基于三維軟件的某露天礦山境界優化研究與應用*

白二濤，王金院，李 巖，梁吉佳，朱榮成

（青海鴻鑫礦業有限公司，青海 格爾木 816000）

牛苦頭礦區采選工程（一期） 為生產礦山，開采對象為M1礦段淺部礦體，采用露天開采方式，礦山生產規模為75×104t/a，于2017年9月26日建成投產。該礦山為凹陷露天礦，原初步設計露天境界上口尺寸（長×寬） 為（760×440） m，最高臺階標高為3 648 m，封閉圈標高為3 600 m，坑底標高為3 480 m，臺階高度12 m（并段24 m），安全平臺寬度3 m，清掃平臺寬度（8～10）m，臺階坡面角65°～70°，靠近地表第四系為45°，最終邊坡角45°～47°，運輸道路寬度14 m（雙線）8 m（單線）、道路坡度8%（永久坑線）、9%（臨時坑線）。該礦山采剝作業采用外包模式，目前露天采場已開采至3 504 m平臺，采場北、東、西三面3 528 m平臺以上已基本剝離到位，現主要剝離工作在采場南部。經過多年開采，M1礦段上部已形成一個大規模開采的露天礦，鑒于前期開采使礦體上覆圍巖相對變薄，M1礦段二期仍然具備繼續露天開采的條件，結合礦山生產現狀及圍巖揭露情況，綜合考慮現行經濟條件下，利用三維軟件建立礦床地質模型和經濟模型[1-2]，對M1礦段一期境界外的掛幫礦體以及坑底3 480 m平臺以下的深部礦體進行境界優化，最終確定最優的露天開采境界[6-7]。

1 礦床概況

該礦山M1礦段為矽卡巖型成因的鐵多金屬礦床，區內共探明46條礦體，以中部的1#及深部的5#礦體為主。礦體均傾向北東，傾角多在4°～22°之間，礦體形態一般為透鏡狀或似層狀，少數為豆瓣狀，內部有夾石，可見分枝復合現象，礦體厚度穩定程度為較穩定，全區厚度變化系數65%；1#礦體：由24～06勘探線上的50個鉆探工程控制，礦體賦存于M1礦段中部的矽卡巖帶內，礦體形態呈似層狀、豆瓣狀，西淺東深，在傾向及走向上均具分支復合、膨大收縮之特征。礦體長500 m，傾向北東，傾角4°～18°，平均延深238.89 m，平均厚度6.59 m，厚度變化系數84.18%；5#礦體：由20～15勘探線上的76個鉆探工程控制，為M1磁異常區埋深最大、規模最大的一條礦體。礦體賦存于深部矽卡巖帶中，形態受下伏二長花崗巖控制明顯，為銅、鉛、鋅、硫復合型礦體。礦體形態呈似層狀、透鏡狀、豆瓣狀，西淺東深，在傾向及走向上均具分枝復合、膨大收縮之特征。礦體長925 m，傾向北東，傾角1°～22°，平均延深557.18 m，平均厚度13.01 m，厚度變化系數52.32%。

2 礦床開采條件

2.1 工程地質條件及礦巖力學參數

綜合鉆孔工程地質編錄、巖石物理力學性質實驗成果，依照巖組強度、巖體結構、巖體性質的不同將M1礦段內巖、土體的工程地質類型可劃分如下幾組-巖（礦）體：塊狀堅硬的花崗巖組、塊狀次堅硬的矽卡巖組、塊狀次堅硬的鐵多金屬礦石巖組、層狀次堅硬-堅硬的碳酸鹽巖組、塊狀堅硬的角巖組；土體：殘坡積砂礫巖土、沖積洪積砂礫石土、風積砂質土。

2.1.1 巖（體）工程地質類型

1） 松散巖（土） 體巖組：M1礦段土體類型簡單，主要為單層結構碎塊石，土體結構松散－密實，顆粒級配不良。主要為沖洪積砂礫石（土）層、殘坡積砂礫石（土）層和風積砂質土層，厚度多在（10～50） m。礦區地表廣泛分布有土質松散的風積砂質土層（砂質成分占70%以上），厚（0.5～5） m；在風積砂質土層之下普遍存在殘坡積砂礫石（土）層，主要由粒徑大小懸殊、磨圓度及分選性差的松散碎石塊組成（成分與山坡巖體一致）；沖洪積砂礫石層主要分布在牛苦頭溝和半個呆溝，土體松散，礫石成分較復雜，粒徑一般（2～10）cm，分選性及磨圓度較好；

