蘇 小 明， 楊 平， 李 洪 豪， 陳 國(guó) 貴

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

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露天礦山境界優(yōu)化方法及研究應(yīng)用

蘇 小 明， 楊 平， 李 洪 豪， 陳 國(guó) 貴

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

露天采礦在現(xiàn)代礦山開采過程中所占的比重越來越大，而露天礦山開采境界的確定是露天礦設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其境界是否100合理，直接與礦山的經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)，對(duì)礦山生產(chǎn)活動(dòng)具有重大意義。介紹了在3DMINE軟件平臺(tái)下對(duì)某露天礦山的境界進(jìn)行的優(yōu)化研究以及所取得的最終成果。

露天礦山；境界優(yōu)化；LG圖論法；研究應(yīng)用

1 概 述

露天開采境界決定著露天礦的采剝總量、剝采比、生產(chǎn)能力以及開采年限， 直接影響礦床開拓方法的選擇、地面總平面布置以及運(yùn)輸干線的設(shè)置，從而影響到整個(gè)礦床開采的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 。因此，其最終開采境界的選取就顯得尤為重要。從充分利用礦物的角度看，最終開采境界應(yīng)該包含盡可能多的地質(zhì)儲(chǔ)量。然而，由于幾何約束的存在，開采礦石必須先剝離該部分礦石上面部分范圍內(nèi)的巖石才能實(shí)現(xiàn)，而剝離巖石只能帶來資金的消耗，不會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)效益，因此，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，就存在一個(gè)使礦山的總經(jīng)濟(jì)效益最佳的最終開采境界。

礦山最終開采境界的設(shè)計(jì)在方法與手段上經(jīng)歷了3個(gè)階段：(1)手工設(shè)計(jì)階段；(2)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段；(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段。無論哪種方法，其實(shí)質(zhì)就是在滿足經(jīng)濟(jì)和邊坡角幾何約束的條件下實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最優(yōu)化。由于在手工圈定境界時(shí)，礦石的品位取礦石的平均值，而沒有考慮到品位的變化和不同部位品位的高低所可能負(fù)擔(dān)的剝采比，所以，傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)很難得到經(jīng)濟(jì)合理的境界。筆者介紹了利用3DMINE礦業(yè)軟件對(duì)某大型露天銅礦進(jìn)行數(shù)字地表建模、礦床實(shí)體建模以及境界優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的研究并用于確定最終的開采境界的過程。該軟件的境界優(yōu)化是基于Lerchs-Grossman創(chuàng)建的LG圖論法之上進(jìn)行境界優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也應(yīng)用到浮動(dòng)圓錐法。以此能正確、合理地確定最優(yōu)開采境界且方便有效的為露天礦山開采提供長(zhǎng)遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，在特定的價(jià)格下，實(shí)現(xiàn)礦山開采的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。

2 露天礦山開采境界優(yōu)化的原理與步驟

露天礦山開采境界優(yōu)化的主要步驟為：

(1) 依據(jù)鉆孔勘探數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)及塊體模型，采用合理的估值方法，計(jì)算出地質(zhì)模型每一單元塊的品位并圈定礦體；

(2) 根據(jù)所選取的開采設(shè)備及對(duì)巖石穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確定最終邊坡角、最終臺(tái)階坡面角、安全平臺(tái)、清掃平臺(tái)、運(yùn)輸平臺(tái)及出入溝的寬度、臺(tái)階高度等參數(shù)；

(3) 建立價(jià)值模型，對(duì)單元塊開采的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算；在價(jià)值模型中，每個(gè)塊都要被賦予一個(gè)屬性，該屬性表示假設(shè)將其采出并處理后能夠帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。塊的凈價(jià)值是根據(jù)塊中所含可利用礦物的品位、開采與處理中各道工序的成本及產(chǎn)品價(jià)格計(jì)算得出的。因此，代表礦石的塊體是正值，代表廢石的塊體是負(fù)值，而且不同塊之間具有先后開采順序；

(4)確定了礦床價(jià)值模型后，采取合理的算法，在滿足幾何約束條件下找出使總開采價(jià)值達(dá)到最大的模塊集合。3DMINE軟件采用了基于圖論的方法，實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)際數(shù)據(jù)的解算。現(xiàn)在所用的大多數(shù)境界優(yōu)化軟件包都是采用該方法或該方法的改進(jìn)。筆者就圖論法的原理進(jìn)行簡(jiǎn)單說明如下。

