露天矿山境界优化方法及研究应用

苏 小 明， 杨 平， 李 洪 豪， 陈 国 贵

(中国水利水电第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)



露天矿山境界优化方法及研究应用

苏 小 明， 杨 平， 李 洪 豪， 陈 国 贵

(中国水利水电第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

露天采矿在现代矿山开采过程中所占的比重越来越大，而露天矿山开采境界的确定是露天矿设计的基础，其境界是否100合理，直接与矿山的经济效益相关，对矿山生产活动具有重大意义。介绍了在3DMINE软件平台下对某露天矿山的境界进行的优化研究以及所取得的最终成果。

露天矿山；境界优化；LG图论法；研究应用

1 概 述

露天开采境界决定着露天矿的采剥总量、剥采比、生产能力以及开采年限， 直接影响矿床开拓方法的选择、地面总平面布置以及运输干线的设置，从而影响到整个矿床开采的经济价值 。因此，其最终开采境界的选取就显得尤为重要。从充分利用矿物的角度看，最终开采境界应该包含尽可能多的地质储量。然而，由于几何约束的存在，开采矿石必须先剥离该部分矿石上面部分范围内的岩石才能实现，而剥离岩石只能带来资金的消耗，不会带来经济效益，因此，从经济角度出发，就存在一个使矿山的总经济效益最佳的最终开采境界。

矿山最终开采境界的设计在方法与手段上经历了3个阶段：(1)手工设计阶段；(2)计算机辅助设计阶段；(3)优化设计阶段。无论哪种方法，其实质就是在满足经济和边坡角几何约束的条件下实现利润最优化。由于在手工圈定境界时，矿石的品位取矿石的平均值，而没有考虑到品位的变化和不同部位品位的高低所可能负担的剥采比，所以，传统的手工设计很难得到经济合理的境界。笔者介绍了利用3DMINE矿业软件对某大型露天铜矿进行数字地表建模、矿床实体建模以及境界优化等关键技术的研究并用于确定最终的开采境界的过程。该软件的境界优化是基于Lerchs-Grossman创建的LG图论法之上进行境界优化设计，同时也应用到浮动圆锥法。以此能正确、合理地确定最优开采境界且方便有效的为露天矿山开采提供长远的设计规划，在特定的价格下，实现矿山开采的经济最优化。

2 露天矿山开采境界优化的原理与步骤

露天矿山开采境界优化的主要步骤为：

(1) 依据钻孔勘探数据，建立地质数据库及块体模型，采用合理的估值方法，计算出地质模型每一单元块的品位并圈定矿体；

(2) 根据所选取的开采设备及对岩石稳定性进行分析，确定最终边坡角、最终台阶坡面角、安全平台、清扫平台、运输平台及出入沟的宽度、台阶高度等参数；

(3) 建立价值模型，对单元块开采的经济价值进行计算；在价值模型中，每个块都要被赋予一个属性，该属性表示假设将其采出并处理后能够带来的经济价值。块的净价值是根据块中所含可利用矿物的品位、开采与处理中各道工序的成本及产品价格计算得出的。因此，代表矿石的块体是正值，代表废石的块体是负值，而且不同块之间具有先后开采顺序；

(4)确定了矿床价值模型后，采取合理的算法，在满足几何约束条件下找出使总开采价值达到最大的模块集合。3DMINE软件采用了基于图论的方法，实现了三维实际数据的解算。现在所用的大多数境界优化软件包都是采用该方法或该方法的改进。笔者就图论法的原理进行简单说明如下。

图1为某矿体的一个竖直剖面。为简单起见，一块矿石或废石的开采费用均定为$3，每块矿石的销售价格均定为$20，由此得到的该矿床价值模型见图2。

一旦所有块体被赋予了净价值属性，即可计算出每个块体和为了开采它所要开采的所有块体。

图1 矿体竖直剖面图

图2 价值模型图

根据在模型中的块体位置即可计算出块体的总价值。某个块的总价值可以通过净价值减去开采它以前必须先开采的块的费用计算得出(图3)。

图3 块体总价值计算图

每个块的总价值计算完成后，需要根据最终边坡角找出开采这个矿体所能获得最大利润的块的集合体。假设矿山边坡角为45°，可以通过沿露天坑轮廓底部的块体总价值之和计算获得。如图4所示，露天开采最大利润X= -$3+$14+$11+(-$6)+(-$3)= $13。

(5)由于所求的最佳境界是由被开采的块的集合组成，因此，需要对最终境界的优化境界进行光滑处理并加入运输道路，使之成为实际可行的最终境界方案。在进行光滑处理时，应使处理后的境界与处理前的优化境界之间的偏差尽可能小，以保持最终结果的优越性。

