基于3Dmine探討露天境界優(yōu)化設(shè)計

王瑜，倪凱軍（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計研究院，遼寧鞍山114004）

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基于3Dmine探討露天境界優(yōu)化設(shè)計

王瑜，倪凱軍
（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計研究院，遼寧鞍山114004）

摘要：以包鋼集團(tuán)下屬白云鄂博鐵礦主礦為例，利用3Dmine三維礦業(yè)軟件，建立地表模型、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、礦體模型、塊體模型，在兩種條件下，進(jìn)行露天境界優(yōu)化，選取境界優(yōu)化結(jié)果，布置開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，在綜合考慮市場礦石銷售價格波動和開采成本變化下，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)數(shù)據(jù)庫；礦體模型；塊體模型；境界優(yōu)化

王瑜,碩士，工程師,2007年畢業(yè)于青島理工大學(xué)巖土工程專業(yè)。Email：wangyaowu778899@163.com

在露天礦山設(shè)計中，境界優(yōu)化設(shè)計占有十分重要的地位，露天開采境界對露天礦未來的生產(chǎn)、經(jīng)營產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在境界優(yōu)化的過程中，應(yīng)全方面考慮地質(zhì)條件、開采成本、原礦銷售價格，且時時根據(jù)生產(chǎn)、市場的變化進(jìn)行調(diào)整。

礦業(yè)軟件均含有露天境界優(yōu)化功能模塊，優(yōu)化理論主要為L-G圖法及浮動圓錐法［1］。國土資源部于1998年開始推動礦業(yè)軟件的研發(fā)，至2004年已有7款軟件完成了相應(yīng)評審認(rèn)證，且皆為國外軟件。之后，軟件評審認(rèn)證工作一直處于停滯狀態(tài)，直到2015年，兩款國產(chǎn)礦業(yè)軟件，長沙迪邁礦業(yè)軟件和北京3Dmine礦業(yè)軟件通過評審認(rèn)證，至此國產(chǎn)礦業(yè)軟件可以在市場上順利推廣。

L-G圖法是Helmut Lerchs和Ingo F.Grossman最初在論文《露天開采優(yōu)化設(shè)計》中提出的，具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)邏輯最終境界優(yōu)化方法，只要給定價值模型，在任何情況下都可以求出總價值最大的最終開采境界［2］。

浮動圓錐法是美國M.T.潘納等人提出的，這是一種用系統(tǒng)模擬技術(shù)來解決露天礦開采方法。露天礦實(shí)際上是由不同錐度的許多相互交錯和重疊的可采圓錐來模擬,圓錐體越密，越逼近真實(shí)的露天礦。

本次研究以白云鄂博鐵礦主礦為例，使用3Dmine軟件，建立地表模型、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、礦體模型、塊體模型，在此基礎(chǔ)上，在兩種條件下進(jìn)行境界優(yōu)化，并對比兩種境界優(yōu)化結(jié)果，建立開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，得出結(jié)論。

1　礦區(qū)概況

白云鄂博鐵礦主礦礦體是一個完整的東西向向斜構(gòu)造，兩翼為白云巖，軸部為富鉀板巖。主礦體受鈉、氟交代蝕變作用強(qiáng)烈，鈮、稀土礦化亦強(qiáng)；礦體分帶現(xiàn)象明顯，而鐵礦體上下盤圍巖則是白云石型鈮、稀土礦石，其氟、鈉交代作用很弱，其礦石類型的分布受原巖巖性控制的特征也表現(xiàn)最為明顯。南翼高磁區(qū)由于受花崗巖侵入而被破壞。

本礦區(qū)的礦段，由東14剖面至西2剖面，如圖1所示。白云鄂博鐵礦主礦采用露天開采，現(xiàn)最低開采水平是1 472 m。

圖1　1:1 000地表地形圖

2　三維建模

2.1地表模型

構(gòu)建地表模型是進(jìn)行露天境界優(yōu)化的先決條件，地表模型面積必須足夠大，以滿足露天坑的要求，本次構(gòu)建的地表模型采用的是1:1 000的地表地形圖,地表模型如圖2所示。

2.2構(gòu)造模型及礦體模型

本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，這里將構(gòu)造模型省略。

構(gòu)建礦體模型是進(jìn)行露天境界優(yōu)化的基礎(chǔ)。依據(jù)《地質(zhì)勘查報告》中的地質(zhì)剖面圖，在3DMine環(huán)境下，構(gòu)建三維礦體模型，礦體模型見圖3。

