基于三維軟件的某露天礦山境界優(yōu)化研究與應(yīng)用*

白二濤，王金院，李 巖，梁吉佳，朱榮成

（青海鴻鑫礦業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000）

?？囝^礦區(qū)采選工程（一期） 為生產(chǎn)礦山，開(kāi)采對(duì)象為M1礦段淺部礦體，采用露天開(kāi)采方式，礦山生產(chǎn)規(guī)模為75×104t/a，于2017年9月26日建成投產(chǎn)。該礦山為凹陷露天礦，原初步設(shè)計(jì)露天境界上口尺寸（長(zhǎng)×寬） 為（760×440） m，最高臺(tái)階標(biāo)高為3 648 m，封閉圈標(biāo)高為3 600 m，坑底標(biāo)高為3 480 m，臺(tái)階高度12 m（并段24 m），安全平臺(tái)寬度3 m，清掃平臺(tái)寬度（8～10）m，臺(tái)階坡面角65°～70°，靠近地表第四系為45°，最終邊坡角45°～47°，運(yùn)輸?shù)缆穼挾?4 m（雙線）8 m（單線）、道路坡度8%（永久坑線）、9%（臨時(shí)坑線）。該礦山采剝作業(yè)采用外包模式，目前露天采場(chǎng)已開(kāi)采至3 504 m平臺(tái)，采場(chǎng)北、東、西三面3 528 m平臺(tái)以上已基本剝離到位，現(xiàn)主要?jiǎng)冸x工作在采場(chǎng)南部。經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，M1礦段上部已形成一個(gè)大規(guī)模開(kāi)采的露天礦，鑒于前期開(kāi)采使礦體上覆圍巖相對(duì)變薄，M1礦段二期仍然具備繼續(xù)露天開(kāi)采的條件，結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及圍巖揭露情況，綜合考慮現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)條件下，利用三維軟件建立礦床地質(zhì)模型和經(jīng)濟(jì)模型[1-2]，對(duì)M1礦段一期境界外的掛幫礦體以及坑底3 480 m平臺(tái)以下的深部礦體進(jìn)行境界優(yōu)化，最終確定最優(yōu)的露天開(kāi)采境界[6-7]。

1 礦床概況

該礦山M1礦段為矽卡巖型成因的鐵多金屬礦床，區(qū)內(nèi)共探明46條礦體，以中部的1#及深部的5#礦體為主。礦體均傾向北東，傾角多在4°～22°之間，礦體形態(tài)一般為透鏡狀或似層狀，少數(shù)為豆瓣?duì)?，?nèi)部有夾石，可見(jiàn)分枝復(fù)合現(xiàn)象，礦體厚度穩(wěn)定程度為較穩(wěn)定，全區(qū)厚度變化系數(shù)65%；1#礦體：由24～06勘探線上的50個(gè)鉆探工程控制，礦體賦存于M1礦段中部的矽卡巖帶內(nèi)，礦體形態(tài)呈似層狀、豆瓣?duì)?，西淺東深，在傾向及走向上均具分支復(fù)合、膨大收縮之特征。礦體長(zhǎng)500 m，傾向北東，傾角4°～18°，平均延深238.89 m，平均厚度6.59 m，厚度變化系數(shù)84.18%；5#礦體：由20～15勘探線上的76個(gè)鉆探工程控制，為M1磁異常區(qū)埋深最大、規(guī)模最大的一條礦體。礦體賦存于深部矽卡巖帶中，形態(tài)受下伏二長(zhǎng)花崗巖控制明顯，為銅、鉛、鋅、硫復(fù)合型礦體。礦體形態(tài)呈似層狀、透鏡狀、豆瓣?duì)睿鳒\東深，在傾向及走向上均具分枝復(fù)合、膨大收縮之特征。礦體長(zhǎng)925 m，傾向北東，傾角1°～22°，平均延深557.18 m，平均厚度13.01 m，厚度變化系數(shù)52.32%。

2 礦床開(kāi)采條件

2.1 工程地質(zhì)條件及礦巖力學(xué)參數(shù)

綜合鉆孔工程地質(zhì)編錄、巖石物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)成果，依照巖組強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、巖體性質(zhì)的不同將M1礦段內(nèi)巖、土體的工程地質(zhì)類型可劃分如下幾組-巖（礦）體：塊狀堅(jiān)硬的花崗巖組、塊狀次堅(jiān)硬的矽卡巖組、塊狀次堅(jiān)硬的鐵多金屬礦石巖組、層狀次堅(jiān)硬-堅(jiān)硬的碳酸鹽巖組、塊狀堅(jiān)硬的角巖組；土體：殘坡積砂礫巖土、沖積洪積砂礫石土、風(fēng)積砂質(zhì)土。

