露天開采境界局部優(yōu)化研究

袁睿棟,鄒智斌,楊新鋒,黃 敏

(1.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司, 湖南 長沙 410083;2.江西銅業(yè)集團七寶山礦業(yè)有限公司,江西 宜春市 231500;3.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012)

0 前 言

露天礦開采境界優(yōu)化是露天礦山設(shè)計的重要環(huán)節(jié),是露天礦山生產(chǎn)經(jīng)營決策的重要依據(jù)。境界優(yōu)化計算與分析是一項復雜的系統(tǒng)工程,需要綜合考慮礦山資源狀況、開采技術(shù)條件、礦產(chǎn)品銷售價格、開采及選冶成本等多類復雜因素。基于二維圖形的人工計算方法很難準確地系統(tǒng)性考慮上述復雜因素的影響[1]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及礦業(yè)軟件功能的日益完善,使露天境界優(yōu)化設(shè)計工作從依靠經(jīng)驗、定性分析向計算分析、定量分析的方向發(fā)展,使露天境界優(yōu)化工作變得快速且高效[2]。基于三維可視化品位模型、技術(shù)經(jīng)濟條件和露天境界優(yōu)化相結(jié)合的方法已逐步在露天礦山設(shè)計階段得到廣泛應用,如技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)集與凈現(xiàn)值方案NPV結(jié)果選優(yōu),參數(shù)影響率和敏感性分析等。

礦山開采過程是受資源狀況、市場價格、開采技術(shù)、開采成本、選冶工藝、開采范圍等多因素制約的動態(tài)采剝過程。作為露天礦的開采境界也不能一次定終身,要及時調(diào)整優(yōu)化,以適應當前技術(shù)經(jīng)濟條件,提高礦山開采經(jīng)濟效益[3]。生產(chǎn)階段的境界優(yōu)化研究較設(shè)計階段的影響因素更多、更復雜,因此礦山需定期、不定期地根據(jù)外部影響因素開展露天境界的計算、調(diào)整和優(yōu)化研究,指導原有設(shè)計方案的修改、開采計劃編制及日常生產(chǎn)管理,以提升開采計劃和日常生產(chǎn)組織的準確性、可靠性和合理性。

七寶山鉛鋅礦是一個沉積后熱液疊加的層控礦床,主要礦物為方鉛礦、閃鋅礦、黃銅礦、斑銅礦及黃鐵礦。礦體嚴格受地層層位控制,走向長1275 m,水平寬約250 m,呈似層狀和規(guī)則透鏡狀產(chǎn)出。礦體厚度、品位變化大,礦石類型復雜。礦山先后經(jīng)過四次境界優(yōu)化研究,最近一次開采設(shè)計方案提出于145～105臺階局部地段保留“假山”,以減少剝離量,降低采礦成本。本次研究主要采用DIMINE數(shù)字化礦山軟件對155 m標高以下開采開展境界優(yōu)化研究。

1 境界優(yōu)化數(shù)據(jù)

境界優(yōu)化數(shù)據(jù)包括礦床模型及技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)等。

1.1 構(gòu)建三維可視化礦床模型

開展三維可視化露天境界優(yōu)化是以三維礦床模型和現(xiàn)狀地表模型為基礎(chǔ)。因此,在境界優(yōu)化前,建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、礦床模型、現(xiàn)狀地表模型、礦床品位模型,如圖1所示。

1.2 工業(yè)指標優(yōu)化

隨著生產(chǎn)技術(shù)、管理水平的提高以及鉛、鋅、銅等金屬價格的上漲,為充分利用礦產(chǎn)資源,根據(jù)礦山近幾年實際測算的剝離排棄成本、選礦成本及原礦運輸成本,并結(jié)合近4年鉛、鋅、硫精礦平均銷售單價應用“盈虧平衡品位計算”方法對現(xiàn)有最低入選品位進行測算[4]。所選用參數(shù)如下：

(1)鉛、鋅、硫精礦每噸平均銷售單價分別為5837.50,5175.40,122.14 元 ;

(2)回收率：鉛63%,鋅85%,硫65%;

(3)精礦品位：鉛50%,鋅47%,硫38%。

經(jīng)計算,最低入選原礦品位指標見表1。

圖1 礦山三維地質(zhì)模型

表1 礦石最低入選品位指標

1.3 技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)的選取

采選技術(shù)經(jīng)濟相關(guān)參數(shù)主要來源于礦山近幾年實際生產(chǎn)指標。將近3年鉛、鋅、銅、硫金屬等主產(chǎn)品金屬價格的平均值作為未來市場價格的預估。主要優(yōu)化參數(shù)見表2。

表2 露天境界優(yōu)化參數(shù)

1.4 邊坡控制參數(shù)的確定

依據(jù)已完成的巖石力學研究工作,并結(jié)合礦巖與礦區(qū)水文氣象條件,參照礦山邊坡現(xiàn)狀,確定不同部位露天采場最終邊坡角：方位0°～45°范圍內(nèi)受尾礦庫影響,邊坡角選定30°。45°～210°范圍內(nèi)邊坡角40°,210°～360°范圍內(nèi)邊坡角42°,如圖2所示。

