數字礦山技術在銅曼露天礦的應用實踐

劉佶林 譚碧峰

摘要：介紹了數字礦山技術的背景，以華聯鋅銦公司銅曼露天礦為例，闡述了數字礦山技術的發展歷程和應用現狀，對礦山當前面臨的問題進行分析并提出建議，展望了數字礦山技術今后一段時期的發展方向，為同行企業數字礦山建設工作提供借鑒。

關鍵詞：露天礦;數字礦山;礦業軟件;數字礦床模型;智能化

引 言

進入信息主導的21世紀，“數字化”已成為知識經濟的重要標志[1]。信息技術的飛速發展給采礦業帶來了新機遇，礦山企業的經濟發展方式正經歷著從規模速度型粗放增長向質量效率型集約增長轉變的過程。數字礦山是在測量、地質、采礦、安全等各專業技術資料較為完備的基礎上，以礦產資源開發過程數字化信息為基礎，對資源、規劃、設計、生產和管理進行數字化的建模、仿真、評估和優化，并持續應用于礦山生產全過程的新型礦山技術體系和生產組織方式。

云南華聯鋅銦股份有限公司（下稱“華聯鋅銦公司”）位于云南省馬關縣都龍鎮，是云南錫業集團（控股）有限責任公司下屬的集采礦、選礦為一體的國有控股企業。華聯鋅銦公司旗下的銅街—曼家寨露天礦（下稱“銅曼露天礦”）屬國內大型有色金屬露天礦山，盛產錫、鋅、銅、鎢、銀和銦等礦產，資源豐富、種類繁多。

銅曼露天礦年采剝總量超過3 500萬t，裝備了國內外先進大型鏟裝、運輸設備。在數字礦山建設方面，已初步建立了三維礦床模型、卡車調度系統、MES系統、視頻監視系統等模塊，為進一步的數字礦山建設工作打下了基礎。但是在追求質量效益型增長的浪潮中，華聯鋅銦公司面臨著安全生產、礦產資源高效利用、綠色環保、大型裝備生產效率提升等諸多方面的挑戰，因此亟需通過數字礦山技術的開發應用來解決生產、管理及與外部系統協同等方面的問題。

1 華聯鋅銦公司數字礦山建設發展歷程

歷年來華聯鋅銦公司在礦山地質建模、三維軟件應用、智能化管理系統等數字礦山建設工作方面進行努力和嘗試，并取得了較為豐碩的成果。2005年，華聯鋅銦公司率先引進國外先進的Surpac軟件，采用三維礦業軟件進行輔助設計，對銅曼露天礦的主要礦體建立了地質模型并投入使用。基于Surpac軟件建立的礦體地質模型見圖1。

2008年，華聯鋅銦公司應用了更符合國內用戶操作習慣的國產三維礦業軟件3DMine，建立了更為翔實的銅曼露天礦三維地質模型，直觀地呈現礦床、地形、礦山工程的三維空間關系，為三維采礦設計提供基礎，實現技術管控效率與水平的提升。基于3DMine軟件建立的礦區地質模型見圖2。由于2012年地質模型建模完成后未對模型動態更新，隨著勘探程度的提升，礦體形態、礦石品質均發生較大變化，地質模型精確度和可靠性逐漸降低，后逐漸停止使用。

2014年，華聯鋅銦公司應用露天礦山卡車調度系統（見圖3），按照“最優路徑-車流規劃-實時調度”的優化調度理論和方法，結合礦山生產調度方法及管理經驗，對所有礦用工程設備實行優化調度，降低了生產成本和能源消耗，提高了生產效率和管理水平。

2017年，華聯鋅銦公司系統地完成了銅曼露天礦三維地質模型重建（見圖4），初步實現礦床三維地質建模、儲量計算與動態管理、采礦設計等工作的數字化，為實現礦產資源的綜合利用和生產方案優化決策，探索適合華聯鋅銦公司數字礦山發展的模式提供了參考。

2 數字礦山技術應用及成效

近年來，華聯鋅銦公司不斷探索和利用數字礦山技術，以三維礦床模型、三維礦業軟件平臺（3DMine）為基礎，綜合運用現代信息技術、自動控制技術，結合先進的管理理念，以構建安全、高效、經濟的智能礦山為最終目標，在地質資源管理、計劃管理、生產過程管理、安全生產保障及生產經營信息管理等方面初步實現了數字化、信息化、自動化。

