金屬地下礦山開采規劃優化研究

郭家能，謝瑞芝

（湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410000）

我國是一個擁有豐富礦產資源的主要礦區。為了避免和減少項目建設的決策失誤，在礦山項目建設前的可行性研究階段，必須對礦山建設項目的投資決策進行嚴格、準確、科學的礦產資源規劃和經濟效益評價。我國大部分地下金屬礦山企業仍采用傳統的人工開采計劃方法。采礦規劃過程需要大量的數據，耗時長，處理過程繁瑣。與此同時，采礦規劃數據來源廣泛，不僅需要注意地質資源信息的動態更新和礦產市場價格的波動，還需要關注礦山各環節礦石的加工過程和產能限制。復雜的業務流程和多源數據結構制約了傳統手工規劃的科學指導。本文主要以山東省某地下金礦開采為例，探討開采規劃的優化問題。

1 工程背景

1.1 開采技術條件

本文以山東省某地下金礦為例，對其開采工藝進行了驗證：

（1）礦床地質特征為斷裂帶蝕變巖型金礦，成因類型為重熔巖中溫熱液型金礦。礦體周圍的主要類型的巖石是變質的輝長巖、二長花崗巖和碎裂巖。礦體從地下-40m延伸至地下-700m。礦體走向為東北60°～70°，傾角為東北40°～50°。沿走向，趨勢呈緩慢波浪狀分布，沿趨勢變化較大，沿趨勢變化較小。礦體有膨脹、擠壓、分枝現象，礦體厚度相對穩定。

（2）采礦方法：根據礦體賦存條件及礦巖穩定性特征，礦體厚度約3m～30m，平均厚度約10m，傾角33°～67°，平均46°，礦體呈傾斜中厚，地表不允許崩塌，因此，充填采礦法是適宜的。根據礦體的實際開采情況，根據礦體厚度的不同，選擇不同的充填采礦方法，即上向分層面板采礦法和上向分層充填采礦法。①當礦體厚度為15～25m時，采用上向分層充填采礦法。②當礦體厚度小于15m時，采用上向分層進路充填采礦法。由于充填采礦法將礦塊劃分為較小的采場區進行開采，礦塊之間允許同時開采。

1.2 開采系統規劃

礦山主要計劃生產系統包括：提升系統、運輸系統、通風系統和充填系統。

（1）提升系統。主井中巷開拓系統能滿足成本要求，保證礦井開采能力要求，為深部開采提供條件。

（2）運輸系統。在混合軸上設立兩套升降系統，礦石和廢巖通過雙重跳過，人員被籠式配重抬起。中段礦石、廢石由電力機車運輸至主礦道、主廢石道，集中運輸至攪拌井旁礦倉。破碎后，通過皮帶將其裝入箕斗并提升至地面。

（3）通風系統。采用中央進風口和兩翼回風，利用輔助風機調節各需風量的中段和中段。新風經攪拌井、副井、測量井進入，經各中石門、中巷道進入分段巷道、礦段等用風點。廢氣通過回風天井返回專用回風巷道，最終排放至地面。

（4）充填系統。灌裝系統采用全尾填充方法。選礦廠產生的全尾礦由選礦廠送至充填攪拌站尾礦泵房尾礦罐，將尾礦從填充和混合站泵送到全尾濃縮脫水儲存裝置，用于脫水儲存。填充時，高濃度全尾砂漿從濃縮的脫水儲存裝置排出并送到灌裝姿勢。

2 精細化塊體模型構建

2.1 層狀礦床建模方法

旨在山東省地下金礦的分層特征，采用地質統計學中的克里格方法對礦體進行地質建模和資源評價。礦體模型的建立需要從現有的地質鉆探資料入手，根據大量的樣本數據分析礦體的區域變化特征，并利用克里格等方法對塊體模型中各單元塊體的品位屬性進行估計。應根據礦石邊界、礦床形態、品位變化、可利用時間和資金等因素進行合理選擇。

地質解釋為礦山資源評價、設計和規劃提供了背景資料。山東某地下金礦礦體呈傾斜層狀，礦體上、下壁界線較清晰。在該類礦體的實際開采過程中，上下壁之間的礦石將全部采出。為了確定礦體的形態，必須分析巖體的地質特征，利用鉆孔巖性資料圈定礦體邊界。