2） 塊狀堅硬花崗巖組：M1礦段內花崗巖主要以隱伏形式存在，多在鉆孔深部可見，巖體的具體規模不清，最大埋深超過300 m，一般（100～200）m；其巖石類型主要有印支期斜長花崗巖和二長花崗巖，多為中細粒花崗結構，塊狀構造。巖石堅硬，單軸抗壓強度（43.7～129.4） MPa，平均80.94 MPa；天然抗拉強度（5.0～8.1） MPa，平均6.66 MPa；天然抗剪切強度（8.1～14.0） MPa；鉆孔巖芯塊度一般為塊狀-長柱狀，其巖石質量指標（RQD） 一般在86.57%～95.8%，平均92.94%，巖石質量等級特好，巖石質量優，巖體完整性為巖體完整；

3） 塊狀次堅硬矽卡巖組：該巖組在M1礦段內發育較廣泛，是鐵多金屬礦體的主要賦礦圍巖。巖石類型主要有透輝石矽卡巖、石榴石透輝石矽卡巖、石榴石矽卡巖、綠簾石透輝石矽卡巖、透閃石矽卡巖、綠泥石矽卡巖等，多為中細-中粗粒粒狀變晶結構，塊狀構造。巖石堅硬，單軸抗壓強度（76.2～223.8） MPa，平均135.08 MPa；天然抗拉強度（4.6～11.0） MPa，平均7.23 MPa；天然抗剪切強度（6.8～16.5） MPa；巖芯塊度一般呈塊狀至長柱狀，巖石質量指標（RQD）平均94.80%，巖石質量等級特好，巖石質量優，巖體的完整性為巖體完整。巖組中局部與碳酸鹽巖組接觸的部位，特別是與破碎帶接觸的位置，由于結構面發育，為碎裂狀結構類型，工程地質性質惡化，巖石穩定性差，容易產生礦床頂板冒落；

4）塊狀次堅硬鐵多金屬礦石巖組：M1礦段內已發現的主要礦石類型有磁鐵礦礦石、磁黃鐵礦礦石、黃鐵礦礦石、方鉛礦礦石、閃鋅礦礦石、方鉛礦閃鋅礦礦石和黃銅礦礦石等，多為中細-中粗粒粒狀結構，浸染狀-團塊狀構造。該巖組主要賦存在矽卡巖組內，巖石堅硬，單軸抗壓強度（88.2～100.9） MPa，平均94.55 MPa；天然抗拉強度（3.8～3.9） MPa，平均3.85 MPa；天然抗剪切強度（10.4～13.2） MPa；礦芯塊度塊狀至長柱狀均有出現，其巖石質指標（RQD） 平均96.93%，巖石質等級特好，巖石質優，巖體的完整性為巖體完整；

5）層狀次堅硬-堅硬碳酸鹽巖組：為M1礦段內發育的主要地質體，巖石類型有大理巖、白云質大理巖、含碳質大理巖、灰巖、結晶灰巖等，常見中細粒變晶結構，中厚層狀構造。巖石相對較堅硬，單軸抗壓強度（31.3～114.5） MPa，平均63.14 MPa；天然抗拉強度（2.2～7） MPa，平均4.1 MPa；天然抗剪切強度（5.1～12.9） MPa；鉆孔巖芯塊度一般為短株狀-長柱狀，其巖石質指標（RQD） —般在85.63%～79%，平均89.45%，巖石質等級一般，巖石質良，巖體的完整性為巖體較完整。鉆探工程施工時在該巖組中局部見有碎裂狀發育，在礦區深部見有少具碎裂巖化的大理巖、灰巖等。為碎裂、散體結構類型，主要由巖粉、角礫巖、碎裂巖、碎裂巖化的大理巖、灰巖等組成，一般為軟質的，巖石質量極劣，巖體破碎，開采時與礦床接觸部位的井巷圍巖容易產生頂扳冒落；

6） 塊狀較硬角巖組：M1礦段內角巖多在鉆孔深部可見，巖體的規模較大，分布較穩定，最大埋深超過200 m，—般約（70～150） m；其巖石類型主要為隱晶質結構，塊狀構造。巖石堅硬，單軸抗壓強度 （74.7～132.6） MPa，平均 100.67 MPa；天然抗拉強度 （3～11.3） MPa，平均 6.60 MPa；天然抗剪切強度（5.4～15.8） MPa；鉆孔巖芯塊度一般為塊狀-長柱狀，其巖石質指標（RQD） -般在84.62%～92.29%，平均88.46%，巖石質等級好-特好，巖石質優，巖體完整性為巖體較完整。