2.1 數字礦山技術的應用

數字礦山技術應用主要以三維地質礦床模型為基礎，結合其他關鍵信息構造虛擬礦山[2]，借此完成礦山開采計劃編制、穿孔爆破設計、安全應急預案等工作，對礦山資源綜合利用、減少采礦損失貧化、生產組織優化等具有重要意義。基于數字礦山技術及三維礦業軟件平臺，華聯鋅銦公司在銅曼露天礦開展了中長期生產規劃、邊坡穩定性分析、數字化配礦等研究工作。

2.1.1 中長期生產規劃

根據礦山的生產能力，如何科學合理地開采一個礦床，確定每個時期工作幫的推進位置，合理確定露天礦開采工程的時空順序關系，是中長期生產規劃的重要研究內容[3]。在三維礦業軟件平臺下，采用圖論算法定義經濟模型后，輸入經濟與技術參數，可生成最優化境界模型及相應圖形與數值結果（見圖5），為露天采場設計提供參考。

該模塊以數字礦床模型為基礎，以實現全境界開采凈現值最大為目標，通過對境界內工作幫組成的空間約束，對采剝礦巖按生產時期進行空間位置劃分，自動生成采剝計劃最優方案。其原理是通過對塊體模型攜帶的空間、品位等屬性按幾何約束的錐體集合進行組合，并搜索各組合中品位最小值進行排除，使境界范圍逐步減小，形成境界開采現狀系列，然后對現狀系列的開采凈現值進行動態規劃算法尋優，最終得出符合開采凈現值最大為目標的全境界采剝計劃。

2.1.2 排土運輸規劃

提高排土工作效率、降低排土運輸成本，是提高露天礦經濟效益十分重要的環節[4]。當礦山的采剝計劃制定后，每個時期巖土剝離位置剝離量就隨之確定，但是，對于每個時期巖土運輸的路線及巖土排放到排土場哪個位置最優的問題，還需通過排土運輸規劃來確定。利用數字礦山技術，可以對剝離物可能的運輸路線及其在排土場內的堆置方式，按最小運輸功進行整體優化計算，從而獲得以排土運輸功最小為目標函數的最優理論方案，找到排土費用最優的區域及對應的運輸路線。銅曼露天礦利用數字礦山技術建立的排土運輸規劃模型見圖6。

2.1.3 露天采場設計

基于三維礦業軟件平臺，可以完成露天采礦設計的絕大部分工作。在生產現狀模型上，可以快速進行各種斜坡道與開段溝、排土場、最優運輸路徑的設計與計算，自動計算礦巖量、品位，實現分礦種、分臺階單獨計算與匯總，還可以根據需要進行動態調整，快速更新露天現狀模型。所有的設計和計算結果可以直接與打印模塊關聯，實現設計、計算、制圖、報告流程化。

三維礦業軟件平臺的露天爆破設計模塊（見圖7）具有方便快捷的孔網參數選擇，可以快速完成炮孔設計，模擬顯示裝藥和填塞效果，生成炸藥用量報告，按照爆破方式和雷管延遲時間進行聯網爆破模擬，以及爆破效果和時差分析。

2.1.4 邊坡穩定性分析

銅曼露天礦東幫邊坡穩定性問題，一直困擾和制約著安全生產。一般情況下，提高邊坡穩定性最有效的手段之一是減緩采場邊坡角。但是，減緩邊坡角，必然會增加剝離費用，影響開采的經濟效益[5]。因此，境界收益與邊坡風險存在此消彼長的關系。充分利用三維模型和三維礦業軟件，在安全性和經濟性之間找到一個平衡點，既能保證邊坡的穩定，又能保證經濟性。在生產階段采取必要風險控制措施應對邊坡變化帶來的風險，是一個很值得深入研究的課題。

2.1.5 邊界品位優化及敏感性分析

數字礦山技術的發展和普及，使得地質統計學、礦產經濟學等理論的應用實現了程序化，為銅曼露天礦在原有成果基礎上進一步提升綜合邊界品位管理和應用水平、實現資源綜合利用的精細化管理提供了新的解決方案，使邊界品位優化工作從提高礦床塊體資料的準確性、相關經濟指標的動態分析與預測等方面得到改善（見圖8）。

