数字矿山技术在铜曼露天矿的应用实践

刘佶林 谭碧峰

摘要：介绍了数字矿山技术的背景，以华联锌铟公司铜曼露天矿为例，阐述了数字矿山技术的发展历程和应用现状，对矿山当前面临的问题进行分析并提出建议，展望了数字矿山技术今后一段时期的发展方向，为同行企业数字矿山建设工作提供借鉴。

关键词：露天矿;数字矿山;矿业软件;数字矿床模型;智能化

引 言

进入信息主导的21世纪，“数字化”已成为知识经济的重要标志[1]。信息技术的飞速发展给采矿业带来了新机遇，矿山企业的经济发展方式正经历着从规模速度型粗放增长向质量效率型集约增长转变的过程。数字矿山是在测量、地质、采矿、安全等各专业技术资料较为完备的基础上，以矿产资源开发过程数字化信息为基础，对资源、规划、设计、生产和管理进行数字化的建模、仿真、评估和优化，并持续应用于矿山生产全过程的新型矿山技术体系和生产组织方式。

云南华联锌铟股份有限公司（下称“华联锌铟公司”）位于云南省马关县都龙镇，是云南锡业集团（控股）有限责任公司下属的集采矿、选矿为一体的国有控股企业。华联锌铟公司旗下的铜街—曼家寨露天矿（下称“铜曼露天矿”）属国内大型有色金属露天矿山，盛产锡、锌、铜、钨、银和铟等矿产，资源丰富、种类繁多。

铜曼露天矿年采剥总量超过3 500万t，装备了国内外先进大型铲装、运输设备。在数字矿山建设方面，已初步建立了三维矿床模型、卡车调度系统、MES系统、视频监视系统等模块，为进一步的数字矿山建设工作打下了基础。但是在追求质量效益型增长的浪潮中，华联锌铟公司面临着安全生产、矿产资源高效利用、绿色环保、大型装备生产效率提升等诸多方面的挑战，因此亟需通过数字矿山技术的开发应用来解决生产、管理及与外部系统协同等方面的问题。

1 华联锌铟公司数字矿山建设发展历程

历年来华联锌铟公司在矿山地质建模、三维软件应用、智能化管理系统等数字矿山建设工作方面进行努力和尝试，并取得了较为丰硕的成果。2005年，华联锌铟公司率先引进国外先进的Surpac软件，采用三维矿业软件进行辅助设计，对铜曼露天矿的主要矿体建立了地质模型并投入使用。基于Surpac软件建立的矿体地质模型见图1。

2008年，华联锌铟公司应用了更符合国内用户操作习惯的国产三维矿业软件3DMine，建立了更为翔实的铜曼露天矿三维地质模型，直观地呈现矿床、地形、矿山工程的三维空间关系，为三维采矿设计提供基础，实现技术管控效率与水平的提升。基于3DMine软件建立的矿区地质模型见图2。由于2012年地质模型建模完成后未对模型动态更新，随着勘探程度的提升，矿体形态、矿石品质均发生较大变化，地质模型精确度和可靠性逐渐降低，后逐渐停止使用。

2014年，华联锌铟公司应用露天矿山卡车调度系统（见图3），按照“最优路径-车流规划-实时调度”的优化调度理论和方法，结合矿山生产调度方法及管理经验，对所有矿用工程设备实行优化调度，降低了生产成本和能源消耗，提高了生产效率和管理水平。

2017年，华联锌铟公司系统地完成了铜曼露天矿三维地质模型重建（见图4），初步实现矿床三维地质建模、储量计算与动态管理、采矿设计等工作的数字化，为实现矿产资源的综合利用和生产方案优化决策，探索适合华联锌铟公司数字矿山发展的模式提供了参考。

2 数字矿山技术应用及成效

近年来，华联锌铟公司不断探索和利用数字矿山技术，以三维矿床模型、三维矿业软件平台（3DMine）为基础，综合运用现代信息技术、自动控制技术，结合先进的管理理念，以构建安全、高效、经济的智能矿山为最终目标，在地质资源管理、计划管理、生产过程管理、安全生产保障及生产经营信息管理等方面初步实现了数字化、信息化、自动化。

