翟建波,孫學(xué)森,王 凱,景 覓(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 前言

礦山項(xiàng)目評(píng)價(jià)結(jié)果是資源開發(fā)、礦權(quán)轉(zhuǎn)讓等投資行為決策的重要依據(jù),通過從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行大量的分析研究工作來評(píng)價(jià)項(xiàng)目[1]。目前,開展礦山項(xiàng)目評(píng)價(jià)采用的設(shè)計(jì)方式仍停留在二維、經(jīng)驗(yàn)、類比,通過人工計(jì)算工程量和材料量等階段,設(shè)計(jì)效率低,不精確和不直觀,并開始探索三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用[2],并利用三維礦山軟件開展數(shù)字化工作,進(jìn)行計(jì)劃編制[3-4],三維采場爆破設(shè)計(jì)[5]。伴隨著礦業(yè)走出去以及資源全球化戰(zhàn)略布局的發(fā)展,國內(nèi)咨詢?cè)O(shè)計(jì)單位承接的國際礦業(yè)項(xiàng)目快速增長,國內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維、設(shè)計(jì)方法和工具等受到了巨大的沖擊。項(xiàng)目評(píng)價(jià)工作提出了新要求。

中國工程院院士于潤滄提出了礦山信息模型(MIM)的概念,通過MIM技術(shù)體系建設(shè),實(shí)現(xiàn)礦山真三維可視化設(shè)計(jì),協(xié)同工作,技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和全生命周期模擬[6],基于上述礦業(yè)發(fā)展背景和MIM技術(shù),介紹了MIM在國外某地下銅礦項(xiàng)目評(píng)價(jià)上的應(yīng)用案例,探索國內(nèi)咨詢?cè)O(shè)計(jì)發(fā)展的新趨勢。

國外某地下銅礦位于非洲中部,1977年礦山投產(chǎn),礦山兩度被淹,于2018年重新投產(chǎn),礦山主要回采285 m以上礦體。礦山采用主斜坡道+副井+斜井+回風(fēng)井的開拓方式,設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模60萬t/年。

礦體走向長度2 000 m,傾角25°～30°,真厚度1～12 m;采礦方法為點(diǎn)柱式上向水平分層充填法、兩步驟上向水平分層充填法和房柱采礦法。礦床涌水量大,約8萬m3/d。

2 項(xiàng)目評(píng)價(jià)流程

考慮礦山項(xiàng)目評(píng)價(jià)會(huì)涉及諸多專業(yè)的三維設(shè)計(jì),例如地表選礦廠、建筑、總圖、管廊等。本文主要聚焦在礦山地下,并詳細(xì)介紹MIM在項(xiàng)目評(píng)價(jià)流程的應(yīng)用,主要流程為資源模型創(chuàng)建、巖石力學(xué)研究、采場三維設(shè)計(jì)、工程三維設(shè)計(jì)、通風(fēng)三維模擬、采掘進(jìn)度計(jì)劃、投資估算,財(cái)務(wù)分析。

2.1 資源模型創(chuàng)建

礦山通過地表勘探,共完成870個(gè)鉆孔(其中720個(gè)見礦),形成了鉆孔數(shù)據(jù)庫,利用國際知名礦業(yè)軟件Datamine RM完成建模、品位估值和資源分級(jí)等工作,得到礦化體的線框模型、塊模型和地層模型。

按照邊界銅品位2.0%進(jìn)行資源量估算,考慮礦山是恢復(fù)生產(chǎn)礦山,建模時(shí)需扣除歷史采空區(qū),扣除后的資源量見表1。

表1 國外某地下銅礦估算資源量表

2.2 巖石力學(xué)

根據(jù)巴頓巖體質(zhì)量Q分類指標(biāo)、巖體地質(zhì)力學(xué)分類(RMR)等分類條件,對(duì)巖芯進(jìn)行巖體質(zhì)量分類,并對(duì)巖樣開展相關(guān)的巖石力學(xué)試驗(yàn),獲得GSI、RMR、Q、UCS、彈性系數(shù)、摩爾庫侖和霍克布朗力學(xué)參數(shù)等。

基于上述已獲得巖石力學(xué)數(shù)據(jù)和推薦的采礦方法,結(jié)合地下水、地應(yīng)力分布規(guī)律等其他因素,根據(jù)Mathews穩(wěn)定圖表法和Obert&Duball的礦柱設(shè)計(jì)理論分別進(jìn)行采場跨度分析和礦柱設(shè)計(jì)分析,并進(jìn)一步利用FLAC3D等三維數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值分析,最終確定點(diǎn)柱式上向水平分層充填法、兩步驟上向水平分層充填法和房柱采礦法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采順序優(yōu)化以及開采對(duì)地表的擾動(dòng)范圍等穩(wěn)定性評(píng)價(jià)內(nèi)容。

2.3 采場設(shè)計(jì)

