露天矿山开采配矿方案的经济效益分析与应用*

于辉胜 朱文景 冯红刚 何培雍 熊勇林

（1.湖南省核工业地质局三○三大队；2.中国地质环境监测院；3.宁波大学岩土工程研究所）

某露天红土镍矿由2个采区组成，相距约10 km，项目规划规模为年处理干基矿石137万t，岩层结构从上向下划分为覆盖层、铁帽层、褐铁矿化层、残积层和基岩。由于铁帽层、褐铁矿化层和残积层中镍和铁的圈定指标不同，一矿区探明+控制的褐铁矿和残积型资源量1 185万t，镍品位1.64%、铁品位32.03%；二矿区探明+控制的褐铁矿和残积型资源量1 316万t，镍品位1.58%、铁品位27.21%；2个矿区探明+控制铁帽层1 293万t，镍品位1.04%；褐铁矿层1 685万t，镍品位1.47%；残积型矿层816万t，镍品位1.90%。

1 研究内容

研究内容：（1）2个矿区的地质钻孔数据库建立，块体模型，品位空间插值和属性赋值等三维地质模型［1-3］；（2）按照确定的技术经济参数和露天边坡参数进行露天境界初步优化，确定境界内资源量［4-8］；（3）在Minesched软件中进行生产计划初步编制，分别考察不同开采顺序、推进方向等约束条件下的矿山生产能力和出矿品位，选取净现值最大的方案为最优方案［9-14］。

2 考核目标及主要技术经济指标

2.1 考核目标

运用三维可视化技术，进行露天境界优化和生产计划的编制，考察不同采剥顺序的露天生产能力和出矿品位，寻求满足生产要求和净现值最大的方案，制定露天矿山可视化设计流程，提高设计质量和设计人员的业务能力，提升单位核心竞争力。

2.2 主要技术经济指标

通过合理配矿和加强生产组织，对境界内731.8万t镍品位1.2%～1.4%的矿石进行综合利用，提高矿山经济效益，优化后年均净利润5.91亿元，年净利润提高约16%，所得税后财务内部收益率19.72%，财务内部收益率提高约7%。不仅提高了资源综合利用率，而且提高了矿山经济效益。

3 项目执行情况评价

3.1 目标、任务完成情况

在Minesched中进行开采场所、物料运移、设备定义和采剥工艺等约束，考察不同开采方案的矿山出矿品位、生产能力和净现值，取满足生产工艺要求和净现值最大的方案为最优方案，提高资源的综合利用率。运用三维可视化技术进行露天开采配矿优化研究，以原矿品位、生产能力和净现值最大为原则选择最优开采方案，并形成操作体系文件，将研究成果运用于后续露天矿山项目的设计工作中［3］。

开采法范围内探明+控制的褐铁矿和残积型矿2 501万t，镍品位1.61%，最终境界内褐铁矿（镍≥1.4%）885.19万t，残积矿778.82万t，平均剥采比4.15 t/t，采矿损失率10%，贫化率5%，境界内资源量占开采范围内总资源量的66.53%，原设计年净利润为5.06亿元，所得税后财务内部收益率18.31%，境界内有镍品位1.2%～1.4%的矿石单独堆存于采空区，通过合理配矿和加强生产组织，对该部分矿石进行综合利用

通过运用三维可视化技术进行露天开采配矿优化研究，比传统方法设计工期缩短约30%，工程咨询设计效率提高5%以上。

3.2 关键技术

（1）运用三维可视化技术进行矿体和岩体线框模型建立，运用Lerchs Grossmann图论法进行露天境界优化，提高资源利用率和矿山经济效益。

（2）在Minesched中依据动态规划法进行生产计划的编制，按照净现值最大和满足供矿品位以及生产规模确定最优开采方案［14-15］。

3.3 技术路线

通过钻孔数据库提取矿体和岩体顶底板，建立矿体和岩体线框模型，运用距离幂反比法进行品位空间插值，然后根据确定的技术经济指标进行露天境界初步优化，将块体模型导入Minesched软件进行生产计划编制，考察不同开采方案的出矿品位和现金流，选取净现值最大和满足矿山生产要求的方案为最优方案［16-17］，技术路线见图1。

