紫金山露采銅礦空區處理數字化建模應用研究

鄭正華

（紫金礦業集團股份有限公司）

紫金山露采銅礦原460~570 m中段采空區被兩邊礦柱及正上方標高604 m以下的巖礦石垂直崩落填充后，該區域的采場現狀發生變化，但礦體實際并未被采出，導致出現消耗儲量比采出礦量虛高的現象。同時，隨著充填完畢區域資源逐步開采，給資源儲量精細化帶來巨大挑戰，存在的問題凸顯，一是充填后的礦石分布情況難以通過探礦工程驗證，二是充填區每月的資源消耗難以統計，三是空區處理后并無可供采礦部門生產排產可靠的資源模型，給采剝計劃編排帶來不確定因素。針對以上問題，主要開展幾個方面研究：①深入了解采空區治理［1-2］方案；②如何避免因露采現狀變化，部分礦量進行充填采空區，造成露采消耗比出礦量虛高的假象，以及礦山采礦中長期及短期計劃不明確現象；③如何確定充填前后相關參數，如充填后礦巖石體積膨脹系數、原空區頂柱礦石品位“遷移”到充填區域巖礦石“混合體”的品位變化、充填前后容重的變化等；④如何對采空區充填后的巖礦“混合體”進行品位模擬，建立空區充填后的資源模型；⑤如何充分結合數字化品位模型進行采礦排產和指導配礦。

為解決上述問題，本研究借助Surpac三維可視化軟件，在紫金山金銅礦資源模型以及空區測量模型的基礎上，通過分析采空區處理技術方案，對采空區充填前后的巖礦“混合體”進行品位分布模擬和三維建模，建立空區充填后的資源模型，實現資源儲量精細化動態管理，為采剝計劃提供可靠的資源依據。

1 采空區處理方案

紫金山銅礦體460~570 m中段采用地下開采，于2010年結束。隨著礦山的發展，技術的不斷進步，以及開采方案的變更（實現+148 m以上銅礦露天開采），460~570 m中段由原地下開采轉為露天開采。在控制成本的前提下，確保采空區區域平穩過渡為露天開采，采空區處理關鍵技術研究尤為重要。

目前，國內外空區處理方案主要有封閉、崩落、加固和充填［3］。為實現紫金山銅礦尤其是低品位礦石的綜合利用，采空區處理主要通過“崩落+充填”［4-5］的方法，對原采空區進行充填處理。通過崩落采空區正上方標高604 m以下巖礦石的方式充填，首先崩落510～530 m水平礦柱，充填至460 m中段下部采空區；再崩落礦房采場采空區上部的隔離礦柱充填460 m中段余下的采空區以及520 m中段下部的采空區，如圖1所示。

2 原地采空區充填資源數字化建模過程

2.1 地質數據庫及模型基礎

地質數據是地質建模的基礎，是進行資源儲量估算的依據［6-7］。礦山自2013年引進Surpac軟件后，根據歷年的地質數據不斷更新，已有一套完整的數據庫和紫金山金銅礦資源儲量模型，并成功應用于采礦生產多年。

2.2 采空區處理實體的建立

基于Surpac三維軟件，建立空區處理實體模型能很好地掌握空區的空間位置，為后續空區處理研究奠定基礎［8］。

根據采空區實測圖件，用不同體號區分空區類型，單層空區體號用100系列，從101到121，共建立21個空區實體；雙層空區體號用200系列，從201到234，共建立34個空區實體，實體體號與空區編號保持一致。依據塊體模型建立需求，分別建立采空區、礦柱、頂柱等三維實體模型，同時根據空區實際標高劃分出520~570 m采空區對應的頂柱礦巖、577~604 m礦巖、460~510 m采空區對應的頂柱礦巖、513~533 m頂柱的礦巖。如圖2所示。

2.3 采空區充填后塊體模型的建立

2.3.1 準備文件

更新紫金山金銅礦資源儲量模型，并對模型進行驗算，確保基礎模型數據準確。基本模型更新信息如下。①根據礦體模型范圍，確定塊體模型的X、Y、Z值邊界；②根據露采臺階高度確定塊尺寸為6 m，次級塊尺寸為3 m，并讓每個塊的水平邊與露采境界模型對應臺階的高程一致，最大限度減少誤差；③增加需要的屬性來存儲相關地質信息，包括巖石類型、品位、密度、控制程度等；④通過利用普通克立格法進行塊體估值，最終建立塊體模型；⑤利用近年來的期初期末DTM對模型儲量數據進行驗算，并和二次圈定、采礦量進行對比分析，確保塊體數據準確無誤。

