魏子棟

(唐山首鋼馬蘭莊鐵礦有限責(zé)任公司)

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長，鋼鐵行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，目前，中國已成為世界上第一大鋼鐵生產(chǎn)國和消費(fèi)國，鐵礦石供應(yīng)的重要性日益凸顯。很多露天礦山已由山坡露天開采進(jìn)入深凹露天開采，隨著邊坡高度的加高加陡，開采難度越來越大，安全性也越來越差。物料運(yùn)輸由先前的重載下坡到重載上坡運(yùn)行，運(yùn)輸距離加長，效率降低，導(dǎo)致成本大幅度升高，生產(chǎn)能力受到嚴(yán)重影響[1]。礦山企業(yè)必須依托新技術(shù)，發(fā)展自動化、智能化礦山，精細(xì)化管理，充分發(fā)揮生產(chǎn)效率，降低成本，提高經(jīng)營效益。

1 礦山概況

馬蘭莊鐵礦建礦至今一直采用露天開采方式，開采45 a來，已經(jīng)由山坡露天開采進(jìn)入深凹露天開采階段，目前采場最高水平標(biāo)高為72 m，最低水平標(biāo)高為-164 m，高差為236 m，已經(jīng)接近露天開采服務(wù)年限的后期，地采項(xiàng)目尚未投入生產(chǎn)，資源接替日趨緊張。由于采場邊坡高度越來越大且暴露時(shí)間長，面積大，多年受雨水沖蝕、爆破震動等因素影響，邊坡穩(wěn)定日益惡化，目前采場東幫、西幫、南幫均出現(xiàn)不同程度的塌方，東幫最甚，邊坡的滑塌威脅著采場內(nèi)作業(yè)人員和設(shè)備的安全。因此，除了加強(qiáng)邊幫的現(xiàn)代化監(jiān)測和治理以外，還應(yīng)采取高效、合理的開采方法和手段，穩(wěn)定露天開采生產(chǎn)能力，緩解資源接替緊張的矛盾。從生產(chǎn)實(shí)際看，深凹露天礦開采與礦山中前期技術(shù)管理等諸多方面有許多不同，尤其是馬蘭莊鐵礦處于即將轉(zhuǎn)入地下開采還未轉(zhuǎn)型成功的階段，在現(xiàn)階段研發(fā)深凹露天礦高效開采技術(shù)意義尤為重大。

2 精準(zhǔn)配礦

配礦指在礦石開采階段，通過技術(shù)管理手段，把不同層、不同品級的礦石有計(jì)劃的按比例搭配，使原本指標(biāo)不能滿足選廠生產(chǎn)要求的礦石通過混合達(dá)到可被生產(chǎn)利用的質(zhì)量要求[2]，合理利用礦床資源，提高經(jīng)濟(jì)效益，延長礦山服務(wù)壽命。由于配礦需要龐大的數(shù)據(jù)量，限制約束條件較多，人工編制時(shí)間較長，生產(chǎn)信息傳遞不快，工作效率不高，所以利用先進(jìn)技術(shù)科學(xué)合理地配礦成為了進(jìn)一步提高露天礦山采礦配礦效率的必然選擇。

3DMine三維礦山軟件是集地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)管理、礦床地質(zhì)建模、構(gòu)造模型、傳統(tǒng)和現(xiàn)代地質(zhì)儲量計(jì)算、露天及地下礦山采礦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃、露天境界優(yōu)化及生產(chǎn)設(shè)施數(shù)據(jù)的三維可視化軟件系統(tǒng)[3]。傳統(tǒng)的地質(zhì)工作中，不但要在圖紙上手工修訂礦巖界限，還要利用求積儀圈定礦石范圍并進(jìn)行計(jì)算，效率低下，準(zhǔn)確率也不高[4]。馬蘭莊鐵礦為了精準(zhǔn)配礦，依托3DMine礦業(yè)軟件對生產(chǎn)勘探資料進(jìn)行收集整理，制定精準(zhǔn)供配礦計(jì)劃，指導(dǎo)日常礦石質(zhì)量工作。

2.1 礦床炮孔數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

馬蘭莊鐵礦生產(chǎn)地質(zhì)勘探外業(yè)采用牙輪鉆孔探礦方法，對于見礦的炮孔全部運(yùn)用磁力儀檢測，準(zhǔn)確測量礦巖的換層深度，并對鉆孔粉碴進(jìn)行取樣和化驗(yàn)分析；內(nèi)業(yè)則利用3DMine軟件針對炮孔定位和化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果建立可在三維圖形中直接快速顯現(xiàn)化驗(yàn)數(shù)據(jù)和孔位信息的三維鉆孔數(shù)據(jù)庫，見圖1、表1、表2。

圖1 三維鉆孔數(shù)據(jù)庫

工程號開孔坐標(biāo)x/m開孔坐標(biāo)y/m開孔坐標(biāo)z/m最大孔深/m軌跡類型日期N16120403380 436.8154 442 734.940-124.5815直孔2016-12-06N16120404380 439.7264 442 741.688-124.5815直孔2016-12-06N16120405380 445.4814 442 736.531-124.5815直孔2016-12-06N16120406380 442.1964 442 730.376-124.5815直孔2016-12-06

