地浸開采資源儲(chǔ)量四維動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)在某鈾礦山的應(yīng)用

霍晨琛，肖詩偉，張麗麗，劉曉明

(中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，北京 101149)

資源可視化建模與評(píng)價(jià)技術(shù)是數(shù)字礦山建設(shè)的基礎(chǔ)，為數(shù)字礦山建設(shè)提供基礎(chǔ)平臺(tái)[1]。實(shí)現(xiàn)這一功能的國外數(shù)字礦山軟件主要有Micromine、SURPAC、Datamine等，國內(nèi)研發(fā)的數(shù)字礦山軟件有DIMINE、3DMine[2]。各數(shù)字礦山軟件均可通過對(duì)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取、輸入與管理，實(shí)現(xiàn)三維可視化、儲(chǔ)量估算和計(jì)劃編制；但上述軟件未針對(duì)國內(nèi)地浸鈾礦山特點(diǎn)開發(fā)相應(yīng)功能模塊，如資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理、過濾器快速識(shí)別布置和抽注單元經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等。

地浸開采資源儲(chǔ)量四維動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱RDS系統(tǒng))由中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司自主研發(fā)，是針對(duì)地浸鈾礦山建設(shè)的3D數(shù)字化軟件。RDS系統(tǒng)基于BeeGo系統(tǒng)框架和Go語言開發(fā)，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(MongoDB數(shù)據(jù)庫)，三維模型利用WebGL技術(shù)。該軟件可滿足國內(nèi)地浸鈾礦山的地質(zhì)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、資源模型構(gòu)建、資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理、主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)算、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和采掘技術(shù)計(jì)劃編制、鉆孔建造和出圖等，還可根據(jù)用戶的特定需求進(jìn)行二次開發(fā)。在資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理方面，有別于其他軟件依賴大量文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，再手動(dòng)計(jì)算進(jìn)行儲(chǔ)量管理的“靜態(tài)”三維方式；RDS系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模型和儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行儲(chǔ)量管理，真正實(shí)現(xiàn)了資源儲(chǔ)量四維動(dòng)態(tài)管理。本研究以地浸鈾礦山為例，開展RDS系統(tǒng)在資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理、過濾器布置和技術(shù)指標(biāo)測(cè)算等方面的應(yīng)用與實(shí)踐。

1 礦床概況

礦床位于二連盆地馬尼特坳陷西部的塔北次級(jí)凹陷西段。鈾礦體產(chǎn)于下白堊統(tǒng)賽漢組上段，含礦巖性以灰色砂質(zhì)礫巖及細(xì)砂巖為主，局部為中粗砂巖和粗砂巖。礦床受潛水-層間氧化帶控制，礦體主要以板狀和卷狀為主。礦體長(zhǎng)約8.8 km、寬為100～800 m，面積約2.8 km2，由西向東傾伏，產(chǎn)狀平緩，傾角小于2°?？碧絽^(qū)礦體頂板埋深為96.86～138.52 m，平均厚度為7.11 m，平均鈾品位為0.016 2%，平均平米鈾量為2.34 kgU/m2。從2002年至今，該礦床經(jīng)歷了綜合調(diào)查研究、區(qū)域評(píng)價(jià)、預(yù)查、普查、詳查、地浸試驗(yàn)及開發(fā)利用等階段，目前生產(chǎn)鉆孔布置型式主要為五點(diǎn)型。

2 資源儲(chǔ)量估算及動(dòng)態(tài)管理

2.1 三維礦體模型

在地質(zhì)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，按照地質(zhì)解釋原則構(gòu)建三維礦體可視化模型。該三維礦體模型可以表示礦體的空間形態(tài)及其動(dòng)態(tài)變化、產(chǎn)狀和品位分布等信息，是進(jìn)行資源儲(chǔ)量估算及動(dòng)態(tài)管理、礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)和開采計(jì)劃制定等工作的基礎(chǔ)[3]。

以RDS系統(tǒng)為平臺(tái)，搜集整理礦床詳查、勘探以及部分生產(chǎn)階段的鉆孔坐標(biāo)、測(cè)斜數(shù)據(jù)、樣品數(shù)據(jù)和巖性數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫模塊，在建模模塊的三維空間中顯示鉆孔位置、軌跡和樣段信息。地質(zhì)剖面是構(gòu)建三維礦體模型的依據(jù)，利用剖面線法，依次進(jìn)行創(chuàng)建剖面、礦體圈定、構(gòu)建實(shí)體模型、自定義屬性，構(gòu)建的鈾礦床詳查階段三維礦體模型如圖1所示。詳查階段基本工程間距為200 m×(100～50)m，共設(shè)置139個(gè)鉆孔。從圖1中可以直觀地看到礦體平面呈帶狀延伸的特點(diǎn)。

