3dmine露天境界優(yōu)化功能的應(yīng)用

李海波

（攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司設(shè)計(jì)研究院, 四川省攀枝花 617063）

在露天礦開(kāi)采過(guò)程中，邊界優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)礦山生產(chǎn)具有重要意義。在露天礦開(kāi)采的實(shí)踐中，其生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策主要側(cè)重于開(kāi)采邊界的設(shè)計(jì)，并為其提供重要的依據(jù)。在露天礦開(kāi)采邊界的優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將開(kāi)采工藝、地質(zhì)參數(shù)、選礦開(kāi)采成本以及市場(chǎng)行情納入重要的衡量因素。

本文以四川省某鐵礦作為實(shí)例，在建立地表模型、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、礦體模型、塊體模型的基礎(chǔ)上，采用3Dmine礦業(yè)軟件，在三種不同條件下進(jìn)行境界優(yōu)化，對(duì)三種不同條件下的邊界優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較，得到了不同條件下的邊界優(yōu)化結(jié)果和結(jié)論［1-2］。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

某礦山礦體主要賦存于元古界火地埡群上兩組岳家河段上部的黑云母斜長(zhǎng)片巖、角閃片麻巖中，主要有編號(hào)為：Fe-N1、Fe-N2、Fe-N3、Fe-N4、Fe-N5、Fe-N6、Fe-N7、Fe-N8、Fe-N9、Fe-N10、Fe-N11、Fe-N12 12個(gè)鐵礦體組成。礦體呈北東～南西向展布，傾角55°～65°，地表出露長(zhǎng)度達(dá)1km，寬3m～100m，礦石呈星點(diǎn)～浸染狀不均勻分布。礦體厚度變化大。磁鐵礦化較弱，礦體品位變化不大，礦體呈短透鏡狀，常見(jiàn)局部突然膨大后在短距離內(nèi)又突然變薄的現(xiàn)象。

2 構(gòu)建3D模型

2.1 原始曲面模型的構(gòu)建

本文利用地質(zhì)隊(duì)提供的1：2000地形地質(zhì)圖建立了原始地表模型，見(jiàn)圖1。

圖1 原始曲面模型

2.2 礦體模型的構(gòu)建

礦體三維模型的構(gòu)建是優(yōu)化露天礦山邊界的基礎(chǔ)，本文利用地質(zhì)隊(duì)提交的《四川省某鐵礦西北段詳細(xì)調(diào)查報(bào)告》中的剖面圖。通過(guò)圖形的整理，二維到三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入到3dmine軟件中，建立并通過(guò)實(shí)體驗(yàn)證的礦體實(shí)體模型［3-5］。

2.3 建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)

本文利用地質(zhì)隊(duì)于2014年9月提交的《四川省某鐵礦北西礦段詳查報(bào)告》結(jié)果建立了地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，化驗(yàn)表包含TFe等級(jí)，TFe含量，mFe等級(jí)，mFe含量，建立完成地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和TFe組合后建立塊體模型作為基礎(chǔ)。

2.4 建立塊模型

塊體模型中包含有采場(chǎng)名稱(chēng)、礦巖類(lèi)型、品位分布、比重、儲(chǔ)量類(lèi)別等，本文采用“普通克里格法”對(duì)塊體進(jìn)行賦值。根據(jù)勘探間距、地質(zhì)可靠程度、設(shè)備型號(hào)、開(kāi)采高度、爆破方式方法等來(lái)確定塊體的尺寸，本次確定塊體尺寸為20×20m×4m（X×Y×Z），次級(jí)模塊尺寸為10m×10m×2m（X×Y×Z），得出最終塊體模型。