2.1.1 巖（體）工程地質(zhì)類型

1） 松散巖（土） 體巖組：M1礦段土體類型簡(jiǎn)單，主要為單層結(jié)構(gòu)碎塊石，土體結(jié)構(gòu)松散－密實(shí)，顆粒級(jí)配不良。主要為沖洪積砂礫石（土）層、殘坡積砂礫石（土）層和風(fēng)積砂質(zhì)土層，厚度多在（10～50） m。礦區(qū)地表廣泛分布有土質(zhì)松散的風(fēng)積砂質(zhì)土層（砂質(zhì)成分占70%以上），厚（0.5～5） m；在風(fēng)積砂質(zhì)土層之下普遍存在殘坡積砂礫石（土）層，主要由粒徑大小懸殊、磨圓度及分選性差的松散碎石塊組成（成分與山坡巖體一致）；沖洪積砂礫石層主要分布在?？囝^溝和半個(gè)呆溝，土體松散，礫石成分較復(fù)雜，粒徑一般（2～10）cm，分選性及磨圓度較好；

2） 塊狀堅(jiān)硬花崗巖組：M1礦段內(nèi)花崗巖主要以隱伏形式存在，多在鉆孔深部可見(jiàn)，巖體的具體規(guī)模不清，最大埋深超過(guò)300 m，一般（100～200）m；其巖石類型主要有印支期斜長(zhǎng)花崗巖和二長(zhǎng)花崗巖，多為中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度（43.7～129.4） MPa，平均80.94 MPa；天然抗拉強(qiáng)度（5.0～8.1） MPa，平均6.66 MPa；天然抗剪切強(qiáng)度（8.1～14.0） MPa；鉆孔巖芯塊度一般為塊狀-長(zhǎng)柱狀，其巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD） 一般在86.57%～95.8%，平均92.94%，巖石質(zhì)量等級(jí)特好，巖石質(zhì)量?jī)?yōu)，巖體完整性為巖體完整；

3） 塊狀次堅(jiān)硬矽卡巖組：該巖組在M1礦段內(nèi)發(fā)育較廣泛，是鐵多金屬礦體的主要賦礦圍巖。巖石類型主要有透輝石矽卡巖、石榴石透輝石矽卡巖、石榴石矽卡巖、綠簾石透輝石矽卡巖、透閃石矽卡巖、綠泥石矽卡巖等，多為中細(xì)-中粗粒粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度（76.2～223.8） MPa，平均135.08 MPa；天然抗拉強(qiáng)度（4.6～11.0） MPa，平均7.23 MPa；天然抗剪切強(qiáng)度（6.8～16.5） MPa；巖芯塊度一般呈塊狀至長(zhǎng)柱狀，巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）平均94.80%，巖石質(zhì)量等級(jí)特好，巖石質(zhì)量?jī)?yōu)，巖體的完整性為巖體完整。巖組中局部與碳酸鹽巖組接觸的部位，特別是與破碎帶接觸的位置，由于結(jié)構(gòu)面發(fā)育，為碎裂狀結(jié)構(gòu)類型，工程地質(zhì)性質(zhì)惡化，巖石穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生礦床頂板冒落；

4）塊狀次堅(jiān)硬鐵多金屬礦石巖組：M1礦段內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的主要礦石類型有磁鐵礦礦石、磁黃鐵礦礦石、黃鐵礦礦石、方鉛礦礦石、閃鋅礦礦石、方鉛礦閃鋅礦礦石和黃銅礦礦石等，多為中細(xì)-中粗粒粒狀結(jié)構(gòu)，浸染狀-團(tuán)塊狀構(gòu)造。該巖組主要賦存在矽卡巖組內(nèi)，巖石堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度（88.2～100.9） MPa，平均94.55 MPa；天然抗拉強(qiáng)度（3.8～3.9） MPa，平均3.85 MPa；天然抗剪切強(qiáng)度（10.4～13.2） MPa；礦芯塊度塊狀至長(zhǎng)柱狀均有出現(xiàn)，其巖石質(zhì)指標(biāo)（RQD） 平均96.93%，巖石質(zhì)等級(jí)特好，巖石質(zhì)優(yōu)，巖體的完整性為巖體完整；