圖1 鈾礦床詳查階段礦體模型

勘探階段在詳查階段的基礎(chǔ)上增加了41個(gè)鉆孔，基本工程間距為100 m×(100～50)m；根據(jù)鉆孔樣段信息對(duì)鉆孔加密區(qū)的礦體進(jìn)行了重新圈定，得到勘探階段礦體模型，如圖2所示。

勘探結(jié)束后，由于工程控制網(wǎng)度增加，掌握的礦體地質(zhì)信息更加詳實(shí)；與詳查階段相比，礦體形態(tài)發(fā)生了較大變化。礦床開始生產(chǎn)后，采區(qū)陸續(xù)開采，在系統(tǒng)中建立了新增鉆孔數(shù)據(jù)庫，并對(duì)新增鉆孔的采區(qū)進(jìn)行礦體重新圈定，礦體形態(tài)隨鉆孔工程的增加發(fā)生了較大變化，如圖3所示。

圖2 鈾礦床勘探階段礦體模型

圖3 鈾礦床2016年生產(chǎn)階段礦體模型

2.2 資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理

隨著對(duì)礦床持續(xù)的勘探和開采，礦床的開采量和保有資源量處于變動(dòng)狀態(tài)，這會(huì)對(duì)礦山企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生直接影響。礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理可適時(shí)、準(zhǔn)確掌握礦山資源儲(chǔ)量保有、變化情況及變化原因，進(jìn)而促進(jìn)礦山資源儲(chǔ)量的有效保護(hù)和合理利用[4]。

以礦床的Ι-2-5礦體為例，應(yīng)用RDS系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理，詳查階段、勘探階段和開拓階段(2014年)塊段形態(tài)如圖4所示。2015年Ι-2-5礦體開始開采生產(chǎn)，礦體形態(tài)在2014年基礎(chǔ)上不再發(fā)生變化。在RDS系統(tǒng)只需更新不同時(shí)間(或階段)礦體或塊段模型，估算資源儲(chǔ)量；系統(tǒng)將自動(dòng)完成資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化的管理，實(shí)現(xiàn)四維可視化動(dòng)態(tài)管理，資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化統(tǒng)計(jì)見表1。

圖4 礦床Ι-2-5礦體詳查、勘探和開拓階段的形態(tài)變化

表1 礦床Ι-2-5礦體資源變化統(tǒng)計(jì)

RDS系統(tǒng)中的保有資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理模塊把三維礦體模型、資源儲(chǔ)量估算和儲(chǔ)量平衡分析結(jié)合起來，可快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)采區(qū)、礦體或塊段的期初保有量、期初累計(jì)量、開采量、損失量、勘探增減量、重算增減量、期末保有量和期末累計(jì)量的動(dòng)態(tài)管理，有助于礦山企業(yè)掌握一定時(shí)期的資源儲(chǔ)量利用和消耗情況。

3 過濾器布置

過濾器的合理布置對(duì)地浸采鈾起著至關(guān)重要的作用[5]。中國地浸采鈾鉆孔結(jié)構(gòu)多為填礫式，過濾器正對(duì)主礦層安裝，過濾器長(zhǎng)度一般與礦層厚度相當(dāng)。但近年來中國砂巖型鈾礦床的含礦含水層較厚、鈾品位較低，多層礦體、礦層賦存位置變化較大，部分礦層存在多層泥粉質(zhì)夾層；尤其是礦體呈多層不連續(xù)狀產(chǎn)出，致使過濾器空間配置較為困難，易造成過濾器安裝錯(cuò)位，導(dǎo)致在礦石浸出時(shí)浸出劑滲流復(fù)雜，資源利用率低[6]。

針對(duì)多層礦體過濾器空間配置較為困難問題，RDS系統(tǒng)能夠根據(jù)構(gòu)建的礦體模型，在系統(tǒng)中按照一定的井型和井距進(jìn)行鉆孔自動(dòng)布置，如圖5所示。根據(jù)擬布置過濾器鉆孔畫任意一條勘探線，擬布置過濾器鉆孔及其相鄰鉆孔的礦層信息同步顯示，系統(tǒng)中顯示包含勘探線的平面與礦體的交線，可以直觀地獲取鉆孔揭露的礦層厚度及生產(chǎn)鉆孔與相鄰鉆孔礦層位置關(guān)系，快速確定過濾器位置，得到過濾器長(zhǎng)度，如圖6所示。

圖5 鉆孔平面布置圖

圖6 部分鉆孔過濾器布置示意圖

4 主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)算與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

為降低礦山生產(chǎn)成本和提高效益，為后續(xù)生產(chǎn)選擇經(jīng)濟(jì)可采的礦體或資源量，地浸鈾礦山應(yīng)開展生產(chǎn)礦山的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)工作。RDS系統(tǒng)在資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理的基礎(chǔ)上，可以通過鈾金屬價(jià)格和生產(chǎn)成本等數(shù)據(jù)，采用成本法測(cè)算鈾濃度；根據(jù)測(cè)算結(jié)果可以對(duì)未開采的礦體或塊段以及已開采的抽注單元進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，并將經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果和三維礦體模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。本研究著重闡述對(duì)已開采抽注單元的鈾濃度測(cè)算與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