2.1 数字矿山技术的应用

数字矿山技术应用主要以三维地质矿床模型为基础，结合其他关键信息构造虚拟矿山[2]，借此完成矿山开采计划编制、穿孔爆破设计、安全应急预案等工作，對矿山资源综合利用、减少采矿损失贫化、生产组织优化等具有重要意义。基于数字矿山技术及三维矿业软件平台，华联锌铟公司在铜曼露天矿开展了中长期生产规划、边坡稳定性分析、数字化配矿等研究工作。

2.1.1 中长期生产规划

根据矿山的生产能力，如何科学合理地开采一个矿床，确定每个时期工作帮的推进位置，合理确定露天矿开采工程的时空顺序关系，是中长期生产规划的重要研究内容[3]。在三维矿业软件平台下，采用图论算法定义经济模型后，输入经济与技术参数，可生成最优化境界模型及相应图形与数值结果（见图5），为露天采场设计提供参考。

该模块以数字矿床模型为基础，以实现全境界开采净现值最大为目标，通过对境界内工作帮组成的空间约束，对采剥矿岩按生产时期进行空间位置划分，自动生成采剥计划最优方案。其原理是通过对块体模型携带的空间、品位等属性按几何约束的锥体集合进行组合，并搜索各组合中品位最小值进行排除，使境界范围逐步减小，形成境界开采现状系列，然后对现状系列的开采净现值进行动态规划算法寻优，最终得出符合开采净现值最大为目标的全境界采剥计划。

2.1.2 排土运输规划

提高排土工作效率、降低排土运输成本，是提高露天矿经济效益十分重要的环节[4]。当矿山的采剥计划制定后，每个时期岩土剥离位置剥离量就随之确定，但是，对于每个时期岩土运输的路线及岩土排放到排土场哪个位置最优的问题，还需通过排土运输规划来确定。利用数字矿山技术，可以对剥离物可能的运输路线及其在排土场内的堆置方式，按最小运输功进行整体优化计算，从而获得以排土运输功最小为目标函数的最优理论方案，找到排土费用最优的区域及对应的运输路线。铜曼露天矿利用数字矿山技术建立的排土运输规划模型见图6。

2.1.3 露天采场设计

基于三维矿业软件平台，可以完成露天采矿设计的绝大部分工作。在生产现状模型上，可以快速进行各种斜坡道与开段沟、排土场、最优运输路径的设计与计算，自动计算矿岩量、品位，实现分矿种、分台阶单独计算与汇总，还可以根据需要进行动态调整，快速更新露天现状模型。所有的设计和计算结果可以直接与打印模块关联，实现设计、计算、制图、报告流程化。

三維矿业软件平台的露天爆破设计模块（见图7）具有方便快捷的孔网参数选择，可以快速完成炮孔设计，模拟显示装药和填塞效果，生成炸药用量报告，按照爆破方式和雷管延迟时间进行联网爆破模拟，以及爆破效果和时差分析。

2.1.4 边坡稳定性分析

铜曼露天矿东帮边坡稳定性问题，一直困扰和制约着安全生产。一般情况下，提高边坡稳定性最有效的手段之一是减缓采场边坡角。但是，减缓边坡角，必然会增加剥离费用，影响开采的经济效益[5]。因此，境界收益与边坡风险存在此消彼长的关系。充分利用三维模型和三维矿业软件，在安全性和经济性之间找到一个平衡点，既能保证边坡的稳定，又能保证经济性。在生产阶段采取必要风险控制措施应对边坡变化带来的风险，是一个很值得深入研究的课题。

2.1.5 边界品位优化及敏感性分析

数字矿山技术的发展和普及，使得地质统计学、矿产经济学等理论的应用实现了程序化，为铜曼露天矿在原有成果基础上进一步提升综合边界品位管理和应用水平、实现资源综合利用的精细化管理提供了新的解决方案，使边界品位优化工作从提高矿床块体资料的准确性、相关经济指标的动态分析与预测等方面得到改善（见图8）。

