基于Minex 軟件的露天礦建模及設計應用研究

趙 明，王忠鑫，王金金，曾祥玉

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

三維建模軟件的應用在采礦設計中占有重要地位。三維建模軟件可以根據鉆孔數據等建立礦體模型，三維展現礦體位置和形態(tài)。進而建立塊體模型，可以進行儲量計算和刀量切割，并為后續(xù)開采設計創(chuàng)建基礎條件。三維建模已經成為采礦設計中重要的技術手段，通過三維建?？梢詼蚀_、快速、方便的進行采礦設計，提高設計質量[1]。

國內三維建模軟件有3DMine 軟件等。3DMine軟件符合中國礦業(yè)行業(yè)規(guī)范和技術要求，有著與AutoCAD 相似的操作界面，應用普遍[2]。

國外三維建模軟件包括Minex 軟件、Surpac 軟件和Vulcan 軟件等。其中Minex 軟件是由澳大利亞GEMCOM 國際礦業(yè)軟件公司研發(fā)的在礦業(yè)領域內具有國際領先水平的大型數字化礦山工程軟件[3]。專門針對層狀礦床設計[4]，可以實現同時建立多個煤層模型，并且高速高效[5]。主要的核心功能包括地質、露天采礦設計和計劃、地下采礦3 大部分11 個功能模塊，主要有：鉆孔數據庫模塊、煤層模塊、露天礦設計模塊、儲量計算模塊、進度計劃模塊、爆破設計模塊、選煤設計模塊、排土場設計模塊、地質勘察模塊、成圖及效果顯示系統模塊[6]。

由于國外礦山煤層劃分多，根據鉆孔數據庫建立的煤層模型為純煤模型；國內礦山煤層劃分相對較少，建立的煤層模型間含有夾矸。Minex 軟件利用國內礦山鉆孔數據建模及設計，需要改善操作方式。

通過對模型建立和采礦設計過程中儲量報告、境界優(yōu)化和塊體模型等方面操作方式的改進，提高了工作效率和精度。

1 儲量報告

Minex 軟件煤層建立后就可利用煤層模型直接進行儲量報告，無需建立塊體模型后報告儲量。儲量報告的地質煤要與地質報告進行比對核實，誤差太大需要檢查鉆孔數據、建模步驟等，改進模型使地質煤量誤差在3%以內。這樣只是調整煤層模型，不用增加塊體模型的工作量。

1.1 地質儲量

由于國外礦山數據建立的煤層模型為純煤模型，可以直接報告煤層頂底板間的煤量作為地質煤量。國內礦山數據建立的煤層模型含有夾矸，夾矸又有無法像金屬礦內矸石連成實體，通常采用含煤系數計算地質煤量[7-10]。含煤系數法通過鉆孔數據整理出每個煤層的含煤系數，包括地質煤系數，用于核實煤量；毛煤系數、夾矸系數，用于后期采礦設計。

鉆孔數據人工整理成系數費時費力，如果計算原則變化，如小夾矸剔除厚度變化，需要重新進行系數整理?？梢圆捎肊xcel VBA 編程進行系數整理，可提高速度和精度，改變計算原則時，只需改變編程程序就可重新生成系數。

整理完系數后，確定系數名稱，可以作為煤質指標導入鉆孔數據庫，通過估值建立網格模型。儲量報告時添加地質煤系數網格模型，報告煤量和地質煤系數網格模型的均值相乘即為地質煤量。

分煤層分鉆孔進行系數計算，地質煤系數計算公式如下：

式中：Cg為地質煤系數；Lc為純煤厚度，m；Lb為大夾矸厚度，m；Ls為小夾矸厚度，m。

還可以用地質煤系數網格模型和煤層厚度網格模型進行乘法運算，生成純煤厚度網格模型。純煤厚度網格模型和煤層底板網格模型進行加法運算，生成虛擬的純煤頂板網格模型。用生成的純煤模型直接進行儲量報告。

