Surpac及全站儀測量技術在礦山損貧指標分析中的應用

程光華，張利君，盛學棟，趙繼勇，郭傳揚，孫文朋，董念忠

（1．北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；2．北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京100083；3．山東黃金礦業(yè)萊西有限公司，山東 萊西266616）

采礦工藝包括鑿巖、爆破、通風、出礦、充填等多工序。目前國內由于技術及設備等條件限制，往往造成各工序之間獨立發(fā)展而不能較好地銜接，造成礦石較大的損失及貧化，尤其對于貴金屬而言，直接影響經濟效益。

山東黃金下屬的萊西礦業(yè)公司山后金礦位于招遠與萊西接壤的地帶，在招遠城區(qū)南30km，萊西城區(qū)北34km，行政區(qū)劃隸屬萊西市南墅鎮(zhèn)管轄。采用上向分層膠結充填采礦法進行采礦。

控制損失貧化是采用上向分層法回采薄礦脈時的一個突出的難題，直接決定礦山的經濟效益及礦山今后的發(fā)展方向。國內外針對采空區(qū)掃描的主要手段有CMS、CLAS及國內諸多三維空區(qū)掃描儀，但這類設備成本較高，對于規(guī)模較小的礦山往往很難做到［1］。因此萊西礦業(yè)公司采用全站儀對采空區(qū)實際形狀進行邊界點測量，Surpac軟件進行礦體及采空區(qū)三維實體模型的建立，準確反映采空區(qū)和礦體實際情況，通過后期實體間的布爾運算可以準確地計算出試驗采場的采礦損失貧化指標。

1 Surpac軟件簡介

Surpac軟件是澳大利亞GEMCOM公司開發(fā)的大型礦業(yè)工程軟件，是一套強大的三維可視化建模工具，廣泛應用于全球大量礦山測量、勘探、建模及采礦設計等環(huán)節(jié)［2］。Surpac軟件根據計算機圖像圖形方法和技術對用戶輸入的數據進行處理，然后以輸出圖形圖像的方式將數據處理的過程和結果進行可視化的顯現，三維可視化模塊（3DGraphic System）為用戶提供直觀的效果。礦山生產是一種三維空間的生產過程，充分利用計算機礦業(yè)軟件的三維可視化空間分析的優(yōu)勢幫助礦山生產管理和規(guī)劃，可以大大提高生產效益［3］。

2 礦區(qū)地質簡介

萊西礦業(yè)公司山后金礦礦體賦存于招平斷裂下盤40m范圍之內，主要分布在勘探線16～32線間，－500 m以上。在礦區(qū)范圍內，共有16個大小不一的礦體。其中，資源儲量占礦床資源總儲量65．5%的I－2礦體為主礦體，I－3礦體為次要礦體。礦體形態(tài)較簡單，沿傾向及走向上具有膨大收縮、尖滅再現、分支復合等現象。I－2主礦體上盤與斷層泥直接接觸，下盤位于斷層泥下盤20m范圍內。賦存標高156～－487m，礦體形態(tài)呈板柱狀。礦體產狀穩(wěn)定，走向30°～33°，平均32°，沿走向長75～349m，平均257m；傾向SE，傾角38°～46°，平均40°，延深87～1 012m，平均885m；礦體厚度0．63～20．26m，平均厚度4．02m，厚度變化系數82．15%；水文地質簡單，圍巖較穩(wěn)固［4］。

3 現場測量

針對礦體特殊的賦存條件，萊西礦業(yè)公司采用脈內采準巷道沿礦體走向進行掘進。以＋10m中段試驗采場第一分層采空區(qū)為研究對象，采空區(qū)清理完畢以后，將全站儀安置在采場空區(qū)；礦體整體沿走向產狀變化較大，采用全站儀通過之前布置的基準點每隔1．0m進行采場邊界實測，在遇到拐彎處或巷道分岔口處時調整為每隔0．5m測1次采場邊界頂板及底板實際坐標。由于全站儀沿直線進行測量，因此在測量過程中會遇阻擋或遮擋，導致部分區(qū)域無法測到而出現測量盲區(qū)［5］。因此，對于試驗采場內復雜的邊界，可以多移動幾次位置進行測量，盡量避免出現較多的盲區(qū)，保證測量的精度。探測完成后，保存數據并進行儀器自動復位，儀器整理完畢后歸位。在測量工作完成后將完整數據錄入電子表格模版。表格中的地質信息可以導入Access數據庫中，為后期的精細建模提供基礎數據。數據管理由專人負責并定期更新。

