金属地下矿山开采规划优化研究

郭家能，谢瑞芝

（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410000）

我国是一个拥有丰富矿产资源的主要矿区。为了避免和减少项目建设的决策失误，在矿山项目建设前的可行性研究阶段，必须对矿山建设项目的投资决策进行严格、准确、科学的矿产资源规划和经济效益评价。我国大部分地下金属矿山企业仍采用传统的人工开采计划方法。采矿规划过程需要大量的数据，耗时长，处理过程繁琐。与此同时，采矿规划数据来源广泛，不仅需要注意地质资源信息的动态更新和矿产市场价格的波动，还需要关注矿山各环节矿石的加工过程和产能限制。复杂的业务流程和多源数据结构制约了传统手工规划的科学指导。本文主要以山东省某地下金矿开采为例，探讨开采规划的优化问题。

1 工程背景

1.1 开采技术条件

本文以山东省某地下金矿为例，对其开采工艺进行了验证：

（1）矿床地质特征为断裂带蚀变岩型金矿，成因类型为重熔岩中温热液型金矿。矿体周围的主要类型的岩石是变质的辉长岩、二长花岗岩和碎裂岩。矿体从地下-40m延伸至地下-700m。矿体走向为东北60°～70°，倾角为东北40°～50°。沿走向，趋势呈缓慢波浪状分布，沿趋势变化较大，沿趋势变化较小。矿体有膨胀、挤压、分枝现象，矿体厚度相对稳定。

（2）采矿方法：根据矿体赋存条件及矿岩稳定性特征，矿体厚度约3m～30m，平均厚度约10m，倾角33°～67°，平均46°，矿体呈倾斜中厚，地表不允许崩塌，因此，充填采矿法是适宜的。根据矿体的实际开采情况，根据矿体厚度的不同，选择不同的充填采矿方法，即上向分层面板采矿法和上向分层充填采矿法。①当矿体厚度为15～25m时，采用上向分层充填采矿法。②当矿体厚度小于15m时，采用上向分层进路充填采矿法。由于充填采矿法将矿块划分为较小的采场区进行开采，矿块之间允许同时开采。

1.2 开采系统规划

矿山主要计划生产系统包括：提升系统、运输系统、通风系统和充填系统。

（1）提升系统。主井中巷开拓系统能满足成本要求，保证矿井开采能力要求，为深部开采提供条件。

（2）运输系统。在混合轴上设立两套升降系统，矿石和废岩通过双重跳过，人员被笼式配重抬起。中段矿石、废石由电力机车运输至主矿道、主废石道，集中运输至搅拌井旁矿仓。破碎后，通过皮带将其装入箕斗并提升至地面。

（3）通风系统。采用中央进风口和两翼回风，利用辅助风机调节各需风量的中段和中段。新风经搅拌井、副井、测量井进入，经各中石门、中巷道进入分段巷道、矿段等用风点。废气通过回风天井返回专用回风巷道，最终排放至地面。

（4）充填系统。灌装系统采用全尾填充方法。选矿厂产生的全尾矿由选矿厂送至充填搅拌站尾矿泵房尾矿罐，将尾矿从填充和混合站泵送到全尾浓缩脱水储存装置，用于脱水储存。填充时，高浓度全尾砂浆从浓缩的脱水储存装置排出并送到灌装姿势。

2 精细化块体模型构建

2.1 层状矿床建模方法

旨在山东省地下金矿的分层特征，采用地质统计学中的克里格方法对矿体进行地质建模和资源评价。矿体模型的建立需要从现有的地质钻探资料入手，根据大量的样本数据分析矿体的区域变化特征，并利用克里格等方法对块体模型中各单元块体的品位属性进行估计。应根据矿石边界、矿床形态、品位变化、可利用时间和资金等因素进行合理选择。

地质解释为矿山资源评价、设计和规划提供了背景资料。山东某地下金矿矿体呈倾斜层状，矿体上、下壁界线较清晰。在该类矿体的实际开采过程中，上下壁之间的矿石将全部采出。为了确定矿体的形态，必须分析岩体的地质特征，利用钻孔岩性资料圈定矿体边界。