图4 矿体最大利润计算图

3 露天矿境界优化实例

笔者以某大型露天铜矿第Ⅰ采区为研究对象，根据前期地质勘探报告、工业指标、当前经济技术条件等指标，以3DMINE工业软件为平台进行矿山设计优化。

3.1 矿区概况

该矿区周围地势较低，高程为75～325 m，植被发育，为斑岩铜矿经风化淋滤作用和次生富集作用形成的高硫化型矿床。矿体总体上呈近乎水平的层状～似层状，在平面上呈长椭圆状、大三角状；在剖面上具有分支复合及膨大缩小、尖灭再现现象。矿体走向NW220°，走向长约760 m,宽约590 m,倾角近水平，该矿体和地表之间存在一个表生淋滤作用而产生的淋滤带，厚约10～200 m。淋滤带之下普遍有一层次生富集带，厚十几米～几百米，为矿段的富矿区段；再往下为混合带和原生带。三带之间逐渐过渡，无明显的分界线。

3.2 建立地质数据库

地质数据库是在完善和可靠的地质勘探信息上建立的，可以方便、有效地对地质数据进行调用和管理。在3DMINE软件系统下，地质勘探信息以四个EXCEL表格全部揽括进去，分别为定位表、测斜表、化验表、岩性表。各表之间通过“工程号”建立联系，其在内容上是独立的、但逻辑上是相互联系的。将四个表格导入软件后，将得到我们想要的地质数据库。一旦地质数据库建立起来，我们就可以利用3Dmine强大的图形显示系统在三维空间显示地质数据，包括钻孔的轨迹、品位值、岩性及代码、岩层走向等。

3.3 圈定矿体

根据勘探线剖面圈定矿体，建立矿体实体模型。在3DMINE软件中打开地质数据库，根据勘探信息将其分成若干勘探线剖面，在每个剖面上通过捕捉连线功能圈定该剖面矿体轮廓解译线，得到其三维空间信息，在相邻的剖面解译线之间创建三角网，再经过编辑优化之后就可得到整个矿体模型[3]。矿体模型的建立可以直观的反映矿体的走向、大小、位置等空间形态，为矿山的设计与建设提供依据，亦为建立块体模型打下基础。

3.4 建立地质块体模型

块体模型是数据库的另一种格式，是应用数学方法对品位分布进行建模，从而形成一定约束条件下的品位模型，即在三维空间中将矿体划分为具有一定尺寸的单元块，然后根据钻孔空间信息为每个块赋予与勘探信息相对应的属性，例如矿石品位、岩性、比重等，其精度取决于块体模型的结构和属性。经过研究确定该矿山块体模型单元块尺寸取10 m×10 m×10 m。

3.5 建立地表模型

地表模型的建立是为了更直观的确定矿区与矿体之间的位置关系。利用测量所提供的数据文件，经过整理——避免重复点、线、节点过多和线不闭合等情况生成DTM文件，形成地表模型。

3.6 建立价值模型并算出最终境界优化解

利用3Dmine软件提供的境界优化功能，考虑现行经济条件和矿山实际情况，输入矿石开采成本、岩石开采成本、复垦成本、品位约束、贫化率，回收率、比重等参数(表1、2)，建立价值模型。通过所建立的块体价值模型和地表模型，采用L-G法优化可算出一个合理的露天境界解，在设计过程中可以预设多个价格变化区间，即可得到相应的露天最优境界。

表1 矿山开采相关参数表

表2 矿山开采相关参数表

3.7 确定最终开采境界并形成露天坑

对露天境界的优化进行平滑处理，再加入最终边坡角、最终台阶坡面角、安全平台、清扫平台、运输平台及出入沟的宽度、台阶高度等参数后便可确定最终开采境界，由此生成DTM模型，在与地表模型经过布尔运算后即能得到整个矿山设计图(图5)。

图5 矿山设计效果图

4 结 语

露天矿山开采境界的确定是露天矿设计的基础，其境界是否合理，直接与矿山的经济效益相关，对矿山的生产活动具有重大意义。与传统手工设计基于平均品位的二维优化相比，基于L-G法的三维软件优化无疑是一个重大突破，其不仅使设计人员从繁重的工作中解脱出来，而且能更高效、更精确的优化境界，从而达到开采利益的最大化。

[1] 李 德，曾庆田，吴东旭，等.基于三围可视化技术的露天境界优化研究[J].金属矿山，2008，38(4)：103-108.

[2] 余文章，戴晓江.基于3DMINE软件系统的露天矿境界优化研究及应用[J].《矿治》，2011，20(4)：25-29.

[3] 王玉珏，李建雄，薛希龙.一种露天矿开采境界优化方法[D].长沙:中南大学,2011.

(责任编辑：李燕辉)

2016-08-15

TD21;TD8

B

1001-2184(2016)05-0001-03

苏小明(1969-)，男，四川射洪人，高级工程师，学士，从事建设工程施工技术与项目施工管理工作；

杨 平(1973-)，男，重庆万州人，高级工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

李洪豪(1987-),男，四川德阳人，助理工程师，从事矿山地质工作；

陈国贵(1986-)，男，贵州遵义人，工程师，从事水电与矿山施工技术与管理工作.