通過對炮孔數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用可以解決兩方面的問題：一是利用炮孔編錄重新修訂礦巖界限；二是使用炮孔分析結(jié)果對塊體進(jìn)行估值，使得品位數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，提高地質(zhì)工作的效率和準(zhǔn)確性。

2.2 采場三維數(shù)據(jù)模型建立

在生產(chǎn)過程中隨著作業(yè)臺階的推進(jìn)延伸，臺階的輪廓不斷變化，礦巖在臺階上的界線也在發(fā)生著變化，通過測量實(shí)地驗(yàn)收采場的現(xiàn)狀,運(yùn)用CAD繪制形成采場的二維平面圖，并根據(jù)圖中的坐標(biāo)及高程等信息,利用3DMine軟件的 “自動轉(zhuǎn)化”功能將其轉(zhuǎn)化為三維圖形，生成采場的DTM實(shí)體模型。見圖2。

表2 鉆孔取樣化驗(yàn)信息

圖2 采場DTM實(shí)體模型

2.3 塊體模型建立并估值

馬蘭莊鐵礦的塊體模型囊括了整個(gè)礦山的采場作業(yè)臺階，塊體的尺寸設(shè)置為10 m×10 m×12 m(長×寬×高)，次級塊體模型的尺寸為5 m×5 m×6 m(長×寬×高)，全礦實(shí)體模型的尺寸為1 200 m×700 m×350 m(長×寬×高)。將起始點(diǎn)的三維坐標(biāo)導(dǎo)入3DMine軟件，并根據(jù)炮孔數(shù)據(jù)庫中的孔位坐標(biāo)和品位數(shù)據(jù)進(jìn)行樣品組合，生成全礦床的樣品點(diǎn)文件，運(yùn)用距離冪次反比法對塊體模型進(jìn)行估值(本礦塊體冪次值為2)，礦石塊體模型見圖3。

圖3 馬蘭莊鐵礦礦石塊體模型

通過以上操作，整個(gè)礦山的各個(gè)臺階采掘現(xiàn)狀、礦巖分布現(xiàn)狀和礦石質(zhì)量指標(biāo)很直觀地展現(xiàn)在電腦上。任何位置的礦石指標(biāo)情況都可以通過點(diǎn)擊塊體子菜單中的查詢功能了解，品位信息、坐標(biāo)信息、礦巖情況都會在信息欄中自動顯示。為編制采礦計(jì)劃、月度礦石質(zhì)量計(jì)劃以及指導(dǎo)日常采礦生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀的數(shù)字化模擬。

隨著露天礦的不斷開采，出礦作業(yè)面不斷壓縮，為了穩(wěn)定生產(chǎn)能力，緩解資源接替緊張的矛盾，保障全年礦石計(jì)劃的順利完成，馬蘭莊鐵礦在編制供配礦計(jì)劃時(shí)，充分依托年度和月度計(jì)劃，堅(jiān)持“采剝并舉，剝離先行”的原則，利用3DMine軟件中“短期計(jì)劃”功能，在電腦中圈定采掘帶模擬現(xiàn)實(shí)，軟件自動計(jì)算采掘帶中的礦巖總量、礦石量、巖石量和礦石品位，技術(shù)人員再通過調(diào)整各水平采掘帶大小、方向，根據(jù)礦石的指標(biāo)參數(shù)按照比例控制各個(gè)水平的出礦量，確定最優(yōu)的配礦計(jì)劃。見圖4、表3。

3 礦石質(zhì)量管理

GPS(全球定位系統(tǒng))是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS基于運(yùn)行在6個(gè)軌道上的24顆人造衛(wèi)星，可以迅速精確的獲取空間任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在地球上任何能夠同時(shí)接收4顆及以上的衛(wèi)星信號位置都能進(jìn)行定位工作。

為了確保配礦計(jì)劃能夠切實(shí)執(zhí)行落實(shí)，馬蘭莊鐵礦為技術(shù)人員配備了中海達(dá)mini便攜式的礦用手持GPS定位儀，此儀器集GPS、數(shù)碼相機(jī)、3G 通信、麥克風(fēng)、藍(lán)牙通訊、Windows 操作系統(tǒng)、大容量存儲、USB/RS232 端口、SD卡擴(kuò)展等多種功能于一身，是目前業(yè)內(nèi)功能最強(qiáng)的專業(yè)級GIS數(shù)據(jù)采集器之一，其精度在0.5 m以內(nèi)。與傳統(tǒng)GPS相比，手持機(jī)體積更小，耗能更低，攜帶更方便。由于此儀器內(nèi)存大，可以將上述礦石質(zhì)量數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入機(jī)器，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫后不但能夠顯示自己所在位置坐標(biāo)，還能夠顯示所處位置的礦巖屬性和品位信息，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場礦石的數(shù)據(jù)化、精準(zhǔn)化管理，使馬蘭莊鐵礦的精礦方針得到了落實(shí)，強(qiáng)化了采場礦石質(zhì)量的現(xiàn)場管理。

