DI MI NE軟件在自然崩落法中的應用

梁 超,王李管

(1.中南大學, 湖南 長沙 410083;2.長沙迪邁數碼科技股份有限公司, 湖南 長沙 410205)

0 引 言

自然崩落法雖然是一種規模大、效率高、成本低、工藝簡單的地下采礦方法,但由于其對礦巖物理性質要求較高,應用時對礦體開采技術條件的要求相當嚴格,需要很高的生產管理水平,而且應用這種方法比使用其它方法更具風險性.如何提高自然崩落法應用的安全、高效、精確是廣大學者研究的課題之一.隨著三維可視化數字礦山軟件的發展,可實現自然崩落法安全、高效、精準的目的.

1 DI MINE軟件在自然崩落法中的作用

自然崩落法由于其適用條件、開采工藝、生產過程控制與管理的復雜性,使其成為所有采礦方法中技術和管理水平要求最高、風險最大、貧化損失指標控制最難的一種采礦方法.沈南山等人認為自然崩落采礦法潛在的主要問題有5個方面:地質資料、礦巖體數據、礦巖崩落的連續性、崩落塊度、底部放礦結構.準確、合理的崩落法采礦設計與風險預測需要建立在充分、準確的地質資料基礎之上.借助于信息外延理論或插值技術,充分利用有限的地質資料,建立合理、可靠的地質模型是自然崩落法成功的重要前提.礦巖體的可崩性及塊度準確預測直接關系到放礦間距、設備選型及生產能力.底部結構的地壓控制和穩定性維護是自然崩落法采礦能否成功的最關鍵技術[1].而對這些方面的處理,三維礦業軟件有著獨特的優勢.

1.1 準確快速地建立各種地質資源模型

DI MINE軟件最大的特色之一是能快速的建立各種地質資源模型,包括地質數據庫、地表模型、礦體模型、斷層模型、地層(巖性)模型、塊體模型、品位資源模型、井巷工程模型等.通過建立合理、可靠的地質模型,才能對礦山進行可靠的資源評價,才能進行合理的采礦設計和風險評估.自然崩落法進行分析研究、計劃編制、生產管理的數據都來源于DIG MINE軟件建立的各種模型.

1.2 優化工程設計模型及快速編制工程施工進度計劃

三維礦業軟件對自然崩落法礦山前期的工程設計和基建期的施工組織計劃編排有很大的指導作用.

結合礦床地質和生產條件,對自然崩落法礦山生產過程中至關重要的拉底、切割、底部結構及其支護等工程進行科學的優化設計,提高設計效率、加快工程實施.

基于排隊論、多目標線性規劃等最優化方法的DI MINE軟件能快速科學地編制井巷工程、拉底切割工程施工進度計劃,加快工程施工進度.

1.3 可進行礦巖可崩性研究

自然崩落法對礦床開采技術條件要求嚴格,與其它地下開采方式相比有明顯區別,一旦實施將很難進行采礦方案變更.因此,在采用自然崩落法的礦山對礦巖質量進行全面評價顯得尤為重要.目前一種基于區域化變量最優估值理論及RMR評價體系的礦巖質量三維數字化評價方法能克服傳統以點帶面的評價方法因沒能考慮各參數的隨機變化,其評價結論存在一定缺陷的問題.

礦巖質量三維數字化評價方法的步驟是:

(1)基于鉆孔和巖體原位調查數據建立礦巖評價參數的原始三維數據庫;

(2)對各參評參數進行變異性分析及交叉驗證,確定各參數的變程、塊金及基臺值;

(3)根據地質資料建立待評價區域的三維實體模型;

(4)基于八叉樹結構及次分塊技術,建立評價區域RMR塊體模型;

(5)利用區域化變量最優估值理論對各評價參數進行空間插值,最終得到礦區整體三維數字化RMR評價模型;

(6)根據Laubscher的評價標準,對模型結果進行統計分析,得出礦巖可崩性分級統計,從而判斷礦巖的可崩性好壞.評價流程如圖1所示.

