一种基于MicroStation V8i软件计算矿堆有效容积的方法

张 勋，褚力新，米金月，周 峰

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

MicroStation V8i是美国Bentley公司开发的一款二维和三维设计软件，在建筑、土木工程、交通运输、加工工厂、公用事业等领域内得到了广泛应用。借助该款软件，工程师们可以轻松查看、建模、记录和可视化任何大小或者复杂程度的工程项目。

锥形矿堆的理论几何容积可以采用圆锥体体积公式近似计算得出。当锥形矿堆在锥体底部中心设置一个排矿口排料的时候，其有效容积约为理论几何容积的1/4[1]。矿堆中存在大量死角，空间不能得到有效利用。

矿堆的有效容积是与矿堆高度、排矿口个数和位置、矿石安息角和陷落角等因素有关的一个因变量[2]。为了增大矿堆的有效容积，提高矿堆的利用效率，可以选择增加排矿口数量的方法。但增加排矿口数量的同时也需要增加排料设备，这必然增大设备投资成本。选矿厂设计人员在设备投资成本增大与矿堆有效容积增大带来的增益之间权衡比较，通过优化排矿口的数量，在矿堆有效容积满足选矿厂生产需要的前提下，以较少的设备投资获得矿堆有效容积的最大化。此时，矿堆的有效容积部分是一个形状不规则的立体，直接通过公式计算过程非常复杂，这也造成正常情况下设计人员极少会进行不同配置方案的计算对比。然而借助MicroStation软件的三维绘图功能，利用“Cut Solid by Curves（通过曲线切割实体）”命令以及“Measure Volume（体积测量）”命令，可以快捷地得到该不规则立体的体积，即可得到锥形矿堆的有效容积。本文拟介绍一种基于MicroStation V8i软件计算锥形矿堆有效容积的方法。

1 计算原理

为了计算和推导方便，假设矿堆为一个圆锥体，锥形矿堆立面示意见图1。对于圆锥形状的矿堆，图1中的阴影部分即为死角，死角的空间未能得到有效利用。利用MicroStation软件中的“Cut Solid by Curves”命令，可以将锥体沿着阴影图形所在的截面切割，切割之后的不规格形状立体部分即为矿堆的有效容积部分。对具体的工程而言，α、β、a为常数或者取定值。各类矿石的安息角和陷落角见表1。

图1 锥形矿堆立面示意

表1 各类矿石的安息角和陷落角

2 应用实例

以某日处理15 kt铜矿选矿厂为例，矿堆直径为80 m。该矿堆贮存的物料是铜矿石经过粗碎后的产品。矿石的安息角取值38°，陷落角取值60°。排料设备采用某型号的重型板式给料机，排矿口大小为2 000 mm×4 200 mm。综合考虑矿堆直径、排矿口尺寸以及各台板式给料机之间的安全间距，设计了12个排矿口，排矿口平面布置详见图2。矿堆的剖面见图3和图4。

图2 80 m直径矿堆平面布置

图3 80 m直径矿堆A剖面

图4 80 m直径矿堆B剖面

3 计算方法

打开MicroStation V8i软件，新建一个空白文件。以坐标原点为圆锥体的底面圆心，使用“Cone Solid”命令绘制一个底面直径80 m，高度 31.251 m的圆锥体。使用“Measure Volume”命令得出该圆锥体的几何容积为52 335 m3。

使用“Place Shape”命令在圆锥体的X轴方向上绘制5个三角形，三角形的形状与位置如图3中虚线所示。使用“Place Shape”命令在圆锥体的Y轴方向上绘制4个三角形，三角形的形状与位置如图4中虚线所示。

使用“Cut Solid by Curves”命令，对圆锥体依次切掉X轴方向上的5个三角形；再使用 “Cut Solid by Curves”命令，依次切掉Y轴方向上的4个三角形。圆锥体剩余部分如图5所示，使用“Measure Volume”命令得出该立体的体积为25 276 m3，由此得出了锥形矿堆的有效容积。

图5 圆锥形矿堆的有效容积部分

4 实例优化对比

上述已经详细介绍了具体数量排矿口的矿堆有效容积计算方法，为了验证12个排矿口是否为最合理的配置，假设排矿口为4个、8个、16个，平面布置图如图6所示。其他工况条件不变，利用MicroStation V8i软件进行同样的计算，得出的数据如表2所示。

图6 不同排矿口数量矿堆的平面布置

表2 不同排矿口数量的矿堆有效容积

由表2可以看出，当排矿口个数由4个分别增加到8个和12个时，矿堆的有效容积大幅度增加。但是当排矿口个数由12个增加到16个时，矿堆有效容积增大程度有限，矿堆利用效率仅提高约6%。此时增大投资成本所带来的效益甚微。因此，设置12个排矿口是合理的设计选择。通过对比不同排矿口矿堆的有效利用率和相应的投资成本，可以提交清晰的设计方案供业主选择。利用此软件和方法，为矿堆的配置方案提供了一种有效的设计手段。

5 结语

矿堆能够起到调节选矿厂内部不同生产环节之间不均衡性的作用。合理地设置矿堆能够保持选矿厂稳定、均衡地运行。而矿堆配置合理与否的关键在于矿堆几何尺寸与排矿口的布置关系所带来的有效容积的变化。无论矿堆排矿口的数量、尺寸以及位置如何变化，锥形矿堆的有效容积都可以通过本文介绍的方法方便地求出，通过对比排矿口不同数量和位置的设计，就可以得到更合理的矿堆配置方案，进而达到采购、施工作业量的最优化，使得工程成本得到最大限度的节省。MicroStation软件具备强大的三维设计功能，给设计人员带来了极大的便利。未来，MicroStation软件在选矿厂工程设计领域内，还有广阔的推广应用空间。