基于MineSched 編制礦山采掘計劃的研究

陳小康

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

1 礦山采掘進度計劃編制概況

礦山采掘進度計劃主要是根據(jù)礦山生產(chǎn)規(guī)律、長遠規(guī)劃、總體設(shè)計及生產(chǎn)特點，將生產(chǎn)中各種可變因素有機地組織起來， 使礦山生產(chǎn)做到設(shè)備布置合理、采場推進科學(xué)、人員組織優(yōu)化、工序配合順暢；在保證采掘進度的基礎(chǔ)上， 依據(jù)經(jīng)濟效益最大化的原則， 確定產(chǎn)量、 質(zhì)量和各項技術(shù)經(jīng)濟指標的最佳方案。其一般分為掘進進度計劃和采礦進度計劃，二者涵蓋了從礦山基建期到生產(chǎn)期的開拓、 生產(chǎn)全部項目。通過編制采掘進度計劃，可以幫助設(shè)計人員確定礦山逐年的回采和準備工作， 并根據(jù)開采技術(shù)條件核實礦山能否持續(xù)、均衡生產(chǎn)，在預(yù)定期限內(nèi)達到設(shè)計規(guī)模；同時，通過進度計劃的具體安排，設(shè)計人員還可以確定礦體、階段和礦塊回采的先后順序，以及逐年的礦石產(chǎn)量和品位。

礦山采掘進度計劃作為指導(dǎo)礦山生產(chǎn)經(jīng)營的重要依據(jù)，是礦山生產(chǎn)管理不可缺少的重要部分[1]。 礦山采掘進度計劃安排的合理與否直接關(guān)系到礦山生產(chǎn)的效率與成本：若計劃安排不合理，可能會造成巷道掘進完工過早，增加維護時間與維護費用；設(shè)備裝備采購過早會使設(shè)備置留，不能充分發(fā)揮效用；新的回采工作面不能及時準備出來， 會使部分開采工作中斷，出現(xiàn)產(chǎn)量下降等不良后果[2]。

長期以來， 我國礦山采掘計劃一直采用人工方法進行編制，效率較低。 隨著優(yōu)化理論、決策分析以及運籌學(xué)等在礦山中的廣泛應(yīng)用， 設(shè)計人員開始應(yīng)用基于規(guī)劃論的線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等方法對礦山采掘計劃進行優(yōu)化， 但這些方法的運算較為復(fù)雜[3]。 近年來，礦山三維可視化技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用， 為礦山采掘計劃的編制提供了一個良好的平臺。 MineSched 軟件是一款能夠根據(jù)產(chǎn)能和質(zhì)量等目標進行長期、 短期計劃編制的軟件，可以在開拓到回采的各階段，創(chuàng)建綜合、實用的地下掘進和生產(chǎn)計劃方案， 并以其出色的三維顯示效果， 在三維環(huán)境中展現(xiàn)進度中的各個階段及其細節(jié)，通過3D 動畫演示，輸出圖形文件、甘特圖和工作表來驗證計劃，確保生成切實可行的計劃方案，因此非常適用于露天和地下開采的各類礦山的進度計劃編制。本文擬以某礦山為例，利用MineSched 軟件對其進行礦山采掘計劃的編制探討。

2 工程背景

某礦山屬噴流沉積型和密西西比型高品位鉛鋅礦區(qū)，礦體埋藏較淺，走向長度較短，平均傾角為37°，平均厚度12 m，礦體上部為低山丘陵地形，地形變化起伏較大，地表處于森林保護區(qū)。根據(jù)礦體產(chǎn)狀及地表特征，設(shè)計采用斜坡道開拓和無軌設(shè)備運輸、充填采礦法開采。 開采范圍內(nèi)可采礦量約為8 100 kt，按照設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模1 000 kt/a， 服務(wù)年限約為11 a，其中基建期2 a，生產(chǎn)期9 a。

為了準確計算項目基建時間， 直觀展示基建工程的進度計劃， 合理安排施工組織， 該礦設(shè)計采用MineSched 軟件編制掘進進度計劃；此外，考慮到該礦礦體長度較短，生產(chǎn)規(guī)模較大，需安排多個中段同時生產(chǎn)， 因此該礦同時采用MineSched 軟件編制采礦進度計劃，根據(jù)不同時期工作面數(shù)量的變化，模擬出不同時期的掘進量和采礦量， 從而驗證礦山生產(chǎn)規(guī)模和投達產(chǎn)時間。

3 掘進進度計劃

掘進進度計劃是指礦山在基建或生產(chǎn)階段的開拓或采準工程的施工進度計劃。 計劃編制主要圍繞擬掘進的井巷工程進行， 首先需要進行井巷工程設(shè)計，在對井巷工程命名與參數(shù)賦值后，再編制掘進進度，最后生成進度計劃。 此外，利用MineSched 軟件還可以通過反復(fù)調(diào)整掘進計劃， 生成滿足要求的進度計劃。 掘進進度計劃工作流程見圖1。

