梁 超,王李管

(1.中南大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410083;2.長(zhǎng)沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

自然崩落法雖然是一種規(guī)模大、效率高、成本低、工藝簡(jiǎn)單的地下采礦方法,但由于其對(duì)礦巖物理性質(zhì)要求較高,應(yīng)用時(shí)對(duì)礦體開采技術(shù)條件的要求相當(dāng)嚴(yán)格,需要很高的生產(chǎn)管理水平,而且應(yīng)用這種方法比使用其它方法更具風(fēng)險(xiǎn)性.如何提高自然崩落法應(yīng)用的安全、高效、精確是廣大學(xué)者研究的課題之一.隨著三維可視化數(shù)字礦山軟件的發(fā)展,可實(shí)現(xiàn)自然崩落法安全、高效、精準(zhǔn)的目的.

1 DI MINE軟件在自然崩落法中的作用

自然崩落法由于其適用條件、開采工藝、生產(chǎn)過程控制與管理的復(fù)雜性,使其成為所有采礦方法中技術(shù)和管理水平要求最高、風(fēng)險(xiǎn)最大、貧化損失指標(biāo)控制最難的一種采礦方法.沈南山等人認(rèn)為自然崩落采礦法潛在的主要問題有5個(gè)方面:地質(zhì)資料、礦巖體數(shù)據(jù)、礦巖崩落的連續(xù)性、崩落塊度、底部放礦結(jié)構(gòu).準(zhǔn)確、合理的崩落法采礦設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)需要建立在充分、準(zhǔn)確的地質(zhì)資料基礎(chǔ)之上.借助于信息外延理論或插值技術(shù),充分利用有限的地質(zhì)資料,建立合理、可靠的地質(zhì)模型是自然崩落法成功的重要前提.礦巖體的可崩性及塊度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)直接關(guān)系到放礦間距、設(shè)備選型及生產(chǎn)能力.底部結(jié)構(gòu)的地壓控制和穩(wěn)定性維護(hù)是自然崩落法采礦能否成功的最關(guān)鍵技術(shù)[1].而對(duì)這些方面的處理,三維礦業(yè)軟件有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

1.1 準(zhǔn)確快速地建立各種地質(zhì)資源模型

DI MINE軟件最大的特色之一是能快速的建立各種地質(zhì)資源模型,包括地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、地表模型、礦體模型、斷層模型、地層(巖性)模型、塊體模型、品位資源模型、井巷工程模型等.通過建立合理、可靠的地質(zhì)模型,才能對(duì)礦山進(jìn)行可靠的資源評(píng)價(jià),才能進(jìn)行合理的采礦設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.自然崩落法進(jìn)行分析研究、計(jì)劃編制、生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)都來(lái)源于DIG MINE軟件建立的各種模型.

1.2 優(yōu)化工程設(shè)計(jì)模型及快速編制工程施工進(jìn)度計(jì)劃

三維礦業(yè)軟件對(duì)自然崩落法礦山前期的工程設(shè)計(jì)和基建期的施工組織計(jì)劃編排有很大的指導(dǎo)作用.

結(jié)合礦床地質(zhì)和生產(chǎn)條件,對(duì)自然崩落法礦山生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的拉底、切割、底部結(jié)構(gòu)及其支護(hù)等工程進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)效率、加快工程實(shí)施.

基于排隊(duì)論、多目標(biāo)線性規(guī)劃等最優(yōu)化方法的DI MINE軟件能快速科學(xué)地編制井巷工程、拉底切割工程施工進(jìn)度計(jì)劃,加快工程施工進(jìn)度.