圖2 采場范圍內(nèi)邊坡角定義

2 開采境界優(yōu)化

2.1 底部約束面

考慮到采場東南部195 m以上臺階處理方案未定,暫時推進困難,因而本次研究重點針對原開采設(shè)計155 m臺階以下進行局部優(yōu)化,修正部分設(shè)計,以期減少剝離量,增加可采礦量,從而延長礦山服務年限和降低生產(chǎn)成本。

為滿足局部優(yōu)化計算要求,將原設(shè)計境界的155 m臺階底線外推至105 m標高,并與原設(shè)計境界、地表現(xiàn)狀模型進行布爾運算,生成境界優(yōu)化底部約束DTM面。

2.2 境界優(yōu)化計算

應用DIMINE數(shù)字礦山軟件中露天礦境界優(yōu)化功能,調(diào)用賦值后的礦塊品位模型,結(jié)合采礦成本、剝離成本、貧化率、損失率、復墾成本、銷售成本等技術(shù)經(jīng)濟參數(shù),將礦塊品位模型轉(zhuǎn)換為價值模型。塊的凈價值是根據(jù)塊中所含目標元素的品位、開采與處理中各道工序的成本及產(chǎn)品價格計算得出[5]。

結(jié)合設(shè)定邊坡角、約束DTM底面等約束條件,采用LG法優(yōu)化生成一個露天坑,優(yōu)化結(jié)果為當前開采技術(shù)經(jīng)濟條件下實現(xiàn)利潤最大化的開采境界。

2.3 開采境界設(shè)計優(yōu)化

以優(yōu)化境界殼為基礎(chǔ),提取各臺階境界線,作為下一個臺階坡頂線的基準界限,應用露天設(shè)計功能對原設(shè)計進行優(yōu)化處理。

為保證155 m臺階以上境界不變動和臺階上、下開拓系統(tǒng)良好銜接,境界設(shè)計中采取自上而下,并向內(nèi)擴展臺階的方式進行最終臺階線的設(shè)計,同時兼具考慮每個臺階的安全平臺或清掃平臺寬度。最終,155 m以下露天開采境界優(yōu)化情況如圖3所示。

圖3 155 m以下優(yōu)化后露天開采境界

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

155 m標高以下境界優(yōu)化前后技術(shù)經(jīng)濟對比分析見表3。由表3可知,155 m標高以下開采境界優(yōu)化設(shè)計較原設(shè)計方案凈增礦石量3.32萬t,其中單銅礦減少0.77萬t,鉛鋅礦、鈷礦以及黃鐵礦等凈增4.08萬t,剝離量增加79.68萬t,凈盈利1040萬元。

表3 155 m標高以下境界優(yōu)化前后技術(shù)經(jīng)濟對比

局部修改設(shè)計后,對境界內(nèi)實際可利用資源量進行統(tǒng)計,截止至2017年12月底,新設(shè)計現(xiàn)有境界內(nèi)155 m標高以下實際可利用保有資源量約為108.37萬t(平均品位為Pb：1.40%,Zn：2.41%,Cu：0.25%,S：6.19%,EQZn：4.23%;金屬 量 為：Pb：15134 t,Zn：26072 t,Cu：2744 t,S：67049 t,EQZn：45863 t)。設(shè)計境界內(nèi)155 m標高以下實際可利用保有資源量約為105.06萬t(平均品位為Pb：1.37%,Zn：2.35%,Cu：0.27%,S：6.09%,EQZn：4.20%;金屬量 為：Pb：14445 t,Zn：24684 t,Cu：2817 t,S：63970 t,EQZn：44091 t)。本次設(shè)計凈增礦量3.32萬t,凈增金屬量為：Pb：689 t,Zn：1388 t,Cu：－74 t,S：3078 t,EQZn：1772 t。

3 結(jié) 論

設(shè)計階段的開采境界更側(cè)重于從宏觀層面輔助決策,但礦山在開采過程中,其境界范圍往往受征地進度、設(shè)施、外圍探礦、采礦證等各類復雜因素的制約。在生產(chǎn)現(xiàn)狀與當前生產(chǎn)技術(shù)條件基礎(chǔ)上,開展局部開采境界優(yōu)化研究,可指導礦山實際生產(chǎn),對礦山?jīng)Q策、計劃編制等具有十分重要的意義。

本次是在七寶山鉛鋅礦三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上,結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀約束,按現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟條件,對155 m臺階以下局部境界和設(shè)計進行優(yōu)化,主要結(jié)論如下：

(1)合理準確的地表現(xiàn)狀模型、礦山地質(zhì)資源模型是露天礦境界優(yōu)化的基礎(chǔ)。復雜多金屬礦露天境界優(yōu)化特別需要合理確定技術(shù)經(jīng)濟指標和參數(shù)。

(2)155 m標高以下開采境界優(yōu)化設(shè)計較原設(shè)計方案,凈增礦石量3.32萬t,剝離量增加79.68萬t,凈盈利1040萬元。

(3)局部開采境界優(yōu)化因所用約束條件和技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)更接近于當前生產(chǎn),所以優(yōu)化結(jié)果較設(shè)計階段更利于指導礦山生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)決策、計劃編制、開采方案等,并取得了較大的經(jīng)濟和社會效益。

(4)在局部開采境界優(yōu)化研究時,應考慮與整體開拓系統(tǒng)相銜接,建議采用“自上而下、向內(nèi)擴展”的方式。