幫坡角變化對露天礦采剝量以及經濟效益的影響

顧曉薇，代佳佳，朝 日，王 青，胥孝川，郭智寅，邱 鑫

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

露天礦山進入深凹開采后，采場邊坡不斷加高加陡，邊坡角逐漸增大，一方面將面臨開采安全性越來越差，生產成本急劇上升，經濟效益迅速下滑的問題；另一方面，對于金屬礦山而言，提高幫坡角是充分回收資源、降低生產成本、增加礦山效益的重要手段之一[1-3]。邊坡穩定性分析是提高露天礦幫坡角的前提條件，當前，極限平衡和數值模擬相結合的方法被廣泛應用到露天礦邊坡穩定性分析中[4]，在最佳幫坡角條件下，進一步降低礦山生產成本，提高礦山經濟效益的另一個重要手段就是進行境界優化。最終境界優化方法很多，包括浮錐法、錐體排除法、圖論法、動態規劃法等[5-8]。本文基于錐體排除法的基本原理，應用OpMetalMiner軟件，通過優化不同幫坡角下的某露天礦最終境界，分析幫坡角變化對礦山巖石剝離量、礦石采出量以及經濟效益的影響。

1 礦區概況

某礦區內海拔為600～1 323 m，相對高差700余米，地勢陡峭，侵蝕切割強烈，溝谷發育，為壯年期侵蝕切割地貌，坡度25°～30°。地質勘探期間，共設置五條勘探線，各勘探線的礦體剖面以及礦區地質地形見圖1。根據勘探結果可知礦體賦存于太古界地質體中，圍巖主要是斜長角閃片麻巖、長英片麻巖及黑云母長英片麻巖等，展布方向與地層走向基本一致。礦石類型為磁鐵石英巖，礦體呈層狀、似層狀產出，產狀與圍巖一致，總體走向350°，傾角大多在10°～40°之間，礦體連續性較好，礦體長度不等。后期構造破壞作用不大，總體看來，圍巖與礦體穩定性較好。

圖1 礦區地質地形圖及勘探線剖面圖

2 礦區數值模型的建立

結合該礦區的實際情況，根據勘探報告所給出的地質地形圖、礦體剖面圖等，利用人工平剖轉換，導入3Dmine軟件與OpMetalMiner軟件，建立地表標高模型和礦體品位模型。

1) 地表標高模型的建立。根據該礦區勘探報告所給出的地質地形圖和地表標高數據，建立礦區地表標高模型(圖2)。

圖2 地表標高模型三維立體圖

2) 礦體品位模型的建立。礦體的品位模型在水平面上的尺寸為10 m×10 m，其高度等于臺階高度(臺階高度為10 m)。根據地質勘探階段獲得的鉆孔數據，應用距離冪次反比法，建立礦體品位模型。如圖3所示，每一小方格為一模塊，陰影部分為礦石模塊，其他部分為廢石模塊。

圖3 700 m水平的品位模型

3 境界優化及分析

基于該礦區地表標高模型、品位模型和技術經濟參數，運用OpMetalMiner軟件進行境界優化，分析幫坡角變化對露天礦最終優化結果的影響。

3.1 境界優化參數

根據實際生產數據確定相關優化參數，包括境界內原始幫坡角分區設置(圖4)，不同巖性的礦巖的容重(表1)，技術經濟參數(表2)。本文在進行最終境界優化時，選用的是原有地質報告提供的相關數據，力求使優化結果與實際相符合。

在滿足幫坡角穩定條件下，改變不同區域的幫坡角度數，研究幫坡角變化對露天礦最終境界的影響。分別考慮以下四組幫坡角變化組合(相對于圖4中的幫坡角設置，“+1°”表示幫坡角增加1°，“-1°”表示幫坡角變緩1°)：

第一組為全部區域幫坡角變化+1°，+2°，-1°，-2°；第二組為下盤(B區)幫坡角變化+1°，+2°，-1°，-2°；第三組為上盤(D區)幫坡角變化+1°，+2°，-1°，-2°；第四組為兩端(A區、C區、E區、F區)幫坡角度變化+1°，+2°，-1°，-2°。

