陳彥亭 龔瑞杰 宋愛東 南世卿

(1.河北鋼鐵集團礦山設(shè)計研究院；2.河北鋼鐵集團司家營鐵礦有限公司)

露天礦開采損失率貧化率預測

陳彥亭1龔瑞杰2宋愛東1南世卿1

(1.河北鋼鐵集團礦山設(shè)計研究院；2.河北鋼鐵集團司家營鐵礦有限公司)

分析了現(xiàn)有露天礦損失率、貧化率的預測方法，構(gòu)建預測對象三維模型，依據(jù)鏟裝作業(yè)參數(shù)將其微分為有限多個采礦單元體，利用地質(zhì)探針技術(shù)獲取采礦單元體的礦石比例，預測出初步損失率貧化率,通過人機交互二步預測，求得更加貼近生產(chǎn)實際的預測結(jié)果。據(jù)此原理開發(fā)出了相應軟件，經(jīng)過某露天礦的應用表明，可以方便、快捷的實現(xiàn)不同鏟裝推進方向、不同臺階高度、不同礦石截止條件等情況下的損失率貧化率預測，結(jié)果符合實際，能夠為配礦及采礦生產(chǎn)管理提供定量化依據(jù)。

損失率 貧化率 定量化預測 三維模型 預測軟件

采礦混入率和損失率是采場生產(chǎn)中兩項重要的技術(shù)指標，是檢驗礦山開采技術(shù)水平、衡量采礦方法的合理性及礦產(chǎn)資源利用率的技術(shù)經(jīng)濟指標，也是礦山配礦工作要考慮的重要指標。長期以來，在礦山設(shè)計和生產(chǎn)計劃編制時，這兩大主要技術(shù)經(jīng)濟指標一般憑經(jīng)驗取值。

前人對損貧定量預測進行了深入富有成效的探索[1-2]，但都是在剖面圖上進行的，即在二維圖件的基礎(chǔ)上進行的。因剖面圖的選取具有很強的經(jīng)驗性、隨機性及局限性，并不能全面反映預測區(qū)域的空間形態(tài)、礦體產(chǎn)狀、礦巖關(guān)系、臺階高度及電鏟采剝方向等情況，而這些因素又是損貧計算的重要影響因素。礦山生產(chǎn)及國內(nèi)外的科研結(jié)果均表明：對于緩傾斜、傾斜礦體，臺階高度增大，礦石損貧隨之增加。前蘇聯(lián)阿爾先耶夫指出：損貧同臺階高度呈正比關(guān)系，臺階高度增加1倍(10～20 m)，損失率貧化率增加40%～60%[3]。

因此，快速、準確的預測三維空間不同礦體賦存條件、不同臺階高度及不同掘進方向下的露天礦采礦損失貧化率，很大的實際意義。

1 三維模型虛擬采礦地質(zhì)探針技術(shù)

利用三地曼軟件建立爆區(qū)三維地質(zhì)模型、采場現(xiàn)狀DTM模型，可以真實、直觀地刻畫礦體的賦存特征、采場環(huán)境，使預測對象三維化。根據(jù)牙輪鉆機現(xiàn)場作業(yè)情況，確定電鏟鏟裝作業(yè)工作面與下一臺階坡頂所形成的夾角，可以此角度確定一個條帶內(nèi)的礦巖，計算條帶內(nèi)的礦體體積比例，并作為判斷該條帶內(nèi)鏟裝類型的依據(jù)。同理計算預測范圍內(nèi)所有鏟裝單元的礦體比例，與臺階高度存放在前一階段布設(shè)單元格的中心點屬性內(nèi)，確定合理的礦石比例(鏟裝截止條件)，按不小于此比例的鏟裝單元確定采出礦石，零為廢石，其余皆為含礦廢石并用不同顏色加以區(qū)分，進而加權(quán)統(tǒng)計出預測區(qū)域內(nèi)的損失率、貧化率，即為初步預測結(jié)果。如各單元中心點全部位于該預測臺階的坡頂面上，就將預測臺階三維空間的礦石比例全部投影到坡頂面上，再通過二步人機交互圈定，即可較為準確的預測臺階的損失率、貧化率。