5）層狀次堅(jiān)硬-堅(jiān)硬碳酸鹽巖組：為M1礦段內(nèi)發(fā)育的主要地質(zhì)體，巖石類型有大理巖、白云質(zhì)大理巖、含碳質(zhì)大理巖、灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r等，常見(jiàn)中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。巖石相對(duì)較堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度（31.3～114.5） MPa，平均63.14 MPa；天然抗拉強(qiáng)度（2.2～7） MPa，平均4.1 MPa；天然抗剪切強(qiáng)度（5.1～12.9） MPa；鉆孔巖芯塊度一般為短株?duì)?長(zhǎng)柱狀，其巖石質(zhì)指標(biāo)（RQD） —般在85.63%～79%，平均89.45%，巖石質(zhì)等級(jí)一般，巖石質(zhì)良，巖體的完整性為巖體較完整。鉆探工程施工時(shí)在該巖組中局部見(jiàn)有碎裂狀發(fā)育，在礦區(qū)深部見(jiàn)有少具碎裂巖化的大理巖、灰?guī)r等。為碎裂、散體結(jié)構(gòu)類型，主要由巖粉、角礫巖、碎裂巖、碎裂巖化的大理巖、灰?guī)r等組成，一般為軟質(zhì)的，巖石質(zhì)量極劣，巖體破碎，開(kāi)采時(shí)與礦床接觸部位的井巷圍巖容易產(chǎn)生頂扳冒落；

6） 塊狀較硬角巖組：M1礦段內(nèi)角巖多在鉆孔深部可見(jiàn)，巖體的規(guī)模較大，分布較穩(wěn)定，最大埋深超過(guò)200 m，—般約（70～150） m；其巖石類型主要為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度 （74.7～132.6） MPa，平均 100.67 MPa；天然抗拉強(qiáng)度 （3～11.3） MPa，平均 6.60 MPa；天然抗剪切強(qiáng)度（5.4～15.8） MPa；鉆孔巖芯塊度一般為塊狀-長(zhǎng)柱狀，其巖石質(zhì)指標(biāo)（RQD） -般在84.62%～92.29%，平均88.46%，巖石質(zhì)等級(jí)好-特好，巖石質(zhì)優(yōu)，巖體完整性為巖體較完整。

2.1.2 邊坡分析

該露天礦山開(kāi)采礦種為鉛鋅礦、硫銅礦、硫鐵礦，礦區(qū)位于祁漫塔格山北坡。工程地質(zhì)條件，露天坑的北部組成該區(qū)邊坡的巖層自上至下依次是第四系砂土層、大理巖、矽卡巖（礦體），露天坑的東側(cè)組成該區(qū)邊坡的巖層主要是大理巖，露天坑的南部組成該區(qū)邊坡的巖層主要是大理巖，在上部山谷處分布有十米左右的第四系砂土層，露天坑的西部組成該區(qū)邊坡的巖層自上至下為第四系砂土層、大理巖層、矽卡巖層（礦體） 和花崗巖層，露天坑的西北部，組成該區(qū)邊坡的巖層自上至下為第四系砂土層、大理巖層、矽卡巖層（礦體）和花崗巖層。總體來(lái)講該露天坑北部、西部區(qū)域內(nèi)的巖體完整性較差，節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，對(duì)邊坡的穩(wěn)定影響較大，東部和南部節(jié)理、裂隙不發(fā)育，巖體完整性一般，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較小。含礦巖體主是矽卡巖，硬度相對(duì)較硬。

2.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)水文條件受氣象、地質(zhì)、地形地貌等因素的影響，發(fā)育有幾條大小規(guī)模相近季節(jié)性山岳河流，自西向東有：四角羊溝、?？囝^溝、夏努溝，匯水面積約120 km2。礦區(qū)在區(qū)域上屬于中低山區(qū)，礦區(qū)降雨很小對(duì)地下水的補(bǔ)給意義不大，依據(jù)露天坑現(xiàn)出水位置，礦區(qū)地下水主要以北部和南部裂隙巖溶水及第四系松散巖類孔隙潛水的補(bǔ)給為主。礦區(qū)碳酸鹽巖作為礦體頂板，與礦體直接接觸，為礦體主要的直接充水含水層。該礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高3 591 m，而主礦體出露標(biāo)高多在相對(duì)侵蝕基準(zhǔn)面以下，地形條件不利于自然排水。依據(jù)2020年礦區(qū)實(shí)際排水情況預(yù)測(cè)礦坑涌水，雨季正常礦坑涌水8 480 m3/d，最大正常礦坑涌水11 190 m3/d。旱季正常礦坑涌水6 630 m3/d，最大正常礦坑涌水8 750 m3/d。

