李 寧,曹澤康,趙文斌,吳 浩,孔令好

(1.武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院, 湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學 土木工程與建筑學院, 湖北 武漢 430070)

露天礦中長期生產計劃的編制是礦山生產工作中的重要環(huán)節(jié),是指導和管理礦山正常生產的主要依據.然而露天礦山生產工藝流程復雜,礦山開采受到許多因素的制約,如采場空間、采剝關系、設備效率等,如何快速準確地編制出技術上可行、經濟效益好、資源利用率高的中長期生產計劃是目前必須解決的關鍵問題[1G2].國內現(xiàn)階段大多數(shù)露天礦山的生產計劃編制仍然采用手工編制的方法,不僅編制效率低下,同時不便于后期生產需要對計劃進行修改.隨著計算機技術、圖形快速處理技術及三維可視化技術的不斷發(fā)展,在構建礦山三維模型的基礎之上,進行露天礦中長期生產計劃的可視化編制,已成為目前國內露天礦山的發(fā)展趨勢[3G6].

本研究針對手工編制露天礦中長期生產計劃存在的難點[7G8],借助Di mine數(shù)字礦山軟件平臺,以襄陽石灰石礦為對象,在三維可視化環(huán)境下,構建礦山鉆孔數(shù)據庫、礦體模型、數(shù)字地表模型、塊段模型等,通過人工交互的方式編制適用于礦山開采的最佳露天礦中長期生產計劃.

1 中長期生產計劃編制流程

露天礦中長期生產計劃編制是在確定露天坑開采境界基礎上進行的,目前,國內外采用浮動圓錐法、L－G圖論法、整數(shù)規(guī)劃法等方法對露天開采境界進行優(yōu)化.Di mine數(shù)字礦山軟件平臺基于L－G圖論實現(xiàn)開采境界的優(yōu)化,其實質是在所建立的價值模型中尋求具有最大開采價值的開采境界[9G11].根據編制技術人員的生產經驗,通過交互操作實現(xiàn)生產計劃的多方案比較,并選擇最佳中長期規(guī)劃結果,具體的操作流程如圖1所示.

圖1 生產計劃編制流程

2 工程應用實例

襄陽石灰石礦為一大型露天礦山,礦區(qū)山體似渾圓狀,礦區(qū)內無地表水體,開采區(qū)域海拔標高為496.8~318.2 m,相對高差為178.6 m,四周較低.大部分基巖裸露,第四系地層零星分布.根據礦層賦存情況及礦段情況,按礦區(qū)礦量計算界線為設計開采界線.南側以地質界線為邊界,東、西兩側分別以2,3號勘探線最低開采標高355 m向上放邊坡為界,北側以355 m等高線為界,其中北東側通過保留礦柱確保破碎系統(tǒng)穩(wěn)定性,設計最低開采標高為355 m,最終臺階邊坡角為65°,清掃平臺和安全平臺寬度分別為8,4 m,清掃平臺和安全平臺間隔設置.

2.1 鉆孔數(shù)據庫創(chuàng)建

將孔口表、測斜表、樣品表以及巖性表導入DiG mine數(shù)字礦山軟件平臺,生成鉆孔數(shù)據表文件,再對其進行校驗并修改后即可創(chuàng)建Di mine地質數(shù)據庫文件(.d mg文件),如圖2、圖3所示.

圖2 鉆孔局部放大圖

圖3 鉆孔數(shù)據庫

由圖3可知,總共有24個鉆孔和槽探數(shù)據,Ca O的最低品位是22.92%,最高品位是55.82%,Mg O的最低品位是0.24%,最高品位是17.94%.

通過對鉆孔數(shù)據庫進行樣長組合,得到Ca O和Mg O品位分布直方圖如圖4、圖5所示.

圖4 Ca O品位分布直方圖

圖5 Mg O品位分布直方圖

從圖4和圖5可知,Ca O品位的平均值為51.63%,中值是53.06%,變化系數(shù)為0.0816,表明Ca O品位變化較小,較為均衡;Mg O品位平均值為1.5%,中值是0.82%,變化系數(shù)為1.4825.

2.2 數(shù)字地表模型構建

地表模型作為境界優(yōu)化和開采設計的邊界約束,是三維實體模型的重要組成部分.地表模型一般由若干等高線和散點組成,直接導入到Di mine數(shù)字礦山軟件平臺,通過形成DT M的功能,即可構建襄陽石灰石礦的地表模型.原始數(shù)字地表模型及開采現(xiàn)狀圖如圖6、圖7所示.

