基于3Dmine探討露天境界優(yōu)化設(shè)計(jì)

王瑜，倪凱軍（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧鞍山114004）

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基于3Dmine探討露天境界優(yōu)化設(shè)計(jì)

王瑜，倪凱軍
（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧鞍山114004）

摘要：以包鋼集團(tuán)下屬白云鄂博鐵礦主礦為例，利用3Dmine三維礦業(yè)軟件，建立地表模型、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、礦體模型、塊體模型，在兩種條件下，進(jìn)行露天境界優(yōu)化，選取境界優(yōu)化結(jié)果，布置開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)，在綜合考慮市場(chǎng)礦石銷售價(jià)格波動(dòng)和開(kāi)采成本變化下，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)；礦體模型；塊體模型；境界優(yōu)化

王瑜,碩士，工程師,2007年畢業(yè)于青島理工大學(xué)巖土工程專業(yè)。Email：wangyaowu778899@163.com

在露天礦山設(shè)計(jì)中，境界優(yōu)化設(shè)計(jì)占有十分重要的地位，露天開(kāi)采境界對(duì)露天礦未來(lái)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在境界優(yōu)化的過(guò)程中，應(yīng)全方面考慮地質(zhì)條件、開(kāi)采成本、原礦銷售價(jià)格，且時(shí)時(shí)根據(jù)生產(chǎn)、市場(chǎng)的變化進(jìn)行調(diào)整。

礦業(yè)軟件均含有露天境界優(yōu)化功能模塊，優(yōu)化理論主要為L(zhǎng)-G圖法及浮動(dòng)圓錐法［1］。國(guó)土資源部于1998年開(kāi)始推動(dòng)礦業(yè)軟件的研發(fā)，至2004年已有7款軟件完成了相應(yīng)評(píng)審認(rèn)證，且皆為國(guó)外軟件。之后，軟件評(píng)審認(rèn)證工作一直處于停滯狀態(tài)，直到2015年，兩款國(guó)產(chǎn)礦業(yè)軟件，長(zhǎng)沙迪邁礦業(yè)軟件和北京3Dmine礦業(yè)軟件通過(guò)評(píng)審認(rèn)證，至此國(guó)產(chǎn)礦業(yè)軟件可以在市場(chǎng)上順利推廣。

L-G圖法是Helmut Lerchs和Ingo F.Grossman最初在論文《露天開(kāi)采優(yōu)化設(shè)計(jì)》中提出的，具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)邏輯最終境界優(yōu)化方法，只要給定價(jià)值模型，在任何情況下都可以求出總價(jià)值最大的最終開(kāi)采境界［2］。

浮動(dòng)圓錐法是美國(guó)M.T.潘納等人提出的，這是一種用系統(tǒng)模擬技術(shù)來(lái)解決露天礦開(kāi)采方法。露天礦實(shí)際上是由不同錐度的許多相互交錯(cuò)和重疊的可采圓錐來(lái)模擬,圓錐體越密，越逼近真實(shí)的露天礦。

本次研究以白云鄂博鐵礦主礦為例，使用3Dmine軟件，建立地表模型、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、礦體模型、塊體模型，在此基礎(chǔ)上，在兩種條件下進(jìn)行境界優(yōu)化，并對(duì)比兩種境界優(yōu)化結(jié)果，建立開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)，得出結(jié)論。

1　礦區(qū)概況

白云鄂博鐵礦主礦礦體是一個(gè)完整的東西向向斜構(gòu)造，兩翼為白云巖，軸部為富鉀板巖。主礦體受鈉、氟交代蝕變作用強(qiáng)烈，鈮、稀土礦化亦強(qiáng)；礦體分帶現(xiàn)象明顯，而鐵礦體上下盤圍巖則是白云石型鈮、稀土礦石，其氟、鈉交代作用很弱，其礦石類型的分布受原巖巖性控制的特征也表現(xiàn)最為明顯。南翼高磁區(qū)由于受花崗巖侵入而被破壞。

本礦區(qū)的礦段，由東14剖面至西2剖面，如圖1所示。白云鄂博鐵礦主礦采用露天開(kāi)采，現(xiàn)最低開(kāi)采水平是1 472 m。

圖1　1:1 000地表地形圖

2　三維建模

2.1地表模型

構(gòu)建地表模型是進(jìn)行露天境界優(yōu)化的先決條件，地表模型面積必須足夠大，以滿足露天坑的要求，本次構(gòu)建的地表模型采用的是1:1 000的地表地形圖,地表模型如圖2所示。

2.2構(gòu)造模型及礦體模型

本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，這里將構(gòu)造模型省略。

構(gòu)建礦體模型是進(jìn)行露天境界優(yōu)化的基礎(chǔ)。依據(jù)《地質(zhì)勘查報(bào)告》中的地質(zhì)剖面圖，在3DMine環(huán)境下，構(gòu)建三維礦體模型，礦體模型見(jiàn)圖3。