1.3 可進(jìn)行礦巖可崩性研究

自然崩落法對(duì)礦床開采技術(shù)條件要求嚴(yán)格,與其它地下開采方式相比有明顯區(qū)別,一旦實(shí)施將很難進(jìn)行采礦方案變更.因此,在采用自然崩落法的礦山對(duì)礦巖質(zhì)量進(jìn)行全面評(píng)價(jià)顯得尤為重要.目前一種基于區(qū)域化變量最優(yōu)估值理論及RMR評(píng)價(jià)體系的礦巖質(zhì)量三維數(shù)字化評(píng)價(jià)方法能克服傳統(tǒng)以點(diǎn)帶面的評(píng)價(jià)方法因沒能考慮各參數(shù)的隨機(jī)變化,其評(píng)價(jià)結(jié)論存在一定缺陷的問題.

礦巖質(zhì)量三維數(shù)字化評(píng)價(jià)方法的步驟是:

(1)基于鉆孔和巖體原位調(diào)查數(shù)據(jù)建立礦巖評(píng)價(jià)參數(shù)的原始三維數(shù)據(jù)庫(kù);

(2)對(duì)各參評(píng)參數(shù)進(jìn)行變異性分析及交叉驗(yàn)證,確定各參數(shù)的變程、塊金及基臺(tái)值;

(3)根據(jù)地質(zhì)資料建立待評(píng)價(jià)區(qū)域的三維實(shí)體模型;

(4)基于八叉樹結(jié)構(gòu)及次分塊技術(shù),建立評(píng)價(jià)區(qū)域RMR塊體模型;

(5)利用區(qū)域化變量最優(yōu)估值理論對(duì)各評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行空間插值,最終得到礦區(qū)整體三維數(shù)字化RMR評(píng)價(jià)模型;

(6)根據(jù)Laubscher的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出礦巖可崩性分級(jí)統(tǒng)計(jì),從而判斷礦巖的可崩性好壞.評(píng)價(jià)流程如圖1所示.

三維礦業(yè)軟件在建立數(shù)據(jù)庫(kù)、三維實(shí)體模型、評(píng)價(jià)區(qū)域塊體模型、變異函數(shù)分析、克里格法空間插值、評(píng)價(jià)模型統(tǒng)計(jì)分析等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

圖1 礦巖質(zhì)量三維數(shù)字化評(píng)價(jià)流程

2 應(yīng)用實(shí)例

普朗銅礦礦床成礦作用發(fā)生在復(fù)式斑巖體內(nèi).巖體中心形成由細(xì)脈浸染狀礦石組成的筒狀礦體,巖體邊部產(chǎn)出脈狀礦體.成礦元素以銅為主,伴有金、銀、鉬、硫等有用組分,礦化帶長(zhǎng)大于2300 m,寬600~800 m,面積約1.09 k m2,呈穹窿狀.普朗銅礦一期以普朗銅礦首采區(qū)KT1礦體(7－20線)為開采對(duì)象,首采區(qū)巖層破碎、完整性差,工程地質(zhì)條件惡劣,品位較低,但礦體厚大,近乎垂直,有足夠的崩落面積,計(jì)劃年礦石產(chǎn)量為1250萬(wàn)t.一期首采中段為標(biāo)高3720 m以上礦體,計(jì)劃達(dá)產(chǎn)時(shí)間為2017年,其投入生產(chǎn)后將是我國(guó)規(guī)模最大的自然崩落法生產(chǎn)礦山.

2.1 運(yùn)用DI MINE軟件快速建立地質(zhì)資源模型

由鉆孔開口、測(cè)斜、樣品、巖性信息等能建立地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù),可為后期模型估值、算量提供數(shù)據(jù)支撐.

根據(jù)地形圖文件,可以便捷地建立地表模型,地表模型是放礦控制的上部邊界,可為后期放礦點(diǎn)崩落高度計(jì)算及塌陷區(qū)范圍測(cè)算提供條件.如圖2所示.

圖2 首采區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)、地表及礦體模型

由地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)解譯的地質(zhì)界線(礦體、斷層、地層、巖性界線)或者已有的平、剖面二維圖件中提取的地質(zhì)界線可以建立礦體模型、斷層模型、地層或巖體模型,礦體模型可用于確定采區(qū)的礦量?jī)?chǔ)備情況,為后期開采計(jì)劃編制創(chuàng)造條件;斷層模型、地層或巖體模型可為自然崩落法開采前的崩落特性研究提供基礎(chǔ)模型,如圖3所示.

