紫金山露采銅礦空區(qū)處理數(shù)字化建模應(yīng)用

鄭正華

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司)

紫金山露采銅礦原460～570 m中段采空區(qū)被兩邊礦柱及正上方標(biāo)高604 m以下的巖礦石垂直崩落填充后，該區(qū)域的采場(chǎng)現(xiàn)狀發(fā)生變化，但礦體實(shí)際并未被采出，導(dǎo)致可能出現(xiàn)消耗儲(chǔ)量比采出礦量虛高的現(xiàn)象。同時(shí)，充填完畢的區(qū)域也在逐步開采，充填后的礦石分布情況難以通過探礦工程或炮孔進(jìn)行驗(yàn)證，充填區(qū)每月的儲(chǔ)量消耗難以統(tǒng)計(jì)，空區(qū)處理后并無可供采礦部門生產(chǎn)排產(chǎn)可靠的資源模型，給采剝計(jì)劃編排帶來不確定因素。分析以上問題，主要集中幾個(gè)方面研究：①深入了解采空區(qū)治理[1]方案；②如何避免因露采現(xiàn)狀變化，部分礦量進(jìn)行充填采空區(qū)，造成露采消耗比出礦量虛高的假象以及礦山采礦中長期及短期計(jì)劃不準(zhǔn)確現(xiàn)象；③充填后礦巖石體積膨脹，如何確定膨脹系數(shù)；④如何將原空區(qū)頂柱的礦石品位“遷移”到充填后的巖礦石“混合體”；⑤如何對(duì)采空區(qū)充填后的礦石、廢石和礦柱“混合體”進(jìn)行品位模擬，建立空區(qū)充填后的資源模型；⑥如何充分結(jié)合數(shù)字化品位模擬進(jìn)行采礦排產(chǎn)和指導(dǎo)配礦。

為解決上述問題，本研究借助Surpac三維可視化軟件，在原鉆孔工程控制的資源模型以及空區(qū)測(cè)量模型的基礎(chǔ)上，通過分析采空區(qū)處理技術(shù)方案，對(duì)采空區(qū)充填后的礦石、廢石和礦柱“混合體”進(jìn)行三維建模與品位分布模擬，建立空區(qū)充填后的資源模型，實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量精細(xì)化動(dòng)態(tài)管理，為采剝計(jì)劃提供可靠的資源依據(jù)。

1 采空區(qū)處理方案

紫金山銅礦體460～570 m中段采用地下開采，于2010年結(jié)束。隨著礦山的發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及開采方案的變更(實(shí)現(xiàn)+148 m以上銅礦露天開采)，460～570 m中段由原地下開采轉(zhuǎn)為露天開采。為平穩(wěn)過渡為露天開采，地采遺留的采空區(qū)處理顯得尤為重要。

目前國內(nèi)外空區(qū)處理方案主要有封閉、崩落、加固和充填[2]。為實(shí)現(xiàn)紫金山銅礦尤其是低品位礦石的綜合利用，采空區(qū)處理主要通過“崩落+充填”[3]的方法，對(duì)原采空區(qū)進(jìn)行充填處理。即采空區(qū)正上方標(biāo)高604 m以下巖礦石垂直崩落充填的方式，首先崩落510～530 m水平礦柱，充填460 m中段下部采空區(qū)；再崩落礦房采場(chǎng)采空區(qū)上部的隔離礦柱，充填460 m中段余下的采空區(qū)以及520 m中段下部的采空區(qū)，如圖1所示。

圖1 采空區(qū)剖面

2 原地采空區(qū)充填資源數(shù)字化建模過程

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的建立

地質(zhì)數(shù)據(jù)是地質(zhì)建模的基礎(chǔ)，是進(jìn)行資源儲(chǔ)量估算的依據(jù)[4]。礦山自2013年引進(jìn)Surpac軟件后，根據(jù)歷年的地質(zhì)數(shù)據(jù)不斷更新，已有一套完整的數(shù)據(jù)庫。

2.2采空區(qū)處理實(shí)體的建立

基于Surpac三維軟件，建立空區(qū)處理實(shí)體模型能很好的掌握空區(qū)的空間位置，為后續(xù)進(jìn)行空區(qū)處理研究奠定基礎(chǔ)[5]。

