基于Whittle的露天礦開采境界優化應用研究

阮詩昆

(紫金礦業集團股份有限公司， 福建 上杭縣 364200)

基于Whittle的露天礦開采境界優化應用研究

阮詩昆

(紫金礦業集團股份有限公司， 福建 上杭縣 364200)

Whittle軟件是當前國際上礦山境界優化的最佳軟件之一，借助Whittle軟件對某礦山露天開采境界進行優化應用研究，通過建立地質模型，確定露天采場邊坡參數，結合采選成本、采礦貧化率和損失率、選礦回收率、金屬價格和采礦生產能力等技術經濟參數進行開采境界的計算分析，選取NPV值最大的優化境界作為最優開采境界，實現了增加礦石量和減少剝離量的目的，滿足了礦山生產需求。

Whittle；露天礦；境界優化

為滿足礦山生產需求，促進礦山經濟效益最大化，露天境界優化是露天礦設計與生產的重要基礎工作[1-10]。隨著礦業的持續快速發展，加快礦山數字化和信息化已成為未來礦山發展的重要支撐。Whittle軟件是目前國際上礦山境界優化的最佳軟件之一[1-3]，該軟件在礦體塊體模型的基礎上對露天開采進行境界優化，其不僅能在三維空間上進行境界優化，同時還考慮資金的時間價值，以最終所確定的NPV(凈現值)最大化為判定標準[1-3]，綜合考慮采選成本、貧化損失率、選礦回收率、金屬價格和采場邊坡參數等，采用L-G圖論法進行境界優化，能利用數學規劃模型實現礦山自動快速排產，一次性排出一系列露天境界方案，讓用戶選擇凈現值最大的露天礦境界[1-3]。基于該軟件的諸多優點，Whittle在國內國外應用廣泛，尤其是礦山設計院進行境界優化的首選。

1 工程概況

該露天礦位于福建省西南部，是20世紀80年代發現并探明的特大型有色金屬礦山，總體呈“上金下銅”的垂直礦化分帶，為特大型世界級金銅共生礦床，屬高硫淺成中低溫熱液-斑巖型礦床[11]。累計探明黃金金屬量約300多t，銅金屬量約200多萬t。金礦主要產于600～1100 m標高的氧化帶內，為次生富集氧化礦石；銅礦產于600～700 m標高以下的原生帶中，為硫化銅礦石。

該露天礦采用汽車、汽車+溜井+平硐電機車及汽車+溜井+平硐膠帶等多種開拓運輸方式。露天礦境界內現布置有溜礦井18條(其中：金礦9條，銅礦9條)。露天礦采出的金礦石分別運往3個選礦廠處理，采出的銅礦石運輸到浮選廠和濕法處理廠；廢石采用汽車運往露天坑北側的排土場。

地下礦采用溜井+坑內破碎+斜坡道膠帶運輸系統，采出的銅礦石全部運輸到浮選廠處理。

為延長礦山服務年限，提高資源利用率，充分發揮露天開采的成本和安全優勢，實現露天坑價值最大化，在礦床開采技術條件有利的情況下，對露天開采境界進行優化勢在必行。

2 露天開采境界優化與確定

2.1 地質模型的建立

應用Surpac軟件構建了礦床地表、巷道、采空區、礦體的三維模型，通過地質統計學分析，對礦體塊體模型進行了以普通克立格法為主，距離平方反比法為輔的品位估值，建立三維可視化地質模型，塊體模型的X、Y、Z值邊界及單元塊尺寸見表1。

表1 塊體模型坐標范圍與單元塊尺寸

2.2 露天采場邊坡參數的確定

綜合現場生產經驗，露天開采境界優化的采場最終邊坡要素如下：

(1) 最終邊坡角：各采場最終邊坡角定為40°～42°，具體分為北幫42°、東幫41°、南幫40°、西幫41°進行優化；

(2) 臺階高度：根據現場實際確定分層臺階高度為12 m，開采到最終邊幫時2個臺階并為1個階段，階段高度為24 m；

(3) 臺階坡面角為70°，表土層時為45°；

(4) 安全清掃平臺寬度為10 m，上部風化帶安全清掃平臺寬度為30 m，南部小露天坑安全清掃平臺寬度為7 m。

2.3 境界優化分析

2.3.1 采選成本分析

綜合各項數據，采礦噸礦成本金礦為7.18元/t、銅礦為7.26元/t；剝離噸礦成本金礦為3.11元/t、銅礦為11.89元/t；境界優化開采成本定為13.23元/t。

濕法廠的選礦成本定為60元/t，浮選成本定為90元/t，金礦各選廠的選礦成本相差不大，以二選廠為基準，按照20元/t計算。

2.3.2 貧化率損失率及選礦回收率

依據初步設計采礦損失率按照2%、貧化率按照5%進行計算，比較符合實際；通過年回收率統計，考慮品位負變、選礦指標人為因素造成的水分問題等其他不確定因素影響實際選礦回收率，綜合采礦廠、選礦廠實際，金礦定為70%、濕法銅定為65%、浮選銅定為88%。