圖1為某礦體的一個(gè)豎直剖面。為簡(jiǎn)單起見，一塊礦石或廢石的開采費(fèi)用均定為$3，每塊礦石的銷售價(jià)格均定為$20，由此得到的該礦床價(jià)值模型見圖2。

一旦所有塊體被賦予了凈價(jià)值屬性，即可計(jì)算出每個(gè)塊體和為了開采它所要開采的所有塊體。

圖1 礦體豎直剖面圖

圖2 價(jià)值模型圖

根據(jù)在模型中的塊體位置即可計(jì)算出塊體的總價(jià)值。某個(gè)塊的總價(jià)值可以通過凈價(jià)值減去開采它以前必須先開采的塊的費(fèi)用計(jì)算得出(圖3)。

圖3 塊體總價(jià)值計(jì)算圖

每個(gè)塊的總價(jià)值計(jì)算完成后，需要根據(jù)最終邊坡角找出開采這個(gè)礦體所能獲得最大利潤(rùn)的塊的集合體。假設(shè)礦山邊坡角為45°，可以通過沿露天坑輪廓底部的塊體總價(jià)值之和計(jì)算獲得。如圖4所示，露天開采最大利潤(rùn)X= -$3+$14+$11+(-$6)+(-$3)= $13。

(5)由于所求的最佳境界是由被開采的塊的集合組成，因此，需要對(duì)最終境界的優(yōu)化境界進(jìn)行光滑處理并加入運(yùn)輸?shù)缆罚怪蔀閷?shí)際可行的最終境界方案。在進(jìn)行光滑處理時(shí)，應(yīng)使處理后的境界與處理前的優(yōu)化境界之間的偏差盡可能小，以保持最終結(jié)果的優(yōu)越性。

圖4 礦體最大利潤(rùn)計(jì)算圖

3 露天礦境界優(yōu)化實(shí)例

筆者以某大型露天銅礦第Ⅰ采區(qū)為研究對(duì)象，根據(jù)前期地質(zhì)勘探報(bào)告、工業(yè)指標(biāo)、當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件等指標(biāo)，以3DMINE工業(yè)軟件為平臺(tái)進(jìn)行礦山設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1 礦區(qū)概況

該礦區(qū)周圍地勢(shì)較低，高程為75～325 m，植被發(fā)育，為斑巖銅礦經(jīng)風(fēng)化淋濾作用和次生富集作用形成的高硫化型礦床。礦體總體上呈近乎水平的層狀～似層狀，在平面上呈長(zhǎng)橢圓狀、大三角狀；在剖面上具有分支復(fù)合及膨大縮小、尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象。礦體走向NW220°，走向長(zhǎng)約760 m,寬約590 m,傾角近水平，該礦體和地表之間存在一個(gè)表生淋濾作用而產(chǎn)生的淋濾帶，厚約10～200 m。淋濾帶之下普遍有一層次生富集帶，厚十幾米～幾百米，為礦段的富礦區(qū)段；再往下為混合帶和原生帶。三帶之間逐漸過渡，無明顯的分界線。

3.2 建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)是在完善和可靠的地質(zhì)勘探信息上建立的，可以方便、有效地對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用和管理。在3DMINE軟件系統(tǒng)下，地質(zhì)勘探信息以四個(gè)EXCEL表格全部攬括進(jìn)去，分別為定位表、測(cè)斜表、化驗(yàn)表、巖性表。各表之間通過“工程號(hào)”建立聯(lián)系，其在內(nèi)容上是獨(dú)立的、但邏輯上是相互聯(lián)系的。將四個(gè)表格導(dǎo)入軟件后，將得到我們想要的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。一旦地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立起來，我們就可以利用3Dmine強(qiáng)大的圖形顯示系統(tǒng)在三維空間顯示地質(zhì)數(shù)據(jù)，包括鉆孔的軌跡、品位值、巖性及代碼、巖層走向等。