2 軟件開發(fā)

采用vb語言與3Dmine礦業(yè)工程軟件集成開發(fā)露天礦損貧預測軟件。

2.1 預測區(qū)域微分

在選定的預測范圍內(nèi)，根據(jù)確定的電鏟掘進方向，從起點開始按一定的間距布點，布點范圍要覆蓋預測區(qū)域；調(diào)用函數(shù)判斷布點是否在預測范圍內(nèi)，如不在則將其刪除。

2.2 地質(zhì)探針初步預測

利用布設(shè)點發(fā)射射線，射線方位角與掘進方向一致，傾角為電鏟工作時形成的臺階坡面角，該射線代表鏟裝單元的中心線，射線終止點的標高為該預測臺階的坡底標高；獲取射線穿過臺階的長度和礦體長度，當穿過多條礦體時累加礦體長度，用射線穿過的礦體總長度除以臺階長度得到此點的含礦比例(體積比)(與地質(zhì)鉆探的原理類似)，在三維建模的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，稱為“數(shù)字地質(zhì)探針”，圖1為該方法的剖面示意圖。

圖1 電鏟鏟裝條帶劃分剖面示意

2.3 人機交互二步預測

初步預測沒有考慮剔除夾石厚度，只是將預測區(qū)域各處的含礦比例按采剝條件反應到坡頂面上，打開每個點的屬性值即可選擇顯示含礦比例，參考這些數(shù)值和用顏色區(qū)分的點，手動二次圈定采出礦體區(qū)域，確定哪些部位可直接采出，哪些位置是通過采礦手段剔除巖石，程序?qū)⑦@兩大部分閉合線內(nèi)的點重新統(tǒng)計，計算出更為符合生產(chǎn)實際的損失貧化率。

3 應用實例

司家營鐵礦屬“鞍山式”沉積變質(zhì)鐵礦床，主要開采Ⅰ#、Ⅲ#礦體，相互間呈平行帶狀排列，礦體走向近南北，傾向西，傾角40°～50°。礦體多呈層狀或似層狀，部分呈透鏡狀或扁豆狀，層位穩(wěn)定。由于構(gòu)造和古地形的影響，厚度變化較大，形態(tài)變化較復雜，沿走向和傾向均有突然尖滅、分枝復合和膨縮現(xiàn)象。由于礦體的賦存條件和采礦作業(yè)參數(shù)影響，采場不同位置的貧化率差異較大，即使在同一位置，上下兩個臺階的貧化率也會發(fā)生很大變化。利用經(jīng)驗估計等方法很難快速、準確的預測出損失貧化率。

3．1 建立預測對象的三維模型

考慮礦體的整體特征，結(jié)合已有的探采工程(探槽、炮孔、掌子面)揭露的礦體產(chǎn)狀、厚度、夾巖變化情況及地質(zhì)勘探資料，利用3DMine三維建模軟件建立礦體實體模型。

3.1.1 現(xiàn)狀DTM模型構(gòu)建

將礦山地形現(xiàn)狀CAD圖上的點、線文件的橫、縱坐標及高程值賦真實值，利用三地曼軟件生成DTM表面功能，建立采場開采現(xiàn)狀DTM模型，以真實、直觀地反應采場內(nèi)臺階等地形特征。

3.1.2 采場現(xiàn)狀三維地質(zhì)地形圖

通過空間點坐標的唯一性，將模型和采場現(xiàn)狀DTM模型重合在一起，實現(xiàn)采場開拓現(xiàn)狀與礦體的對應(見圖2)，用三維可視化展現(xiàn)了深部將要開采礦體的變化情況，比現(xiàn)有損貧預測方法更直觀。

3.2 月度采礦計劃損失率貧化率預測

輸入預測區(qū)域的工作邊幫角、預測臺階坡底標高、礦巖截止界限(含礦比例)等參數(shù)，如圖3所示。

圖2 采場三維地質(zhì)地形

按程序提示選擇預測區(qū)域范圍線(閉合的多段線)，標明電鏟掘進方向，在-102 m水平擬定從北向南開采，程序執(zhí)行完后將在坡頂面上用數(shù)字將不同類型礦、巖標識出來：1表示滿足設(shè)定礦巖界限條件可直接采出礦石位置，2表示含礦廢石位置，3表示廢石位置，見圖4。從圖4中可看出，初步預測貧化率為7.8%、損失率為12.7%。