基于倫敦金屬交易所近十年的銅價(jià)及其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素確定本次設(shè)計(jì)的銅價(jià)為6 600$/t,成本估算的參數(shù)見表2。

表2 成本估算的主要參數(shù)表

基于上述參數(shù)對(duì)采礦的最低邊界品位進(jìn)行計(jì)算分析,確定點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法、兩步驟上向水平分層充填采礦法和房柱采礦法的邊界銅品位分別為2.17%、2.48%和1.93%。

結(jié)合采礦方法、中段劃分及邊界品位等因素,利用Datamine MSO模塊對(duì)采場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),具體如圖1所示,圖中淺色區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)柱式上向水平分層充填法,深色區(qū)域?yàn)閮刹襟E上向水平分層充填法,粉色區(qū)域?yàn)榉恐ā?/p>

圖1 采場設(shè)計(jì)

2.4 工程設(shè)計(jì)

基于已有工程、開拓系統(tǒng)、區(qū)域劃分,中段劃分、采礦方法、井巷工程等設(shè)計(jì)原則,利用 Datamine Studio 3進(jìn)行開拓工程、采準(zhǔn)工程、硐室工程等三維設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)礦山井下工程系統(tǒng)如圖2所示,圖中左邊區(qū)域?yàn)樾陆ň鹿こ?右邊區(qū)域?yàn)橐延泄こ獭?/p>

圖2 礦山井下工程系統(tǒng)

2.5 通風(fēng)模擬

基于井巷工程的設(shè)計(jì)參數(shù)、阻力系數(shù)等因素,將三維設(shè)計(jì)工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入通風(fēng)模擬仿真軟件Ventsim中,可以得到全礦的通風(fēng)數(shù)據(jù),通風(fēng)建構(gòu)筑物的布置及風(fēng)機(jī)的選型等,使得數(shù)據(jù)的真實(shí)性、精確性、模擬性、可視化等大大提高。通風(fēng)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 通風(fēng)系統(tǒng)圖

2.6 采掘進(jìn)度計(jì)劃

基于已完成的礦山井下工程和采場設(shè)計(jì),獲得了三維的工程線數(shù)據(jù)和采場實(shí)體數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備和通過大件的尺寸、設(shè)備之間、設(shè)備與支護(hù)(或管纜)之間的安全間隙,人行道、架線、管纜敷設(shè)、通風(fēng)、穩(wěn)定性等要求確定井巷工程的斷面和坡度等參數(shù),井巷工程設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 井巷工程主要參數(shù)表

其中下盤分段巷道根據(jù)采礦方法不同,距離礦體下盤邊界的距離不同,對(duì)于點(diǎn)柱式上向水平分層充填法和兩步驟上向水平分層充填法,取90～100 m,對(duì)于房柱采礦法,取50～60 m。

在進(jìn)行采掘進(jìn)度計(jì)劃編制前,還需確定工程的成巷速度指標(biāo)和采場生產(chǎn)指標(biāo)以及采礦影響因子等。井巷的成巷速度指標(biāo)見表4,采場生產(chǎn)指標(biāo)見表5,采礦影響因子見表6。

表4 井巷成巷速度指標(biāo)表

表5 采場生產(chǎn)指標(biāo)表

表6 采礦影響因子表

設(shè)計(jì)完成上述參數(shù)后,利用 Datamine Studio 5D-Planner建立井巷工程和采場實(shí)體模型,具體如圖4所示,并設(shè)置依賴關(guān)系、成巷速度、回采速度,將塊體模型數(shù)據(jù)接入,然后導(dǎo)入EPS/EPS Intouch軟件完成采掘進(jìn)度計(jì)劃,通過數(shù)據(jù)分析可得到礦山全生命周期的生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃和掘進(jìn)計(jì)劃,采掘進(jìn)度計(jì)劃模型如圖5、圖6所示。

圖4 井巷工程和采場模型

圖5 采掘進(jìn)度計(jì)劃數(shù)據(jù)與可視化聯(lián)動(dòng)模型

圖6 采掘進(jìn)度計(jì)劃數(shù)據(jù)模型

利用礦業(yè)三維軟件完成的采掘進(jìn)度計(jì)劃包含所有的進(jìn)度計(jì)劃數(shù)據(jù)信息,可以通過數(shù)據(jù)后處理得到不同的輸出成果,按采區(qū)統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃如圖7所示,按采區(qū)統(tǒng)計(jì)的掘進(jìn)進(jìn)度計(jì)劃如圖8所示,礦山各中段的生產(chǎn)開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間如圖9所示,礦山關(guān)鍵硐室工程完成時(shí)間點(diǎn)如圖10所示,按中段統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃如圖11所示。

圖7 生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃圖(按采區(qū)統(tǒng)計(jì))

圖8 掘進(jìn)進(jìn)度計(jì)劃圖(按采區(qū)統(tǒng)計(jì))