根據(jù)采空區(qū)實(shí)測(cè)圖件，用不同體號(hào)區(qū)分空區(qū)類型，單層空區(qū)體號(hào)用100系列，從101到121，共建立21個(gè)空區(qū)實(shí)體；雙層空區(qū)體號(hào)用200系列，從201到234，共建立34個(gè)空區(qū)實(shí)體，實(shí)體體號(hào)與空區(qū)編號(hào)保持一致。依據(jù)塊體模型建立需求，分別建立采空區(qū)、礦柱、頂柱等三維實(shí)體模型，同時(shí)根據(jù)空區(qū)實(shí)際標(biāo)高劃分出520～570 m采空區(qū)對(duì)應(yīng)的頂柱礦巖、577～604 m礦巖、460～510 m采空區(qū)對(duì)應(yīng)的頂柱礦巖、513～533 m頂柱的礦巖。如圖2所示。

圖2 空區(qū)與礦柱分布

2.3 采空區(qū)充填后塊體模型的建立

2.3.1 準(zhǔn)備文件

更新紫金山金銅礦塊體模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)算，確保基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。基本模型參數(shù)信息如下：①根據(jù)礦體模型范圍，確定塊體模型的X、Y、Z值邊界；②根據(jù)露采臺(tái)階高度確定塊尺寸為6 m，次級(jí)塊尺寸為3 m，并讓每個(gè)塊的水平邊與露采境界模型對(duì)應(yīng)臺(tái)階的高程一致，最大限度減少誤差；③增加需要的屬性來存儲(chǔ)相關(guān)地址信息，包括巖石類型、品位、比重、控制程度等；④通過利用普通克立格法進(jìn)行進(jìn)行塊體估值，最終建立塊體模型；⑤利用近年來的期初期末DTM對(duì)模型儲(chǔ)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算，并和二次圈定、采礦量進(jìn)行對(duì)比分析，確保塊體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

2.3.2 塊體模型建立

(1)膨脹系數(shù)。巖體在爆破下落充填空區(qū)過程中由實(shí)方變成虛方，發(fā)生體積膨脹。結(jié)合采礦充填方案以及本區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)算，假定礦石和圍巖經(jīng)爆破后的級(jí)配總體一致，得出充填后平均膨脹系數(shù)α=1.358。

(2)充填后礦體松散密度。由于礦巖石崩落充填后發(fā)生膨脹，該區(qū)域礦石和圍巖密度無法直接引用地質(zhì)報(bào)告。依據(jù)質(zhì)量守恒原理，巖礦石充填前后的總質(zhì)量m不變，根據(jù)密度公式ρ=m/V，質(zhì)量m不變，體積V變大，ρ變小。結(jié)合每個(gè)礦房采空區(qū)對(duì)應(yīng)充填的巖礦石比例情況，測(cè)定采空區(qū)充填后各區(qū)域松散密度，采用動(dòng)態(tài)松散密度更加切合實(shí)際。

充填后的體積V1=1.358V0(V0為空區(qū)對(duì)應(yīng)的頂板、礦柱、底柱等的礦巖體積)。

因此，用每個(gè)空區(qū)對(duì)應(yīng)礦柱的原礦巖量除以充填后膨脹的體積V1,求出充填后的松散密度

ρ1=m/V1.

(3)充填后塊體賦值。在原資源模型基礎(chǔ)上以采空區(qū)和充填后“混合體”頂面標(biāo)高約束，分別用每個(gè)礦房采空區(qū)對(duì)應(yīng)的平均品位給采空區(qū)范圍內(nèi)塊體cu屬性賦值，作為充填后的塊品位，完成充填體品位賦值，同時(shí)進(jìn)行ρ1賦值。

建立約束方法：采空區(qū)范圍以及充填后實(shí)際頂面標(biāo)高。采空區(qū)范圍已根據(jù)測(cè)量實(shí)測(cè)結(jié)果獲得。充填后的標(biāo)高H2=V1/S1+H1(注：H1為空區(qū)底板標(biāo)高，m;V1充填后體積，m3;S1為采空區(qū)底面積,m2)。

