MIM在地下礦山項目評價的應用

翟建波,孫學森,王 凱,景 覓(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 前言

礦山項目評價結果是資源開發、礦權轉讓等投資行為決策的重要依據,通過從技術和經濟兩方面進行大量的分析研究工作來評價項目[1]。目前,開展礦山項目評價采用的設計方式仍停留在二維、經驗、類比,通過人工計算工程量和材料量等階段,設計效率低,不精確和不直觀,并開始探索三維設計的應用[2],并利用三維礦山軟件開展數字化工作,進行計劃編制[3-4],三維采場爆破設計[5]。伴隨著礦業走出去以及資源全球化戰略布局的發展,國內咨詢設計單位承接的國際礦業項目快速增長,國內傳統的設計思維、設計方法和工具等受到了巨大的沖擊。項目評價工作提出了新要求。

中國工程院院士于潤滄提出了礦山信息模型(MIM)的概念,通過MIM技術體系建設,實現礦山真三維可視化設計,協同工作,技術經濟評價和全生命周期模擬[6],基于上述礦業發展背景和MIM技術,介紹了MIM在國外某地下銅礦項目評價上的應用案例,探索國內咨詢設計發展的新趨勢。

國外某地下銅礦位于非洲中部,1977年礦山投產,礦山兩度被淹,于2018年重新投產,礦山主要回采285 m以上礦體。礦山采用主斜坡道+副井+斜井+回風井的開拓方式,設計生產規模60萬t/年。

礦體走向長度2 000 m,傾角25°～30°,真厚度1～12 m;采礦方法為點柱式上向水平分層充填法、兩步驟上向水平分層充填法和房柱采礦法。礦床涌水量大,約8萬m3/d。

2 項目評價流程

考慮礦山項目評價會涉及諸多專業的三維設計,例如地表選礦廠、建筑、總圖、管廊等。本文主要聚焦在礦山地下,并詳細介紹MIM在項目評價流程的應用,主要流程為資源模型創建、巖石力學研究、采場三維設計、工程三維設計、通風三維模擬、采掘進度計劃、投資估算,財務分析。

2.1 資源模型創建

礦山通過地表勘探,共完成870個鉆孔(其中720個見礦),形成了鉆孔數據庫,利用國際知名礦業軟件Datamine RM完成建模、品位估值和資源分級等工作,得到礦化體的線框模型、塊模型和地層模型。

按照邊界銅品位2.0%進行資源量估算,考慮礦山是恢復生產礦山,建模時需扣除歷史采空區,扣除后的資源量見表1。

表1 國外某地下銅礦估算資源量表

2.2 巖石力學

根據巴頓巖體質量Q分類指標、巖體地質力學分類(RMR)等分類條件,對巖芯進行巖體質量分類,并對巖樣開展相關的巖石力學試驗,獲得GSI、RMR、Q、UCS、彈性系數、摩爾庫侖和霍克布朗力學參數等。

基于上述已獲得巖石力學數據和推薦的采礦方法,結合地下水、地應力分布規律等其他因素,根據Mathews穩定圖表法和Obert&Duball的礦柱設計理論分別進行采場跨度分析和礦柱設計分析,并進一步利用FLAC3D等三維數值模擬軟件進行數值分析,最終確定點柱式上向水平分層充填法、兩步驟上向水平分層充填法和房柱采礦法的采場結構參數、開采順序優化以及開采對地表的擾動范圍等穩定性評價內容。

2.3 采場設計

基于倫敦金屬交易所近十年的銅價及其他技術經濟因素確定本次設計的銅價為6 600$/t,成本估算的參數見表2。

表2 成本估算的主要參數表

基于上述參數對采礦的最低邊界品位進行計算分析,確定點柱式上向水平分層充填采礦法、兩步驟上向水平分層充填采礦法和房柱采礦法的邊界銅品位分別為2.17%、2.48%和1.93%。

結合采礦方法、中段劃分及邊界品位等因素,利用Datamine MSO模塊對采場進行優化設計,具體如圖1所示,圖中淺色區域為點柱式上向水平分層充填法,深色區域為兩步驟上向水平分層充填法,粉色區域為房柱法。

圖1 采場設計

2.4 工程設計

基于已有工程、開拓系統、區域劃分,中段劃分、采礦方法、井巷工程等設計原則,利用 Datamine Studio 3進行開拓工程、采準工程、硐室工程等三維設計,設計礦山井下工程系統如圖2所示,圖中左邊區域為新建井下工程,右邊區域為已有工程。

圖2 礦山井下工程系統

2.5 通風模擬

基于井巷工程的設計參數、阻力系數等因素,將三維設計工程數據導入通風模擬仿真軟件Ventsim中,可以得到全礦的通風數據,通風建構筑物的布置及風機的選型等,使得數據的真實性、精確性、模擬性、可視化等大大提高。通風系統如圖3所示。

圖3 通風系統圖

2.6 采掘進度計劃

基于已完成的礦山井下工程和采場設計,獲得了三維的工程線數據和采場實體數據。根據設備和通過大件的尺寸、設備之間、設備與支護(或管纜)之間的安全間隙,人行道、架線、管纜敷設、通風、穩定性等要求確定井巷工程的斷面和坡度等參數,井巷工程設計參數見表3。