2.1.6 數字化配礦

銅曼露天礦將礦山現行的經驗法、試湊法等配礦方法科學合理化、程序化，建立生產配礦數學模型，研究出靈活、有效、實用的配礦方法，開發了適用于銅曼露天礦的配礦優化程序（見圖9），以3DMine模型、設計規劃數據為基礎，根據生產計劃指標快速制定生產配礦計劃，大大提高配礦技術工作效率。

2.1.7 儲量計算與礦石質量預報

利用三維礦業軟件中的塊段法和斷面法進行資源儲量估算（見圖10），完全符合中國的儲量分級計算標準，可有效減少工程技術人員野外實測、室內計算的工作量，提高工作效率。

通過礦粉數據庫生成的爆區質量預報圖表，可以根據不同的品位區間，快速生成爆區實體模型，報告品位、礦石量等信息。借助三維礦床模型，可以顯示采場生產現狀面上任意一點的礦石品位信息并按需要進行分類顯示，現場技術人員可快速區分采場區塊礦石品位高低、礦體號、儲量級別等信息，提高現場技術工作效率。

三維礦業軟件和三維礦床模型為其他更深層次的研究提供了基礎，以往許多需要手工計算的數據，可通過三維模型和軟件進行計算，極大地提高了計算效率。此外，以優化生產要素配置為目的，建立與銅曼露天礦生產實際相符的數學模型，開發相關的配套計算軟件，開展對已知資源信息的分析計算，是現階段銅曼露天礦極具實用價值的研究內容。

2.2 數字礦山技術應用效果

2.2.1 技術經濟效益

1）提高技術工作效率。傳統手工方法圈定礦體、儲量估算、品位計算，以及繪制各類平面圖、剖面圖等圖件，速度慢、精度低，質量因人而異，隨機性大[6]，基于三維礦業軟件可快速完成剖面圖、平面圖繪制，快速報告資源儲量，大幅提升工作效率和計算精度。礦山企業可根據市場變化情況進行礦產資源經濟分析，及時對現有資源狀況進行重新評價并調整生產經營方向。同時，資料數據的動態查詢、快速成圖、動態報表等礦山生產管理工作，均可以通過數字礦山技術高效完成，降低日常管理、技術工作的勞動強度，大幅提高技術工作效率。

2）奠定地質綜合分析基礎。礦山數據庫的建立，將鉆孔勘探資料集成管理，為地質找礦綜合分析研究、勘查設計提供基礎依據。礦體、巖體、構造等三維地質模型的應用，為地質成礦規律研究、盲礦體及廢石資源預測等綜合分析工作奠定了基礎。

3）資源得到充分回收利用。實現礦山生產的動態管理和多目標規劃，降低采礦損失率和礦石貧化率。配合精細化采礦工作，將現有技術經濟條件下能產生經濟效益的超低品位礦石（廢石資源）采出，經跳汰回收工藝富集后供給選廠，提高礦產資源利用率。

4）三維坑道及采空區模型的應用，有效預防工程設備陷落采空區，保障設備運行安全，節省設備維修成本;作穿孔爆破工作的“偵察兵”，方便及時調整爆破參數，改善爆破效果;資源儲量管理中，可作為核減坑道和采空區資源量的重要依據，使儲量信息更為精準。

5）三維礦床模型有助于查明礦體品位組分的空間分布規律，提高礦山建設的可預見性，減少生產鉆孔、探礦坑道工程量，節約生產探礦投資。

2.2.2 社會效益

1）科學、合理、充分利用礦石資源，降低礦石貧化率，減少礦石流失，延長礦山服務年限，有助于保障礦山與社會環境的協調發展，規避或化解社會風險，為區域經濟創造利稅，發展區域經濟。

