基于3Dmine探讨露天境界优化设计

王瑜，倪凯军（鞍钢集团矿业设计研究院，辽宁鞍山114004）



基于3Dmine探讨露天境界优化设计

王瑜，倪凯军
（鞍钢集团矿业设计研究院，辽宁鞍山114004）

摘要：以包钢集团下属白云鄂博铁矿主矿为例，利用3Dmine三维矿业软件，建立地表模型、地质数据库、矿体模型、块体模型，在两种条件下，进行露天境界优化，选取境界优化结果，布置开拓运输系统，在综合考虑市场矿石销售价格波动和开采成本变化下，实现经济效益最大化。

关键词：地质数据库；矿体模型；块体模型；境界优化

王瑜,硕士，工程师,2007年毕业于青岛理工大学岩土工程专业。Email：wangyaowu778899@163.com

在露天矿山设计中，境界优化设计占有十分重要的地位，露天开采境界对露天矿未来的生产、经营产生深远的影响。在境界优化的过程中，应全方面考虑地质条件、开采成本、原矿销售价格，且时时根据生产、市场的变化进行调整。

矿业软件均含有露天境界优化功能模块，优化理论主要为L-G图法及浮动圆锥法［1］。国土资源部于1998年开始推动矿业软件的研发，至2004年已有7款软件完成了相应评审认证，且皆为国外软件。之后，软件评审认证工作一直处于停滞状态，直到2015年，两款国产矿业软件，长沙迪迈矿业软件和北京3Dmine矿业软件通过评审认证，至此国产矿业软件可以在市场上顺利推广。

L-G图法是Helmut Lerchs和Ingo F.Grossman最初在论文《露天开采优化设计》中提出的，具有严格数学逻辑最终境界优化方法，只要给定价值模型，在任何情况下都可以求出总价值最大的最终开采境界［2］。

浮动圆锥法是美国M.T.潘纳等人提出的，这是一种用系统模拟技术来解决露天矿开采方法。露天矿实际上是由不同锥度的许多相互交错和重叠的可采圆锥来模拟,圆锥体越密，越逼近真实的露天矿。

本次研究以白云鄂博铁矿主矿为例，使用3Dmine软件，建立地表模型、地质数据库、矿体模型、块体模型，在此基础上，在两种条件下进行境界优化，并对比两种境界优化结果，建立开拓运输系统，得出结论。

1　矿区概况

白云鄂博铁矿主矿矿体是一个完整的东西向向斜构造，两翼为白云岩，轴部为富钾板岩。主矿体受钠、氟交代蚀变作用强烈，铌、稀土矿化亦强；矿体分带现象明显，而铁矿体上下盘围岩则是白云石型铌、稀土矿石，其氟、钠交代作用很弱，其矿石类型的分布受原岩岩性控制的特征也表现最为明显。南翼高磁区由于受花岗岩侵入而被破坏。

本矿区的矿段，由东14剖面至西2剖面，如图1所示。白云鄂博铁矿主矿采用露天开采，现最低开采水平是1 472 m。

图1　1:1 000地表地形图

2　三维建模

2.1地表模型

构建地表模型是进行露天境界优化的先决条件，地表模型面积必须足够大，以满足露天坑的要求，本次构建的地表模型采用的是1:1 000的地表地形图,地表模型如图2所示。

2.2构造模型及矿体模型

本区地质构造简单，这里将构造模型省略。

构建矿体模型是进行露天境界优化的基础。依据《地质勘查报告》中的地质剖面图，在3DMine环境下，构建三维矿体模型，矿体模型见图3。

图3　矿体模型

2.3地质数据库

根据《2013年白云鄂博铁矿主矿生产勘探地质报告》构建地质数据库。地质数据库中包含：定位表、测斜表、化验表。化验表中有TFe品位、FeO含量、FeCO3含量、FeSiO3含量、磁性率、磁铁矿对全铁的占有率、全铁与亚铁比值划分，然后，对TFe品位进行样品组合，为块体模型的建立做准备，地质数据库如图4所示。