表3 井巷工程主要參數表

其中下盤分段巷道根據采礦方法不同,距離礦體下盤邊界的距離不同,對于點柱式上向水平分層充填法和兩步驟上向水平分層充填法,取90～100 m,對于房柱采礦法,取50～60 m。

在進行采掘進度計劃編制前,還需確定工程的成巷速度指標和采場生產指標以及采礦影響因子等。井巷的成巷速度指標見表4,采場生產指標見表5,采礦影響因子見表6。

表4 井巷成巷速度指標表

表5 采場生產指標表

表6 采礦影響因子表

設計完成上述參數后,利用 Datamine Studio 5D-Planner建立井巷工程和采場實體模型,具體如圖4所示,并設置依賴關系、成巷速度、回采速度,將塊體模型數據接入,然后導入EPS/EPS Intouch軟件完成采掘進度計劃,通過數據分析可得到礦山全生命周期的生產進度計劃和掘進計劃,采掘進度計劃模型如圖5、圖6所示。

圖4 井巷工程和采場模型

圖5 采掘進度計劃數據與可視化聯動模型

圖6 采掘進度計劃數據模型

利用礦業三維軟件完成的采掘進度計劃包含所有的進度計劃數據信息,可以通過數據后處理得到不同的輸出成果,按采區統計的生產進度計劃如圖7所示,按采區統計的掘進進度計劃如圖8所示,礦山各中段的生產開始時間和結束時間如圖9所示,礦山關鍵硐室工程完成時間點如圖10所示,按中段統計的生產進度計劃如圖11所示。

圖7 生產進度計劃圖(按采區統計)

圖8 掘進進度計劃圖(按采區統計)

圖9 各中段生產時間線(按采區統計)

圖10 井下主要硐室完成里程碑

圖11 生產進度計劃圖(按中段統計)

2.7 投資估算和財務分析

通過對井巷工程進行綜合單價估算,導入EPS進度計劃軟件,可以進行投資估算(包含基建投資和運營投資),可以得到全生命周期內每年的投資,且在計劃進行變化時,自動更新投資,節省投資估算工作時間,提高工作效率,為后續財務分析提供了精確的投資估算和發生時間點。井巷工程單價見表7,按各類工程統計每年的投資估算如圖12所示。

圖12 每年投資估算圖(按工程統計)

表7 井巷工程單價表

基于投資估算結果,考慮營收、成本、稅金等因素,建立財務模型,進行敏感性分析,得出項目的經濟指標,例如財務凈現值,項目回收期,財務內部收益率。項目現金流如圖13所示。

圖13 項目每年現金流圖

3 MIM應用前景

20世紀80年代,我國咨詢設計企業逐漸丟掉圖板,進入二維CAD繪圖階段,經過幾十年的發展,設計方法和設計理念雖已趨于成熟,但多是根據專業技術人員的經驗或類比結果,用AUTOCAD之類的二維繪圖軟件進行繪圖,再通過人工統計計算工程量與材料量,再通過OFFICE軟件編輯設計文檔等,這使得咨詢設計工作效率低,協同差,結果無法自動可視化,更不易模擬和仿真,很難檢驗其正確性和科學性,無法滿足數字化設計和智能礦山建設的需求。

國內從20世紀末開始逐步引進三維軟件,開啟三維設計探索,經過數十年的探索,發展仍然較慢。但近些年隨著互聯網、物聯網、人工智能、大數據、區塊鏈等計算機技術的快速發展,且考慮國內人口老齡化和勞動力成本的上升,智能礦山成為礦業發展的趨勢,而MIM是未來智能礦山的信息數據基礎。因此,MIM的發展將從源頭上解決智能礦山實施困難的問題,對于促進智能礦山的建設有著重大意義。

國內咨詢設計單位必須敢于創新,敢于自我革命,盡快適應、融合、滿足礦業發展的新需要,將現有的二維CAD制圖改為三維礦業軟件設計,加大工藝試驗和實驗研究,創新科學技術方法和手段為咨詢設計提供更多定量化的依據,改革資本市場礦業公開報告等。MIM以三維數字技術為基礎,集成了礦山工程項目各種相關信息的工程數據模型,可實現礦山全生命周期動態變化過程的數字化表達,MIM技術將成為礦業信息化的未來,必將發揮越來越重要的作用。

4 結論

在未來礦業發展過程中,MIM是咨詢設計生產行業設計工具和方法的一次革命,是咨詢設計理念與流程的全面革新,盡管目前還未真正研發出一款成熟的平臺,但本文基于目前國內外知名的礦業三維軟件體系和中國恩菲自主開發的軟件,探索了MIM在地下采礦資源模型的創建,巖石力學研究,采場設計,工程設計,通風模擬,采掘進度計劃(儲量公開報告),投資估算,財務分析等項目評價全流程的應用,與目前的項目評價流程相比,優勢明顯,將是礦業咨詢設計生產行業未來發展的趨勢,也是未來智能礦山的基礎。