高艷磊

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司冶金院，北京 100055)

基于3DMine的露天采礦設(shè)計

高艷磊

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司冶金院，北京 100055)

采礦設(shè)計是礦山建設(shè)和運營的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采礦設(shè)計需要綜合考慮礦山資源狀況、開采技術(shù)條件、礦產(chǎn)品銷售價格、礦石開采及處理成本等多種因素，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。目前三維礦床模型和采礦三維設(shè)計方法的完美結(jié)合使采礦設(shè)計更為簡化，并可獲得良好的動態(tài)效果。以利比里亞某鐵礦為例，利用3Dmine三維礦業(yè)軟件，建立了地表地形、礦體實體和塊體模型。在此基礎(chǔ)上進行了露天開采境界優(yōu)化、開拓運輸系統(tǒng)布置、采剝進度計劃編制等采礦設(shè)計。結(jié)果直觀反映了采礦設(shè)計方案及數(shù)據(jù)變化關(guān)系。同時討論了不同礦石價格及不同臺階對露天境界的影響，分析了不同條件下剝采比的變化情況。在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)不同情況適時調(diào)整露天開采境界，以實現(xiàn)最優(yōu)的礦山經(jīng)濟效益。

露天開采 3DMine 采礦設(shè)計 境界優(yōu)化

經(jīng)過40多a的發(fā)展，今天的三維礦業(yè)軟件已經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。以礦床模型為代表的礦業(yè)軟件迅速發(fā)展，相繼推出用于地質(zhì)資料處理、礦床建模、采礦設(shè)計、計劃編制、測繪圖形處理等方面的礦用商業(yè)化軟件，如Datemine、Surpac、Micromine、3DMine、MineMap等，并取得了很好的經(jīng)濟效益[1-2]。

隨著數(shù)字礦山技術(shù)的成熟應(yīng)用，利用礦山三維模型優(yōu)化設(shè)計在礦山開采設(shè)計中占有越來越重要的地位。3DMine礦業(yè)軟件提供了全面的露天礦解決方案[3]，可以實現(xiàn)三維露天境界優(yōu)化、開拓運輸系統(tǒng)布置、采剝進度計劃編制等采礦設(shè)計要求。

本研究以利比里亞某鐵礦為例，利用3DMine軟件，建立了礦區(qū)地表地形、礦體實體和塊體模型。在此基礎(chǔ)上進行了露天開采境界優(yōu)化、開拓運輸系統(tǒng)布置、采剝進度計劃編制等采礦設(shè)計，為礦山開采提供了技術(shù)方案和決策依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

礦山位于利比里亞中部，礦區(qū)及其周邊屬低山丘陵地貌，山嶺之間有小型盆地沼澤及河流濕地。區(qū)內(nèi)地形總體中東部高，四周低，最高處位于勘查區(qū)西部，絕對海拔標(biāo)高為312 m，最低點也位于勘查區(qū)西部，海拔高度80 m，相對高差為232 m。

勘查區(qū)已發(fā)現(xiàn)并做了工程控制的礦體主要有3個，分別為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3 礦體。Ⅰ-1礦體為隱伏礦體，走向近東西向，傾角5°～38°，沿走向長度3 600 m，南北翼間寬度130～370 m，礦體平均厚度26.28 m。Ⅰ-2礦體位于Ⅰ礦體之上，該礦體形態(tài)為向斜，地表露頭部分呈對稱的帶狀斷續(xù)延伸，出露最長處約110 m，最寬處約70 m，沿走向長度3 600 m，南北翼間寬度220～700 m，礦體平均厚度15.57 m。Ⅰ-3礦體為隱伏礦體，向斜形態(tài)，走向東西向800 m，核部傾角近水平，翼部60°。

根據(jù)礦體賦存條件、地形特征和開采技術(shù)條件，采用露天開采。

2 三維建模

2.1 地表地形模型

地表地形模型是進行露天開采境界優(yōu)化的約束條件之一[4]，同時地表地形模型能夠?qū)ΦV區(qū)地形進行較為準(zhǔn)確的三維顯示，對上山道路和開拓運輸系統(tǒng)的布置起到關(guān)鍵性的作用。

本模型建模過程中將礦山提供的1∶5 000 mapgis格式地形圖導(dǎo)入3DMine文件，對部分高程錯誤進行修正后，形成三維表面模型。地表地形模型如圖1所示。

