基于Minex 软件的露天矿建模及设计应用研究

2021-08-03王忠鑫王金金曾祥玉

露天采矿技术 2021年4期

赵明，王忠鑫，王金金，曾祥玉

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

三维建模软件的应用在采矿设计中占有重要地位。三维建模软件可以根据钻孔数据等建立矿体模型，三维展现矿体位置和形态。进而建立块体模型，可以进行储量计算和刀量切割，并为后续开采设计创建基础条件。三维建模已经成为采矿设计中重要的技术手段，通过三维建模可以准确、快速、方便的进行采矿设计，提高设计质量[1]。

国内三维建模软件有3DMine 软件等。3DMine软件符合中国矿业行业规范和技术要求，有着与AutoCAD 相似的操作界面，应用普遍[2]。

国外三维建模软件包括Minex 软件、Surpac 软件和Vulcan 软件等。其中Minex 软件是由澳大利亚GEMCOM 国际矿业软件公司研发的在矿业领域内具有国际领先水平的大型数字化矿山工程软件[3]。专门针对层状矿床设计[4]，可以实现同时建立多个煤层模型，并且高速高效[5]。主要的核心功能包括地质、露天采矿设计和计划、地下采矿3 大部分11 个功能模块，主要有：钻孔数据库模块、煤层模块、露天矿设计模块、储量计算模块、进度计划模块、爆破设计模块、选煤设计模块、排土场设计模块、地质勘察模块、成图及效果显示系统模块[6]。

由于国外矿山煤层划分多，根据钻孔数据库建立的煤层模型为纯煤模型；国内矿山煤层划分相对较少，建立的煤层模型间含有夹矸。Minex 软件利用国内矿山钻孔数据建模及设计，需要改善操作方式。

通过对模型建立和采矿设计过程中储量报告、境界优化和块体模型等方面操作方式的改进，提高了工作效率和精度。

1 储量报告

Minex 软件煤层建立后就可利用煤层模型直接进行储量报告，无需建立块体模型后报告储量。储量报告的地质煤要与地质报告进行比对核实，误差太大需要检查钻孔数据、建模步骤等，改进模型使地质煤量误差在3%以内。这样只是调整煤层模型，不用增加块体模型的工作量。

1.1 地质储量

由于国外矿山数据建立的煤层模型为纯煤模型，可以直接报告煤层顶底板间的煤量作为地质煤量。国内矿山数据建立的煤层模型含有夹矸，夹矸又有无法像金属矿内矸石连成实体，通常采用含煤系数计算地质煤量[7-10]。含煤系数法通过钻孔数据整理出每个煤层的含煤系数，包括地质煤系数，用于核实煤量；毛煤系数、夹矸系数，用于后期采矿设计。

钻孔数据人工整理成系数费时费力，如果计算原则变化，如小夹矸剔除厚度变化，需要重新进行系数整理。可以采用Excel VBA 编程进行系数整理，可提高速度和精度，改变计算原则时，只需改变编程程序就可重新生成系数。

整理完系数后，确定系数名称，可以作为煤质指标导入钻孔数据库，通过估值建立网格模型。储量报告时添加地质煤系数网格模型，报告煤量和地质煤系数网格模型的均值相乘即为地质煤量。

分煤层分钻孔进行系数计算，地质煤系数计算公式如下：

式中：Cg为地质煤系数；Lc为纯煤厚度，m；Lb为大夹矸厚度，m；Ls为小夹矸厚度，m。

还可以用地质煤系数网格模型和煤层厚度网格模型进行乘法运算，生成纯煤厚度网格模型。纯煤厚度网格模型和煤层底板网格模型进行加法运算，生成虚拟的纯煤顶板网格模型。用生成的纯煤模型直接进行储量报告。

1.2 储量级别

煤层需要按储量级别报量时，国外矿山采用JORK 准则，按“测定的资源量”、“标志的资源量”以及“推断的资源量”分别进行圈定。利用距离网格模型进行储量级别报量。

国内矿山的储量级别在煤层资源储量图中已圈定完成。可以先建立一个储量级别网格模型，利用煤层资源储量图中储量级别闭合线进行储量级别网格模型区分赋值。储量报告时添加3 次储量级别网格模型并确定最小最大值，最小最大值的取值范围只包含1 个储量级别的数值，报告煤量时就根据取值范围区分储量级别。