3.2 最終境界優化結果及分析

將四組優化結果與基準結果對比，分析幫坡角變化對最終境界的影響。

3.2.1 基準境界優化結果

基于表1和表2相關技術經濟參數設置，首先進行基準境界優化(即按照礦山提供的原始幫坡角優化)，優化結果見表3。

3.2.2 整體幫坡角變化優化結果

對全部區域幫坡角進行變化，分析境界內礦巖量、剝采比、境界總盈利變化情況。優化結果見表4。由表4可知，當整體幫坡角逐漸變陡時，礦巖量和剝采比可能增大，也可能減小。當整體幫坡角的改變量從-2°到0°變化時，礦石量、廢石量、剝采比均減小，但境界內總盈利增多；繼續增大整體幫坡角，礦石量增多，但廢石量和剝采比出現先增多后減少的現象，總盈利繼續增加，最終當整體幫坡角增大2°時，獲得最大總盈利，此時礦石量、精礦量最多，廢石量、剝采比獲得最小值。

表1 不同礦巖的容重

表2 技術經濟參數

表3 基準境界優化結果

表4 整體幫坡角變化后的境界優化結果

3.2.3 下盤幫坡角變化優化結果

對下盤幫坡角進行變化，分析境界內礦巖量、剝采比、境界總盈利變化情況。優化結果見表5。由表5可知，在下盤幫坡角逐漸變陡的過程中，礦巖量和剝采比有可能增多也有可能減少。與全區域幫坡角變化優化結果不同，對下盤幫坡角改變時，下盤幫坡角增大1°時，獲得最大總盈利，此時剝采比最小。繼續增大下盤幫坡角，盡管礦石量增多，但是由于廢石量增多的幅度更大，導致剝采比出現較大幅度上升，以至于境界內總盈利減小。

3.2.4 上盤幫坡角變化優化結果

對上盤幫坡角進行整體變化，分析境界內礦巖量、剝采比、境界總盈利變化情況。優化結果見表6。由表6可知，相較于基準優化結果，當上盤幫坡角增大1°和2°時，礦石量均有所增加，廢石量均減少，剝采比降低。盡管增大2°時的礦石量要小于增大1°時，但是更少的廢石量和更低的剝采比使得增大2°時的境界總盈利最高。當上盤幫坡角減小1°和2°時，礦石量降低，廢石量出現較大幅度的增加，剝采比也出現明顯的上升，境界總盈利下降。

3.2.5 兩端幫坡角變化優化結果

對兩端幫坡角進行整體變化，分析境界內礦巖量、剝采比、境界總盈利變化情況。優化結果見表7。由表7可知，相較于基準優化結果，當兩端幫坡角增大時，礦石量增加，廢石量有增有減，剝采比逐漸降低。當兩端幫坡角增大1°時，礦石量增加和剝采比的降低使境界內總盈利增多。當兩端幫坡角增大2°時，礦石量繼續增加，廢石量減少，所以境界總盈利有了較大幅度的增加，并在此時獲得最大值。當兩端幫坡角減小1°時，礦石量的增加相較于廢石量的增加并不明顯，導致剝采比上升，所以最終獲得的經濟效益減少。當兩端幫坡角減小2°時，礦石量減少，廢石量增加，導致盈利繼續減少。

表5 下盤幫坡角變化后的境界優化結果

表6 上盤幫坡角變化后的境界優化結果

表7 兩端幫坡角變化后的境界優化結果

3.3 最終境界靈敏度分析

當幫坡角變陡時，境界內礦石量和廢石量有增有減。增大整體幫坡角時，增加1°時廢石量增加，增加2°時廢石量減小。增大下盤幫坡角時，境界內的廢石量均有所增加。增大上盤幫坡角時，境界內礦石量增加，廢石量減少。增大兩端幫坡角時，礦石量都有增加，廢石量有增有減。境界內盈利呈現增加趨勢。

可以看出，當幫坡角發生改變時，對礦石量來說，下盤幫坡角變化，對礦石量有較為明顯的影響，靈敏度較高；對廢石量來說，整體幫坡角變化對廢石量影響較大，靈敏度較高。對最終盈利來說，整體幫坡角對盈利影響較大，靈敏度較高。

4 結 論

1) 在滿足露天礦邊坡穩定條件下，通過改變礦區上盤、下盤、兩端以及整體幫坡角，發現露天礦的巖石剝離量、礦石采出量以及經濟效益對不同方位幫坡角的靈敏度不一樣。

2) 隨著露天礦不同方位的幫坡角變陡，盡管境界內礦巖量可能增加也可能減少，但是露天礦整體盈利呈增大趨勢。主要原因有以下3種情況：①采出礦石量增多，廢石量減少；②采出礦石量增多，廢石量增多，增多的礦石量的價值高于處理增多廢石的成本；③采出礦石量減少，廢石量減少，廢石減少節約的處理廢石的成本多于礦石量減少所減少的收入。