圖3　礦體模型

2.3地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)《2013年白云鄂博鐵礦主礦生產(chǎn)勘探地質(zhì)報(bào)告》構(gòu)建地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中包含：定位表、測(cè)斜表、化驗(yàn)表?；?yàn)表中有TFe品位、FeO含量、FeCO3含量、FeSiO3含量、磁性率、磁鐵礦對(duì)全鐵的占有率、全鐵與亞鐵比值劃分，然后，對(duì)TFe品位進(jìn)行樣品組合，為塊體模型的建立做準(zhǔn)備，地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)如圖4所示。

圖4　地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

2.4塊體模型

塊體模型中包含塊體體重、TFe品位、FeO含量、FeCO3含量、FeSiO3含量、磁性率信息。這里采用“距離冪次反比法”對(duì)塊體進(jìn)行賦值。根據(jù)之前初步設(shè)計(jì)，塊體尺寸選擇14 m×14 m×14 m，得到最終的塊體模型，塊體模型如圖5所示［3］。

圖5　塊體模型

對(duì)礦體品位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及繪制品位累積頻率，以便進(jìn)行地質(zhì)報(bào)告評(píng)述。品位統(tǒng)計(jì)如圖6所示，品位累積頻率如圖7所示。

圖6　品位統(tǒng)計(jì)

圖7　品位累積頻率

3Dmine計(jì)算的礦體平均品位為30.88%，“地質(zhì)勘查報(bào)告”［4］中的工業(yè)品位為32.5%，兩者誤差4.985%，這一差距滿足《冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。礦體模型、塊體模型、構(gòu)造模型的建立是后續(xù)工作的前提，其完善程度主要取決于地質(zhì)工程師的業(yè)務(wù)能力和原始地質(zhì)資料的完備性和準(zhǔn)確性。

3　露天境界優(yōu)化

3Dmine礦業(yè)軟件露天境界優(yōu)化功能模塊采用L-G圖論法，該方法具有數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，復(fù)雜度低，效率高等優(yōu)點(diǎn)［5-6］。

3.1境界優(yōu)化參數(shù)的選取

根據(jù)當(dāng)前鐵礦石國(guó)內(nèi)銷售價(jià)格及開(kāi)采成本，確定境界優(yōu)化采用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(源自實(shí)地調(diào)查)見(jiàn)表1。根據(jù)白云鄂博鐵礦實(shí)際生產(chǎn)能力，確定露天境界的技術(shù)指標(biāo)(源自初步設(shè)計(jì))見(jiàn)表2。其中鐵礦石銷售價(jià)格（RMB/元）按內(nèi)蒙古地區(qū)硫含量低、硅含量低、平均品位約30%的原礦計(jì)價(jià)。

表1　經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2　技術(shù)指標(biāo)

3.2按礦石類型優(yōu)化境界

依據(jù)設(shè)定好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采用3Dmine軟件進(jìn)行境界優(yōu)化，按礦石類型進(jìn)行境界優(yōu)化，礦體品位統(tǒng)一假想為30.88%。按礦石價(jià)格調(diào)整-50%、-30%、-10%、10%、30%的情況下輸出露天嵌套坑，不同礦石價(jià)格境界優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3和圖8。按回采臺(tái)階數(shù)分別遞增2的情況下輸出露天嵌套坑，不同回采臺(tái)階下境界優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表4和圖9所示。

表3　不同價(jià)格下境界優(yōu)化結(jié)果

圖8　按價(jià)格調(diào)整境界優(yōu)化

表4　不同臺(tái)階境界優(yōu)化結(jié)果

圖9　按回采臺(tái)階激增數(shù)境界優(yōu)化

從表4可以看出，剝采比隨臺(tái)階水平降低逐漸增加。根據(jù)按礦石類型優(yōu)化境界的結(jié)果繪制剝采比與礦石銷售價(jià)格關(guān)系曲線見(jiàn)圖10。

圖10　剝采比與礦石銷售價(jià)格關(guān)系曲線

從圖10可以看出，剝采比隨價(jià)格增加逐漸增大，在基準(zhǔn)價(jià)格100元附近增速放緩，對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)價(jià)格100元的露天坑底是1 240m。

在實(shí)際生產(chǎn)中，礦山企業(yè)根據(jù)原礦市場(chǎng)價(jià)格，調(diào)整露天開(kāi)采境界、剝采比，以使礦山的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大。不同情況下的境界優(yōu)化可以為礦山生產(chǎn)提供多種方案和決策依據(jù)。

根據(jù)《冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，大型礦山的服務(wù)年限超過(guò)20年，在進(jìn)行境界優(yōu)化時(shí)，采用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均為靜止指標(biāo)，而生產(chǎn)成本隨設(shè)備效率、管理手段、人員素質(zhì)時(shí)時(shí)變化，原礦銷售價(jià)格隨市場(chǎng)行情也時(shí)時(shí)變化，因此，最優(yōu)境界是不可能獲得的，通過(guò)各種方法得出的露天境界基本上都是相對(duì)的，是當(dāng)前技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下的最優(yōu)境界。礦山在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)新的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)露天最終境界進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整［6］。