2.3.2 空區塊體模型建立

（1）膨脹系數。巖體在爆破下落充填空區過程中由實方變成虛方，發生體積膨脹。結合采礦充填方案以及本區的巖體結構進行系統實驗測算，假定礦石和圍巖經爆破后的級配總體一致，得出充填后平均膨脹系數α=1.358。

（2）充填后礦體密度。由于礦巖石崩落充填后發生膨脹，該區域礦石和圍巖容重無法直接引用地質報告。依據質量守恒原理，巖礦石充填前后的總質量m不變，根據密度公式ρ=m/V，m不變，體積V變大，密度ρ變小。結合每個礦房采空區對應充填的巖礦石比例情況，測定采空區充填后各區域容重，采用動態容重更加切合實際。

充填后的體積V1=1.358V0（V0為空區對應的頂板、礦柱、底柱等的礦巖體積）。

因此，用每個空區對應礦柱的原礦巖量除以充填后膨脹的體積V1，求出充填后的密度

（3）充填后標高界定。據充填后混合體頂板標高的界定來建立充填后混合體實體模型，為后續塊體模型品位和密度賦值奠定基礎。

充填后的標高采用如下公式獲得

式中，H1為空區底板標高，m；V1充填后體積，m3；S1為采空區底面積，m2。

（4）充填后塊體估值。在原資源模型基礎上以采空區和充填后“混合體”頂面標高約束，分別用每個礦房采空區對應的平均品位進行采空區范圍內塊體Cu屬性賦值，作為充填后的塊品位，完成充填體品位估值，同時進行密度ρ1賦值。最終獲得采空區充填后塊體模型。

3 原地采空區充填資源模型驗算和應用

3.1 采空區充填前后資源模擬結果驗算與分析

通過前述方式對空區充填后進行品位估值，與充填前空區上部礦柱的礦量進行對比，充填后總礦石量為1 325萬t，金屬量為55 852 t，平均品位為0.42%，比充填前礦石量減少20萬t，減少比例為1.50%；金屬量減少367 t，減少比例為0.65%，平均品位不變。詳見表1。

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對比結果顯示，充填后重新估值的結果與原有礦柱的礦石量、品位和金屬量均較為吻合（均未超過2%），說明估值結果較為可靠。重新估值后的礦量，通過月末現狀的變化對比，計算出空區范圍的開采變化，提高資源消耗、礦石品位的準確度及降低貧化損失率。

3.2 空區充填資源模型應用研究

3.2.1 應用于資源儲量動態管理

從源頭上規避了604~570 m頂柱及間柱崩落后難以準確統計資源儲量瓶頸，利用建立的數字化空區充填資源模型，結合月度現狀DTM，可準確地統計露采銅礦每月的資源儲量消耗情況，可精細化至空區充填區和其它采區，確保儲量消耗數據的準確性，實現資源儲量消耗的精細化動態管理，詳見表2。

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另外，提高了保有資源儲量統計的準確度，一方面在未處理的塊體模型統計露采銅礦保有資源儲量（扣除采空區巷道），另一方面在模擬采空區充填后的塊體模型里單獨統計采空區范圍內扣除礦柱后的銅礦保有資源儲量，詳見表3。

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3.2.2 應用于露采生產現場巖礦界線劃分

模型有效提高了一線地質人員的礦巖界線宏觀辨別能力，根據模型中品位初步模擬結果，對采空區充填資源進行取樣驗證，較為準確地劃定礦巖界線，有利于降低礦石的貧化損失率，如圖3所示。

3.2.3 應用于露采3 a滾動計劃編制

由于采空區處理前后，實際地質資源模型發生變化，無可供采礦部門生產排產可靠的資源模型。在建立充填后的塊體模型后，可為采礦廠提供可靠的地質品位分布數據，為采礦配礦提供數據依據，并成功應用于《紫金山金銅礦2020年采掘（剝）計劃（生產經營計劃）及3 a滾動計劃》編制，有效提高了紫金山金銅礦中長期規劃編制質量，詳見表4。

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4 結論

（1）本研究在礦山已有三維地質模型的基礎上，結合空區處理過程規律，對空區充填前礦石、廢石和礦柱崩落后形成的巖礦“混合體”進行品位模擬，構建空區充填后的資源模型，可以直觀地展現采空區充填后的品位分布特征。

（2）利用采空區充填數字化資源模型，可以確保資源儲量消耗和保有資源儲量準確無誤，實現資源儲量精細化動態管理，同時為采礦部門編制采剝計劃提供可靠的資源依據。

（3）通過深度結合“地采轉露采”采空區處理技術，構建采空區充填數字化資源模型，成功應用于日常的資源儲量動態管理、采剝中長期規劃及日常地質巖礦界線界定，優化了紫金山金銅礦資源儲量模型，可為同類地采轉露采礦山提供借鑒。