圖3 首采區(qū)巖體模型

建立塊體模型,運(yùn)用鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)和礦體模型,通過某種插值方法可以得到礦床的品位模型(見圖4),品位模型是承載著各種地質(zhì)信息的尺寸不等的眾多單元塊,它能為后期自然崩落法中每個(gè)放礦點(diǎn)的擔(dān)負(fù)礦量、放礦高度、分層品位、放出品位的計(jì)算與分析提供基礎(chǔ)條件.

通過建立已經(jīng)施工的和設(shè)計(jì)未施工的井巷工程模型(見圖5),包括穿脈、沿脈、溜井及放礦底部結(jié)構(gòu)等,可以為基建期、投產(chǎn)期、達(dá)產(chǎn)期各個(gè)時(shí)期的掘進(jìn)計(jì)劃進(jìn)行安排,同時(shí)在三維可視化的情況下通過建立的井巷三維實(shí)體,能夠?yàn)榈撞拷Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供便利.

2.2 首采區(qū)基建工程進(jìn)度計(jì)劃編制及拉底范圍確定

普朗銅礦首采中段設(shè)有4個(gè)主要水平,從下至上分別為3660 m有軌運(yùn)輸水平、3700 m回風(fēng)水平、3720 m出礦水平、3736 m拉底水平,上下高差分別為30,20 m和16 m.

結(jié)合礦床地質(zhì)和生產(chǎn)條件,對(duì)3720 m出礦水平的底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過多方案對(duì)比,確定出礦穿脈之間間距30 m且垂直礦體走向布置,出礦進(jìn)路之間的距離為15 m,采用分支鯡骨式布置,出礦進(jìn)路與出礦穿脈成55°角相交,如圖6所示.

圖6 出礦水平布置圖(局部)

為了更合理的安排礦山地下工程的施工順序,在最短的工期內(nèi)完成礦山基建工程,采用了DIG MINE三維礦業(yè)軟件對(duì)基建期的地下工程施工網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃進(jìn)行了編制.在軟件中建立的礦山各種采掘工程在空間上的關(guān)系十分清晰,且能在三維空間中查詢礦體的品位信息,為應(yīng)用優(yōu)化法和模擬方法進(jìn)行采掘工程順序確定提供了基礎(chǔ)和手段[3].3736 m水平穿脈掘進(jìn)進(jìn)度見圖7.

圖7 3736 m水平穿脈掘進(jìn)進(jìn)度

拉底計(jì)劃是進(jìn)行放礦計(jì)劃編制的前提條件,拉底計(jì)劃編制不合理,可能在準(zhǔn)備工作還沒做好的情況下提前進(jìn)入持續(xù)崩落階段而對(duì)生產(chǎn)造成毀滅性的影響,也可能規(guī)定的時(shí)間達(dá)不到產(chǎn)能而延長(zhǎng)工期.

進(jìn)行拉底計(jì)劃編制時(shí)需考慮初始崩落面積、持續(xù)崩落面積及達(dá)產(chǎn)所需面積,然后根據(jù)達(dá)產(chǎn)時(shí)間反推每月的平均拉底面積.同時(shí),需考慮從開始拉底到初始崩落階段、初始崩落到持續(xù)崩落階段、持續(xù)崩落到崩通地表階段以及崩通地表后至開采結(jié)束階段各階段拉底速度的差別,持續(xù)崩落前拉底速度可以慢,持續(xù)崩落后需加快拉底速度.

