露天礦山境界優化方法及研究應用

蘇 小 明， 楊 平， 李 洪 豪， 陳 國 貴

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

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露天礦山境界優化方法及研究應用

蘇 小 明， 楊 平， 李 洪 豪， 陳 國 貴

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

露天采礦在現代礦山開采過程中所占的比重越來越大，而露天礦山開采境界的確定是露天礦設計的基礎，其境界是否100合理，直接與礦山的經濟效益相關，對礦山生產活動具有重大意義。介紹了在3DMINE軟件平臺下對某露天礦山的境界進行的優化研究以及所取得的最終成果。

露天礦山；境界優化；LG圖論法；研究應用

1 概 述

露天開采境界決定著露天礦的采剝總量、剝采比、生產能力以及開采年限， 直接影響礦床開拓方法的選擇、地面總平面布置以及運輸干線的設置，從而影響到整個礦床開采的經濟價值 。因此，其最終開采境界的選取就顯得尤為重要。從充分利用礦物的角度看，最終開采境界應該包含盡可能多的地質儲量。然而，由于幾何約束的存在，開采礦石必須先剝離該部分礦石上面部分范圍內的巖石才能實現，而剝離巖石只能帶來資金的消耗，不會帶來經濟效益，因此，從經濟角度出發，就存在一個使礦山的總經濟效益最佳的最終開采境界。

礦山最終開采境界的設計在方法與手段上經歷了3個階段：(1)手工設計階段；(2)計算機輔助設計階段；(3)優化設計階段。無論哪種方法，其實質就是在滿足經濟和邊坡角幾何約束的條件下實現利潤最優化。由于在手工圈定境界時，礦石的品位取礦石的平均值，而沒有考慮到品位的變化和不同部位品位的高低所可能負擔的剝采比，所以，傳統的手工設計很難得到經濟合理的境界。筆者介紹了利用3DMINE礦業軟件對某大型露天銅礦進行數字地表建模、礦床實體建模以及境界優化等關鍵技術的研究并用于確定最終的開采境界的過程。該軟件的境界優化是基于Lerchs-Grossman創建的LG圖論法之上進行境界優化設計，同時也應用到浮動圓錐法。以此能正確、合理地確定最優開采境界且方便有效的為露天礦山開采提供長遠的設計規劃，在特定的價格下，實現礦山開采的經濟最優化。

2 露天礦山開采境界優化的原理與步驟

露天礦山開采境界優化的主要步驟為：

(1) 依據鉆孔勘探數據，建立地質數據庫及塊體模型，采用合理的估值方法，計算出地質模型每一單元塊的品位并圈定礦體；

(2) 根據所選取的開采設備及對巖石穩定性進行分析，確定最終邊坡角、最終臺階坡面角、安全平臺、清掃平臺、運輸平臺及出入溝的寬度、臺階高度等參數；

(3) 建立價值模型，對單元塊開采的經濟價值進行計算；在價值模型中，每個塊都要被賦予一個屬性，該屬性表示假設將其采出并處理后能夠帶來的經濟價值。塊的凈價值是根據塊中所含可利用礦物的品位、開采與處理中各道工序的成本及產品價格計算得出的。因此，代表礦石的塊體是正值，代表廢石的塊體是負值，而且不同塊之間具有先后開采順序；

(4)確定了礦床價值模型后，采取合理的算法，在滿足幾何約束條件下找出使總開采價值達到最大的模塊集合。3DMINE軟件采用了基于圖論的方法，實現了三維實際數據的解算?，F在所用的大多數境界優化軟件包都是采用該方法或該方法的改進。筆者就圖論法的原理進行簡單說明如下。

圖1為某礦體的一個豎直剖面。為簡單起見，一塊礦石或廢石的開采費用均定為$3，每塊礦石的銷售價格均定為$20，由此得到的該礦床價值模型見圖2。

一旦所有塊體被賦予了凈價值屬性，即可計算出每個塊體和為了開采它所要開采的所有塊體。

圖1 礦體豎直剖面圖

圖2 價值模型圖

根據在模型中的塊體位置即可計算出塊體的總價值。某個塊的總價值可以通過凈價值減去開采它以前必須先開采的塊的費用計算得出(圖3)。

圖3 塊體總價值計算圖

每個塊的總價值計算完成后，需要根據最終邊坡角找出開采這個礦體所能獲得最大利潤的塊的集合體。假設礦山邊坡角為45°，可以通過沿露天坑輪廓底部的塊體總價值之和計算獲得。如圖4所示，露天開采最大利潤X= -$3+$14+$11+(-$6)+(-$3)= $13。

(5)由于所求的最佳境界是由被開采的塊的集合組成，因此，需要對最終境界的優化境界進行光滑處理并加入運輸道路，使之成為實際可行的最終境界方案。在進行光滑處理時，應使處理后的境界與處理前的優化境界之間的偏差盡可能小，以保持最終結果的優越性。