為了對(duì)所提交的《地質(zhì)詳查報(bào)告》作出評(píng)論，進(jìn)行了礦體品位統(tǒng)計(jì)和品位累積頻率圖，見(jiàn)圖2、圖3。在3Dmine中計(jì)算出礦體的平均品位為10.05%，《地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》工業(yè)等級(jí)為9.92%。兩者之間的誤差為-1.31%，符合《冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(gb50830-2013)的要求。塊體模型與礦體模型兩者間具有緊密的關(guān)聯(lián)，它們直接或間接的保證了后續(xù)工作的全面開(kāi)展，體現(xiàn)了其重要的保障作用，并且地質(zhì)技術(shù)人員的技術(shù)積累保證了其完善的程度，同時(shí)也包括原始地質(zhì)材料的精準(zhǔn)性與完整性［6-9］。

圖2 品位統(tǒng)計(jì)

圖3 品位累積頻率

3 露天優(yōu)化

3.1 3Dmine邊界優(yōu)化簡(jiǎn)介

3DMine采用最大流量和最小切割原則來(lái)優(yōu)化露天開(kāi)采邊界。該方法具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)并且在數(shù)學(xué)上是嚴(yán)格的。其本質(zhì)與圖論和線(xiàn)性規(guī)劃一致，但算法時(shí)間復(fù)雜度高，效率高。3DMine領(lǐng)域優(yōu)化模塊有五個(gè)選項(xiàng)，即經(jīng)濟(jì)模型，采礦成本，開(kāi)放邊界坡度，采礦約束和輸出選項(xiàng)。礦石價(jià)值可以通過(guò)三種方式計(jì)算：品位、礦石類(lèi)型和區(qū)塊屬性。

3.2 露天境界優(yōu)化原則

露天礦優(yōu)化的基礎(chǔ)取決于礦坑中所有礦石的總和值。也就是說(shuō)，露天礦優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是確定可以產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益的露天采礦邊界。也就是說(shuō)，無(wú)論是擴(kuò)大還是縮小邊界，采礦邊界內(nèi)的所有礦石都應(yīng)該隨著礦坑的減少而產(chǎn)生價(jià)值。

劃定露天開(kāi)采邊界應(yīng)保證礦山生產(chǎn)利潤(rùn)為正，即采用的邊界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理的剝采比；為了充分利用礦產(chǎn)資源，我們應(yīng)該在保證礦業(yè)企業(yè)盈利能力的基礎(chǔ)上，盡可能多地回收礦石。為保證露天礦的安全，圈定的露天礦邊坡傾角應(yīng)小于露天礦穩(wěn)定性所允許的傾角。在劃定露天礦開(kāi)采邊界時(shí)，應(yīng)充分考慮礦區(qū)水文地質(zhì)條件的影響，避免各種嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定的因素。

3.3 露天邊界優(yōu)化方法

露天礦境界優(yōu)化方法主要有兩種：一種是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷，非數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，有啟發(fā)法、手工法、浮動(dòng)圓錐法三種方法，另一種是可用數(shù)學(xué)方法證明正確的，有動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、圖論法、整體線(xiàn)性規(guī)劃法、網(wǎng)絡(luò)流法四種方法。3Dmine礦業(yè)軟件采用圖論法及浮動(dòng)圓錐法來(lái)實(shí)現(xiàn)露天境界優(yōu)化。圖論方法最初是在“露天礦優(yōu)化設(shè)計(jì)”一文中提出的。只需要價(jià)值模型的形成，就可以在任何情況下獲得最大總價(jià)值的最終生產(chǎn)邊界。浮錐法是利用系統(tǒng)仿真技術(shù)解決露天采礦問(wèn)題的一種方法。露天礦實(shí)際上是由許多不同的錐交錯(cuò)可折疊錐模擬的，錐的密度越大，就越接近真正的露天礦。

表1 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

3.4 邊界優(yōu)化參數(shù)值

根據(jù)該礦開(kāi)采成本，攀枝花鐵礦石的市場(chǎng)銷(xiāo)售價(jià)，以及該礦實(shí)際生產(chǎn)能力確定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