圖3　礦體模型

2.3地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

根據(jù)《2013年白云鄂博鐵礦主礦生產(chǎn)勘探地質(zhì)報告》構(gòu)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中包含：定位表、測斜表、化驗表。化驗表中有TFe品位、FeO含量、FeCO3含量、FeSiO3含量、磁性率、磁鐵礦對全鐵的占有率、全鐵與亞鐵比值劃分，然后，對TFe品位進(jìn)行樣品組合，為塊體模型的建立做準(zhǔn)備，地質(zhì)數(shù)據(jù)庫如圖4所示。

圖4　地質(zhì)數(shù)據(jù)庫

2.4塊體模型

塊體模型中包含塊體體重、TFe品位、FeO含量、FeCO3含量、FeSiO3含量、磁性率信息。這里采用“距離冪次反比法”對塊體進(jìn)行賦值。根據(jù)之前初步設(shè)計，塊體尺寸選擇14 m×14 m×14 m，得到最終的塊體模型，塊體模型如圖5所示［3］。

圖5　塊體模型

對礦體品位進(jìn)行統(tǒng)計及繪制品位累積頻率，以便進(jìn)行地質(zhì)報告評述。品位統(tǒng)計如圖6所示，品位累積頻率如圖7所示。

圖6　品位統(tǒng)計

圖7　品位累積頻率

3Dmine計算的礦體平均品位為30.88%，“地質(zhì)勘查報告”［4］中的工業(yè)品位為32.5%，兩者誤差4.985%，這一差距滿足《冶金礦山采礦設(shè)計規(guī)范》的要求。礦體模型、塊體模型、構(gòu)造模型的建立是后續(xù)工作的前提，其完善程度主要取決于地質(zhì)工程師的業(yè)務(wù)能力和原始地質(zhì)資料的完備性和準(zhǔn)確性。

3　露天境界優(yōu)化

3Dmine礦業(yè)軟件露天境界優(yōu)化功能模塊采用L-G圖論法，該方法具有數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，復(fù)雜度低，效率高等優(yōu)點(diǎn)［5-6］。

3.1境界優(yōu)化參數(shù)的選取

根據(jù)當(dāng)前鐵礦石國內(nèi)銷售價格及開采成本，確定境界優(yōu)化采用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(源自實(shí)地調(diào)查)見表1。根據(jù)白云鄂博鐵礦實(shí)際生產(chǎn)能力，確定露天境界的技術(shù)指標(biāo)(源自初步設(shè)計)見表2。其中鐵礦石銷售價格（RMB/元）按內(nèi)蒙古地區(qū)硫含量低、硅含量低、平均品位約30%的原礦計價。

表1　經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2　技術(shù)指標(biāo)

3.2按礦石類型優(yōu)化境界

依據(jù)設(shè)定好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采用3Dmine軟件進(jìn)行境界優(yōu)化，按礦石類型進(jìn)行境界優(yōu)化，礦體品位統(tǒng)一假想為30.88%。按礦石價格調(diào)整-50%、-30%、-10%、10%、30%的情況下輸出露天嵌套坑，不同礦石價格境界優(yōu)化結(jié)果見表3和圖8。按回采臺階數(shù)分別遞增2的情況下輸出露天嵌套坑，不同回采臺階下境界優(yōu)化結(jié)果見表4和圖9所示。

表3　不同價格下境界優(yōu)化結(jié)果

圖8　按價格調(diào)整境界優(yōu)化

表4　不同臺階境界優(yōu)化結(jié)果

圖9　按回采臺階激增數(shù)境界優(yōu)化

從表4可以看出，剝采比隨臺階水平降低逐漸增加。根據(jù)按礦石類型優(yōu)化境界的結(jié)果繪制剝采比與礦石銷售價格關(guān)系曲線見圖10。

圖10　剝采比與礦石銷售價格關(guān)系曲線

從圖10可以看出，剝采比隨價格增加逐漸增大，在基準(zhǔn)價格100元附近增速放緩，對應(yīng)基準(zhǔn)價格100元的露天坑底是1 240m。

在實(shí)際生產(chǎn)中，礦山企業(yè)根據(jù)原礦市場價格，調(diào)整露天開采境界、剝采比，以使礦山的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大。不同情況下的境界優(yōu)化可以為礦山生產(chǎn)提供多種方案和決策依據(jù)。

根據(jù)《冶金礦山采礦設(shè)計規(guī)范》的要求，大型礦山的服務(wù)年限超過20年，在進(jìn)行境界優(yōu)化時，采用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均為靜止指標(biāo)，而生產(chǎn)成本隨設(shè)備效率、管理手段、人員素質(zhì)時時變化，原礦銷售價格隨市場行情也時時變化，因此，最優(yōu)境界是不可能獲得的，通過各種方法得出的露天境界基本上都是相對的，是當(dāng)前技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下的最優(yōu)境界。礦山在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)依據(jù)新的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對露天最終境界進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整［6］。