圖6 原始數(shù)字地表模型

圖7 開采現(xiàn)狀圖

2.3 礦體模型構建

礦體模型是整個三維建模過程中的重點,根據礦體埋藏及復雜程度的不同,建模的難度也大不相同.礦體模型為儲量計算、境界優(yōu)化及開采設計提供基礎數(shù)據.本文通過將勘探線剖面導入Di mine數(shù)字礦山軟件平臺,通過連線框的方式構建礦體模型.在建模過程中要對剖面線閉合及交叉情況進行檢查,同時需對生成的實體模型進行相關有效性檢測,避免未封閉區(qū)域和交叉三角形的出現(xiàn),導致儲量估算和境界優(yōu)化產生誤差,構建的石灰石礦礦體模型如圖8所示.

2.4 塊段模型構建及估值

礦床品位推估以及儲量計算以構建的塊段模型為基礎,其基本思想是將三維礦床模型在空間內根據估計精度按照需要按一定尺寸劃分為眾多的單元體,然后根據勘探得到已知的樣品點品位值,通過空間插值和數(shù)據擬合等方法對整個礦床范圍內單元體的品位信息進行估算,同時在此基礎上進行地質儲量的計算.

塊段模型實際上是一個記錄礦石單元體屬性信息的數(shù)據庫,其目的主要是存儲各類地質信息(包括礦巖類型、品位、比重等),通過創(chuàng)建塊段模型,可以為實體或DT M范圍內的單元體賦予巖性、層位、品位等相關信息.通過克里格估值,經礦體約束后得到的塊段模型如圖9所示.

圖8 礦體模型

圖9 約束后塊段模型

2.5 露天境界優(yōu)化

露天境界優(yōu)化是露天開采設計的基礎,優(yōu)化的基本原則是經濟合理剝采比不大于境界剝采比,即在經濟合理的前提下,最大限度地開采礦產資源,提高礦產資源的利用率.

依據露天礦實際生產的臺階高度,結合采礦工作面尺寸以及鉆孔網度等相關參數(shù)確定合理的單元體尺寸大小為7.5 m×7.5 m×3 m,創(chuàng)建空塊模型,再添加約束條件如礦體模型、開采成本、臺階高度、露天邊坡角等參數(shù).

通過Di mine數(shù)字礦山軟件平臺的優(yōu)化,需開挖的單元塊如圖10所示,優(yōu)化的具體參數(shù)見表1.

根據境界優(yōu)化結果,同時依據采礦手冊確定開采參數(shù),在三維環(huán)境下,設計生成的最終露天境界模型如圖11所示.

圖10 約束后塊段模型(Mg O)

表1 境界優(yōu)化參數(shù)

圖11 最終露天境界

2.6 露天礦中長期生產計劃優(yōu)化

結合構建的礦體模型、最終露天開采境界以及開采現(xiàn)狀圖,可直接通過軟件進行中長期生產計劃的編制.編制人員通過計算機自動優(yōu)化與人工交互優(yōu)化的方式,靈活調整中長期生產計劃結果,得到最終的中長期生產計劃方案如圖12所示.

圖12 露天礦中長期生產計劃編制結果

其中前10期的生產計劃如圖13所示.

圖13 前10期生產計劃編制結果

3 結 論

(1)基于L－G圖論法將礦體劃分成單個六面體塊,再通過克里格估值算法推估每一塊段的礦石品位,根據開采的經濟成本和相關設計參數(shù),智能優(yōu)化出需最終開采的礦塊,得到最終開采境界.

(2)系統(tǒng)提供了一個可視化的三維露天礦中長期生產計劃編制優(yōu)化平臺,可以直觀、方便地展示露天礦地表、鉆孔數(shù)據庫、礦床等模型,基于經濟合理剝采比不大于境界剝采比的原則編制露天礦中長期生產計劃,極大提高了露天礦山中長期生產計劃編制的效率.

(3)軟件系統(tǒng)采用系統(tǒng)自動優(yōu)化與人工交互優(yōu)化雙重優(yōu)化模式,便于編制工作者針對采礦工程中揭露的礦床地質條件和水文條件,及時改變原先的優(yōu)化結果,調整編制的中長期生產計劃方案,確保礦山生產的正常進行.

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