2）通過三維模型優化采剝設計，降低采礦損失率與礦石貧化率，減少廢石排放量;合理利用排土場，減少土地壓覆面積，保護綠色植被。

2.3 后續工作建議

1）建立良好的管理機制，合理應用數字礦山技術成果。大力推廣數字礦山技術，加強軟件的培訓、學習，提高工程技術人員對相關三維礦業軟件的熟練程度。

2）專人負責管理、更新、維護三維地質模型。地質模型建立后，更為重要的是模型的維護與更新，因為隨著勘探控制程度的不斷提高和露天采場的不斷剝離，礦區的礦體產狀、形態、規模、礦石品質等均可能發生較大的變化，因此對數據庫、三維模型進行動態更新必須作為日常工作穩步開展。

3）由于鉆孔數據庫、三維模型的數據量大，對電腦配置要求高，應適當提升計算機硬件配置。

4）隨著數據不斷更新完善、各專業模塊的健全，搭建礦山三維管控平臺，將各生產系統進行集成搭建，將設備、生產和監控信息與真三維環境相結合，實現礦山三維可視化條件下的生產管理，進一步提升華聯鋅銦公司數字礦山建設進程。

3 展 望

21世紀，礦業行業將以“構建智能模式”全新理念，實現資源與開采環境數字化、技術裝備智能化、生產過程控制可視化、信息傳輸網絡化、生產管理與決策科學化[7]。無論是《全國礦產資源規劃（2016—2020）》還是《中國制造2025》，智能化均被重點提及，智能化將是礦山行業轉型升級的必然之路。

數字礦山建設是一項復雜的系統工程，為了達到預期的建設目標，產品如何規劃構建、如何經濟實施、建成以后如何有效地發揮其相應作用，是數字礦山建設的重點也是難點。如何提高數字化水平、推進數字化進程是企業發展的戰略問題之一，既要避免企業信息化工作落伍而使企業跌入數字化“荒漠”，又要避免企業陷入數字化“陷阱”。礦山企業尤其不能盲目跟風，必須按照提高企業競爭力和發揮現有資產、資源價值的大原則來統籌考慮企業信息化工作，多點聯動、長短結合、重點突破、注重實效，逐步推進企業的信息化工作。

4 結 語

華聯鋅銦公司作為數字礦山建設的“先行者”，在數字礦山建設探索方面取得的一些經驗，可為同行企業的數字礦山建設工作提供借鑒。著眼當前，華聯鋅銦公司的數字礦山建設工作要布局遠景，目前對遠景影響最大的工作是信息共享與管理平臺的建立。在銅曼露天礦已基本具備數字化、信息化基礎的條件下，進一步提升已有系統的效能，以特定功能的計算機軟件為載體、以礦山生產經營優化決策為目的開展開發與應用將是下一階段的重要工作內容，涵蓋軟件的開發與升級、相關工作流程的建立與完善、工作班子的搭建與調整等工作。考慮到信息技術、人工智能等技術領域的發展迅猛，華聯鋅銦公司的數字礦山建設在一定時期內會“永遠在路上”。

數字礦山技術雖不是解決礦山生產問題的“萬能鑰匙”，卻是目前華聯鋅銦公司發展方式轉型過程補齊短板最重要的抓手，也為徹底打破僅憑經驗和局部信息來指導生產的局面，提供了全新的思路和方案。新時代、新常態下，包括華聯鋅銦公司在內的礦山企業必須站在新的高度去探索和開發數字礦山技術，高效開發利用有限的礦產資源，才能取得礦業領域科技創新的重大突破。

[參 考 文 獻]

[1] 趙安新.數字化礦山及其關鍵技術應用與研究[D].西安：西安科技大學，2006.

[2] 孫豁然，徐帥.論數字礦山[J].金屬礦山，2007（2）：1-5.

[3] 劉佶林，馬開川，王孝東，等.地質最優開采體在露天礦采剝計劃優化中的應用[J].金屬礦山，2017（4）：1-7.

[4] 王忠鑫，王燁欣.排土場綜合優化若干關鍵問題及技術方向[J].露天采礦技術，2013（2）：46-48，51.

[5] 牛星鋼.金屬非金屬露天礦開采面和最終邊坡角安全性與經濟性定量分析評價[J].中國安全生產科學技術，2008，4（4）：151-154.

[6] 石文杰.基于ArcGIS建立鄂西高磷赤鐵礦官店礦區三維模型[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[7] 王李管，曾慶田，賈明濤.數字礦山整體實施方案及其關鍵技術[J].采礦技術，2006，6（3）：493-498.