在DI MINE軟件中可以根據(jù)放礦規(guī)劃、工程施工難度、時(shí)間進(jìn)度以及各階段的拉底速度,自由圈定拉底范圍,得到各個(gè)時(shí)期的拉底范圍線.基建期開拓放礦點(diǎn)170個(gè),生產(chǎn)期第4年拉底結(jié)束,隨后利用已有放礦點(diǎn)進(jìn)行出礦,直到該礦塊放礦結(jié)束,生產(chǎn)期拉底速度為1256~3375 m2/月.首采區(qū)拉底計(jì)劃見表1、圖8.

表1 首采區(qū)拉底計(jì)劃

圖8 3736 m水平拉底計(jì)劃

2.3 首采區(qū)可崩性評(píng)價(jià)

地質(zhì)體模型建立后,利用DI MINE軟件建立礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)塊段模型,模型中的任一子塊即可用于承載該處礦巖質(zhì)量評(píng)價(jià)的各個(gè)參數(shù).根據(jù)變異性分析得到的參數(shù),利用克里格方法對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度(σc)、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、節(jié)理間距(JS)和摩擦角(Jφ)等指標(biāo)在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行空間插值,并按表2計(jì)算RMR值.

表2 修正后的RMR評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

按克里格插值方法對(duì)各參數(shù)在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行空間插值,并按修正后的RMR評(píng)分方法計(jì)算RMR值,最終得到RMR評(píng)價(jià)價(jià)值模型[4],見圖9.

圖9 普朗銅礦礦巖質(zhì)量RMR評(píng)價(jià)模型

根據(jù)Laubscher的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表3)[5],對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,估計(jì)一定區(qū)域的可崩性級(jí)別.普朗銅礦首采區(qū)礦體按可崩性等級(jí)分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4.

表3 勞布施爾的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表4 首采區(qū)礦體按可崩性等級(jí)分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表4可知,礦體內(nèi)以Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)崩落區(qū)為主,銅品位都在0.4%以上,但局部存在Ⅱ類穩(wěn)固區(qū)域,且Cu品位較高,存在少量的Ⅴ類不穩(wěn)固區(qū),且品位較低.綜合來(lái)看,普朗銅礦首采區(qū)可崩性評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的礦巖可崩性處于中等偏上(主要為Ⅲ類可崩性礦體),可崩性較好,采用自然崩落法是可行的[6].

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與理論的飛速發(fā)展,三維礦業(yè)軟件已涉足越來(lái)越多的傳統(tǒng)采礦領(lǐng)域,也為以前難以掌控的采礦方法提供了更多的技術(shù)和管理手段.

在自然崩落法中,運(yùn)用DI MINE軟件可快速建立地質(zhì)資源模型,得到準(zhǔn)確的地質(zhì)資源評(píng)價(jià),能夠合理的進(jìn)行基建工程進(jìn)度計(jì)劃編制及拉底范圍確定,進(jìn)行礦床開采前的可崩性評(píng)價(jià)等,通過種種手段實(shí)現(xiàn)開采前資源可采性評(píng)價(jià)、開采過程中的計(jì)劃組織管理,降低了開采過程中的風(fēng)險(xiǎn).

[1] 沈南山,顧曉春,尹升華.國(guó)內(nèi)外自然崩落采礦法技術(shù)現(xiàn)狀[J].采礦技術(shù),2009,9(4):1G4.

[2] 馮興隆.自然崩落法礦巖工程質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)及模擬技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010.

[3] 劉華武,馮興隆,劉關(guān)鋒,等.基于DI MINE三維礦業(yè)軟件的普朗銅礦基建采掘工程網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃編制[J].湖南有色金屬,2014,30(3):1G5.

[4] 馮 武,王李管,彭平安,等.自然崩落法礦巖質(zhì)量三維數(shù)字化評(píng)價(jià)方法[J].礦冶工程,2014(2):4G9.

[5]Laubscher D H.Cave miningGthe state of the art[J].Jour nal of t he Sout h African Instit ute of Mining and Metallurgy,1994,94(10):279G293.

[6] 劉華武,馮興隆,梁江波,等.普朗銅礦大規(guī)模開采關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(07):1G5.