礦區(qū)主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，附近地表水不構(gòu)成礦床的主要充水因素，主要充水含水層、構(gòu)造破碎帶富水性中等，地下水補(bǔ)給條件差，水文地質(zhì)邊界較復(fù)雜，因此劃分為水文地質(zhì)條件中等的礦床。

2.3 環(huán)境地質(zhì)條件

礦區(qū)地處地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)代活動(dòng)的基本穩(wěn)定區(qū)，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度，地表及地下建筑工程抗震烈度應(yīng)按7°或高于7°設(shè)防。礦區(qū)位于柴達(dá)木盆地南緣中海拔低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)自然環(huán)境惡劣，植被不發(fā)育，無(wú)工、農(nóng)業(yè)，人跡罕至，礦區(qū)附近無(wú)污染源，地表、地下水水質(zhì)良好，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好。

3 露天開(kāi)采境界的確定

3.1 圈定露天開(kāi)采境界遵循的原則

根據(jù)?？囝^M1礦段礦體的埋藏條件、礦石品位、產(chǎn)狀和分布及地表地形條件，確定露天開(kāi)采境界的圈定原則如下：①境界剝采比及平均剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比；②露天開(kāi)采總成本不大于地下開(kāi)采總成本；③保證露天開(kāi)采境界內(nèi)采出的礦石要有盈利；④充分利用礦產(chǎn)資源，充分發(fā)揮露天礦山資源利用率高的優(yōu)勢(shì)，盡可能將更多的礦石圈定在露天開(kāi)采境界內(nèi)；⑤露天采場(chǎng)最終邊坡角應(yīng)等于或小于露天邊坡穩(wěn)定所允許的角度，以確保露天采場(chǎng)的安全生產(chǎn)。

3.2 圈定露天境界的方法及其主要約束條件

3.2.1 圈定露天境界的方法

建立礦床地質(zhì)模型和經(jīng)濟(jì)模型，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化最優(yōu)境界。

3.2.2 地質(zhì)模型

根據(jù)批準(zhǔn)的地質(zhì)勘查報(bào)告和資源儲(chǔ)量核查報(bào)告資料，采用3Dmine礦山軟件建立M1礦體三維模型。塊體模型：塊體單位尺寸為長(zhǎng)×寬×高為（5×5×2）m，靠近礦體邊緣依據(jù)軟件采用次級(jí)開(kāi)采單元逼近，最小開(kāi)采單元為（1.25×1.25×1.25） m。

3.2.3 經(jīng)濟(jì)模型

在境界優(yōu)化過(guò)程中，輸入經(jīng)濟(jì)參數(shù)，建立經(jīng)濟(jì)模型。輸入的主要參數(shù)有：按鉛精礦、鋅精礦、鐵、銅、銀、硫10年平均銷(xiāo)售價(jià)格（含稅價(jià)）、采礦貧化率、硫鐵銅選礦指標(biāo)、鉛鋅礦選礦指標(biāo)、采礦成本、選礦成本（含期間費(fèi)用）等，具體參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 M1礦段露天境界優(yōu)化參數(shù)表Tab.1 Parameters of open pit boundary of M1 ore block

表2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)表Tab.2 Table of economic and technical parameters

3.2.4 經(jīng)濟(jì)合理剝采比的確定

根據(jù)開(kāi)采技術(shù)條件，總結(jié)多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及開(kāi)采成本，結(jié)合礦體賦存條件，經(jīng)濟(jì)合理剝采比計(jì)算見(jiàn)表2，經(jīng)濟(jì)合理剝采比計(jì)算結(jié)果為7.3 m3/t（19.77 t/t）。此次設(shè)計(jì)采用Whittle礦業(yè)軟件進(jìn)行境界優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)合理剝采比僅用于對(duì)優(yōu)化結(jié)果的復(fù)核。

3.3 主要約束條件

本次設(shè)計(jì)開(kāi)采境界的地表約束條件為“露天采場(chǎng)2021年3月現(xiàn)狀地形”。

3.4 開(kāi)采境界

3.4.1 采場(chǎng)邊坡參數(shù)