三維礦業軟件在建立數據庫、三維實體模型、評價區域塊體模型、變異函數分析、克里格法空間插值、評價模型統計分析等方面具有獨特的優勢.

圖1 礦巖質量三維數字化評價流程

2 應用實例

普朗銅礦礦床成礦作用發生在復式斑巖體內.巖體中心形成由細脈浸染狀礦石組成的筒狀礦體,巖體邊部產出脈狀礦體.成礦元素以銅為主,伴有金、銀、鉬、硫等有用組分,礦化帶長大于2300 m,寬600~800 m,面積約1.09 k m2,呈穹窿狀.普朗銅礦一期以普朗銅礦首采區KT1礦體(7－20線)為開采對象,首采區巖層破碎、完整性差,工程地質條件惡劣,品位較低,但礦體厚大,近乎垂直,有足夠的崩落面積,計劃年礦石產量為1250萬t.一期首采中段為標高3720 m以上礦體,計劃達產時間為2017年,其投入生產后將是我國規模最大的自然崩落法生產礦山.

2.1 運用DI MINE軟件快速建立地質資源模型

由鉆孔開口、測斜、樣品、巖性信息等能建立地質鉆孔數據庫,可為后期模型估值、算量提供數據支撐.

根據地形圖文件,可以便捷地建立地表模型,地表模型是放礦控制的上部邊界,可為后期放礦點崩落高度計算及塌陷區范圍測算提供條件.如圖2所示.

圖2 首采區鉆孔數據庫、地表及礦體模型

由地質鉆孔數據庫解譯的地質界線(礦體、斷層、地層、巖性界線)或者已有的平、剖面二維圖件中提取的地質界線可以建立礦體模型、斷層模型、地層或巖體模型,礦體模型可用于確定采區的礦量儲備情況,為后期開采計劃編制創造條件;斷層模型、地層或巖體模型可為自然崩落法開采前的崩落特性研究提供基礎模型,如圖3所示.

圖3 首采區巖體模型

建立塊體模型,運用鉆孔數據庫和礦體模型,通過某種插值方法可以得到礦床的品位模型(見圖4),品位模型是承載著各種地質信息的尺寸不等的眾多單元塊,它能為后期自然崩落法中每個放礦點的擔負礦量、放礦高度、分層品位、放出品位的計算與分析提供基礎條件.

通過建立已經施工的和設計未施工的井巷工程模型(見圖5),包括穿脈、沿脈、溜井及放礦底部結構等,可以為基建期、投產期、達產期各個時期的掘進計劃進行安排,同時在三維可視化的情況下通過建立的井巷三維實體,能夠為底部結構的設計和優化提供便利.

2.2 首采區基建工程進度計劃編制及拉底范圍確定

普朗銅礦首采中段設有4個主要水平,從下至上分別為3660 m有軌運輸水平、3700 m回風水平、3720 m出礦水平、3736 m拉底水平,上下高差分別為30,20 m和16 m.

結合礦床地質和生產條件,對3720 m出礦水平的底部結構進行科學的優化設計,經過多方案對比,確定出礦穿脈之間間距30 m且垂直礦體走向布置,出礦進路之間的距離為15 m,采用分支鯡骨式布置,出礦進路與出礦穿脈成55°角相交,如圖6所示.

圖6 出礦水平布置圖(局部)

為了更合理的安排礦山地下工程的施工順序,在最短的工期內完成礦山基建工程,采用了DIG MINE三維礦業軟件對基建期的地下工程施工網絡計劃進行了編制.在軟件中建立的礦山各種采掘工程在空間上的關系十分清晰,且能在三維空間中查詢礦體的品位信息,為應用優化法和模擬方法進行采掘工程順序確定提供了基礎和手段[3].3736 m水平穿脈掘進進度見圖7.

圖7 3736 m水平穿脈掘進進度

拉底計劃是進行放礦計劃編制的前提條件,拉底計劃編制不合理,可能在準備工作還沒做好的情況下提前進入持續崩落階段而對生產造成毀滅性的影響,也可能規定的時間達不到產能而延長工期.