3.4 效果评价与技术贡献

通过露天开采配矿优化研究，保证矿山稳定的供矿品位和生产规模，充分发挥设备的效率，减小前期剥采比，尽量均衡全期生产剥采比，提高矿山经济效益［18-20］。

运用三维可视化技术提高了露天境界优化设计质量和进度，为单位承担国内外类似矿山项目提供技术积累，为提供优质服务、打造精品工程、提升单位核心竞争力提供技术支持。

4 项目研究成果

4.1 建立地质模型

4.1.1 钻孔数据库

从提供的钻孔数据中提取工程孔位数据、化验数据、岩性数据，建立EXCEL格式的勘探工程位置表、化验数据表、地质数据表，测斜数据表（全部按直孔），导入到数据库中，进行数据有效性检验，包括孔深错误检验、样品重叠检验等内容，最终完成数据库建立。

经过整理建立数据库，一矿区数据库入库钻孔共计4 327个，化验数据共计69 445条，岩性数据共计69 445条；二矿区数据库钻孔共计3 352个，化验数据共计54 234条，岩性数据共计54 234条。

（1）LFO，铁帽，镍品位0.9%～1.2%，铁品位≥40%。

（2）LGL，低镍褐铁矿，镍品位1.2%～1.5%，铁品位≥20%。

（3）MGL，中镍褐铁矿，镍品位1.5%～1.8%，铁品位≥20%。

（4）HGL，高镍褐铁矿，镍品位≥1.8%，铁品位≥20%。

（5）LGS，低镍残积型矿，镍品位1.6%～2.0%，铁品位≤20%。

（6）MGS，中镍残积型矿，镍品位2.0%～2.3%，铁品位≤20%。

（7）HGS，高镍残积型矿，镍品位≥2.3%，铁品位≤20%。

4.1.2 线框模型

在数据库中分别提取褐铁矿层和风化残积层的顶底板点，中间插点拟合，建立褐铁矿层和风化残积层模型。

4.1.3 块体模型

依据矿体产状和采剥工艺以及设备选择，块模型尺寸25 m×25 m×1 m、次级块12.5 m×12.5 m×0.5 m。运用距离幂次反比法进行品位空间插值，并进行矿岩类型等属性赋值。

4.2 露天境界优化

按照选定的技术经济参数，并参考类似矿山生产实际，露天境界优化参数见表1。

4.3 生产计划与配矿

4.3.1 地质模型定义

块体模型导入MineSched后，需要进行品位、矿岩量和金属量等的统计分析，根据矿石类型定义矿石种类和品级。

4.3.2 生产计划编制与配矿

（1）生产流程的逻辑定义。主要包括开采单元、矿石堆场、废石场和冶炼厂等工艺对象的定义及相互关联性制定。定义主要生产场所以及物料运移方向。铁帽层运往矿石堆场堆存，低品位褐铁矿层运往矿石堆场堆存，残积层和中等品位褐铁矿层以及高品位褐铁矿层运往冶炼厂处理。

（2）设备定义。根据生产能力和设备台年综合效率进行自卸汽车和挖掘机等主要采剥设备的定义。

（3）采剥工艺。主要包括台阶高度、工作平台宽度、生产剥采比、工作线长度和同时生产台阶数以及推进方向的设置。

（4）排产结果输出与优化。排产结果以动画和图表的形式报告，可通过报表数据的分析，调整相关参数对排产结果进行优化。通过选取2种可能的配矿方案分别考察其生产能力、供矿品位和净现值，方案1和方案2的营业收入、经营成本和现金流分布见图2。

方案1所得税后净现值（Ic=10%）1.55亿元，财务内部收益率10.79%，投资回收期8.41 a；方案2所得税后净现值（Ic=10%）4.45亿元，财务内部收益率12.29%，投资回收期8.02 a。依据满足矿山生产能力、便于生产组织和净现值最大，选择方案2为最优方案。

将MineSched软件的生产计划优化结果的计划期数导入块体模型中，在Surpac中进行属性约束，便可获得块体模型的单元块计划期数，指导矿山生产实际。

5 对策与建议

（1）露天开采配矿不仅要考虑开采区域、采剥顺序对出矿品位的影响，还要考虑储矿堆的矿石量和品位，有利于矿石品位的调节，便于高效配矿。

（2）后续需开展在最优动态边际品位和最小运输功下的露天开采配矿优化研究，实现矿山生产的动态管理，提高资源综合利用率。