基于3DMine的露天礦境界優(yōu)化及生產(chǎn)規(guī)模研究

賀中亮 徐恒雷

（1.吉林天池鉬業(yè)有限公司；2.中國黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司）

國內(nèi)露天開采規(guī)劃初期，多依據(jù)經(jīng)驗確定生產(chǎn)規(guī)模，導(dǎo)致生產(chǎn)規(guī)模與礦山資源儲量不匹配，從而不能使資源開采達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效果。某硫鐵礦主要礦產(chǎn)為黃鐵礦，標(biāo)高-200 m 以上的礦體探明儲量7 609.8 萬t，平均品位13.93%，其主要特點是規(guī)模大、品位低、易選。礦體產(chǎn)狀平緩，傾角5°～20°，厚度平均30 m。從分布面積及儲量情況以及礦體的形態(tài)，適合于露天開采。本文利用3DMine 礦業(yè)軟件建立礦體三維可視化模型，通過露天開采境界優(yōu)化，確定當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件下的最優(yōu)境界，并依據(jù)規(guī)模經(jīng)濟(jì)理論，確定礦山合理的生產(chǎn)規(guī)模，科學(xué)規(guī)劃，以實現(xiàn)礦區(qū)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)價值。

1 礦床三維模型的建立

礦床三維模型的建立對礦床儲量計算有十分重要的意義，包括建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、地表模型、實體模型及塊體模型。根據(jù)3DMine 軟件的要求，錄入鉆孔數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫；根據(jù)地形地質(zhì)圖上的等高線及有標(biāo)注的高程點，生成地表DTM；根據(jù)勘探線剖面，通過軟件旋轉(zhuǎn)和平移功能，將剖面圖放在空間的正確位置上，整理后連接形成礦體實體模型。然后根據(jù)礦體實體模型劃分塊體，應(yīng)用距離冪次反比法對塊體進(jìn)行估值，最后得到礦床的塊體模型，如圖1所示。

2 露天境界優(yōu)化

2.1 參數(shù)選取

露天境界優(yōu)化的目標(biāo)是綜合考慮當(dāng)前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，選取露天采礦的最優(yōu)的開采范圍，以達(dá)到礦山開采的經(jīng)濟(jì)最大化?；?DMine境界優(yōu)化主要考慮的因素包括經(jīng)濟(jì)模型、采礦成本、露天境界坡度、開采約束等條件［1-2］（圖2）。

（1）經(jīng)濟(jì)模型。主要考慮礦石的價格，軟件中有多種方式，本文采用以礦石類型來計算，根據(jù)當(dāng)前硫鐵礦的市場價格輸入?yún)?shù)。

（2）采礦成本包括礦石的開采成本、巖石的開采成本、復(fù)墾成本以及附加運輸費用等數(shù)值。根據(jù)礦山實際生產(chǎn)情況，確定并輸入礦石的開采成本14元，巖石的開采成本12元，每下降1 m附加運輸費用增加0.02元，且本次境界優(yōu)化不考慮復(fù)墾成本。

（3）露天境界坡度用來設(shè)置回采邊坡角，3DMine礦業(yè)軟件提供了比較靈活的處理邊坡角的方式，可以根據(jù)不同的巖性設(shè)置不同的邊坡角。本文輸入邊坡角45°。

（4）開采約束。本研究平面開采約束是采礦權(quán)范圍之內(nèi)，深度開采約束-200 m以上。

2.2 技術(shù)最優(yōu)境界

輸入以上參數(shù)后，計算機根據(jù)當(dāng)前的約束條件，可計算生成技術(shù)最優(yōu)境界如圖3 所示，即為在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下礦山的最優(yōu)開采范圍，統(tǒng)計境界內(nèi)的礦石量及礦石品位。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果表明，礦石價格的升高，開采境界隨之變大，礦石量和巖石量增加，剝采比升高。優(yōu)化后的技術(shù)最優(yōu)境界方案，其礦巖總體積約為450 萬m3；境界內(nèi)礦石總量約為370 萬t。

3 合理生產(chǎn)規(guī)模的確定

本文首先根據(jù)開采工藝和最優(yōu)境界等條件，確定在當(dāng)前開采技術(shù)條件，可能達(dá)到的生產(chǎn)規(guī)模的上限；然后依據(jù)規(guī)模經(jīng)濟(jì)理論和技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理［3］，從投資效益的角度出發(fā)，對不同生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行投資、成本估算，并對計算凈現(xiàn)值、投資利潤率、內(nèi)部收益率等財務(wù)指標(biāo)進(jìn)行對比。以凈現(xiàn)值隨規(guī)模增大而增加的顯著水平為準(zhǔn)則確定出經(jīng)濟(jì)合理的生產(chǎn)規(guī)模。