4 數據處理

4．1 數據處理流程

現場掃描完成后，測量數據在測量工作完成當天導出到測量數據庫中，由專人管理，建立專門的文件夾，定期進行備份，導出數據格式為．csv或．txt格式，文件名：中段標高—采場編號—分層編號．txt格式，以方便今后的管理和保存。利用三維礦業(yè)軟件Surpac軟件將．txt文本文件轉化為．str線文件，而后生成．dtm實體模型，經過實體模型驗證后獲得空區(qū)實體，實時進行空區(qū)模型實際體積測量并生成．not報告文件［6］。實現空區(qū)體積的計算功能具體處理步驟見圖1。

圖1 數據處理流程圖Fig．1 Data processing flow chart

4．2 建立三維實體模型

1）建立礦體三維實體模型。根據山后金礦地質詳查報告，并應用Surpac礦業(yè)軟件對礦體進行三維實體模型的建立。由于礦體厚度較薄，礦體邊界的精確測量就顯得尤為重要，礦體的實際邊界僅根據詳查報告不能真實地反應礦體的形態(tài)，在開拓采礦過程中對礦體邊界進行二次實測，隨時更改礦體邊界。因Surpac軟件北向用y，東向用x表示，在建模過程中注意輸入的字段與坐標是否對應［7］，避免錯誤線文件的生成，經處理后最終得到＋10～＋120 m礦體三維實體模型（見圖2）。

2）建立采空區(qū)三維實體模型。全站儀掃描完成后輸出．xyz文件，通過編輯生成的．txt文件，將其導入Surpac軟件中，需要指出的是全站儀輸出的數據導入Surpac生成的線文件會自動將散點連接成線。

圖2 ＋10～＋120m礦體模型Fig．2 The model of orebody between＋10mto＋120m

將全站儀在所有架設點所得數據進行合并，最終得到空區(qū)線文件，在合并后的線文件處理過程中應注意到掃描點數較少的區(qū)段實際上是不可靠的點，在不影響模型整體性的前提下進行適當取舍是允許的。將處理完成后的線文件通過三角網化創(chuàng)建實體并驗證其是否有效，通過驗證后最終得到空區(qū)實體模型。

圖3 采場采空區(qū)主視圖Fig．3 Main view of stope gob

建立的三維空區(qū)實體模型如圖3和圖4所示。由圖可以直觀看出采空區(qū)實際空間形態(tài)。通過現場數據分析還可以得到更詳細的信息：＋60m中段水平60－6#－2分層和60－6#－3分層回采完畢；60－5#－1分層天井南和天井北回采完畢并已充填，60－5#－2分層也回采完畢并充填；10－3＆4#－1分層一次回采完成后充填；10－4#－2分層已回采完成并充填；10－5#－1分層和2分層也已充填。

以＋10m中段3、4號采場的第一分層為例，通過Surpac三維建模得到采空區(qū)實際體積，同時利用Surpac軟件實體剖面功能得到與采空區(qū)對應的分層礦體邊界（圖5所示），將采空區(qū)與對應的分層礦體進行耦合分析（圖6所示），并計算損失率和貧化率。

4．3 數據處理

圖4 采場采空區(qū)俯視圖Fig．4 Top view of stope gob

圖5 采空區(qū)對應的礦體模型圖Fig．5 Gob corresponding orebody model diagram

圖6 采空區(qū)與礦體耦合模型Fig．6 Gob coupled with the orebody model

1）采礦損失率計算。通過把Surpac軟件建立的礦體三維實體模型與空區(qū)三維實體模型進行耦合計算，利用軟件實體工具中相交并去除公共部分這一指令步驟，最終得到爆破完成后未采下的礦體模型（見圖7）；通過Surpac軟件報告實體體積的指令得出＋10m中段3、4號采場第一分層礦體體積1 724m3，爆破完成后未采下的礦體體積為400m3，依據采礦損失率計算公式［8］：

式中：λ為采礦損失率，%；Vw為爆破完成后未采下的礦體體積，m3；Vf為＋10m中段3、4號采場第一分層礦體體積，m3。

最終計算得出采礦損失率為23．2%，由于運輸過程中可能會造成極少量的礦石損失，計算過程中忽略該部分對損失率的影響。

圖7 爆破完成后未采下的礦體模型Fig．7 The model of remain ore body after the completion of blasting