1.2 儲量級別

煤層需要按儲量級別報量時，國外礦山采用JORK 準則，按“測定的資源量”、“標志的資源量”以及“推斷的資源量”分別進行圈定。利用距離網格模型進行儲量級別報量。

國內礦山的儲量級別在煤層資源儲量圖中已圈定完成。可以先建立一個儲量級別網格模型，利用煤層資源儲量圖中儲量級別閉合線進行儲量級別網格模型區(qū)分賦值。儲量報告時添加3 次儲量級別網格模型并確定最小最大值，最小最大值的取值范圍只包含1 個儲量級別的數值，報告煤量時就根據取值范圍區(qū)分儲量級別。

1.3 開采工程量

采礦設計時需要報告毛煤量，作為實際開采的煤量；報告煤層內的剔除矸石量和損失煤量，作為剝離量。毛煤系數計算公式如下：

式中：Cr為毛煤系數；Lcl為煤層頂底板煤損失厚度，m；Lbl為大夾矸頂底板煤損失厚度，m；Nb為大夾矸個數；Dc為純煤密度，t/m3；Lcm為煤層頂底板矸混入厚度，m；Lbm為大夾矸頂底板矸混入厚度，m；Dr為矸石密度，t/m3。

實際開采時，煤層和大夾矸頂底板或者煤損失或者矸混入。報告煤量和毛煤系數均值相乘即為毛煤量。夾矸系數計算公式如下：

式中：R 為夾矸系數。

報告煤體積和夾矸系數均值相乘即為煤層內剝離量。

2 境界優(yōu)化

境界優(yōu)化根據煤層頂底板間煤量和煤層頂底板外剝離量進行收入和成本計算，進行境界圈定。

國外礦山煤層模型可以直接進行境界優(yōu)化。國內礦山煤層模型直接進行境界優(yōu)化，則煤量偏多，剝離量偏少，圈定的境界偏大；需要調整煤層空間結構及密度網格模型后再進行境界優(yōu)化。

調整后的煤層空間結構在境界優(yōu)化過程中煤層頂底板間為實際開采毛煤的體積，煤層頂底板外為實際剝離體積。

2.1 毛煤厚度系數

首先進行毛煤厚度系數計算，計算公式如下：

式中：Crs為毛煤厚度系數。

用毛煤厚度系數網格模型和煤層厚度網格模型進行乘法運算，生成毛煤厚度網格模型?；蛘哂妹汉穸认禂岛兔簩雍穸认喑酥底鳛橹笜酥苯由擅汉穸染W格模型。

由此，境界優(yōu)化就可利用原煤層底板網格模型和毛煤厚度網格模型作為結構模型。

2.2 毛煤密度系數

由于毛煤中含有矸石，原煤層密度偏小，要重新生成密度網格模型，保證毛煤質量準確。毛煤密度系數計算如下：

式中：Crd為毛煤密度系數。

用毛煤密度系數網格模型和煤層密度網格模型進行乘法運算，生成毛煤密度網格模型。或者用毛煤密度系數和煤層密度相乘值作為指標直接生成毛煤密度網格模型。

由此，境界優(yōu)化就可利用毛煤密度網格模型作為密度模型。

3 塊體模型

不同于其他三維建模軟件，如3DMine 軟件，直接確定塊體尺寸大小建立包含煤層和地表模型范圍的長方體式塊體模型。Minex 軟件通過臺階模型高度確定z 軸方向尺寸，通過條帶偏移寬度和塊體偏移寬度確定x 軸和y 軸方向尺寸。從邊界、條帶和塊體方面分步建立四棱臺式塊體模型。臺階模型工作幫臺階寬度和坡面角的設置，使Minex 軟件塊體模型建立和刀量切割同步進行。

傳統方法是通過地表模型和復合底板確定臺階模型數量，通過地表境界線下推至復合底板或深部境界線上推至地表模型確定塊體模型范圍。由于境界線的不規(guī)則性和地表、底板模型標高差異性，邊界線和條帶線進行上推或下推時會出現邊界線重合、條帶線重合、條帶線在邊界線外面需要裁剪條帶線、條帶線不平直等問題。最終進行塊體驗證時，有時大量塊體無法通過驗證，調整又花費很長時間并且難度大，使報告儲量時煤量減少。同時境界調整時又需要重新進行塊體建立，費時費力。