3.3按品位變化優(yōu)化境界

白云鄂博礦床是鐵、鈮、稀土綜合性礦床，礦床礦石物質(zhì)成分極為復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)有的各種分析測試結(jié)果，共發(fā)現(xiàn)71種元素，該地區(qū)的鐵礦石品位變化幅度大，礦床夾石多，伴生礦、巖種多。按礦石類型優(yōu)化境界僅僅適合地質(zhì)條件好、礦石品位波動不大的鐵礦床開采。為了適合白云鄂博地區(qū)的實(shí)際情況，現(xiàn)按品位變化優(yōu)化境界，之后對比這兩種優(yōu)化境界結(jié)果的異同。按品位變化優(yōu)化境界，可做為礦石考慮的品位變化區(qū)間是26.00%～ 55.53%，每個品位的價格是3.188元，按礦石價格調(diào)整：-50%、-30%、-10%、10%、30%、50%的情況下輸出露天嵌套坑，不同礦石價格境界優(yōu)化結(jié)果見表5、圖11。

表5　不同價格下境界優(yōu)化結(jié)果

圖11　按價格調(diào)整境界優(yōu)化

按回采臺階數(shù)分別遞增2的情況下輸出露天嵌套坑，不同回采臺階下境界優(yōu)化結(jié)果見表6和圖12所示。

表6　不同臺階下境界優(yōu)化結(jié)果

圖12　按回采臺階激增數(shù)境界優(yōu)化

從表6可以看出，剝采比隨臺階水平的降低，逐漸增加。根據(jù)按礦石類型優(yōu)化境界的結(jié)果繪制剝采比與價格變化關(guān)系曲線見圖13。

圖13　剝采比與礦石銷售價格關(guān)系曲線

由圖13可以看出，剝采比隨價格的增加，逐漸增大，在基準(zhǔn)價格100元附近增速放緩，對應(yīng)基準(zhǔn)價格100元的露天坑底是1 240m。

4　開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置

根據(jù)白云鄂博鐵礦要求，開拓運(yùn)輸系統(tǒng)采用汽車+固定式破碎機(jī)+膠帶方式，一期破碎站處于1 540m水平，二期破碎站處于1 458 m水平。開拓運(yùn)輸?shù)缆穮?shù)見表7。

表7　開拓運(yùn)輸?shù)缆穮?shù)

參考境界優(yōu)化結(jié)果，并考慮開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，進(jìn)入人機(jī)對話，最終圈定露天開采境界。最終境界如圖14所示。

圖14　最終露天開采境界

在露天礦山設(shè)計中，境界圈定是極其重要且又十分復(fù)雜的，直接影響礦山企業(yè)的經(jīng)營效益。隨著原礦銷售價格的不斷變化和采選技術(shù)的發(fā)展，要求露天礦的境界實(shí)時動態(tài)，但是手工圈定露天境界的工作量是十分巨大且復(fù)雜的，3Dmine很好地解決了這個問題［7］。

5　結(jié)論

（1）兩種境界優(yōu)化的總價值不具備可比性，兩種境界優(yōu)化的礦石量具備可比性。按礦石類型優(yōu)化境界，境界內(nèi)礦石大約為8 315.04萬t；按礦石品位變化優(yōu)化境界，境界內(nèi)礦石大約為7 483.536萬t，兩者相差831.504萬t。按品位變化優(yōu)化境界時，境界內(nèi)礦石量比按礦石類型優(yōu)化境界時的境界內(nèi)礦石量明顯減少。

（2）在實(shí)際設(shè)計中，鐵礦山往往按礦石類型來圈定境界（計算機(jī)輔助設(shè)計階段），這與實(shí)際情況是不相符的，境界內(nèi)的礦石量往往偏大，導(dǎo)致生

產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計能力。

（3）按品位變化優(yōu)化境界，比較符合實(shí)際情況，這也與白云鄂博鐵礦床賦存條件相一致。

總之，按品位變化優(yōu)化境界可改變粗放型的發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)，符合國家“十三五規(guī)劃”提倡“節(jié)約”的精神。

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（編輯賀英群）

修回日期：2015-12-01

Study on Optim ized Design for Open-pit Boundary Based on 3Dm ine

Wang Yu,Ni Kaijun
（Mining Design Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114004,Liaoning,China）

Abstract：Taking the main stope of iron ore mined in Bayan Obo of Baosteel Group as the sample,the terrain models,geological database,ore body models and ore block models were established by 3D mining software.Based on the two types of conditions,the optimization of the open-pit boundary was done so that the optimized data for the boundary were selected and furthermore the opening and transportation system was arranged and assigned.So themaximization of economic benefitswas achieved in view of the fluctuations in prices at ore salesmarket and the variation in cost in oremining.

Key words：geological database；ore bodymodel；ore block model；boundary optimization

中圖分類號：TD854

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）02-0020-05