1.3 开采工程量

采矿设计时需要报告毛煤量，作为实际开采的煤量；报告煤层内的剔除矸石量和损失煤量，作为剥离量。毛煤系数计算公式如下：

式中：Cr为毛煤系数；Lcl为煤层顶底板煤损失厚度，m；Lbl为大夹矸顶底板煤损失厚度，m；Nb为大夹矸个数；Dc为纯煤密度，t/m3；Lcm为煤层顶底板矸混入厚度，m；Lbm为大夹矸顶底板矸混入厚度，m；Dr为矸石密度，t/m3。

实际开采时，煤层和大夹矸顶底板或者煤损失或者矸混入。报告煤量和毛煤系数均值相乘即为毛煤量。夹矸系数计算公式如下：

式中：R 为夹矸系数。

报告煤体积和夹矸系数均值相乘即为煤层内剥离量。

2 境界优化

境界优化根据煤层顶底板间煤量和煤层顶底板外剥离量进行收入和成本计算，进行境界圈定。

国外矿山煤层模型可以直接进行境界优化。国内矿山煤层模型直接进行境界优化，则煤量偏多，剥离量偏少，圈定的境界偏大；需要调整煤层空间结构及密度网格模型后再进行境界优化。

调整后的煤层空间结构在境界优化过程中煤层顶底板间为实际开采毛煤的体积，煤层顶底板外为实际剥离体积。

2.1 毛煤厚度系数

首先进行毛煤厚度系数计算，计算公式如下：

式中：Crs为毛煤厚度系数。

用毛煤厚度系数网格模型和煤层厚度网格模型进行乘法运算，生成毛煤厚度网格模型。或者用毛煤厚度系数和煤层厚度相乘值作为指标直接生成毛煤厚度网格模型。

由此，境界优化就可利用原煤层底板网格模型和毛煤厚度网格模型作为结构模型。

2.2 毛煤密度系数

由于毛煤中含有矸石，原煤层密度偏小，要重新生成密度网格模型，保证毛煤质量准确。毛煤密度系数计算如下：

式中：Crd为毛煤密度系数。

用毛煤密度系数网格模型和煤层密度网格模型进行乘法运算，生成毛煤密度网格模型。或者用毛煤密度系数和煤层密度相乘值作为指标直接生成毛煤密度网格模型。

由此，境界优化就可利用毛煤密度网格模型作为密度模型。

3 块体模型

不同于其他三维建模软件，如3DMine 软件，直接确定块体尺寸大小建立包含煤层和地表模型范围的长方体式块体模型。Minex 软件通过台阶模型高度确定z 轴方向尺寸，通过条带偏移宽度和块体偏移宽度确定x 轴和y 轴方向尺寸。从边界、条带和块体方面分步建立四棱台式块体模型。台阶模型工作帮台阶宽度和坡面角的设置，使Minex 软件块体模型建立和刀量切割同步进行。

传统方法是通过地表模型和复合底板确定台阶模型数量，通过地表境界线下推至复合底板或深部境界线上推至地表模型确定块体模型范围。由于境界线的不规则性和地表、底板模型标高差异性，边界线和条带线进行上推或下推时会出现边界线重合、条带线重合、条带线在边界线外面需要裁剪条带线、条带线不平直等问题。最终进行块体验证时，有时大量块体无法通过验证，调整又花费很长时间并且难度大，使报告储量时煤量减少。同时境界调整时又需要重新进行块体建立，费时费力。

提出大范围、规则边界、平面建模方法，即采用包含境界的矩形边界，上部约束模型采用高于地表模型的等标高模型，下部约束模型采用低于复合底板的等标高模型。由于上下部约束表面高差一致，分台阶进行上推或下推时的边界线和条带线会在同一标高，块体验证时也比较容易通过。储量生成时，只需通过地表模型和境界模型的约束就可形成境界储量；境界范围改变时，只需改变境界模型约束就可形成新的境界储量。

储量报告时，可分煤层报告总量；也可分台阶、条带、块体和煤层分块报量。分台阶、条带报告切割刀量后，还要把条带量汇总，煤质指标和毛煤系数、夹矸系数加权平均，同样可采用编程进行数据处理。