對于這種層狀礦體，地質建模由三維空間變為二維空間，并將礦體厚度的維數作為一個變量進行插值。地質統計學方法以礦體厚度和累積值（厚度x品位）為變量，不僅可以估計礦體邊界的變化，而且可以估計邊界內的質量變化。在構建塊模型時，塊高度和東西長度是明確的值，而平均坡度和南北向的長度需要估計。

具體的評估步驟如下：

（1）根據礦體傾斜與鉆孔傾斜之間的關系，以鉆孔的中點為軸，將所有鉆孔在南北方向投影成當量長度，并進行當量品位換算。

（2）定義一個中心平面，該中心平面穿過所有鉆孔的礦石中點，用最小二乘法插值相鄰兩個鉆孔的中點，形成中點連接面。

（3）根據鉆孔密度和估計方差，確定塊體高度和東西向長度，選擇南北向最小單位長度，一般為1m。

（4）采用普通克里格法估計各塊體厚度和累積值（x級長度）。在此基礎上，計算礦體儲量，用累積值除以厚度，得到各塊體的平均品位。

2.2 塊體模型構建

（1）地質數據庫建立。準確的地質資料為礦產資源的準確估算提供了依據。地質數據庫中的數據主要是地面鉆井和生產鉆井（探坑）數據，包括鉆孔編號、坐標、空間軌跡信息、樣品長度、品位和巖性信息。

（2）數據預處理。根據樣品的巖性信息，選取具有黃鐵礦-絹云母（成礦巖體）巖性的樣品，形成新的樣品，并對樣品進行組合。將所有樣本的樣本長度換算成1米，合并新的樣本長度等級，降低樣本長度差異對數據分析的影響，使樣品的統計分布曲線和半曲線更接近實際情況。通過三維坐標變換，將鉆孔轉化為垂直于礦體的鉆孔。在此基礎上，將三維井眼軌跡投影到垂直面上，形成井眼點的二維平面。鉆孔長度（礦體厚度）和累積值作為變量分配給每個采樣點。

（3）塊體網格劃分。根據塊大小與估計方差的關系以及實際應用的需要，劃分了塊網格。由于鉆井網絡度為25mx20m（走向×高度），根據區塊大小與估算方差的關系（區塊大小越大，估算方差越?。?，為保證估算精度，選擇25mx20m（東西向×高度）作為區塊大小。

（4）估值。根據變差函數模型和橢球體模型，采用普通克里格法估計各塊體的厚度和累積值。用累積值除以厚度得到塊體平均品位。截止品位為1g/T時，估算礦石量約為3000萬噸，平均品位約為2.1g/T。

3 開采規劃集成優化研究

地下開采規劃的分步優化是將區塊布局、道路工程和采礦序列的布局被優化為三個部分。塊布局優化的結果是道路工程布局優化的基礎。同時，塊布局和道路工程布局是優化采礦序列的基礎。

3.1 開采規劃分步優化

（1）礦塊布局優化。采礦方法確定后，綜合考慮礦體形態、巖石力學性質及采礦方法，中段高40m，中段數7個，礦段可選尺寸（長×高）分別為25mx40m和50mx40m，礦體部分的厚度是礦體的厚度。塊體尺寸為25mx20m，故礦段由1x2或2x2塊體組成。

（2）井巷工程布局優化?；诘V石布局的優化結果，采用巷道工程布置優化算法確定巷道工程延伸路徑和礦塊收斂點位置。由于礦體整體呈層狀，巷道工程沿礦體走向延伸，在各中段中點處選擇礦石匯合點，有利于縮短礦石運輸的距離。同時，便于盡快開采礦體內的高品位礦石，推遲邊際低品位礦石的開采時間。

（3）開采順序優化。由于礦體整體呈層狀，巷道工程沿礦體走向延伸，在各中段中點處選擇礦石匯合點，有利于縮短礦石運輸距離。同時，便于盡快開采礦體內的高品位礦石，推遲邊際低品位礦石的開采時間。