圖4 礦體最大利潤計算圖

3 露天礦境界優化實例

筆者以某大型露天銅礦第Ⅰ采區為研究對象，根據前期地質勘探報告、工業指標、當前經濟技術條件等指標，以3DMINE工業軟件為平臺進行礦山設計優化。

3.1 礦區概況

該礦區周圍地勢較低，高程為75～325 m，植被發育，為斑巖銅礦經風化淋濾作用和次生富集作用形成的高硫化型礦床。礦體總體上呈近乎水平的層狀～似層狀，在平面上呈長橢圓狀、大三角狀；在剖面上具有分支復合及膨大縮小、尖滅再現現象。礦體走向NW220°，走向長約760 m,寬約590 m,傾角近水平，該礦體和地表之間存在一個表生淋濾作用而產生的淋濾帶，厚約10～200 m。淋濾帶之下普遍有一層次生富集帶，厚十幾米～幾百米，為礦段的富礦區段；再往下為混合帶和原生帶。三帶之間逐漸過渡，無明顯的分界線。

3.2 建立地質數據庫

地質數據庫是在完善和可靠的地質勘探信息上建立的，可以方便、有效地對地質數據進行調用和管理。在3DMINE軟件系統下，地質勘探信息以四個EXCEL表格全部攬括進去，分別為定位表、測斜表、化驗表、巖性表。各表之間通過“工程號”建立聯系，其在內容上是獨立的、但邏輯上是相互聯系的。將四個表格導入軟件后，將得到我們想要的地質數據庫。一旦地質數據庫建立起來，我們就可以利用3Dmine強大的圖形顯示系統在三維空間顯示地質數據，包括鉆孔的軌跡、品位值、巖性及代碼、巖層走向等。

3.3 圈定礦體

根據勘探線剖面圈定礦體，建立礦體實體模型。在3DMINE軟件中打開地質數據庫，根據勘探信息將其分成若干勘探線剖面，在每個剖面上通過捕捉連線功能圈定該剖面礦體輪廓解譯線，得到其三維空間信息，在相鄰的剖面解譯線之間創建三角網，再經過編輯優化之后就可得到整個礦體模型[3]。礦體模型的建立可以直觀的反映礦體的走向、大小、位置等空間形態，為礦山的設計與建設提供依據，亦為建立塊體模型打下基礎。

3.4 建立地質塊體模型

塊體模型是數據庫的另一種格式，是應用數學方法對品位分布進行建模，從而形成一定約束條件下的品位模型，即在三維空間中將礦體劃分為具有一定尺寸的單元塊，然后根據鉆孔空間信息為每個塊賦予與勘探信息相對應的屬性，例如礦石品位、巖性、比重等，其精度取決于塊體模型的結構和屬性。經過研究確定該礦山塊體模型單元塊尺寸取10 m×10 m×10 m。

3.5 建立地表模型

地表模型的建立是為了更直觀的確定礦區與礦體之間的位置關系。利用測量所提供的數據文件，經過整理——避免重復點、線、節點過多和線不閉合等情況生成DTM文件，形成地表模型。

3.6 建立價值模型并算出最終境界優化解

利用3Dmine軟件提供的境界優化功能，考慮現行經濟條件和礦山實際情況，輸入礦石開采成本、巖石開采成本、復墾成本、品位約束、貧化率，回收率、比重等參數(表1、2)，建立價值模型。通過所建立的塊體價值模型和地表模型，采用L-G法優化可算出一個合理的露天境界解，在設計過程中可以預設多個價格變化區間，即可得到相應的露天最優境界。

表1 礦山開采相關參數表

表2 礦山開采相關參數表

3.7 確定最終開采境界并形成露天坑

對露天境界的優化進行平滑處理，再加入最終邊坡角、最終臺階坡面角、安全平臺、清掃平臺、運輸平臺及出入溝的寬度、臺階高度等參數后便可確定最終開采境界，由此生成DTM模型，在與地表模型經過布爾運算后即能得到整個礦山設計圖(圖5)。

圖5 礦山設計效果圖

4 結 語

露天礦山開采境界的確定是露天礦設計的基礎，其境界是否合理，直接與礦山的經濟效益相關，對礦山的生產活動具有重大意義。與傳統手工設計基于平均品位的二維優化相比，基于L-G法的三維軟件優化無疑是一個重大突破，其不僅使設計人員從繁重的工作中解脫出來，而且能更高效、更精確的優化境界，從而達到開采利益的最大化。

[1] 李 德，曾慶田，吳東旭，等.基于三圍可視化技術的露天境界優化研究[J].金屬礦山，2008，38(4)：103-108.

[2] 余文章，戴曉江.基于3DMINE軟件系統的露天礦境界優化研究及應用[J].《礦治》，2011，20(4)：25-29.

[3] 王玉玨，李建雄，薛希龍.一種露天礦開采境界優化方法[D].長沙:中南大學,2011.

(責任編輯：李燕輝)

2016-08-15

TD21;TD8

B

1001-2184(2016)05-0001-03

蘇小明(1969-)，男，四川射洪人，高級工程師，學士，從事建設工程施工技術與項目施工管理工作；

楊 平(1973-)，男，重慶萬州人，高級工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

李洪豪(1987-),男，四川德陽人，助理工程師，從事礦山地質工作；

陳國貴(1986-)，男，貴州遵義人，工程師，從事水電與礦山施工技術與管理工作.