对于这种层状矿体，地质建模由三维空间变为二维空间，并将矿体厚度的维数作为一个变量进行插值。地质统计学方法以矿体厚度和累积值（厚度x品位）为变量，不仅可以估计矿体边界的变化，而且可以估计边界内的质量变化。在构建块模型时，块高度和东西长度是明确的值，而平均坡度和南北向的长度需要估计。

具体的评估步骤如下：

（1）根据矿体倾斜与钻孔倾斜之间的关系，以钻孔的中点为轴，将所有钻孔在南北方向投影成当量长度，并进行当量品位换算。

（2）定义一个中心平面，该中心平面穿过所有钻孔的矿石中点，用最小二乘法插值相邻两个钻孔的中点，形成中点连接面。

（3）根据钻孔密度和估计方差，确定块体高度和东西向长度，选择南北向最小单位长度，一般为1m。

（4）采用普通克里格法估计各块体厚度和累积值（x级长度）。在此基础上，计算矿体储量，用累积值除以厚度，得到各块体的平均品位。

2.2 块体模型构建

（1）地质数据库建立。准确的地质资料为矿产资源的准确估算提供了依据。地质数据库中的数据主要是地面钻井和生产钻井（探坑）数据，包括钻孔编号、坐标、空间轨迹信息、样品长度、品位和岩性信息。

（2）数据预处理。根据样品的岩性信息，选取具有黄铁矿-绢云母（成矿岩体）岩性的样品，形成新的样品，并对样品进行组合。将所有样本的样本长度换算成1米，合并新的样本长度等级，降低样本长度差异对数据分析的影响，使样品的统计分布曲线和半曲线更接近实际情况。通过三维坐标变换，将钻孔转化为垂直于矿体的钻孔。在此基础上，将三维井眼轨迹投影到垂直面上，形成井眼点的二维平面。钻孔长度（矿体厚度）和累积值作为变量分配给每个采样点。

（3）块体网格划分。根据块大小与估计方差的关系以及实际应用的需要，划分了块网格。由于钻井网络度为25mx20m（走向×高度），根据区块大小与估算方差的关系（区块大小越大，估算方差越小），为保证估算精度，选择25mx20m（东西向×高度）作为区块大小。

（4）估值。根据变差函数模型和椭球体模型，采用普通克里格法估计各块体的厚度和累积值。用累积值除以厚度得到块体平均品位。截止品位为1g/T时，估算矿石量约为3000万吨，平均品位约为2.1g/T。

3 开采规划集成优化研究

地下开采规划的分步优化是将区块布局、道路工程和采矿序列的布局被优化为三个部分。块布局优化的结果是道路工程布局优化的基础。同时，块布局和道路工程布局是优化采矿序列的基础。

3.1 开采规划分步优化

（1）矿块布局优化。采矿方法确定后，综合考虑矿体形态、岩石力学性质及采矿方法，中段高40m，中段数7个，矿段可选尺寸（长×高）分别为25mx40m和50mx40m，矿体部分的厚度是矿体的厚度。块体尺寸为25mx20m，故矿段由1x2或2x2块体组成。

（2）井巷工程布局优化。基于矿石布局的优化结果，采用巷道工程布置优化算法确定巷道工程延伸路径和矿块收敛点位置。由于矿体整体呈层状，巷道工程沿矿体走向延伸，在各中段中点处选择矿石汇合点，有利于缩短矿石运输的距离。同时，便于尽快开采矿体内的高品位矿石，推迟边际低品位矿石的开采时间。

（3）开采顺序优化。由于矿体整体呈层状，巷道工程沿矿体走向延伸，在各中段中点处选择矿石汇合点，有利于缩短矿石运输距离。同时，便于尽快开采矿体内的高品位矿石，推迟边际低品位矿石的开采时间。