2.3.3 金屬價格及銷售成本

根據近5年的金屬價格走勢(見圖1、圖2)，金金屬價格最高為361.19元/g，最低為216.17元/g，平均為266.32元/g；銅金屬價格最高為52859.4元/t，最低為28440.3元/t，平均為39478.5元/t。結合設計公司建議，金金屬價格定為260元/g，銅金屬價格定為39000元/t，銷售成本暫不考慮。

圖1 黃金價格5年走勢

2.3.4 采礦生產能力

依據現有的設備能力以及閉坑計劃，采礦生產能力5年內從4500萬t降低到2800萬t(金礦閉坑，銅礦達產)，采剝量5年內從8000萬t降低到6500萬t。

圖2 銅價格5年走勢

2.4 境界優化結果

根據擬定的技術經濟參數指標，共圈定了26個優化境界。按所選取的技術經濟指標數據進行開采境界的計算分析，從中選取NPV值最大的優化境界(見圖3)。

按Whittle軟件NPV最大法求解[12-13]，第13號優化境界NPV值最大，該境界往后NPV基本趨于穩定，略有減小，此時資源利用率有所提升，但廢石剝離量明顯提高，故選定13號優化境界為當前技術經濟條件下的最優開采境界，而后根據開拓運輸系統的要求，手工進行修整和調整后，形成露天開采最終境界(見圖4)。

經估算，露天開采最終境界優化后露天坑內可采金礦礦石量為610.12萬t，金屬量為1953.81 kg，平均品位0.320 g/t；銅礦礦石量為25361.68萬t，金屬量為1229675.29 t，平均品位0.485 g/t。詳見表2、圖5。

基于當前收集的技術參數進行優化后的境界和目前的境界對比，露天坑整體有所縮小，主要為東北部、西幫以及南西幫區域減少了剝離量，優化結果最低標高為130 m，設計標高為124 m。

3 結 論

本次借助Whittle軟件對某露天礦進行了境界優化，露天坑整體有所縮小，減少了剝離量，整體效果較為明顯。本次應用研究結語如下：

(1) 該軟件的應用可在三維空間上進行境界優化，可視化程度高；

(2) 該軟件是在地質模型的基礎上對露采境界開展優化，能夠在礦體模型發生變化的背景下，適時開展境界優化[14]，具有效率高，優化時間短等特點，以此保持露采生產始終處于最佳狀態；

圖3 境界優化pit by pit圖

圖4 露天坑13號優化境界

(3) 該軟件在境界優化時，在考慮資金時間價值的同時，考慮產品市場價格、采選成本、貧化率損失率、選礦回收率等因素，在此基礎上確定NPV(凈現值)最大化作為判斷標準，充分考慮了礦山利益，對礦山保持持續盈利有著重要作用；

(4) 該軟件采用L-G圖論法對采坑進行境界優化，能夠一次性排出一系列露天坑方案，讓用戶選擇，礦山管理者可根據礦山實際狀況選擇最佳的境界作為最終境界[15]，選擇出既符合礦山實際狀況，又能保證礦山利益的最佳境界。

[1]王建衛，段銀聯.Whittle軟件在內蒙古迪彥欽阿木鉬礦境界優化中的應用[J].科技信息，2014(13)：362-363.

[2] 金 艷.whittle軟件境界優化設計的理念與技術方法[J].礦山工程，2012，10(1)：53-57.

[3] 楊 彪.Whittle在露天礦開采境界優化中的應用[J].有色金屬(礦山部分)，2013，65(3)：24-28.

[4]胥孝川,顧曉薇,王 青,等.露天礦多采區受約束條件下全境界優化[J].東北大學學報(自然科學版),2016(01):79-83，93.

[5]張伶年.裕新多金屬礦床露天開采技術研究[J].礦業研究與開發,2016,36(04):4-6.

[6]葉海旺,汪大新,王 超,等.基于拉格朗日松弛算法的露天礦開采境界優化研究[J].礦業研究與開發,2016,36(03):26-30.

[7]蔣胡燦.某銅礦露天開采境界優化[J].采礦技術,2016,16(02):32-33，39.

[8]畢春杰,戴曉江,宋小美.某露天銅礦全境界開采規劃優化[J].金屬礦山,2015(10):33-36.

[9]黃 甫,李克民,馬 力,等.五林礦露天首采區境界優化[J].化工礦物與加工,2015(07):47-50.

[10]馮紅剛,趙爾丞,劉文凱,等.大型露天礦山開采境界優化研究[J].礦業研究與開發,2015,35(06):5-8.

[11] 阮詩昆，張定才，龔建生.紫金山金礦露采銅礦石賦存形態及成因初探[J].資源環境與工程，2009，23(2)：100-103.

[12] 王述清，楊曉靜，孟 琪.基于Surpac不同算法的露天礦境界優化研究[J].中國礦業，2012(21)：370-395.

[13] 孫作書.應用Whittle 4一D程序計算礦山成本[J].國外金屬礦山，1994：61-64.

[14] 楊 彪.基于三維仿真的大型露天礦生產能力動態優化[J].礦冶工程，2012，32(4)：27-30.

[15] 楊 彪.露天礦開采境界動態優化研究及應用[D].長沙：中南大學，2011.

2017-08-10)

阮詩昆(1981-)， 男，福建周寧人，工程師，碩士，主要從事地質勘查技術和數字化礦山研究，Email：ruanshikun@126.com。