圖1 掘進進度計劃工作流程

1） 設(shè)計導(dǎo)入。

由于MineSched 作為進度計劃編制軟件， 并沒有輔助設(shè)計的功能， 因此通常需要將采用其他礦業(yè)輔助設(shè)計軟件進行設(shè)計的設(shè)計文件導(dǎo)入MineSched軟件。 該礦的礦體埋藏較淺，開拓深度較小，因此設(shè)計采用斜坡道開拓，圖2 為該礦主要井巷工程示意。井巷工程的繪制方向需要與掘進方向一致， 否則需要在掘進設(shè)置中進行方向調(diào)整。

圖2 井巷工程設(shè)計

2）工程命名與參數(shù)賦值。

井巷工程的線文件導(dǎo)入MineSched 軟件后，需要對每個工程進行命名， 每個工程必須具有唯一的名稱， 以便于在后續(xù)計劃的編制中能更好地查找目標工程的信息。 MineSched 軟件無法對文件中的線段進行修改，只能對線段方向（掘進方向）進行調(diào)整，對連接精度進行設(shè)置。

井巷斷面、 礦巖比重或模型參數(shù)等工程參數(shù)的輸入， 分別可以用于MineSched 計算掘進工程量和礦、廢石量等。 若掘進計劃主要考慮工程量，則可以不用讀取模型參數(shù)，只需設(shè)置礦巖的平均質(zhì)量即可。工程命名和參數(shù)賦值后， 軟件可以對井巷工程進行評估，查詢各井巷工程的詳細信息。 MineSched 軟件的工程命名與參數(shù)賦值步驟見圖3。

圖3 工程命名與參數(shù)賦值

3） 進度計劃的編制。

編制進度計劃是為了控制和節(jié)約時間， 并在合理的時間內(nèi)完成擬建工程。 礦山井巷工程的施工受到作業(yè)面數(shù)量的限制， 因此需要合理地安排施工順序和作業(yè)設(shè)備。 安排施工順序的前提是有進入下一個作業(yè)井巷的通道，方便人員、材料和設(shè)備的進出。MineSched 軟件能自動識別在空間上的相鄰工程為下一個掘進工程，并優(yōu)先安排關(guān)鍵線路上的井巷施工。

施工進度還與作業(yè)設(shè)備的數(shù)量和效率相關(guān)，MineSched 軟件需要對每臺設(shè)備設(shè)置生產(chǎn)能力，然后將各設(shè)備以合理的掘進能力分配到井巷上。 受井巷獨頭掘進的限制， 井巷的掘進能力無需與設(shè)備生產(chǎn)能力相同，一臺設(shè)備可以交叉服務(wù)于多個井巷。

另外， 進度計劃的編制還包括場所定義和工作時間設(shè)置。 場所定義主要是為掘進的礦石或廢石選擇運至地點， 該功能主要用于合理安排不同品位的礦石或廢石進入不同選廠（原礦堆場）或排土場。 工作時間設(shè)置可以詳細地確定施工進程中的節(jié)假日和設(shè)備維護周期等，從而加強對時間的管理要求。但這兩項功能并非必需項， 可根據(jù)礦山具體情況具體選擇使用。 進度計劃的編制過程示意如圖4 所示。

圖4 掘進進度計劃編制

4）進度計劃的生成。

進度計劃的編制是一項比較復(fù)雜的工作， 往往需要經(jīng)過多次反復(fù)修改， 不斷調(diào)整施工順序和優(yōu)先級， 才能最終確定。 根據(jù)進度計劃周期的長短，MineSched 軟件可生成按日、 月或年為單位的進度計劃，還可以以多種形式輸出結(jié)果，包括二維、三維圖形或動畫，工作報告表格及甘特圖等。三維圖形或動畫可以直觀地展示各時間周期內(nèi)井巷工程的施工進度，如圖5 所示。 根據(jù)項目不同要求，還可以制作表格或柱狀圖， 鮮明地展示各時間周期內(nèi)的掘進工程量、礦石量、廢石量，以及設(shè)備利用率等。

圖5 掘進進度計劃結(jié)果輸出

圖6 采礦進度計劃工作流程

根據(jù)圖5 可知， 該項目基建時間為21 個月，基建工程量為167 400 m3， 前期1～6 月工程量逐漸增加，11～18 月工程量較小，工程量分別在第6 月和第18 月達到最大和最小值，詳見表1。該輸出結(jié)果充分反映了各周期內(nèi)的井巷參數(shù)、 計劃掘進量和設(shè)備利用情況，并能為礦山確定施工工藝、施工隊伍和設(shè)備數(shù)量等提供依據(jù)。

表1 逐月基建長度及工程量

4 采礦進度計劃

采礦進度計劃是礦山基建完成之后， 安排逐年生產(chǎn)進度的指導(dǎo)性計劃， 一般與生產(chǎn)期掘進進度計劃一起編制。與掘進進度計劃不同，采礦進度計劃編制主要圍繞采場進行： 首先需要建立礦體的實體模型和塊體模型， 然后根據(jù)采礦工藝要求對礦體進行采場劃分和構(gòu)建，并對采場進行命名、參數(shù)賦值，再進行采礦進度計劃編制， 最后經(jīng)反復(fù)調(diào)整而生成最優(yōu)的進度計劃，并輸出結(jié)果。