3.2 基于資金動態價值的開采規劃集成優化

（1）礦山開采年限優化。為了最大限度地提高礦井的經濟效益，有必要選擇合適的采礦期。選擇較短的開采年限，礦段開采更具選擇性，優先選擇高品位礦段，但由于開采量小，金屬總量小。隨著開采年限的延長，可以開采更多的礦塊，但由于開采低品位礦塊，整體礦石等級將減少。

隨著開采年限的增加，采出礦石的平均品位呈下降趨勢。開采年限從9年延長到13年的平均品位下降率高于13年到17年的平均品位下降率，這也說明平均品位下降速度隨開采年限的增加而減緩。隨著礦床開采年限的延長，礦石量總體呈上升趨勢。9～13年的礦石量增幅高于13～17年的增幅，這也說明隨著礦床開采年限的延長，礦石量增幅減緩。累計凈現值收益先增加后減少。礦床開采13年，累計凈現值收益最大，這也說明礦床開采年限過長，采礦低檔礦石將減少礦井的總收入。

從經濟效益角度考慮，礦床開采年限宜為13年，但從資源充分利用角度考慮，考慮到開采過程中不確定因素造成的生產滯后，最終設計開采年限宜選擇15年。

（2）開采規劃集成優化。采礦布局的全面優化基于塊模型，以及采礦塊和道路工程的布局和采礦順序的整體優化，實現礦區塊體布局、巷道工程延伸和開采順序的同步優化。最佳凈現值為20.23億元，礦井總產量為1.581億噸，平均品位為2.500g/T。

（3）優化結果分析。兩種方法在塊體布置、開采時間、延伸順序等方面存在一定差異。采礦順序優化中的分步優化方法是以確定的采礦布局為基礎的。受資金時間價值的影響，由于部分礦段需要建設大量巷道工程，開采時間相對較晚，價值會降低或沒有價值。綜合優化模型是在塊體模型的基礎上，綜合考慮巷道延伸和礦塊開采的整體協調情況和投入產出情況，增加優化選擇的范圍，更有利于找到最優方案。

以年礦石產量、平均品位、金屬產量、凈現金流量和累計凈現值為指標，兩種優化模型的優化結果的比較分析。由于基礎設施建設期為兩年，礦山從第二年開始生產礦石。前9年，兩次優化的礦石產量結果相近，約130萬噸/年。從第10年到第15年，逐步優化結果的礦石產量一直保持在較高水平，直到第13年，綜合優化結果的礦石產量下降到130萬噸/年左右，確保在隨后的過程中可以開采某種等級的礦石，減少礦石開采量以滿足后續礦石開采的要求是必要的，減少儲備礦塊也降低了巷道工程的建設成本。

逐步優化的結果在第六年明顯下降，收入大幅下降的主要原因是第六年金屬產量明顯下降。綜合優化模型的累計凈現值收益約為20.24億元，分步優化模型的累計凈現值收益約為19.49億元。綜合優化模型使項目總收率提高了3.85%。如表4-5所示，綜合優化模型礦石產量比分步優化模型減少約200萬噸（9.94%），金屬用量減少5噸（6.06%），井巷工程延伸量減少9.46%，礦段分布和開采時間更加集中，減少了遠距離礦段的開采。結果表明，集成優化模型具有比逐步優化模型更好的優化效果。

建立了礦段布置、巷道工程布置和開采順序規劃的綜合優化模型，獲得全局優化的最佳解決方案。結果表明，考慮資金的時間價值后，各礦段的開采價值會發生變化。綜合考慮礦段布置、巷道工程延伸和開采順序，實現資源的優化配置。該集成方法實現了采礦規劃的全局優化，可應用于類似礦山的采礦規劃。

4 結論

以山東某地下金礦為例，完成了集成優化模型的驗證研究。以區塊經濟價值模型為基礎，從資本動態價值的角度，驗證了采礦規劃綜合優化模型。與分步優化相比，綜合優化的凈現值約為3.85%。綜合優化結果表明，礦段水平距離與巷道工程水平延伸成本呈指數增長關系，中部縱向深度與巷道工程垂直延伸成本呈指數增長關系。同時，綜合優化考慮了多步之間復雜的反饋關系，從全局的角度進行優化，比分步優化具有更好的經濟效果。