3.5 露天境界優(yōu)化過(guò)程

運(yùn)行3DMine軟件，打開(kāi)露天開(kāi)采境界優(yōu)化模塊，選擇按礦石類(lèi)型計(jì)算價(jià)值并輸入上面確定的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)，相應(yīng)的參數(shù)填寫(xiě)在采礦成本，露天邊界坡度，采礦約束和輸出選項(xiàng)中，保存輸入的參數(shù)并單擊“運(yùn)行”獲得最佳境界狀態(tài)。

3.5.1 礦石類(lèi)型優(yōu)化

礦石價(jià)格基于200元/噸，并根據(jù)礦石價(jià)格調(diào)整，-50%、-40%、-30%、-20%、-10%、10%、20%、30%、40%和50%輸出露天礦嵌套。不同礦石價(jià)格邊界優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

3.5.2 按品位變化優(yōu)化

該礦床礦石物質(zhì)組成復(fù)雜，礦石品位變化較大，礦床較多，伴生礦石和巖石類(lèi)型較多。根據(jù)礦石類(lèi)型優(yōu)化，邊界只適用于開(kāi)采具有良好地質(zhì)條件和礦石品位波動(dòng)小的礦床。為了適應(yīng)礦床的實(shí)際情況，根據(jù)等級(jí)變化優(yōu)化礦床邊界。做為礦石考慮的品位變化區(qū)間為9%～15%，每個(gè)品位的價(jià)格按3.00元計(jì)算，根據(jù)礦石價(jià)格調(diào)整：-50%、-40%、-30%、-20%、-10%、10%、20%、30%、40%、50%產(chǎn)量嵌套坑，不同礦石價(jià)格字段的優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

3.5.3 根據(jù)不同坡度角進(jìn)行優(yōu)化

坡角是影響露天邊界優(yōu)化的重要因素。從剝離比的角度來(lái)看，從安全生產(chǎn)的角度來(lái)看，坡角越陡，越好，越慢越安全。

在3DMine軟件中，可以利用軟件對(duì)各種不同的角度進(jìn)行模擬測(cè)定，并且能夠?qū)⒉煌謪^(qū)的特點(diǎn)以獲取不同的傾斜角度數(shù)據(jù)。此次，在不同的方向采用相同的坡度角，坡度為43°～53°，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

4 結(jié)論

三種境界優(yōu)化的礦石總價(jià)值無(wú)法比較，并對(duì)三種狀態(tài)優(yōu)化的礦石量進(jìn)行了比較，按礦石類(lèi)型優(yōu)化境界，礦石量為2018.89萬(wàn)噸；按品位變化優(yōu)化境界，境界內(nèi)礦石為1975.25萬(wàn)噸，按不同邊坡角優(yōu)化境界，境界內(nèi)礦石為2018.89萬(wàn)噸，三種情況兩兩相互比較只相差43.64萬(wàn)噸。這一缺口主要是根據(jù)品位變化來(lái)優(yōu)化境界，考慮到礦石貧化率為5%，采收率為92%。按礦石類(lèi)型及在不同坡度的優(yōu)化中，沒(méi)有考慮礦石的貧化程度和采收率。因此，當(dāng)根據(jù)品位變化對(duì)邊界進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，相對(duì)于根據(jù)礦石類(lèi)型和不同坡角對(duì)邊界進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，邊界內(nèi)的礦石量有所減少。

表2 不同條件下邊界優(yōu)化結(jié)果

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，該礦主要根據(jù)礦石類(lèi)型來(lái)劃分境界，這與實(shí)際生產(chǎn)情況不符。根據(jù)品位變化對(duì)邊界進(jìn)行優(yōu)化，基本符合該礦礦體賦存條件。通過(guò)分級(jí)優(yōu)化領(lǐng)域，可以改變企業(yè)的發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)，這不僅可以維護(hù)企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng),但也滿(mǎn)足需求的資源綜合利用,以礦床的經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大化。