3.3按品位變化優(yōu)化境界

白云鄂博礦床是鐵、鈮、稀土綜合性礦床，礦床礦石物質(zhì)成分極為復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)有的各種分析測(cè)試結(jié)果，共發(fā)現(xiàn)71種元素，該地區(qū)的鐵礦石品位變化幅度大，礦床夾石多，伴生礦、巖種多。按礦石類型優(yōu)化境界僅僅適合地質(zhì)條件好、礦石品位波動(dòng)不大的鐵礦床開(kāi)采。為了適合白云鄂博地區(qū)的實(shí)際情況，現(xiàn)按品位變化優(yōu)化境界，之后對(duì)比這兩種優(yōu)化境界結(jié)果的異同。按品位變化優(yōu)化境界，可做為礦石考慮的品位變化區(qū)間是26.00%～ 55.53%，每個(gè)品位的價(jià)格是3.188元，按礦石價(jià)格調(diào)整：-50%、-30%、-10%、10%、30%、50%的情況下輸出露天嵌套坑，不同礦石價(jià)格境界優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表5、圖11。

表5　不同價(jià)格下境界優(yōu)化結(jié)果

圖11　按價(jià)格調(diào)整境界優(yōu)化

按回采臺(tái)階數(shù)分別遞增2的情況下輸出露天嵌套坑，不同回采臺(tái)階下境界優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表6和圖12所示。

表6　不同臺(tái)階下境界優(yōu)化結(jié)果

圖12　按回采臺(tái)階激增數(shù)境界優(yōu)化

從表6可以看出，剝采比隨臺(tái)階水平的降低，逐漸增加。根據(jù)按礦石類型優(yōu)化境界的結(jié)果繪制剝采比與價(jià)格變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖13。

圖13　剝采比與礦石銷售價(jià)格關(guān)系曲線

由圖13可以看出，剝采比隨價(jià)格的增加，逐漸增大，在基準(zhǔn)價(jià)格100元附近增速放緩，對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)價(jià)格100元的露天坑底是1 240m。

4　開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置

根據(jù)白云鄂博鐵礦要求，開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)采用汽車+固定式破碎機(jī)+膠帶方式，一期破碎站處于1 540m水平，二期破碎站處于1 458 m水平。開(kāi)拓運(yùn)輸?shù)缆穮?shù)見(jiàn)表7。

表7　開(kāi)拓運(yùn)輸?shù)缆穮?shù)

參考境界優(yōu)化結(jié)果，并考慮開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)，進(jìn)入人機(jī)對(duì)話，最終圈定露天開(kāi)采境界。最終境界如圖14所示。

圖14　最終露天開(kāi)采境界

在露天礦山設(shè)計(jì)中，境界圈定是極其重要且又十分復(fù)雜的，直接影響礦山企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益。隨著原礦銷售價(jià)格的不斷變化和采選技術(shù)的發(fā)展，要求露天礦的境界實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，但是手工圈定露天境界的工作量是十分巨大且復(fù)雜的，3Dmine很好地解決了這個(gè)問(wèn)題［7］。

5　結(jié)論

（1）兩種境界優(yōu)化的總價(jià)值不具備可比性，兩種境界優(yōu)化的礦石量具備可比性。按礦石類型優(yōu)化境界，境界內(nèi)礦石大約為8 315.04萬(wàn)t；按礦石品位變化優(yōu)化境界，境界內(nèi)礦石大約為7 483.536萬(wàn)t，兩者相差831.504萬(wàn)t。按品位變化優(yōu)化境界時(shí)，境界內(nèi)礦石量比按礦石類型優(yōu)化境界時(shí)的境界內(nèi)礦石量明顯減少。

（2）在實(shí)際設(shè)計(jì)中，鐵礦山往往按礦石類型來(lái)圈定境界（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段），這與實(shí)際情況是不相符的，境界內(nèi)的礦石量往往偏大，導(dǎo)致生

產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計(jì)能力。

（3）按品位變化優(yōu)化境界，比較符合實(shí)際情況，這也與白云鄂博鐵礦床賦存條件相一致。

總之，按品位變化優(yōu)化境界可改變粗放型的發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)，符合國(guó)家“十三五規(guī)劃”提倡“節(jié)約”的精神。

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（編輯賀英群）

修回日期：2015-12-01

Study on Optim ized Design for Open-pit Boundary Based on 3Dm ine

Wang Yu,Ni Kaijun
（Mining Design Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114004,Liaoning,China）

Abstract：Taking the main stope of iron ore mined in Bayan Obo of Baosteel Group as the sample,the terrain models,geological database,ore body models and ore block models were established by 3D mining software.Based on the two types of conditions,the optimization of the open-pit boundary was done so that the optimized data for the boundary were selected and furthermore the opening and transportation system was arranged and assigned.So themaximization of economic benefitswas achieved in view of the fluctuations in prices at ore salesmarket and the variation in cost in oremining.

Key words：geological database；ore bodymodel；ore block model；boundary optimization

中圖分類號(hào)：TD854

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-4613（2016）02-0020-05