3.1 最大生產(chǎn)能力的確定

3.1.1 泰勒準(zhǔn)則確定的生產(chǎn)規(guī)模

HK Taylor 根據(jù)多年的設(shè)計經(jīng)驗，把境界內(nèi)的礦石儲量與服務(wù)年限歸結(jié)為經(jīng)驗公式，間接地給出一定儲量條件下的最優(yōu)規(guī)模：

式中，T為礦山服務(wù)年限，a；Q為境界內(nèi)礦石儲量，Mt；P為礦石年產(chǎn)量，Mt/a。

經(jīng)過計算，本礦山的服務(wù)年限為12～19 a，即生產(chǎn)規(guī)模為189～303 萬t/a。

3.1.2 根據(jù)服務(wù)年限確定的生產(chǎn)規(guī)模

國內(nèi)冶金礦山設(shè)計參考資料對于大中小各類礦山的服務(wù)年限提供了參考數(shù)值，本礦山按中型礦山考慮，其服務(wù)年限不得低于18 a，可計算得到礦石生產(chǎn)能力為235 萬t。結(jié)合礦山實際情況本文以20 萬t為步距進(jìn)行規(guī)模選取，在235 萬t/a 以內(nèi)進(jìn)行相關(guān)的經(jīng)濟(jì)分析。

3.2 規(guī)模經(jīng)濟(jì)分析

3.2.1 礦山投資估算

礦山投資指礦山籌建到竣工驗收為止投入的全部建設(shè)費用，主要有固定資產(chǎn)投資、建設(shè)期貸款利息、流動資金三部分組成。由于礦山基本建設(shè)投資項目繁多，很難對每一項固定投資進(jìn)行估算，因此本研究根據(jù)生產(chǎn)能力指數(shù)法，利用相似礦山的基本建設(shè)投資來對不同生產(chǎn)規(guī)模方案的投資進(jìn)行估算

式中，K1為類似項目的投資額，萬元；K2為擬建項目的投資額，萬元；X1為類似項目的生產(chǎn)能力，萬t；X2為擬建項目的生產(chǎn)能力，萬元；n為生產(chǎn)能力指數(shù)，通常取0.6～0.8，若用增加設(shè)備能力來增加企業(yè)年生產(chǎn)能力時，n取0.6～0.7，若用增加設(shè)備數(shù)量來擴(kuò)大企業(yè)生產(chǎn)能力時，n取0.8～1.0，本文取n=0.7。

在確定同類相似礦山的基建投資時，大黑山鉬礦的礦產(chǎn)資源特點與此硫鐵礦類似，儲量大、埋藏淺、形態(tài)簡單，因此采用大黑山鉬礦作為估算依據(jù)。根據(jù)大黑山鉬礦的項目基建總投資約10 億元，項目建成后的生產(chǎn)能力達(dá)到445.5萬t/a。

3.2.2 生產(chǎn)成本估算

總成本是礦山企業(yè)在一定時間內(nèi)為生產(chǎn)、銷售一定數(shù)量的礦產(chǎn)品所支出的費用總和。根據(jù)露天礦的作業(yè)成本的構(gòu)成特點，分為采礦成本、剝巖作業(yè)成本、探礦成本、選礦成本、銷售費用、管理費用、財務(wù)費用、固定資產(chǎn)折舊和各種稅費等。

（1）采選制造成本。露天礦的采選制造成本根據(jù)其生產(chǎn)工藝過程可分為若干個有機聯(lián)系的工序（包括穿孔、爆破、采裝、運輸、采場破碎），需要分別估算各個工序的作業(yè)成本。成本估算參照類似礦山的實際生產(chǎn)統(tǒng)計資料選取，各環(huán)節(jié)單位成本指標(biāo)選取見表1。

注：生產(chǎn)探礦成本0.51元/t。

（2）銷售費用是企業(yè)在銷售產(chǎn)品過程中所發(fā)生的各項費用以及專設(shè)銷售機構(gòu)的各項經(jīng)費，包括應(yīng)由企業(yè)負(fù)擔(dān)的運輸費、裝載費、銷售部門人員的工資福利費、勞動保護(hù)費等。產(chǎn)品銷售費用按產(chǎn)品銷售收入的1%估算。

（3）管理費用是企業(yè)行政管理部門為管理和組織經(jīng)營活動的各項費用，主要由管理人員工資及福利，三險一金，工會經(jīng)費，職工教育經(jīng)費，其他管理費等組成。此項費用根據(jù)礦山的實際情況選取。

（4）財務(wù)費用是企業(yè)為籌集資金而發(fā)生的各項費用，包括企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營期間發(fā)生的利息支出、匯兌凈損失、調(diào)劑外匯手續(xù)費以及籌集資金發(fā)生的其他財務(wù)費用。

（5）固定資產(chǎn)折舊。本文為簡化計算，采用平均年限法折舊，建筑物與構(gòu)筑物按30 a折舊，無殘值，設(shè)備按15 a提取折舊，5%殘值；

（6）流動資金。流動資金額多用流動資金占固定資產(chǎn)資金率計算，化學(xué)礦山定額流動資金約為固定資產(chǎn)金額的10%～15%，本次取15%。

3.2.3 規(guī)模經(jīng)濟(jì)分析

計算出礦山不同生產(chǎn)規(guī)模時礦山經(jīng)濟(jì)效益及相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

?