3 原地采空區(qū)充填資源模型驗(yàn)算和應(yīng)用

3.1 采空區(qū)充填前后資源模擬結(jié)果驗(yàn)算與分析

通過前述方式對(duì)空區(qū)充填后進(jìn)行品位估值，與充填前空區(qū)上部礦柱的礦量對(duì)比，充填后總礦石量1 325萬t，金屬量55 852 t，平均品位0.42%，比充填前礦石量減少20萬t，減少比例為1.50%；金屬量減少367 t，減少比例為0.65%，平均品位不變,見表1。

表1 露采460～577 m空區(qū)充填前后礦量變化對(duì)比

對(duì)比結(jié)果顯示，充填后重新估值的結(jié)果與原有礦柱的礦石量、品位和金屬量均較為吻合(均未超過2%)，說明估值結(jié)果較為可靠。重新估值后的礦量，通過月末現(xiàn)狀的變化對(duì)比，計(jì)算出空區(qū)范圍的開采變化，提高資源消耗、礦石品位的準(zhǔn)確度及降低貧化損失率。

3.2 空區(qū)充填資源模型應(yīng)用

3.2.1 資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理

從源頭上規(guī)避了604～570 m頂柱及間柱崩落后難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)資源儲(chǔ)量瓶頸，利用建立的數(shù)字化空區(qū)充填模型，結(jié)合月度現(xiàn)狀DTM，可準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)露采銅礦每月的資源儲(chǔ)量消耗情況，可精細(xì)化至空區(qū)充填區(qū)和其它采區(qū)，確保儲(chǔ)量消耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量消耗的精細(xì)化動(dòng)態(tài)管理，詳見表2。

表2 2019年下半年露采銅礦各月資源儲(chǔ)量消耗統(tǒng)計(jì)

另外，提高了保有資源儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度，一方面在未處理的塊體模型統(tǒng)計(jì)露采銅礦保有資源儲(chǔ)量(扣除采空區(qū)巷道)，另一方面在模擬采空區(qū)充填后的塊體模型里單獨(dú)統(tǒng)計(jì)采空區(qū)范圍內(nèi)扣除礦柱后的銅礦保有資源儲(chǔ)量，見表3。

表3 2019年底露采銅礦保有資源儲(chǔ)量估算

續(xù)表

3.2.2 露采生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)巖礦界線劃分

有效提高了一線地質(zhì)人員的礦巖界線宏觀辨別，較為準(zhǔn)確地劃定礦巖界線，有利于降低礦石的貧化損失率，如圖3所示。

圖3 紫金山金銅礦露采銅礦礦巖界限分布

3.2.3 露采3 a滾動(dòng)計(jì)劃編制

由于采空區(qū)處理前后，實(shí)際地質(zhì)資源模型發(fā)生變化，但無可供采礦部門生產(chǎn)排產(chǎn)可靠的資源模型。在建立充填后的塊體模型后，可為采礦廠提供可靠的地質(zhì)品位分布數(shù)據(jù)，為采礦配礦提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并成功應(yīng)用于《紫金山金銅礦2020年采掘(剝)計(jì)劃(生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃)及3 a滾動(dòng)計(jì)劃》編制，見表4。

表4 2020—2022年露采銅礦儲(chǔ)量動(dòng)用計(jì)劃

4 結(jié) 論

(1)本研究在礦山已有三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合空區(qū)處理過程規(guī)律，對(duì)空區(qū)充填后的礦石、廢石和礦柱“混合體”進(jìn)行品位模擬，構(gòu)建空區(qū)充填后的資源模型，可以直觀地展現(xiàn)采空區(qū)充填后的品位分布特征。

(2)利用充填后的資源模型，可以確保消耗、保有資源儲(chǔ)量的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量精細(xì)化動(dòng)態(tài)管理；同時(shí)為采礦部門編制采剝計(jì)劃提供可靠的資源依據(jù)。

(3)通過原有品位技術(shù)轉(zhuǎn)換來優(yōu)化資源模型，可為同類地采轉(zhuǎn)露采礦山提供借鑒。