基于3DMine软件的露天矿山开采境界圈定

何龙飞

(大冶有色金属有限责任公司)

矿业是国民经济和社会发展的基础工业,在推进中国工业化、城镇化建设进程中起重要的保障和支撑作用。矿业技术的发展随着科技的发展而发展,近年来,随着计算机技术的飞速发展,利用矿业三维软件确定露天矿山开采境界已成为主流方法之一[1]。露天境界的确定直接影响生产规模、开采工艺、设备选型、开拓系统等后续工作,对矿山生产具有重要意义[2-4]。

1 工程背景

某矿山位于刚果(金)南东部的加丹加高原,海拔标高为1 400～1 550 m。主矿体埋藏较浅,矿体比较厚大,位于向北倾斜的向斜北翼,地表延伸超过300 m,主要赋存在矿山组R2地层中,总体呈层状分布,倾角近直立,受构造作用影响,矿区地层空间排布错乱,从上到下有多层铜矿体。各层矿体厚度变化较大,厚薄不一,薄的矿体厚度一般为10～20 m,厚的矿体厚度可达70～80 m,矿体平均厚度为40～50 m。铜品位一般为1 %～10 %,局部地层最高可达21.9 %。主矿体最低赋存标高1 207 m。

矿石类型以氧化矿为主,矿石组分以孔雀石为主,含水钴矿。随深度增加,从浅部氧化矿转变为氧化矿与硫化矿混合带,深部为硫化矿。矿体与围岩按工程地质岩组可分为3组,即松散软弱岩组、半坚硬岩组和坚硬岩组。工程地质岩组以半坚硬至松散岩组为主。矿区地表地质灾害不甚发育,很少见滑坡、崩塌、泥石流等。

2 露天采场边坡稳定性分析

2.1 边坡特征

该矿床主要赋矿地层为罗恩群矿山亚群,该套地层RSC段主要为浅灰色—浅灰白色硅化结晶白云岩,常具蜂窝状风化特征,蜂窝状孔洞内常见有黑色矿物颗粒、粉末,为重要标志层位。

含矿层主要是灰黑色条带状硅质白云岩、灰黑色含碳质白云岩、含叠层石白云岩和含碳质白云质页岩。而矿体顶底板主要是板岩、片岩类岩石,亦为重要岩性标志。

露天采场长轴为东西向,短轴为南北向。初步确定露天采场底标高为1 245 m,根据地表地形条件,到最终状态时,北部边坡最高达185 m,南部边坡最高达195 m,一般边坡高度为130～150 m。

2.2 边坡角确定

根据国内外类似矿山的工程类比及矿床现场工程地质情况,结合本次设计露天采场的服务年限,综合考虑露天开采安全边坡稳定性系数(Fs),不同条件下的取值范围如下:

1)该地区历史上未发生地震,地震设防烈度按6度考虑,地震加速度为0.1g。

2)最终边坡非工作帮边坡稳定性系数可取1.10～1.20。为了确保边坡安全并考虑经济成本,本次研究以Fs=1.15为标准参考值。

综合考虑后,本次优化采用边坡角如下:近地表30 m深度范围内的终了边坡角为35°,深度30 m以下为45°。

3 露天开采境界圈定

3.1 圈定原则

1)以地形图及矿体剖面图为依据。

2)所圈定露天采场的最终边坡角不大于或等于露天边坡稳定所允许的角度,以保证露天采场的安全生产[5],采用3DMine软件优化露天开采境界。

3)参考附近矿山成本及部分参数。

4)在经济合理的前提下,尽可能多回收利用矿产资源,以充分发挥露天开采的优越性。

3.2 矿体实体模型建立

采用LG图论法优化露天开采境界,首先用3DMine软件建立矿体实体模型(见图1)。将地质剖面图转为大地坐标立体图,链接各剖面形成实体总模型。

图1 矿体实体模型

建立地质块体模型,整理收集到的钻孔数据电子图片,将其中有关钻孔定位、测斜、化验及岩性的数据提取成Excel表格数据格式。有效数据共87组,录入3DMine软件建立钻孔数据库,根据地质报告中的工业指标将钻孔数据形成2 m等长组合样,采用距离幂次反比法,根据不同区域的矿体产状分别建立相应的椭球体。矿体内的样品全铜品位值进行基本统计分析,结果见图2。经计算:该矿山主矿体保有矿石量8 368.10 kt。其中,铜金属量309 139 t,Cu平均品位3.69 %;钴金属量23 431 t,Co平均品位0.28 %。

图2 矿体内样品全铜品位值基本统计分析结果

3.3 经济模型建立

根据阴极铜售价及矿石出坑后的加工成本折算单位金属价值,根据矿石开采成本、岩石剥离成本、阴极铜售价及矿石出坑后的加工成本等建立矿床的经济模型。露天开采境界优化技术经济参数见表1。

表1 露天开采境界优化技术经济参数

3.4 开采境界参数确定

根据上述的依据原则和技术经济指标,计算机将矿化模型转换成经济模型后,应用LG图论法进行境界圈定。根据矿体形态特征及设备选型等,采用露天境界台阶高度15 m,选择优化块尺寸为:x=20,y=20,z=15;次级块尺寸为:x=2.5,y=2.5,z=1.875,按回采台阶数递增境界,结果见表2。

从表2可以看出,随着露天最优境界底标高的降低,露天境界可产生的经济价值逐渐增大;当露天最优境界底标高为1 215 m时,露天境界剥采比有突变,此时境界剥采比为20.49 t/t,远大于附近矿山经济合理剥采比。选择底标高为1 215 m的露天境界为最终的优化境界,考虑到露天坑底最小宽度及台阶坡度影响,选择1 245 m为最低平台高度。

以矿床露天开采优化境界为基础,考虑到选矿厂和排土场所处位置及境界周围地形条件(东西低),将矿床终了境界矿(废)石出入沟口设在露天采场的西侧,东侧设一基建辅助出口。露天开采境界最终状态见图3,圈定境界的参数如下:

表2 露天开采境界优化结果

图3 露天开采境界最终状态示意图

1)台阶高度。为控制矿石贫化率,同时考虑台阶高度对生产能力的影响,本次露天采场台阶高度定为15 m。

2)台阶坡面角为65°。

3)终了平台宽度,安全平台5 m,清扫平台10 m,其设置一般为:每2个安全平台设1个清扫平台。

4)运输道路宽12 m。

5)道路最大纵坡8 %。

6)道路最小转弯半径25 m。

7)缓和坡段长度40 m。

8)最高台阶标高1 425 m。

9)坑底标高1 245 m。

10)总出入沟口标高1 417 m。

11)基建辅助出入口标高1 380 m。

12)境界上口尺寸1 000 m×580 m。

13)坑底尺寸95 m×95 m。

14)最终帮坡角<45°。

4 结 语

利用三维软件设计露天矿山在国内外已经比较普遍,给矿山设计工作带来了很多便利,也为最优境界圈定提供了更加科学的设计依据。无论是露天矿还是地下矿,科技的不断进步推动矿山设备的自动化、大型化。未来将出现大量智能化甚至智慧化的矿山,使用矿业三维软件是未来矿山建设和运营过程中重要的一环。本文基于3DMine软件,在矿床开采技术条件的基础上,分析了边坡稳定性,建立了矿体三维模型,在三维数值模型上寻求最优的结果,避免了由于设计人员水平、能力造成的不利结果,并节约了工作量和工作时间,为矿山安全高效开采提供了技术支撑。