4 卡車調(diào)度系統(tǒng)

為了降低在生產(chǎn)過程中由于礦石的錯(cuò)拉錯(cuò)翻而導(dǎo)致資源損失率升高的現(xiàn)象，馬蘭莊鐵礦投資建成了露天采礦GPS卡車智能調(diào)度系統(tǒng)，將生產(chǎn)調(diào)度與管理合為一體，采用先進(jìn)的全球GPS定位技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)以最優(yōu)化算法自動對采礦過程中的裝車、運(yùn)輸和卸載數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，以無線網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并利用車載電腦對數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，對各種生產(chǎn)資源智能配置，從而實(shí)現(xiàn)降低消耗、提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

圖4 采場配礦計(jì)劃

水平/m礦量/t采出品位/%精礦品位/%尾礦品位/%-116～-12810.027.7464.035.90-128～-14010.029.4764.327.72合計(jì)20.0 28.6164.186.81

GPS卡車智能調(diào)度系統(tǒng)主要由三大部分組成：中心程序、電子地圖和調(diào)度管理程序。其中，中心程序的主要功能是承擔(dān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的解碼及組合，分析各個(gè)礦車及電鏟傳來的數(shù)據(jù)，同時(shí)將指令傳送給各個(gè)接收終端。調(diào)度管理程序的主要作用是系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)，向各個(gè)終端下發(fā)調(diào)度指令。電子地圖是采礦調(diào)度系統(tǒng)中用于顯示生產(chǎn)組織過程相關(guān)內(nèi)容的地理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是根據(jù)現(xiàn)場采集的礦車、電鏟衛(wèi)星定位信息,人工采集輸入的破碎站、其他卸車地點(diǎn)、加油站、停車場、交叉路口的位置信息,采場礦車運(yùn)行路線等信息,在電子地圖上隨機(jī)實(shí)時(shí)顯示。電子地圖軟件在地圖上面標(biāo)出了位置固定的破碎站、排土場、停車場，位置相對穩(wěn)定的電鏟，運(yùn)動的礦車以及采場道路等目標(biāo)，為調(diào)度及有關(guān)人員提供采場全局或局部的實(shí)時(shí)變化情況。見圖5。

5 應(yīng)用效果

傳統(tǒng)露天采礦模式中生產(chǎn)配礦完全是由地質(zhì)人員現(xiàn)場收集礦石數(shù)據(jù)，手工繪制質(zhì)量平面圖，再根據(jù)圖紙中的礦石質(zhì)量信息，手工計(jì)算進(jìn)行配礦，由于配礦考慮指標(biāo)多，消耗時(shí)間長，計(jì)算量大，地質(zhì)人員內(nèi)業(yè)工作量非常大。應(yīng)用3DMine軟件后，加快了地質(zhì)信息的傳遞，提高了工作效率，將地質(zhì)人員從繁重的內(nèi)業(yè)工作中解脫出來，使其有更多的時(shí)間深入現(xiàn)場指導(dǎo)生產(chǎn)，使配礦更加科學(xué)合理，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

圖5 GPS卡車智能調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行

在過去，生產(chǎn)信息傳遞基本靠人工口頭傳達(dá)，不僅傳遞速度慢，而且容易誤傳，影響生產(chǎn)效率。自從馬蘭莊鐵礦使用了GPS卡車智能調(diào)度系統(tǒng)后，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題分秒之間就可通過計(jì)算機(jī)傳遞到生產(chǎn)調(diào)度人員面前，使其在最短時(shí)間內(nèi)協(xié)調(diào)處理。最大限度地挖掘了電鏟和礦車的產(chǎn)能，杜絕了礦車待裝和電鏟待車現(xiàn)象，明顯提高效率。僅以在-20m水平巖石位置作業(yè)的電鏟和礦車測算，102#電鏟沒有安裝卡調(diào)系統(tǒng)時(shí)鏟效為291t/h，使用卡調(diào)系統(tǒng)后鏟效提高到316t/h。同樣翻卸到白馬山巖石土線，42t礦車的單車臺效由原來的68t/h提高到72t/h；77t礦車的單車臺效從126t/h提高到136t/h，提效成果顯著。

6 結(jié) 語

深凹露天開采普遍面臨著開采難度大、生產(chǎn)成本高、接續(xù)資源少、生產(chǎn)信息傳遞速度慢、生產(chǎn)效率低等問題。新技術(shù)的應(yīng)用能夠解決礦山面臨的上述問題，提高礦山的開采效率，強(qiáng)化礦石質(zhì)量的管控，實(shí)現(xiàn)資源量的動態(tài)管理和計(jì)算，提高資源的利用率，降低開采成本和員工的工作強(qiáng)度。新技術(shù)對于深凹露天礦開采效率和質(zhì)量管理具有舉足輕重的作用。因此，礦山企業(yè)要重視新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的交流，為礦山的安全、高效、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展提供保障和動力。