图4　地质数据库

2.4块体模型

块体模型中包含块体体重、TFe品位、FeO含量、FeCO3含量、FeSiO3含量、磁性率信息。这里采用“距离幂次反比法”对块体进行赋值。根据之前初步设计，块体尺寸选择14 m×14 m×14 m，得到最终的块体模型，块体模型如图5所示［3］。

图5　块体模型

对矿体品位进行统计及绘制品位累积频率，以便进行地质报告评述。品位统计如图6所示，品位累积频率如图7所示。

图6　品位统计

图7　品位累积频率

3Dmine计算的矿体平均品位为30.88%，“地质勘查报告”［4］中的工业品位为32.5%，两者误差4.985%，这一差距满足《冶金矿山采矿设计规范》的要求。矿体模型、块体模型、构造模型的建立是后续工作的前提，其完善程度主要取决于地质工程师的业务能力和原始地质资料的完备性和准确性。

3　露天境界优化

3Dmine矿业软件露天境界优化功能模块采用L-G图论法，该方法具有数学严谨性，复杂度低，效率高等优点［5-6］。

3.1境界优化参数的选取

根据当前铁矿石国内销售价格及开采成本，确定境界优化采用的经济指标(源自实地调查)见表1。根据白云鄂博铁矿实际生产能力，确定露天境界的技术指标(源自初步设计)见表2。其中铁矿石销售价格（RMB/元）按内蒙古地区硫含量低、硅含量低、平均品位约30%的原矿计价。

表1　经济指标

表2　技术指标

3.2按矿石类型优化境界

依据设定好的技术、经济指标，采用3Dmine软件进行境界优化，按矿石类型进行境界优化，矿体品位统一假想为30.88%。按矿石价格调整-50%、-30%、-10%、10%、30%的情况下输出露天嵌套坑，不同矿石价格境界优化结果见表3和图8。按回采台阶数分别递增2的情况下输出露天嵌套坑，不同回采台阶下境界优化结果见表4和图9所示。

表3　不同价格下境界优化结果

图8　按价格调整境界优化

表4　不同台阶境界优化结果

图9　按回采台阶激增数境界优化

从表4可以看出，剥采比随台阶水平降低逐渐增加。根据按矿石类型优化境界的结果绘制剥采比与矿石销售价格关系曲线见图10。

图10　剥采比与矿石销售价格关系曲线

从图10可以看出，剥采比随价格增加逐渐增大，在基准价格100元附近增速放缓，对应基准价格100元的露天坑底是1 240m。

在实际生产中，矿山企业根据原矿市场价格，调整露天开采境界、剥采比，以使矿山的经济效益达到最大。不同情况下的境界优化可以为矿山生产提供多种方案和决策依据。

根据《冶金矿山采矿设计规范》的要求，大型矿山的服务年限超过20年，在进行境界优化时，采用的经济指标均为静止指标，而生产成本随设备效率、管理手段、人员素质时时变化，原矿销售价格随市场行情也时时变化，因此，最优境界是不可能获得的，通过各种方法得出的露天境界基本上都是相对的，是当前技术、经济条件下的最优境界。矿山在实际生产过程中，应依据新的技术、经济指标对露天最终境界进行相应的调整［6］。

3.3按品位变化优化境界

白云鄂博矿床是铁、铌、稀土综合性矿床，矿床矿石物质成分极为复杂，根据现有的各种分析测试结果，共发现71种元素，该地区的铁矿石品位变化幅度大，矿床夹石多，伴生矿、岩种多。按矿石类型优化境界仅仅适合地质条件好、矿石品位波动不大的铁矿床开采。为了适合白云鄂博地区的实际情况，现按品位变化优化境界，之后对比这两种优化境界结果的异同。按品位变化优化境界，可做为矿石考虑的品位变化区间是26.00%～ 55.53%，每个品位的价格是3.188元，按矿石价格调整：-50%、-30%、-10%、10%、30%、50%的情况下输出露天嵌套坑，不同矿石价格境界优化结果见表5、图11。