3.2 基于资金动态价值的开采规划集成优化

（1）矿山开采年限优化。为了最大限度地提高矿井的经济效益，有必要选择合适的采矿期。选择较短的开采年限，矿段开采更具选择性，优先选择高品位矿段，但由于开采量小，金属总量小。随着开采年限的延长，可以开采更多的矿块，但由于开采低品位矿块，整体矿石等级将减少。

随着开采年限的增加，采出矿石的平均品位呈下降趋势。开采年限从9年延长到13年的平均品位下降率高于13年到17年的平均品位下降率，这也说明平均品位下降速度随开采年限的增加而减缓。随着矿床开采年限的延长，矿石量总体呈上升趋势。9～13年的矿石量增幅高于13～17年的增幅，这也说明随着矿床开采年限的延长，矿石量增幅减缓。累计净现值收益先增加后减少。矿床开采13年，累计净现值收益最大，这也说明矿床开采年限过长，采矿低档矿石将减少矿井的总收入。

从经济效益角度考虑，矿床开采年限宜为13年，但从资源充分利用角度考虑，考虑到开采过程中不确定因素造成的生产滞后，最终设计开采年限宜选择15年。

（2）开采规划集成优化。采矿布局的全面优化基于块模型，以及采矿块和道路工程的布局和采矿顺序的整体优化，实现矿区块体布局、巷道工程延伸和开采顺序的同步优化。最佳净现值为20.23亿元，矿井总产量为1.581亿吨，平均品位为2.500g/T。

（3）优化结果分析。两种方法在块体布置、开采时间、延伸顺序等方面存在一定差异。采矿顺序优化中的分步优化方法是以确定的采矿布局为基础的。受资金时间价值的影响，由于部分矿段需要建设大量巷道工程，开采时间相对较晚，价值会降低或没有价值。综合优化模型是在块体模型的基础上，综合考虑巷道延伸和矿块开采的整体协调情况和投入产出情况，增加优化选择的范围，更有利于找到最优方案。

以年矿石产量、平均品位、金属产量、净现金流量和累计净现值为指标，两种优化模型的优化结果的比较分析。由于基础设施建设期为两年，矿山从第二年开始生产矿石。前9年，两次优化的矿石产量结果相近，约130万吨/年。从第10年到第15年，逐步优化结果的矿石产量一直保持在较高水平，直到第13年，综合优化结果的矿石产量下降到130万吨/年左右，确保在随后的过程中可以开采某种等级的矿石，减少矿石开采量以满足后续矿石开采的要求是必要的，减少储备矿块也降低了巷道工程的建设成本。

逐步优化的结果在第六年明显下降，收入大幅下降的主要原因是第六年金属产量明显下降。综合优化模型的累计净现值收益约为20.24亿元，分步优化模型的累计净现值收益约为19.49亿元。综合优化模型使项目总收率提高了3.85%。如表4-5所示，综合优化模型矿石产量比分步优化模型减少约200万吨（9.94%），金属用量减少5吨（6.06%），井巷工程延伸量减少9.46%，矿段分布和开采时间更加集中，减少了远距离矿段的开采。结果表明，集成优化模型具有比逐步优化模型更好的优化效果。

建立了矿段布置、巷道工程布置和开采顺序规划的综合优化模型，获得全局优化的最佳解决方案。结果表明，考虑资金的时间价值后，各矿段的开采价值会发生变化。综合考虑矿段布置、巷道工程延伸和开采顺序，实现资源的优化配置。该集成方法实现了采矿规划的全局优化，可应用于类似矿山的采矿规划。

4 结论

以山东某地下金矿为例，完成了集成优化模型的验证研究。以区块经济价值模型为基础，从资本动态价值的角度，验证了采矿规划综合优化模型。与分步优化相比，综合优化的净现值约为3.85%。综合优化结果表明，矿段水平距离与巷道工程水平延伸成本呈指数增长关系，中部纵向深度与巷道工程垂直延伸成本呈指数增长关系。同时，综合优化考虑了多步之间复杂的反馈关系，从全局的角度进行优化，比分步优化具有更好的经济效果。