提出大范圍、規(guī)則邊界、平面建模方法，即采用包含境界的矩形邊界，上部約束模型采用高于地表模型的等標高模型，下部約束模型采用低于復合底板的等標高模型。由于上下部約束表面高差一致，分臺階進行上推或下推時的邊界線和條帶線會在同一標高，塊體驗證時也比較容易通過。儲量生成時，只需通過地表模型和境界模型的約束就可形成境界儲量；境界范圍改變時，只需改變境界模型約束就可形成新的境界儲量。

儲量報告時，可分煤層報告總量；也可分臺階、條帶、塊體和煤層分塊報量。分臺階、條帶報告切割刀量后，還要把條帶量匯總，煤質指標和毛煤系數、夾矸系數加權平均，同樣可采用編程進行數據處理。

4 實證研究

以芒來露天礦為研究實例，本礦煤層產狀平緩，傾角小，煤類為褐煤。煤層埋藏淺，含煤5 層，其中可采煤層為B 煤，C2、B2、B1、A2煤為不可采煤層。

4.1 儲量報告

采用地質煤系數法和純煤模型法進行B 煤地質煤報量，地質煤總量見表1。

表1 地質煤總量

由表1 可知，地質煤系數法計算的地質煤量與地質報告相差0.18%，純煤模型法計算地質煤量與地質報告相差0.09%，2 種方法地質煤量差別不大，與地質報告誤差在3%以內，符合設計要求。

采用地質煤系數法分儲量級別進行B 煤地質煤報量，儲量級別地質煤量見表2。

表2 儲量級別地質煤量

由表2 可知，儲量級別地質煤量與地質報告誤差也在3%以內，符合設計要求。

4.2 境界優(yōu)化

本礦小夾矸剔除厚度為0.3 m，煤層頂底板損失煤厚度0.2 m，煤層頂底板無矸混入，大夾矸頂底板煤無損失和矸無混入。B 煤毛煤厚度系數和毛煤密度系數部分由鉆孔計算數據得出（數據略）。

將原煤層模型和毛煤模型進行境界優(yōu)化結果對比，境界對比圖如圖1。

圖1 境界對比圖

由圖1 可知，原煤層模型圈定的境界范圍偏大，開采時，圈定境界中的部分煤為剝離量，與實際不符。圈定的境界不經濟。

4.3 塊體模型

芒來礦地表模型標高最大為986.79 m，為地表模型標高賦值987 m 創(chuàng)建上部約束模型；B 煤底板模型標高最小為618.39 m，為B 煤底板模型標高賦值618 m 創(chuàng)建下部約束模型。邊界采用包含地表境界的矩形閉合線。

采用從坡頂線到坡底線的方式形成各臺階邊界和條帶，其中條帶下推時根據臺階分次進行，下推到下一坡頂線或坡底線，編號最小條帶在邊界外時刪除此條帶，并注意編號最大條帶是否有距離偏移1個條帶。臺階坡底線第1 個條帶在邊界外時，也要刪除本臺階坡頂線的條帶，保持兩者統一。

建立的最上臺階塊體模型和地表境界線，塊體模型圖如圖2。

由圖2 可知，建立的塊體模型范圍大于境界范圍，邊界線為規(guī)則閉合線。

圖2 塊體模型圖

5 結語

1）儲量報告中采用Excel VBA 編程進行含煤系數等數據整理可提高速度和精度；分儲量級別報量可采用網格模型取值范圍確定。

2）采用毛煤厚度和密度進行境界優(yōu)化，結果更接近實際。

3）塊體模型建立采用大范圍、規(guī)則邊界、平面建模方法，提高塊體驗證通過率的同時，改變約束范圍可生成多個境界儲量。

4）實證研究表明，儲量報告結果滿足設計要求；毛煤模型圈定境界準確可靠；采用新方法建立塊體模型方便有效。