－5#－1分層天井南和天井北回采完畢并已充填，60－5#－2分層也回采完畢并充填；10－3＆4#－1分層一次回采完成后充填；10－4#－2分層已回采完成并充填；10－5#－1分層和2分層也已充填。

以＋10m中段3、4號采場的第一分層為例，通過Surpac三維建模得到采空區(qū)實(shí)際體積，同時(shí)利用Surpac軟件實(shí)體剖面功能得到與采空區(qū)對應(yīng)的分層礦體邊界（圖5所示），將采空區(qū)與對應(yīng)的分層礦體進(jìn)行耦合分析（圖6所示），并計(jì)算損失率和貧化率。

4．3 數(shù)據(jù)處理

圖4 采場采空區(qū)俯視圖Fig．4 Top view of stope gob

圖5 采空區(qū)對應(yīng)的礦體模型圖Fig．5 Gob corresponding orebody model diagram

圖6 采空區(qū)與礦體耦合模型Fig．6 Gob coupled with the orebody model

1）采礦損失率計(jì)算。通過把Surpac軟件建立的礦體三維實(shí)體模型與空區(qū)三維實(shí)體模型進(jìn)行耦合計(jì)算，利用軟件實(shí)體工具中相交并去除公共部分這一指令步驟，最終得到爆破完成后未采下的礦體模型（見圖7）；通過Surpac軟件報(bào)告實(shí)體體積的指令得出＋10m中段3、4號采場第一分層礦體體積1 724m3，爆破完成后未采下的礦體體積為400m3，依據(jù)采礦損失率計(jì)算公式［8］：

式中：λ為采礦損失率，%；Vw為爆破完成后未采下的礦體體積，m3；Vf為＋10m中段3、4號采場第一分層礦體體積，m3。

最終計(jì)算得出采礦損失率為23．2%，由于運(yùn)輸過程中可能會(huì)造成極少量的礦石損失，計(jì)算過程中忽略該部分對損失率的影響。

圖7 爆破完成后未采下的礦體模型Fig．7 The model of remain ore body after the completion of blasting

2）礦石貧化率計(jì)算。山后金礦在采礦過程中礦石貧化的主要原因是上盤斷層泥的冒落，而上盤斷層泥幾乎沒有品位，因此礦石貧化率與廢石混入率相等。應(yīng)用Surpac軟件對礦體與采空區(qū)實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算處理，得到＋10m中段3、4號采場第一分層的采空區(qū)體積為1 541m3，爆破后多采下的巖石體積為216m3（見圖8）。根據(jù)礦石貧化率計(jì)算公式：

式中：γ—礦石貧化率，%；Vy—＋10m中段3、4號采場第一分層爆破后多采下的巖石體積，m3；Vc—采空區(qū)體積，m3。

最終計(jì)算得出礦石貧化率為14．02%。

圖8 爆破完成后多采下的巖石模型Fig．8 The model of more mining rock after the completion of blasting

4．4 驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

根據(jù)山后金礦現(xiàn)場提供的資料，試驗(yàn)采場第一分層礦石地質(zhì)品位為2．0g／t，針對試驗(yàn)采場第一分層計(jì)算其采出礦石品位，根據(jù)金屬量平衡關(guān)系計(jì)算公式：

式中：α—采出礦石品位，g／t；γ—礦石貧化率，%；Vf—＋10m中段3、4號采場第一分層礦體體積，m3；λ—采礦損失率，%；Vc—采空區(qū)體積，m3。

最終計(jì)算結(jié)果是采出礦石品位為1．2g／t。試驗(yàn)采場采出的礦石集中運(yùn)到萊西礦業(yè)公司選礦廠，根據(jù)選礦廠提供的入選礦石量和金精礦量，選廠浮選回收率為84%，金精礦品位為57．43g／t，能夠計(jì)算出入選礦石平均品位為1．13g／t。對比計(jì)算結(jié)果，采出礦石品位比入選礦石品位稍大（在可接受范圍內(nèi)），充分說明了Surpac軟件與全站儀測量技術(shù)聯(lián)合處理礦山損貧指標(biāo)的分析方法是完全可行的。

5 結(jié)論

1）通過后期數(shù)據(jù)的處理，最終得到試驗(yàn)采場采礦損失率為23．2%，礦石貧化率為14．02%，計(jì)算出的礦石品位與選礦廠提供的入選品位數(shù)據(jù)比較吻合，充分說明了Surpac軟件與全站儀測量技術(shù)聯(lián)合處理礦山損貧指標(biāo)的可行性。

2）＋10m中段試驗(yàn)采場在進(jìn)行開采過程中遇到夾石留下作為礦柱，因此計(jì)算出的礦石損失率偏大。因此針對尚處于基建期的山后礦區(qū)而言，要想精確計(jì)算損失貧化率需要進(jìn)一步完善對礦體下盤邊界的劃定，進(jìn)行礦體的二次圈定顯得尤為重要。

3）山后礦區(qū)由于上盤斷層泥的存在使得礦山必須在礦體的上盤留下大量礦柱以保證采場的安全，這必然造成損失率的增加，而斷層泥的冒落則加大了礦石的貧化率。山后礦區(qū)損失貧化率存在較大的優(yōu)化空間，如何最大限度減少礦柱和控制斷層泥的冒落將作為下一步試驗(yàn)采場的重點(diǎn)進(jìn)行研究。

4）全站儀探測可以讓我們得到采空區(qū)的邊界坐標(biāo)，Surpac軟件能夠直觀地反映現(xiàn)場實(shí)際情況，在后期數(shù)據(jù)處理中具有更重要的作用，但是因間隔一定距離進(jìn)行測量坐標(biāo)使得測量精度較低，對于較危險(xiǎn)的采空區(qū)不能保證人員的安全，對于不規(guī)則的采場需要多次改變基點(diǎn)進(jìn)行掃描，因此該方法還有待進(jìn)一步的改善。

［1］ 陳丹輝，韋雪莉，劉曉明．基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術(shù)［J］．采礦技術(shù)，2010（7）：34－35，146．

［2］ 王 斌，劉保順，王 濤，等．基于Surpac的礦山三維可視化地質(zhì)模型的研究與應(yīng)用［J］．中國礦業(yè)，2011（2）：106－109．

［3］ 吳 建．應(yīng)用Surpac軟件進(jìn)行地下采礦貧化、損失的可視化管理［J］．新疆有色金屬，2011（4）：37－38，45．

［4］ 程光華，宋衛(wèi)東，張永林，等．模糊數(shù)學(xué)在山后礦區(qū)采礦方法優(yōu)選中的應(yīng)用［J］．有色金屬（礦山部分），2013，65（5）：20－23．

［5］ 劉曉明，羅周全，孟穩(wěn)全，等．深井采場大規(guī)模垮塌三維探測及可視化計(jì)算［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，42（1）：158－163．

［6］ 曹 帥，景泮印，宋衛(wèi)東，等．CMS探測技術(shù)及Surpac軟件在礦山損貧指標(biāo)分析中的應(yīng)用［J］．黃金，2013（4）：32－35．

［7］ 周曉將．Surpac在三道莊露天礦地質(zhì)建模中的應(yīng)用［J］．有色金屬（礦山部分），2012，64（4）：79－82．

［8］ 羅周全，張 保，劉曉明．基于CMS精密探測的采場貧化損失計(jì)算方法［J］．金屬礦山，2007（10）：84－88．