2.1.6 数字化配矿

铜曼露天矿将矿山现行的经验法、试凑法等配矿方法科学合理化、程序化，建立生产配矿数学模型，研究出灵活、有效、实用的配矿方法，开发了适用于铜曼露天矿的配矿优化程序（见图9），以3DMine模型、设计规划数据为基础，根据生产计划指标快速制定生产配矿计划，大大提高配矿技术工作效率。

2.1.7 储量计算与矿石质量预报

利用三维矿业软件中的块段法和断面法进行资源储量估算（见图10），完全符合中国的储量分级计算标准，可有效减少工程技术人员野外实测、室内计算的工作量，提高工作效率。

通过矿粉数据库生成的爆区质量预报图表，可以根据不同的品位区间，快速生成爆区实体模型，报告品位、矿石量等信息。借助三维矿床模型，可以显示采场生产现状面上任意一点的矿石品位信息并按需要进行分类显示，现场技术人员可快速区分采场区块矿石品位高低、矿体号、储量级别等信息，提高现场技术工作效率。

三维矿业软件和三维矿床模型为其他更深层次的研究提供了基础，以往许多需要手工计算的数据，可通过三维模型和软件进行计算，极大地提高了计算效率。此外，以优化生产要素配置为目的，建立与铜曼露天矿生产实际相符的数学模型，开发相关的配套计算软件，开展对已知资源信息的分析计算，是现阶段铜曼露天矿极具实用价值的研究内容。

2.2 数字矿山技术应用效果

2.2.1 技术经济效益

1）提高技术工作效率。传统手工方法圈定矿体、储量估算、品位计算，以及绘制各类平面图、剖面图等图件，速度慢、精度低，质量因人而异，随机性大[6]，基于三维矿业软件可快速完成剖面图、平面图绘制，快速报告资源储量，大幅提升工作效率和计算精度。矿山企业可根据市场变化情况进行矿产资源经济分析，及时对现有资源状况进行重新评价并调整生产经营方向。同时，资料数据的动态查询、快速成图、动态报表等矿山生产管理工作，均可以通过数字矿山技术高效完成，降低日常管理、技术工作的劳动强度，大幅提高技术工作效率。

2）奠定地质综合分析基础。矿山数据库的建立，将钻孔勘探资料集成管理，为地质找矿综合分析研究、勘查设计提供基础依据。矿体、岩体、构造等三维地质模型的应用，为地质成矿规律研究、盲矿体及废石资源预测等综合分析工作奠定了基础。

3）资源得到充分回收利用。实现矿山生产的动态管理和多目标规划，降低采矿损失率和矿石贫化率。配合精细化采矿工作，将现有技术经济条件下能产生经济效益的超低品位矿石（废石资源）采出，经跳汰回收工艺富集后供给选厂，提高矿产资源利用率。

4）三维坑道及采空区模型的应用，有效预防工程设备陷落采空区，保障设备运行安全，节省设备维修成本;作穿孔爆破工作的“侦察兵”，方便及时调整爆破参数，改善爆破效果;资源储量管理中，可作为核减坑道和采空区资源量的重要依据，使储量信息更为精准。

5）三维矿床模型有助于查明矿体品位组分的空间分布规律，提高矿山建设的可预见性，减少生产钻孔、探矿坑道工程量，节约生产探矿投资。

2.2.2 社会效益

1）科学、合理、充分利用矿石资源，降低矿石贫化率，减少矿石流失，延长矿山服务年限，有助于保障矿山与社会环境的协调发展，规避或化解社会风险，为区域经济创造利税，发展区域经济。