進行拉底計劃編制時需考慮初始崩落面積、持續崩落面積及達產所需面積,然后根據達產時間反推每月的平均拉底面積.同時,需考慮從開始拉底到初始崩落階段、初始崩落到持續崩落階段、持續崩落到崩通地表階段以及崩通地表后至開采結束階段各階段拉底速度的差別,持續崩落前拉底速度可以慢,持續崩落后需加快拉底速度.

在DI MINE軟件中可以根據放礦規劃、工程施工難度、時間進度以及各階段的拉底速度,自由圈定拉底范圍,得到各個時期的拉底范圍線.基建期開拓放礦點170個,生產期第4年拉底結束,隨后利用已有放礦點進行出礦,直到該礦塊放礦結束,生產期拉底速度為1256~3375 m2/月.首采區拉底計劃見表1、圖8.

表1 首采區拉底計劃

圖8 3736 m水平拉底計劃

2.3 首采區可崩性評價

地質體模型建立后,利用DI MINE軟件建立礦巖質量評價塊段模型,模型中的任一子塊即可用于承載該處礦巖質量評價的各個參數.根據變異性分析得到的參數,利用克里格方法對巖石單軸抗壓強度(σc)、巖石質量指標(RQD)、節理間距(JS)和摩擦角(Jφ)等指標在評價區域內進行空間插值,并按表2計算RMR值.

表2 修正后的RMR評分標準

按克里格插值方法對各參數在評價區域內進行空間插值,并按修正后的RMR評分方法計算RMR值,最終得到RMR評價價值模型[4],見圖9.

圖9 普朗銅礦礦巖質量RMR評價模型

根據Laubscher的評價標準(見表3)[5],對模型結果進行統計分析,估計一定區域的可崩性級別.普朗銅礦首采區礦體按可崩性等級分類統計結果見表4.

表3 勞布施爾的評價標準

表4 首采區礦體按可崩性等級分類統計結果

由表4可知,礦體內以Ⅲ級、Ⅳ級崩落區為主,銅品位都在0.4%以上,但局部存在Ⅱ類穩固區域,且Cu品位較高,存在少量的Ⅴ類不穩固區,且品位較低.綜合來看,普朗銅礦首采區可崩性評價區域內的礦巖可崩性處于中等偏上(主要為Ⅲ類可崩性礦體),可崩性較好,采用自然崩落法是可行的[6].

3 結 語

隨著計算機技術與理論的飛速發展,三維礦業軟件已涉足越來越多的傳統采礦領域,也為以前難以掌控的采礦方法提供了更多的技術和管理手段.

在自然崩落法中,運用DI MINE軟件可快速建立地質資源模型,得到準確的地質資源評價,能夠合理的進行基建工程進度計劃編制及拉底范圍確定,進行礦床開采前的可崩性評價等,通過種種手段實現開采前資源可采性評價、開采過程中的計劃組織管理,降低了開采過程中的風險.

[1] 沈南山,顧曉春,尹升華.國內外自然崩落采礦法技術現狀[J].采礦技術,2009,9(4):1G4.

[2] 馮興隆.自然崩落法礦巖工程質量數字化評價及模擬技術研究[D].長沙:中南大學,2010.

[3] 劉華武,馮興隆,劉關鋒,等.基于DI MINE三維礦業軟件的普朗銅礦基建采掘工程網絡計劃編制[J].湖南有色金屬,2014,30(3):1G5.

[4] 馮 武,王李管,彭平安,等.自然崩落法礦巖質量三維數字化評價方法[J].礦冶工程,2014(2):4G9.

[5]Laubscher D H.Cave miningGthe state of the art[J].Jour nal of t he Sout h African Instit ute of Mining and Metallurgy,1994,94(10):279G293.

[6] 劉華武,馮興隆,梁江波,等.普朗銅礦大規模開采關鍵技術應用研究[J].礦業研究與開發,2016,36(07):1G5.