2）礦石貧化率計算。山后金礦在采礦過程中礦石貧化的主要原因是上盤斷層泥的冒落，而上盤斷層泥幾乎沒有品位，因此礦石貧化率與廢石混入率相等。應用Surpac軟件對礦體與采空區(qū)實體模型進行布爾運算處理，得到＋10m中段3、4號采場第一分層的采空區(qū)體積為1 541m3，爆破后多采下的巖石體積為216m3（見圖8）。根據礦石貧化率計算公式：

式中：γ—礦石貧化率，%；Vy—＋10m中段3、4號采場第一分層爆破后多采下的巖石體積，m3；Vc—采空區(qū)體積，m3。

最終計算得出礦石貧化率為14．02%。

圖8 爆破完成后多采下的巖石模型Fig．8 The model of more mining rock after the completion of blasting

4．4 驗證計算結果

根據山后金礦現場提供的資料，試驗采場第一分層礦石地質品位為2．0g／t，針對試驗采場第一分層計算其采出礦石品位，根據金屬量平衡關系計算公式：

式中：α—采出礦石品位，g／t；γ—礦石貧化率，%；Vf—＋10m中段3、4號采場第一分層礦體體積，m3；λ—采礦損失率，%；Vc—采空區(qū)體積，m3。

最終計算結果是采出礦石品位為1．2g／t。試驗采場采出的礦石集中運到萊西礦業(yè)公司選礦廠，根據選礦廠提供的入選礦石量和金精礦量，選廠浮選回收率為84%，金精礦品位為57．43g／t，能夠計算出入選礦石平均品位為1．13g／t。對比計算結果，采出礦石品位比入選礦石品位稍大（在可接受范圍內），充分說明了Surpac軟件與全站儀測量技術聯合處理礦山損貧指標的分析方法是完全可行的。

5 結論

1）通過后期數據的處理，最終得到試驗采場采礦損失率為23．2%，礦石貧化率為14．02%，計算出的礦石品位與選礦廠提供的入選品位數據比較吻合，充分說明了Surpac軟件與全站儀測量技術聯合處理礦山損貧指標的可行性。

2）＋10m中段試驗采場在進行開采過程中遇到夾石留下作為礦柱，因此計算出的礦石損失率偏大。因此針對尚處于基建期的山后礦區(qū)而言，要想精確計算損失貧化率需要進一步完善對礦體下盤邊界的劃定，進行礦體的二次圈定顯得尤為重要。

3）山后礦區(qū)由于上盤斷層泥的存在使得礦山必須在礦體的上盤留下大量礦柱以保證采場的安全，這必然造成損失率的增加，而斷層泥的冒落則加大了礦石的貧化率。山后礦區(qū)損失貧化率存在較大的優(yōu)化空間，如何最大限度減少礦柱和控制斷層泥的冒落將作為下一步試驗采場的重點進行研究。

4）全站儀探測可以讓我們得到采空區(qū)的邊界坐標，Surpac軟件能夠直觀地反映現場實際情況，在后期數據處理中具有更重要的作用，但是因間隔一定距離進行測量坐標使得測量精度較低，對于較危險的采空區(qū)不能保證人員的安全，對于不規(guī)則的采場需要多次改變基點進行掃描，因此該方法還有待進一步的改善。

［1］ 陳丹輝，韋雪莉，劉曉明．基于CMS空區(qū)探測的貧損控制技術［J］．采礦技術，2010（7）：34－35，146．

［2］ 王 斌，劉保順，王 濤，等．基于Surpac的礦山三維可視化地質模型的研究與應用［J］．中國礦業(yè)，2011（2）：106－109．

［3］ 吳 建．應用Surpac軟件進行地下采礦貧化、損失的可視化管理［J］．新疆有色金屬，2011（4）：37－38，45．

［4］ 程光華，宋衛(wèi)東，張永林，等．模糊數學在山后礦區(qū)采礦方法優(yōu)選中的應用［J］．有色金屬（礦山部分），2013，65（5）：20－23．

［5］ 劉曉明，羅周全，孟穩(wěn)全，等．深井采場大規(guī)?？逅S探測及可視化計算［J］．中南大學學報：自然科學版，2011，42（1）：158－163．

［6］ 曹 帥，景泮印，宋衛(wèi)東，等．CMS探測技術及Surpac軟件在礦山損貧指標分析中的應用［J］．黃金，2013（4）：32－35．

［7］ 周曉將．Surpac在三道莊露天礦地質建模中的應用［J］．有色金屬（礦山部分），2012，64（4）：79－82．

［8］ 羅周全，張 保，劉曉明．基于CMS精密探測的采場貧化損失計算方法［J］．金屬礦山，2007（10）：84－88．