1） 建立實體模型和塊體模型，劃分、構(gòu)建采場。

與編制掘進進度計劃一樣， 編制采礦進度計劃所需要的實體模型和塊體模型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也需要通過其他礦業(yè)軟件進行構(gòu)建并導(dǎo)入MineSched 軟件。礦體的實體模型和塊體模型一般分別根據(jù)地質(zhì)報告的勘探線剖面圖和鉆孔數(shù)據(jù)進行構(gòu)建， 實體模型主要用于采場的劃分和構(gòu)建， 塊體模型則主要用于礦量和品位的計算。 該項目中厚以上礦體采用垂直分條充填法， 中厚以下和零星小礦體采用上向進路充填法， 兩種采礦方法的回采礦量所占比例分別約為85%和15%。根據(jù)礦體產(chǎn)狀，分別構(gòu)建可不同采礦方法的采場模型，如圖7。

圖7 實體、塊體模型與采場

2） 場所命名與參數(shù)賦值。

塊體模型導(dǎo)入MineSched 軟件后，需要對模型中的屬性進行分類，如礦石品位和礦巖屬性等，以便于對不同屬性的礦石進行分類計算、運輸和堆存。采場模型導(dǎo)入后，需進行場所命名和參數(shù)賦值，如回采方向、開采方式等。采場和塊體模型導(dǎo)入后，設(shè)計人員即可以對采場進行評估，計算出各個采場的礦量和品位。

3）進度計劃的編制。

采礦進度計劃編制見圖8。

圖8 采礦進度計劃編制

（1）運輸路線的設(shè)置。 對于露天開采來說，一般對于不同品位的礦石可以分別運輸至不同的堆場，用于選廠配礦或進入不同的選礦工藝流程。 地下開采時，采場內(nèi)礦石爆破下來之后，所有的礦巖都摻雜在一起， 很難對采場內(nèi)不同品位的礦石進行分別處理。在MineSched 軟件的物料運移中，可以以采場或溜井為單位進行分類， 將不同采場或溜井服務(wù)范圍內(nèi)的礦石分別運輸至不同堆場，如圖8（a）所示。 此外，通過設(shè)置運輸線路，還可以計算出礦巖運輸中卡車的工作量。

（2）開采順序的制定。采場開采順序的制定也是進度計劃編制中比較重要的一個步驟。 通常在礦山前期規(guī)劃時就基本明確了中段間和中段內(nèi)的開采順序，但開采順序還受到開拓和采準工程的限制，只有當開拓和采準工程完成后才能開始采場的回采。 因此，通常在編制采場進度計劃的時候，把掘進進度計劃統(tǒng)一考慮進來， 采用掘進巷道和前期規(guī)劃共同限制采場的開采順序，如圖8（b）所示。

（3）定義采場生產(chǎn)能力。 定義開采順序后，需要定義采場生產(chǎn)能力。采場生產(chǎn)能力一般受人員、設(shè)備和其他外部因素的影響，其中設(shè)備因素，可以通過在軟件中對采場的出礦設(shè)備設(shè)置，如圖8（c）所示。

4）進度計劃的生成。

經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)整開采順序和優(yōu)先級， 使采礦進度計劃趨于最優(yōu)，并根據(jù)進度需要的周期，生成按日、月或年為單位的進度計劃。 確定進度計劃后，根據(jù)需要輸出不同類型的結(jié)果。

5 采掘進度計劃結(jié)果分析

結(jié)合采礦進度計劃和掘進進度計劃生成的采掘進度計劃結(jié)果見圖9。

圖9 采掘進度計劃結(jié)果輸出

根據(jù)輸出結(jié)果可知： 礦山第1 年以570 kt 的采出礦量投產(chǎn)；第2～7 年的采出礦量為970～1 090 kt，基本實現(xiàn)達產(chǎn)；第8 年，隨著礦塊數(shù)量減少，采出礦量降低至790 kt；第9 年，以570 kt 的采出礦量結(jié)束生產(chǎn)，詳見表2。 進度計劃的結(jié)果驗證了設(shè)計推薦的生產(chǎn)規(guī)模基本可行， 也為指導(dǎo)礦山合理組織生產(chǎn)和優(yōu)化出礦品位提供依據(jù)。

表2 逐年采出礦量及品位

6 結(jié)論

本文運用MineSched 軟件對地下礦山進行采掘計劃設(shè)計， 通過對基建期的掘進計劃和生產(chǎn)期的采掘計劃的編制， 計算了礦山基建時間和驗證了礦山生產(chǎn)能力。 與傳統(tǒng)方法相比較，MineSched 軟件不僅直觀地模擬了礦山基建與生產(chǎn)過程， 為礦山的設(shè)計和生產(chǎn)提供了準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 也為礦山制定合理的開采方案及精細的管理方式提供依據(jù)。