3.3 圈定礦體

根據(jù)勘探線剖面圈定礦體，建立礦體實(shí)體模型。在3DMINE軟件中打開地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)勘探信息將其分成若干勘探線剖面，在每個(gè)剖面上通過捕捉連線功能圈定該剖面礦體輪廓解譯線，得到其三維空間信息，在相鄰的剖面解譯線之間創(chuàng)建三角網(wǎng)，再經(jīng)過編輯優(yōu)化之后就可得到整個(gè)礦體模型[3]。礦體模型的建立可以直觀的反映礦體的走向、大小、位置等空間形態(tài)，為礦山的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供依據(jù)，亦為建立塊體模型打下基礎(chǔ)。

3.4 建立地質(zhì)塊體模型

塊體模型是數(shù)據(jù)庫(kù)的另一種格式，是應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)品位分布進(jìn)行建模，從而形成一定約束條件下的品位模型，即在三維空間中將礦體劃分為具有一定尺寸的單元塊，然后根據(jù)鉆孔空間信息為每個(gè)塊賦予與勘探信息相對(duì)應(yīng)的屬性，例如礦石品位、巖性、比重等，其精度取決于塊體模型的結(jié)構(gòu)和屬性。經(jīng)過研究確定該礦山塊體模型單元塊尺寸取10 m×10 m×10 m。

3.5 建立地表模型

地表模型的建立是為了更直觀的確定礦區(qū)與礦體之間的位置關(guān)系。利用測(cè)量所提供的數(shù)據(jù)文件，經(jīng)過整理——避免重復(fù)點(diǎn)、線、節(jié)點(diǎn)過多和線不閉合等情況生成DTM文件，形成地表模型。

3.6 建立價(jià)值模型并算出最終境界優(yōu)化解

利用3Dmine軟件提供的境界優(yōu)化功能，考慮現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)條件和礦山實(shí)際情況，輸入礦石開采成本、巖石開采成本、復(fù)墾成本、品位約束、貧化率，回收率、比重等參數(shù)(表1、2)，建立價(jià)值模型。通過所建立的塊體價(jià)值模型和地表模型，采用L-G法優(yōu)化可算出一個(gè)合理的露天境界解，在設(shè)計(jì)過程中可以預(yù)設(shè)多個(gè)價(jià)格變化區(qū)間，即可得到相應(yīng)的露天最優(yōu)境界。

表1 礦山開采相關(guān)參數(shù)表

表2 礦山開采相關(guān)參數(shù)表

3.7 確定最終開采境界并形成露天坑

對(duì)露天境界的優(yōu)化進(jìn)行平滑處理，再加入最終邊坡角、最終臺(tái)階坡面角、安全平臺(tái)、清掃平臺(tái)、運(yùn)輸平臺(tái)及出入溝的寬度、臺(tái)階高度等參數(shù)后便可確定最終開采境界，由此生成DTM模型，在與地表模型經(jīng)過布爾運(yùn)算后即能得到整個(gè)礦山設(shè)計(jì)圖(圖5)。

圖5 礦山設(shè)計(jì)效果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

露天礦山開采境界的確定是露天礦設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其境界是否合理，直接與礦山的經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)，對(duì)礦山的生產(chǎn)活動(dòng)具有重大意義。與傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)基于平均品位的二維優(yōu)化相比，基于L-G法的三維軟件優(yōu)化無疑是一個(gè)重大突破，其不僅使設(shè)計(jì)人員從繁重的工作中解脫出來，而且能更高效、更精確的優(yōu)化境界，從而達(dá)到開采利益的最大化。

[1] 李 德，曾慶田，吳東旭，等.基于三圍可視化技術(shù)的露天境界優(yōu)化研究[J].金屬礦山，2008，38(4)：103-108.

[2] 余文章，戴曉江.基于3DMINE軟件系統(tǒng)的露天礦境界優(yōu)化研究及應(yīng)用[J].《礦治》，2011，20(4)：25-29.

[3] 王玉玨，李建雄，薛希龍.一種露天礦開采境界優(yōu)化方法[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-08-15

TD21;TD8

B

1001-2184(2016)05-0001-03

蘇小明(1969-)，男，四川射洪人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事建設(shè)工程施工技術(shù)與項(xiàng)目施工管理工作；

楊 平(1973-)，男，重慶萬(wàn)州人，高級(jí)工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

李洪豪(1987-),男，四川德陽(yáng)人，助理工程師，從事礦山地質(zhì)工作；

陳國(guó)貴(1986-)，男，貴州遵義人，工程師，從事水電與礦山施工技術(shù)與管理工作.