本文通過對此硫鐵礦境界優(yōu)化、選定開采工藝 后，按照常規(guī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價方法及指標(biāo)體系對不同生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行分析，結(jié)果表明，生產(chǎn)能力越大，單位成本和單位投資越小。采用不同的評價指標(biāo)，最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模的結(jié)論也不相同。例如：現(xiàn)值比最大的規(guī)模是250萬t/a，而內(nèi)部收益率最大時規(guī)?？拷吔琰c290萬t/a。

本文根據(jù)規(guī)模經(jīng)濟(jì)理論，對此硫鐵礦經(jīng)濟(jì)規(guī)模的確定進(jìn)一步分析。把凈現(xiàn)值作為衡量經(jīng)濟(jì)效益的指標(biāo)，投資作為投入要素［4］，結(jié)果見表3。

由表3可知，生產(chǎn)規(guī)模等步幅擴(kuò)大帶來的凈現(xiàn)值增加幅度大于投資增加的幅度，說明經(jīng)濟(jì)規(guī)模的范圍很大，但在110～130 萬t/a 之間增加的幅度最大。根據(jù)規(guī)模經(jīng)濟(jì)理論，規(guī)模擴(kuò)大帶來的凈收益增幅大于投入要素（投資）的增幅。當(dāng)產(chǎn)量小于190 萬t/a時，凈現(xiàn)值增幅大于投入要素（投資）的增加幅度；當(dāng)產(chǎn)量大于190 萬t/a 后，有時投資增幅大于凈現(xiàn)值增幅，有時相反，規(guī)模收益遞增效益不明顯（圖4）。所以在綜合考慮各要素之間的合理匹配問題及經(jīng)濟(jì)效益后，最終確定此硫鐵礦的合理生產(chǎn)規(guī)模為190萬t/a，均衡服務(wù)年限約20 a。

4 礦山生產(chǎn)能力的驗證

對露天礦技術(shù)上可能達(dá)到的生產(chǎn)能力最大的限制因素是礦山工程的延伸速度，其次是可能布置的挖掘機工作面數(shù)。

（1）通過礦山工程延深速度驗證礦山可能達(dá)到的生產(chǎn)能力。根據(jù)選用的開拓運輸方案及實際生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)采用汽車開拓運輸時，露天開采的汽車下降速度可達(dá)到12～14 m。依據(jù)礦體產(chǎn)狀、礦體與圍巖接觸條件，取礦石損失率和混入率均為4%，礦石平均回收率為95%，分層礦量平均取300 萬t。計算得出礦石年生產(chǎn)能力為346.35萬t。

（2）依據(jù)可能布置的挖掘機工作面數(shù)驗證。根據(jù)此硫鐵礦的礦體賦存條件，產(chǎn)狀平緩，礦體厚度平均30 m，境界南北平均1 200 m，東西向平均寬300 m，從而確定一個階段礦石工作線長度為1 000 m。根據(jù)露天采礦手冊可確定，1 臺WK-4 型電鏟的工作線長度為350～400 m，取可同時工作的采礦階段數(shù)為3 個。經(jīng)過計算，按可布置的挖掘機工作面數(shù)目確定露天礦可能達(dá)到的生產(chǎn)能力為1 024萬t/a。

5 結(jié) 論

（1）采用礦業(yè)軟件建立礦體模型、塊體模型，可以準(zhǔn)確估算資源量，并可獲得露天開采境界的最優(yōu)化，為礦山的設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。

（2）在礦山地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，選擇合理的優(yōu)化參數(shù)，通過3DMine 軟件進(jìn)行露天境界優(yōu)化計算能夠為露天開采提供多種價格情況下的優(yōu)化境界，對露天開采可行性研究和初步設(shè)計以及后續(xù)的生產(chǎn)都具有十分重要的指導(dǎo)意義。

（3）根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，進(jìn)行投資和成本的估算，并通過對礦山凈現(xiàn)值、投資利潤率、內(nèi)部收益率等多個經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與規(guī)模理論分析，以生產(chǎn)規(guī)模等步幅擴(kuò)大帶來的凈現(xiàn)值增加幅度要大于投資增加的幅度為準(zhǔn)則，綜合考慮確定了此硫鐵礦合理的生產(chǎn)規(guī)模為190萬t/a。