圖1 礦區(qū)三維地表模型

2.2 礦體實體模型

根據(jù)實體模型是一個三維的三角網(wǎng)數(shù)據(jù)，是用來描述三維空間物體的，是三維模型的基礎(chǔ)[3]。三維礦體模型的建立是整個實體模型建立過程中最重要的部分，建立礦體模型能準(zhǔn)確掌握礦體的幾何空間形態(tài)。

將礦區(qū)礦體剖面圖導(dǎo)入3DMine。在3DMine的三維環(huán)境中進行地質(zhì)剖面解譯?？碧骄€方向的各礦體剖面直接連接，垂直于礦體方向的礦體剖面進行解譯和外推。最終得到三維空間的礦體界線。如圖2所示。

2.3 礦體塊體模型

圖2 礦體三維模型

塊體模型是在實體模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的。塊體模型是一個內(nèi)容全面的數(shù)據(jù)庫，包含塊體體重、品位等信息，同時對塊體進行合理細(xì)分，更貼近礦體的實際形態(tài)[3]。塊體模型是進行露天開采境界優(yōu)化的基礎(chǔ)。

根據(jù)礦體賦存特點，在3DMine確定塊體模型大小為20 m×20 m×5 m。對各塊體賦于礦體類型、體重、TFe和MFe品位等屬性。然后根據(jù)礦山地質(zhì)鉆孔統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用距離冪次反比法進行品位賦值。得到最終的塊體模型。塊體模型如圖3所示。

圖3 塊體三維模型

3 露天開采境界優(yōu)化

露天開采境界優(yōu)化采用Lerchs-Grossman圖論法進行圈定。3DMine軟件對該法進行了實現(xiàn)，采用最大流最小割原理，求圖的最大閉包，進行境界優(yōu)化。該方法數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，經(jīng)過了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。其本質(zhì)與Lerchs-Grossman圖論法一致[4]。

3.1 境界圈定技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)

根據(jù)當(dāng)前鐵礦石市場行情，結(jié)合當(dāng)?shù)仡愃频V山實際開采生產(chǎn)指標(biāo)[5]，并考慮該礦區(qū)的礦巖結(jié)構(gòu)特點，確定境界優(yōu)化采用的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)見表1、表2。

表1 技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)

表2 最終邊坡參數(shù)

3.2 一次優(yōu)化境界

根據(jù)選定的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)和最終邊坡參數(shù)，并添加地形三維模型約束，采用3DMine軟件的L-G法進行境界優(yōu)化，生成的一次優(yōu)化境界包含2個露天坑，分別為西一坑和西二坑。如圖4所示。

圖4 一次優(yōu)化境界

在優(yōu)化境界相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，按礦石價格變化-40%，-30%，-20%，-10%，10%，20%，30%，40%的情況下輸出嵌套坑，不同礦石價格境界優(yōu)化結(jié)果見表3。在優(yōu)化境界相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，按回采臺階數(shù)分別遞增1、2、3、4、5個的情況下輸出嵌套坑，不同回采臺階下境界優(yōu)化結(jié)果見表4。

表3 不同價格下境界優(yōu)化結(jié)果

3.3 境界優(yōu)化結(jié)果分析

通過上述境界優(yōu)化結(jié)果，分析不同的礦石價格和不同的回采臺階下的剝采比變化情況，如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，剝采比隨著礦石價格的增長而緩慢增大，在基準(zhǔn)價格(82.18美元/t)前增速較快，價格大于基準(zhǔn)價格后增速放緩。

表4 不同臺階境界優(yōu)化結(jié)果

圖5 不同礦石價格剝采比變化

圖6 不同臺階水平剝采比變化

從圖6可以看出，剝采比從-85 m到-25 m臺階時變化非常小，從-25 m到-10 m臺階急劇減少，從-10 m開始又呈現(xiàn)出剝采比由快到慢的減少趨勢。

在實際生產(chǎn)中，礦山可根據(jù)當(dāng)時的鐵礦石市場價格、實際的選冶回收率、成本等因素，及時調(diào)整露天開采境界，以達到最優(yōu)的礦山經(jīng)濟效益指標(biāo)。不同條件下的最優(yōu)境界，能夠為礦山的開采設(shè)計提供多種技術(shù)方案和決策依據(jù)。

4 開拓運輸系統(tǒng)布置

根據(jù)礦區(qū)總圖布置的要求，選廠位于整個礦區(qū)的東部，距離露天采場約5 km，因此，開拓運輸系統(tǒng)采用汽車+半移動式破碎站+膠帶方式。礦石粗碎站位于2個露天采坑的南側(cè)中間位置。排土場位于2個露天采坑的北側(cè)。