表5　不同价格下境界优化结果

图11　按价格调整境界优化

按回采台阶数分别递增2的情况下输出露天嵌套坑，不同回采台阶下境界优化结果见表6和图12所示。

表6　不同台阶下境界优化结果

图12　按回采台阶激增数境界优化

从表6可以看出，剥采比随台阶水平的降低，逐渐增加。根据按矿石类型优化境界的结果绘制剥采比与价格变化关系曲线见图13。

图13　剥采比与矿石销售价格关系曲线

由图13可以看出，剥采比随价格的增加，逐渐增大，在基准价格100元附近增速放缓，对应基准价格100元的露天坑底是1 240m。

4　开拓运输系统布置

根据白云鄂博铁矿要求，开拓运输系统采用汽车+固定式破碎机+胶带方式，一期破碎站处于1 540m水平，二期破碎站处于1 458 m水平。开拓运输道路参数见表7。

表7　开拓运输道路参数

参考境界优化结果，并考虑开拓运输系统，进入人机对话，最终圈定露天开采境界。最终境界如图14所示。

图14　最终露天开采境界

在露天矿山设计中，境界圈定是极其重要且又十分复杂的，直接影响矿山企业的经营效益。随着原矿销售价格的不断变化和采选技术的发展，要求露天矿的境界实时动态，但是手工圈定露天境界的工作量是十分巨大且复杂的，3Dmine很好地解决了这个问题［7］。

5　结论

（1）两种境界优化的总价值不具备可比性，两种境界优化的矿石量具备可比性。按矿石类型优化境界，境界内矿石大约为8 315.04万t；按矿石品位变化优化境界，境界内矿石大约为7 483.536万t，两者相差831.504万t。按品位变化优化境界时，境界内矿石量比按矿石类型优化境界时的境界内矿石量明显减少。

（2）在实际设计中，铁矿山往往按矿石类型来圈定境界（计算机辅助设计阶段），这与实际情况是不相符的，境界内的矿石量往往偏大，导致生

产能力达不到设计能力。

（3）按品位变化优化境界，比较符合实际情况，这也与白云鄂博铁矿床赋存条件相一致。

总之，按品位变化优化境界可改变粗放型的发展模式，实现精细化生产，符合国家“十三五规划”提倡“节约”的精神。

参考文献

［1］李书昌，朱明.基于Micromine软件的某铁矿露天境界优化［J］.中国矿山工程.2015（2）：37-40.

［2］高艳磊.基于3DMine的露天采矿设计［J］.金属矿山.2015 （8）：255-258.

［3］余牛奔,齐文涛,王立欢,等.基于3DMine软件的三维地质建模及储量估算［J］.金属矿山.2015（4）：138-142.

［4］包钢勘察测绘研究院.内蒙古自治区包头市白云鄂博铁矿主矿2012年生产勘探报告［R］.2012.

［5］冯红刚，赵尔丞，刘文凯，等.大型露天矿山开采境界优化研究［J］.矿业研究与开发.2015（6）:5-8.

［6］柳波，陈广平.基于3 DMine的露天矿开采境界的优化[J].工矿物与加工.2011，3:28-31.

［7］肖英才，王李管，易丽平，等.基于DIMINE软件的露天采剥计划编制技术［J］.矿业工程研究.2010,12：6-9.

（编辑贺英群）

修回日期：2015-12-01

Study on Optim ized Design for Open-pit Boundary Based on 3Dm ine

Wang Yu,Ni Kaijun
（Mining Design Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114004,Liaoning,China）

Abstract：Taking the main stope of iron ore mined in Bayan Obo of Baosteel Group as the sample,the terrain models,geological database,ore body models and ore block models were established by 3D mining software.Based on the two types of conditions,the optimization of the open-pit boundary was done so that the optimized data for the boundary were selected and furthermore the opening and transportation system was arranged and assigned.So themaximization of economic benefitswas achieved in view of the fluctuations in prices at ore salesmarket and the variation in cost in oremining.

Key words：geological database；ore bodymodel；ore block model；boundary optimization

中图分类号：TD854

文献标识码：A

文章编号：1006-4613（2016）02-0020-05