圖3 損失率貧化率預測軟件參數(shù)輸入界面

圖4 采場某臺階損貧預測結(jié)果三維

圖4左上方有兩條礦石含量大于40%的區(qū)域，但電鏟難以將該部分可采礦石挑選出來，故將該部分劃定為含礦廢石。此區(qū)域通過運行二次圈定預測功能，重新計算損失率為12.19%、貧化率為13.41%。從圖4可看出，礦巖關(guān)系復雜，局部礦體較薄、交互分布，大型鏟裝設(shè)備難以將其剔除，故此預測區(qū)域損貧較大，需利用二次圈定預測功能更準確地預測損失貧化率。

3.3 礦山月度計劃范圍內(nèi)預測

表1為2013年12月份各電鏟計劃范圍內(nèi)的損失貧化初步預測結(jié)果(在未采取分穿分爆等采礦措施情況下)。此外，如果計劃區(qū)域處作業(yè)空間允許，還可進行不同掘進方向的預測，以確定最合理的、可行的掘進方向。

表1 2013年12月計劃范圍內(nèi)各區(qū)域軟件初步預測損失貧化率值 %

預測區(qū)域損失率貧化率爆區(qū)-大鉤機12.707.80爆區(qū)-1#鏟1.604.70爆區(qū)-3#鏟9.109.70爆區(qū)-6#鏟17.309.00爆區(qū)-6#鏟223.0023.40爆區(qū)-6#鏟37.7011.20爆區(qū)-2#鏟1.704.00

3.4 結(jié)果可靠性驗證與分析

經(jīng)人工切割剖面計算比對，證明預測結(jié)果合理可靠。通常情況下，一個范圍只選取1到2個剖面，先主觀判斷礦巖截止界限，然后手工量取礦體、巖石面積，將量取結(jié)果代入excel表格計算，求得該剖面的損失貧化率，即為該預測區(qū)的損失貧化率。手工計算剖面的代表性有很大的局限性和主觀隨機性，且計算過程繁瑣。采用微分地質(zhì)探測與虛擬采礦相結(jié)合的方法進行預測，通過二次圈定，實現(xiàn)人機互動，將復雜的三維空間簡化為近似二維空間，使預測結(jié)果貼近生產(chǎn)實際，可操作性強，更便于管理。

4 結(jié) 論

(1)運用三維建模技術(shù)構(gòu)建預測對象三維模型，真實、直觀、定量化的刻畫了礦體的產(chǎn)狀、厚度及礦巖等空間分布特征，保證了預測的可靠性。

(2)通過分析實際鏟裝作業(yè)，采用微分的原理，按給定的劃分參數(shù)，將預測對象劃分為有限多個傾斜棱體，避免了其他預測方法人為選擇斷面的隨機性問題。

(3)將三維建模與地質(zhì)探針技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)損貧定量預測軟件，實現(xiàn)不同鏟裝推進方向、不同臺階高度、不同礦巖截止條件等參數(shù)下的靈活、快速、定量預測，并在此基礎(chǔ)上，通過人機交互二步預測，使預測結(jié)果更加貼近生產(chǎn)實際，提高預測結(jié)果的可靠性。

(4)首次實現(xiàn)了三維條件下的損失率貧化率定量預測，司家營露天礦試用結(jié)果表明，該預測方法快速、代表性強，為采礦生產(chǎn)損貧指標的管理提供了定量化依據(jù)。

[1] 王運敏.現(xiàn)代采礦手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

[2] 伍紹澤.計算機在確定露天礦山損失率與貧化率、可采厚度與剔除厚度中的應用[J].四川冶金.1989(1):12-19.

[3] 張士全.露天礦臺階高度與礦石損失、貧化關(guān)系的研究[J].礦業(yè)快報，2001(11):14-17.

2014-11-26)

陳彥亭(1981—)，男，科長，工程師，碩士，063700 河北省灤縣。