2）通过三维模型优化采剥设计，降低采矿损失率与矿石贫化率，减少废石排放量;合理利用排土场，减少土地压覆面积，保护绿色植被。

2.3 后续工作建议

1）建立良好的管理机制，合理应用数字矿山技术成果。大力推广数字矿山技术，加强软件的培训、学习，提高工程技术人员对相关三维矿业软件的熟练程度。

2）专人负责管理、更新、维护三维地质模型。地质模型建立后，更为重要的是模型的维护与更新，因为随着勘探控制程度的不断提高和露天采场的不断剥离，矿区的矿体产状、形态、规模、矿石品质等均可能发生较大的变化，因此对数据库、三维模型进行动态更新必须作为日常工作稳步开展。

3）由于钻孔数据库、三维模型的数据量大，对电脑配置要求高，应适当提升计算机硬件配置。

4）随着数据不断更新完善、各专业模块的健全，搭建矿山三维管控平台，将各生产系统进行集成搭建，将设备、生产和监控信息与真三维环境相结合，实现矿山三维可视化条件下的生产管理，进一步提升华联锌铟公司数字矿山建设进程。

3 展 望

21世纪，矿业行业将以“构建智能模式”全新理念，实现资源与开采环境数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化[7]。无论是《全国矿产资源规划（2016—2020）》还是《中国制造2025》，智能化均被重点提及，智能化将是矿山行业转型升级的必然之路。

數字矿山建设是一项复杂的系统工程，为了达到预期的建设目标，产品如何规划构建、如何经济实施、建成以后如何有效地发挥其相应作用，是数字矿山建设的重点也是难点。如何提高数字化水平、推进数字化进程是企业发展的战略问题之一，既要避免企业信息化工作落伍而使企业跌入数字化“荒漠”，又要避免企业陷入数字化“陷阱”。矿山企业尤其不能盲目跟风，必须按照提高企业竞争力和发挥现有资产、资源价值的大原则来统筹考虑企业信息化工作，多点联动、长短结合、重点突破、注重实效，逐步推进企业的信息化工作。

4 结 语

华联锌铟公司作为数字矿山建设的“先行者”，在数字矿山建设探索方面取得的一些经验，可为同行企业的数字矿山建设工作提供借鉴。着眼当前，华联锌铟公司的数字矿山建设工作要布局远景，目前对远景影响最大的工作是信息共享与管理平台的建立。在铜曼露天矿已基本具备数字化、信息化基础的条件下，进一步提升已有系统的效能，以特定功能的计算机软件为载体、以矿山生产经营优化决策为目的开展开发与应用将是下一阶段的重要工作内容，涵盖软件的开发与升级、相关工作流程的建立与完善、工作班子的搭建与调整等工作。考虑到信息技术、人工智能等技术领域的发展迅猛，华联锌铟公司的数字矿山建设在一定时期内会“永远在路上”。

数字矿山技术虽不是解决矿山生产问题的“万能钥匙”，却是目前华联锌铟公司发展方式转型过程补齐短板最重要的抓手，也为彻底打破仅凭经验和局部信息来指导生产的局面，提供了全新的思路和方案。新时代、新常态下，包括华联锌铟公司在内的矿山企业必须站在新的高度去探索和开发数字矿山技术，高效开发利用有限的矿产资源，才能取得矿业领域科技创新的重大突破。

[参 考 文 献]

[1] 赵安新.数字化矿山及其关键技术应用与研究[D].西安：西安科技大学，2006.

[2] 孙豁然，徐帅.论数字矿山[J].金属矿山，2007（2）：1-5.

[3] 刘佶林，马开川，王孝东，等.地质最优开采体在露天矿采剥计划优化中的应用[J].金属矿山，2017（4）：1-7.

[4] 王忠鑫，王烨欣.排土场综合优化若干关键问题及技术方向[J].露天采矿技术，2013（2）：46-48，51.

[5] 牛星钢.金属非金属露天矿开采面和最终边坡角安全性与经济性定量分析评价[J].中国安全生产科学技术，2008，4（4）：151-154.

[6] 石文杰.基于ArcGIS建立鄂西高磷赤铁矿官店矿区三维模型[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[7] 王李管，曾庆田，贾明涛.数字矿山整体实施方案及其关键技术[J].采矿技术，2006，6（3）：493-498.