圖9 各中段生產(chǎn)時(shí)間線(按采區(qū)統(tǒng)計(jì))

圖10 井下主要硐室完成里程碑

圖11 生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃圖(按中段統(tǒng)計(jì))

2.7 投資估算和財(cái)務(wù)分析

通過對(duì)井巷工程進(jìn)行綜合單價(jià)估算,導(dǎo)入EPS進(jìn)度計(jì)劃軟件,可以進(jìn)行投資估算(包含基建投資和運(yùn)營投資),可以得到全生命周期內(nèi)每年的投資,且在計(jì)劃進(jìn)行變化時(shí),自動(dòng)更新投資,節(jié)省投資估算工作時(shí)間,提高工作效率,為后續(xù)財(cái)務(wù)分析提供了精確的投資估算和發(fā)生時(shí)間點(diǎn)。井巷工程單價(jià)見表7,按各類工程統(tǒng)計(jì)每年的投資估算如圖12所示。

圖12 每年投資估算圖(按工程統(tǒng)計(jì))

表7 井巷工程單價(jià)表

基于投資估算結(jié)果,考慮營收、成本、稅金等因素,建立財(cái)務(wù)模型,進(jìn)行敏感性分析,得出項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),例如財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值,項(xiàng)目回收期,財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率。項(xiàng)目現(xiàn)金流如圖13所示。

圖13 項(xiàng)目每年現(xiàn)金流圖

3 MIM應(yīng)用前景

20世紀(jì)80年代,我國咨詢?cè)O(shè)計(jì)企業(yè)逐漸丟掉圖板,進(jìn)入二維CAD繪圖階段,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念雖已趨于成熟,但多是根據(jù)專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)或類比結(jié)果,用AUTOCAD之類的二維繪圖軟件進(jìn)行繪圖,再通過人工統(tǒng)計(jì)計(jì)算工程量與材料量,再通過OFFICE軟件編輯設(shè)計(jì)文檔等,這使得咨詢?cè)O(shè)計(jì)工作效率低,協(xié)同差,結(jié)果無法自動(dòng)可視化,更不易模擬和仿真,很難檢驗(yàn)其正確性和科學(xué)性,無法滿足數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能礦山建設(shè)的需求。

國內(nèi)從20世紀(jì)末開始逐步引進(jìn)三維軟件,開啟三維設(shè)計(jì)探索,經(jīng)過數(shù)十年的探索,發(fā)展仍然較慢。但近些年隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,且考慮國內(nèi)人口老齡化和勞動(dòng)力成本的上升,智能礦山成為礦業(yè)發(fā)展的趨勢,而MIM是未來智能礦山的信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此,MIM的發(fā)展將從源頭上解決智能礦山實(shí)施困難的問題,對(duì)于促進(jìn)智能礦山的建設(shè)有著重大意義。

國內(nèi)咨詢?cè)O(shè)計(jì)單位必須敢于創(chuàng)新,敢于自我革命,盡快適應(yīng)、融合、滿足礦業(yè)發(fā)展的新需要,將現(xiàn)有的二維CAD制圖改為三維礦業(yè)軟件設(shè)計(jì),加大工藝試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究,創(chuàng)新科學(xué)技術(shù)方法和手段為咨詢?cè)O(shè)計(jì)提供更多定量化的依據(jù),改革資本市場礦業(yè)公開報(bào)告等。MIM以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ),集成了礦山工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型,可實(shí)現(xiàn)礦山全生命周期動(dòng)態(tài)變化過程的數(shù)字化表達(dá),MIM技術(shù)將成為礦業(yè)信息化的未來,必將發(fā)揮越來越重要的作用。

4 結(jié)論

在未來礦業(yè)發(fā)展過程中,MIM是咨詢?cè)O(shè)計(jì)生產(chǎn)行業(yè)設(shè)計(jì)工具和方法的一次革命,是咨詢?cè)O(shè)計(jì)理念與流程的全面革新,盡管目前還未真正研發(fā)出一款成熟的平臺(tái),但本文基于目前國內(nèi)外知名的礦業(yè)三維軟件體系和中國恩菲自主開發(fā)的軟件,探索了MIM在地下采礦資源模型的創(chuàng)建,巖石力學(xué)研究,采場設(shè)計(jì),工程設(shè)計(jì),通風(fēng)模擬,采掘進(jìn)度計(jì)劃(儲(chǔ)量公開報(bào)告),投資估算,財(cái)務(wù)分析等項(xiàng)目評(píng)價(jià)全流程的應(yīng)用,與目前的項(xiàng)目評(píng)價(jià)流程相比,優(yōu)勢明顯,將是礦業(yè)咨詢?cè)O(shè)計(jì)生產(chǎn)行業(yè)未來發(fā)展的趨勢,也是未來智能礦山的基礎(chǔ)。