基于3DMine軟件的露天礦山開采境界圈定

何龍飛

(大冶有色金屬有限責任公司)

礦業是國民經濟和社會發展的基礎工業,在推進中國工業化、城鎮化建設進程中起重要的保障和支撐作用。礦業技術的發展隨著科技的發展而發展,近年來,隨著計算機技術的飛速發展,利用礦業三維軟件確定露天礦山開采境界已成為主流方法之一[1]。露天境界的確定直接影響生產規模、開采工藝、設備選型、開拓系統等后續工作,對礦山生產具有重要意義[2-4]。

1 工程背景

某礦山位于剛果(金)南東部的加丹加高原,海拔標高為1 400～1 550 m。主礦體埋藏較淺,礦體比較厚大,位于向北傾斜的向斜北翼,地表延伸超過300 m,主要賦存在礦山組R2地層中,總體呈層狀分布,傾角近直立,受構造作用影響,礦區地層空間排布錯亂,從上到下有多層銅礦體。各層礦體厚度變化較大,厚薄不一,薄的礦體厚度一般為10～20 m,厚的礦體厚度可達70～80 m,礦體平均厚度為40～50 m。銅品位一般為1 %～10 %,局部地層最高可達21.9 %。主礦體最低賦存標高1 207 m。

礦石類型以氧化礦為主,礦石組分以孔雀石為主,含水鈷礦。隨深度增加,從淺部氧化礦轉變為氧化礦與硫化礦混合帶,深部為硫化礦。礦體與圍巖按工程地質巖組可分為3組,即松散軟弱巖組、半堅硬巖組和堅硬巖組。工程地質巖組以半堅硬至松散巖組為主。礦區地表地質災害不甚發育,很少見滑坡、崩塌、泥石流等。

2 露天采場邊坡穩定性分析

2.1 邊坡特征

該礦床主要賦礦地層為羅恩群礦山亞群,該套地層RSC段主要為淺灰色—淺灰白色硅化結晶白云巖,常具蜂窩狀風化特征,蜂窩狀孔洞內常見有黑色礦物顆粒、粉末,為重要標志層位。

含礦層主要是灰黑色條帶狀硅質白云巖、灰黑色含碳質白云巖、含疊層石白云巖和含碳質白云質頁巖。而礦體頂底板主要是板巖、片巖類巖石,亦為重要巖性標志。

露天采場長軸為東西向,短軸為南北向。初步確定露天采場底標高為1 245 m,根據地表地形條件,到最終狀態時,北部邊坡最高達185 m,南部邊坡最高達195 m,一般邊坡高度為130～150 m。

2.2 邊坡角確定

根據國內外類似礦山的工程類比及礦床現場工程地質情況,結合本次設計露天采場的服務年限,綜合考慮露天開采安全邊坡穩定性系數(Fs),不同條件下的取值范圍如下:

1)該地區歷史上未發生地震,地震設防烈度按6度考慮,地震加速度為0.1g。

2)最終邊坡非工作幫邊坡穩定性系數可取1.10～1.20。為了確保邊坡安全并考慮經濟成本,本次研究以Fs=1.15為標準參考值。

綜合考慮后,本次優化采用邊坡角如下:近地表30 m深度范圍內的終了邊坡角為35°,深度30 m以下為45°。

3 露天開采境界圈定

3.1 圈定原則

1)以地形圖及礦體剖面圖為依據。

2)所圈定露天采場的最終邊坡角不大于或等于露天邊坡穩定所允許的角度,以保證露天采場的安全生產[5],采用3DMine軟件優化露天開采境界。

3)參考附近礦山成本及部分參數。

4)在經濟合理的前提下,盡可能多回收利用礦產資源,以充分發揮露天開采的優越性。

3.2 礦體實體模型建立

采用LG圖論法優化露天開采境界,首先用3DMine軟件建立礦體實體模型(見圖1)。將地質剖面圖轉為大地坐標立體圖,鏈接各剖面形成實體總模型。

圖1 礦體實體模型

建立地質塊體模型,整理收集到的鉆孔數據電子圖片,將其中有關鉆孔定位、測斜、化驗及巖性的數據提取成Excel表格數據格式。有效數據共87組,錄入3DMine軟件建立鉆孔數據庫,根據地質報告中的工業指標將鉆孔數據形成2 m等長組合樣,采用距離冪次反比法,根據不同區域的礦體產狀分別建立相應的橢球體。礦體內的樣品全銅品位值進行基本統計分析,結果見圖2。經計算:該礦山主礦體保有礦石量8 368.10 kt。其中,銅金屬量309 139 t,Cu平均品位3.69 %;鈷金屬量23 431 t,Co平均品位0.28 %。

圖2 礦體內樣品全銅品位值基本統計分析結果

3.3 經濟模型建立

根據陰極銅售價及礦石出坑后的加工成本折算單位金屬價值,根據礦石開采成本、巖石剝離成本、陰極銅售價及礦石出坑后的加工成本等建立礦床的經濟模型。露天開采境界優化技術經濟參數見表1。

表1 露天開采境界優化技術經濟參數

3.4 開采境界參數確定

根據上述的依據原則和技術經濟指標,計算機將礦化模型轉換成經濟模型后,應用LG圖論法進行境界圈定。根據礦體形態特征及設備選型等,采用露天境界臺階高度15 m,選擇優化塊尺寸為:x=20,y=20,z=15;次級塊尺寸為:x=2.5,y=2.5,z=1.875,按回采臺階數遞增境界,結果見表2。

從表2可以看出,隨著露天最優境界底標高的降低,露天境界可產生的經濟價值逐漸增大;當露天最優境界底標高為1 215 m時,露天境界剝采比有突變,此時境界剝采比為20.49 t/t,遠大于附近礦山經濟合理剝采比。選擇底標高為1 215 m的露天境界為最終的優化境界,考慮到露天坑底最小寬度及臺階坡度影響,選擇1 245 m為最低平臺高度。

以礦床露天開采優化境界為基礎,考慮到選礦廠和排土場所處位置及境界周圍地形條件(東西低),將礦床終了境界礦(廢)石出入溝口設在露天采場的西側,東側設一基建輔助出口。露天開采境界最終狀態見圖3,圈定境界的參數如下:

表2 露天開采境界優化結果

圖3 露天開采境界最終狀態示意圖

1)臺階高度。為控制礦石貧化率,同時考慮臺階高度對生產能力的影響,本次露天采場臺階高度定為15 m。

2)臺階坡面角為65°。

3)終了平臺寬度,安全平臺5 m,清掃平臺10 m,其設置一般為:每2個安全平臺設1個清掃平臺。

4)運輸道路寬12 m。

5)道路最大縱坡8 %。

6)道路最小轉彎半徑25 m。

7)緩和坡段長度40 m。

8)最高臺階標高1 425 m。

9)坑底標高1 245 m。

10)總出入溝口標高1 417 m。

11)基建輔助出入口標高1 380 m。

12)境界上口尺寸1 000 m×580 m。

13)坑底尺寸95 m×95 m。

14)最終幫坡角<45°。

4 結 語

利用三維軟件設計露天礦山在國內外已經比較普遍,給礦山設計工作帶來了很多便利,也為最優境界圈定提供了更加科學的設計依據。無論是露天礦還是地下礦,科技的不斷進步推動礦山設備的自動化、大型化。未來將出現大量智能化甚至智慧化的礦山,使用礦業三維軟件是未來礦山建設和運營過程中重要的一環。本文基于3DMine軟件,在礦床開采技術條件的基礎上,分析了邊坡穩定性,建立了礦體三維模型,在三維數值模型上尋求最優的結果,避免了由于設計人員水平、能力造成的不利結果,并節約了工作量和工作時間,為礦山安全高效開采提供了技術支撐。