因此礦石運輸?shù)缆烦鋈霚峡诓贾迷?個露天采坑的南側(cè)，巖石運輸?shù)缆烦鋈霚峡诓贾迷?個露天采坑的北側(cè)。開拓運輸?shù)缆穮?shù)如表5所示。

表5 開拓運輸?shù)缆穮?shù)

參考一次優(yōu)化境界，并考慮開拓運輸系統(tǒng)、最小底寬(25 m)、及安全清掃平臺寬度要求后，進行人機對話，最終圈定露天開采境界。最終境界如圖7所示。

圖7 最終露天開采境界

5 采剝進度計劃編制

采掘進度計劃編制是露天礦設(shè)計中一項十分重要的工作。采掘進度計劃是指導(dǎo)露天礦正常生產(chǎn)和獲得盡可能高的經(jīng)濟效益的關(guān)鍵[6]。目的是進一步驗證和落實礦石生產(chǎn)能力，并確定均衡的生產(chǎn)剝采比和礦巖生產(chǎn)能力[7]。

3DMine提供了采剝進度計劃編制模型，可以直接在模型上直接進行剝離與采礦預(yù)演，并自動生成圖形與數(shù)值結(jié)果。同時根據(jù)采掘位置和排土場可實現(xiàn)雙向互動，靈活調(diào)整總量和臺階數(shù)量。

礦山所采用的采剝進度計劃模型如圖8所示。

圖8 采剝進度計劃模型

6 結(jié) 論

(1)以利比里亞某鐵礦為例，采用3DMine軟件進行了露天境界優(yōu)化、開拓運輸系統(tǒng)布置和采剝進度計劃編制等工作。比常規(guī)的手工做法操作簡單、快捷、精度高，能夠非常好地滿足礦山設(shè)計和生產(chǎn)管理的要求。

(2)在不同的礦石價格和不同臺階標(biāo)高條件上，對該露天境界進行了優(yōu)化，并分析了變化趨勢，為礦山的開采設(shè)計提供了多種技術(shù)方案和決策依據(jù)。

(3)經(jīng)過多個項目的實踐運用，3DMine軟件在露天開采設(shè)計中能夠發(fā)揮重要作用。但與SURPAC等國際流行的礦業(yè)軟件相比，軟件在礦石采出坑口后成本費用的考慮不足，尤其是在選礦、冶煉費用及其他必要費用的參數(shù)選取及對露天開采境界的影響不能直觀反映出來。因此，3DMine軟件功能仍需進一步加強和完善。

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[3] 北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司.3DMine軟件基礎(chǔ)教程[M].北京：北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司，2012. 3DMine Company Limited Beijing.Basic Tutorial of 3DMine[M].Beijing:3DMine Company Limited Beijing,2012.

[4] 北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司.3DMine礦業(yè)工程軟件幫助文檔[M].北京：北京三地曼礦業(yè)軟件科技有限公司,2014. 3DMine Company Limited Beijing.Suporting Documents of 3DMine[M].Beijing:3DMine Company Limited Beijing,2014.

[5] 盧晉敏.大黑山鉬礦露天境界及分期開采方案[D].北京：北京科技大學(xué)，2007. Lu Jinmin.Pit Optimization and Staged Mining of Daheishan Molybdenum Mine[D].Beijing:University of Science and Technology Beijing,2007.

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Design of 3DMine Software in Open Pit Mining

Gao Yanlei

(MetallurgyDesignandResearchinstitute，ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.，Ltd，Beijing100055，China)

Mining design is a key link of mine construction and operation.In order to maximize economic benefits，resource condition，mining technical condition，mineral products price，ore mining and processing costs etc.should be considered in mining design.At present，the combination of 3D deposit model and mining design makes the mining design more simplified，and good dynamic effect is obtained.Taken a Liberian iron mine as an example，terrain model，solid model and block model of ore bodies are built by using 3DMine software.On this basis，mining designs including the open pit boundary optimization，development and haulage system and the stripping schedule are made，which directly reflect the mining plan and the data changes.Effect of different prices and steps on boundary optimization is discussed to analyze the variation under different stripping rate.In practical production，open-pit boundary can be adjusted according to the different situation to realize the best economic benefits.

Open pit mining，3DMine，Mining design，Boundary optimization

2015-01-29

高艷磊(1983—)，男，工程師。

TD854

A

1001-1250(2015)-04-255-04