對(duì)礦床的某一塊段進(jìn)行鈾濃度測(cè)算，該礦床2017年主要原材料與動(dòng)力消耗指標(biāo)見表2，人工成本見表3。影響該生產(chǎn)狀態(tài)下技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)因素主要是鈾金屬價(jià)格、原材料價(jià)格、燃料動(dòng)力費(fèi)、維簡(jiǎn)費(fèi)、安全生產(chǎn)措施費(fèi)、折舊費(fèi)、管理費(fèi)、研究開發(fā)費(fèi)等，相關(guān)稅費(fèi)按每m3浸出液的費(fèi)用計(jì)，主要費(fèi)用指標(biāo)見表4。根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，將成本分為直接生產(chǎn)成本、經(jīng)營成本和全成本，其中，直接生產(chǎn)成本為井場(chǎng)和水冶廠直接材料、動(dòng)力費(fèi)及直接生產(chǎn)人員人工費(fèi)；經(jīng)營成本是在直接生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，增加了廠隊(duì)管理人員成本、其他直接支出、維簡(jiǎn)費(fèi)、修理費(fèi)、安全生產(chǎn)措施費(fèi)和其他制造費(fèi)用；全成本為公司全部成本，即在經(jīng)營成本基礎(chǔ)上，增加了公司管理人員成本、折舊費(fèi)、研發(fā)費(fèi)和其他管理費(fèi)用。

表2 2017年主要原材料與動(dòng)力消耗指標(biāo)

表3 人工成本指標(biāo)

表4 主要費(fèi)用指標(biāo)及參數(shù)

根據(jù)直接生產(chǎn)成本、經(jīng)營成本和全成本測(cè)算的鈾質(zhì)量濃度，分別為邊界鈾濃度和邊際鈾濃度和經(jīng)濟(jì)鈾濃度。其中，邊界鈾濃度是判斷抽液孔是否繼續(xù)抽液的指標(biāo)；邊際鈾濃度是判斷抽液孔抽出溶液是否能支撐廠隊(duì)正常運(yùn)行的指標(biāo)，單孔抽液鈾濃度大于邊際鈾濃度，則該抽液孔可支撐廠隊(duì)正常運(yùn)行；經(jīng)濟(jì)鈾濃度則用來判斷抽液孔抽出溶液是否能支撐企業(yè)正常運(yùn)行。

鈾濃度測(cè)算公式[7]：

其中：N0—浸出液鈾質(zhì)量濃度，mg/L；Su′—浸出液成本，元/m3；Z提—鈾提取費(fèi)用，元/tU；εu—水冶廠回收率，%。

鈾提取費(fèi)用按照收購價(jià)，水冶廠回收率按照97%計(jì)，原材料價(jià)格、燃料動(dòng)力價(jià)格和人員工資為推測(cè)數(shù)據(jù)。依據(jù)鈾濃度測(cè)算公式，可獲得測(cè)算的評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表5。根據(jù)正在開采的礦體塊段或抽注單元經(jīng)濟(jì)性判斷條件[8]，當(dāng)抽液孔鈾質(zhì)量濃度低于5.1 mg/L時(shí)，在不考慮其他因素影響的條件下，此抽液孔應(yīng)停止開采。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)完成后，在RDS系統(tǒng)中可直接導(dǎo)出抽液孔測(cè)算結(jié)果(表6)?？梢钥闯?，此塊段所有鉆孔鈾濃度均大于邊界鈾濃度，因此，所有鉆孔均可繼續(xù)生產(chǎn)。

表5 2017年鈾濃度指標(biāo)測(cè)算結(jié)果

表6 某塊段抽注單元鈾質(zhì)量濃度測(cè)算結(jié)果

5 結(jié)論

地浸開采資源儲(chǔ)量四維動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)(RDS系統(tǒng))可以完成地質(zhì)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)三維礦體模型構(gòu)建和動(dòng)態(tài)更新，在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上完成對(duì)礦體塊段資源儲(chǔ)量的估算及動(dòng)態(tài)管理。

針對(duì)多層礦體過濾器空間配置困難問題，RDS系統(tǒng)能有效結(jié)合礦體模型和相鄰鉆孔過濾器布置，獲取過濾器放置位置和長(zhǎng)度配置信息，做到直觀快速地配置鉆孔過濾器。

RDS系統(tǒng)可完成鈾濃度測(cè)算，根據(jù)測(cè)算結(jié)果自動(dòng)對(duì)未開采礦體塊段、已開采礦體塊段和抽注單元進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，并實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果三維可視化展示。RDS系統(tǒng)為礦山計(jì)劃編制和精細(xì)化生產(chǎn)提供了有利條件。