根據(jù)北京礦冶研究總院關(guān)于“?？囝^礦區(qū)M1磁異常區(qū)鐵多金屬礦采礦工程巖石力學(xué)研究報(bào)告”并綜合礦山生產(chǎn)實(shí)際，確定的最終采場(chǎng)邊坡參數(shù)如下：臺(tái)階高度：12 m（最終并段為24 m）；臺(tái)階坡面角：65°、軟巖55°；并段部分臺(tái)階：安全平臺(tái)寬度、清掃平臺(tái)寬度8 m；運(yùn)輸?shù)缆穼挾龋簡(jiǎn)尉€8 m、雙線14 m；運(yùn)輸線路最大坡度：8%；運(yùn)輸線路最小彎道半徑：15 m，最終邊坡角45°～47°。

3.4.2 境界優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上述的礦床模型、經(jīng)濟(jì)模型和初步預(yù)測(cè)的金屬或精礦售價(jià)，利用Whittle軟件，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行露天境界優(yōu)化，凈現(xiàn)值選取8%，得出不同的方案，優(yōu)化結(jié)果樣見(jiàn)表3，圖1。

圖1 M1礦段露天優(yōu)化境界坑分析圖Fig.1 Analysis diagram of optimized boundary of open pit in M1 ore block

表3 盈利法計(jì)算經(jīng)濟(jì)合理剝采比（Nj=（Al-Ad）/b t/t）Tab.3 Economically reasonable stripping ratio calculated by profit method

表3 M1礦段露天境界優(yōu)化結(jié)果表Tab.3 Optimization results of open pit boundary of M1 ore block

3.4.3 境界優(yōu)化方案選取

根據(jù)表3和圖1，NPV最大的境界方案為Pit9，但參考境界剝采比小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比[3-5]（19.77 t/t）的境界確定原則最優(yōu)境界為Pit6，從兩個(gè)境界采出礦石量分析，不管采用哪個(gè)境界方案，境界方案外的所剩資源已不足10%，從剩余資源賦存條件來(lái)看，不足以獨(dú)立形成地采開(kāi)采系統(tǒng)，為充分利用資源設(shè)計(jì)選取NPV最大的的境界方案為Pit9，為使方案最優(yōu)，按方案Pit9圈定境界后，再進(jìn)行人工優(yōu)化，最終確定最優(yōu)的露天開(kāi)采境界。

3.4.4 終了境界

根據(jù)優(yōu)化的露天方案和確定的露天采場(chǎng)邊坡參數(shù)，設(shè)計(jì)將臺(tái)階坡面角、平臺(tái)寬度、坑內(nèi)開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)、最小工作平臺(tái)寬度等采場(chǎng)基本要素布置進(jìn)去，設(shè)計(jì)最終確定的露天終了境界三維視圖如下圖2、圖3所示，終了境界主要指標(biāo)見(jiàn)表4。設(shè)計(jì)最終確定的露天境界最大長(zhǎng)度960 m，最大寬度760 m，最高臺(tái)階標(biāo)高3 660 m，封閉圈標(biāo)高3 624 m，采場(chǎng)坑底標(biāo)高3 432 m，坑底最大長(zhǎng)度510 m，最大寬度150 m。

圖2 設(shè)計(jì)露天終了境界Fig.2 The designed end boundary of open pit

圖3 設(shè)計(jì)露天終了境界與礦體復(fù)合圖Fig.3 The combination chart of designed end boundary of open pit and ore body

表4 露天開(kāi)采境界主要指標(biāo)Tab.4 The major indicators of open pit boundary

4 結(jié)語(yǔ)

1）該生產(chǎn)礦山利用三維軟件建立礦床地質(zhì)模型和經(jīng)濟(jì)模型，依據(jù)露天開(kāi)采境界的圈定原則，對(duì)M1礦段一期境界外的掛幫礦體以及坑底3 480 m平臺(tái)以下的深部礦體進(jìn)行境界優(yōu)化，得到了該礦山露天開(kāi)采的優(yōu)化參考境界；

2）經(jīng)分析優(yōu)化后的礦巖境界剝采比和平均剝采比均在經(jīng)濟(jì)合理剝采比7.3 m3/t、19.77 t/t范圍內(nèi)，適宜采用露天開(kāi)采；

3）根據(jù)優(yōu)化的露天方案和確定的露天采場(chǎng)邊坡參數(shù)，設(shè)計(jì)將臺(tái)階坡面角、平臺(tái)寬度、坑內(nèi)開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)、最小工作平臺(tái)寬度等采場(chǎng)基本要素布置進(jìn)去，設(shè)計(jì)最終確定了天終了境界，本次境界優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期的目的。