2.1.2 邊坡分析

該露天礦山開采礦種為鉛鋅礦、硫銅礦、硫鐵礦，礦區位于祁漫塔格山北坡。工程地質條件，露天坑的北部組成該區邊坡的巖層自上至下依次是第四系砂土層、大理巖、矽卡巖（礦體），露天坑的東側組成該區邊坡的巖層主要是大理巖，露天坑的南部組成該區邊坡的巖層主要是大理巖，在上部山谷處分布有十米左右的第四系砂土層，露天坑的西部組成該區邊坡的巖層自上至下為第四系砂土層、大理巖層、矽卡巖層（礦體） 和花崗巖層，露天坑的西北部，組成該區邊坡的巖層自上至下為第四系砂土層、大理巖層、矽卡巖層（礦體）和花崗巖層。總體來講該露天坑北部、西部區域內的巖體完整性較差，節理、裂隙比較發育，對邊坡的穩定影響較大，東部和南部節理、裂隙不發育，巖體完整性一般，對邊坡的穩定性影響較小。含礦巖體主是矽卡巖，硬度相對較硬。

2.2 水文地質條件

礦區水文條件受氣象、地質、地形地貌等因素的影響，發育有幾條大小規模相近季節性山岳河流，自西向東有：四角羊溝、牛苦頭溝、夏努溝，匯水面積約120 km2。礦區在區域上屬于中低山區，礦區降雨很小對地下水的補給意義不大，依據露天坑現出水位置，礦區地下水主要以北部和南部裂隙巖溶水及第四系松散巖類孔隙潛水的補給為主。礦區碳酸鹽巖作為礦體頂板，與礦體直接接觸，為礦體主要的直接充水含水層。該礦區最低侵蝕基準面標高3 591 m，而主礦體出露標高多在相對侵蝕基準面以下，地形條件不利于自然排水。依據2020年礦區實際排水情況預測礦坑涌水，雨季正常礦坑涌水8 480 m3/d，最大正常礦坑涌水11 190 m3/d。旱季正常礦坑涌水6 630 m3/d，最大正常礦坑涌水8 750 m3/d。

礦區主要礦體位于當地侵蝕基準面以下，附近地表水不構成礦床的主要充水因素，主要充水含水層、構造破碎帶富水性中等，地下水補給條件差，水文地質邊界較復雜，因此劃分為水文地質條件中等的礦床。

2.3 環境地質條件

礦區地處地質構造現代活動的基本穩定區，相應的地震基本烈度為Ⅶ度，地表及地下建筑工程抗震烈度應按7°或高于7°設防。礦區位于柴達木盆地南緣中海拔低山丘陵區，區內自然環境惡劣，植被不發育，無工、農業，人跡罕至，礦區附近無污染源，地表、地下水水質良好，礦區地質環境質量良好。

3 露天開采境界的確定

3.1 圈定露天開采境界遵循的原則

根據牛苦頭M1礦段礦體的埋藏條件、礦石品位、產狀和分布及地表地形條件，確定露天開采境界的圈定原則如下：①境界剝采比及平均剝采比不大于經濟合理剝采比；②露天開采總成本不大于地下開采總成本；③保證露天開采境界內采出的礦石要有盈利；④充分利用礦產資源，充分發揮露天礦山資源利用率高的優勢，盡可能將更多的礦石圈定在露天開采境界內；⑤露天采場最終邊坡角應等于或小于露天邊坡穩定所允許的角度，以確保露天采場的安全生產。

3.2 圈定露天境界的方法及其主要約束條件

3.2.1 圈定露天境界的方法

建立礦床地質模型和經濟模型，采用計算機自動優化最優境界。

3.2.2 地質模型

根據批準的地質勘查報告和資源儲量核查報告資料，采用3Dmine礦山軟件建立M1礦體三維模型。塊體模型：塊體單位尺寸為長×寬×高為（5×5×2）m，靠近礦體邊緣依據軟件采用次級開采單元逼近，最小開采單元為（1.25×1.25×1.25） m。

3.2.3 經濟模型

在境界優化過程中，輸入經濟參數，建立經濟模型。輸入的主要參數有：按鉛精礦、鋅精礦、鐵、銅、銀、硫10年平均銷售價格（含稅價）、采礦貧化率、硫鐵銅選礦指標、鉛鋅礦選礦指標、采礦成本、選礦成本（含期間費用）等，具體參數見表1、表2。

表1 M1礦段露天境界優化參數表Tab.1 Parameters of open pit boundary of M1 ore block

表2 經濟技術參數表Tab.2 Table of economic and technical parameters

3.2.4 經濟合理剝采比的確定

根據開采技術條件，總結多年生產經驗及開采成本，結合礦體賦存條件，經濟合理剝采比計算見表2，經濟合理剝采比計算結果為7.3 m3/t（19.77 t/t）。此次設計采用Whittle礦業軟件進行境界優化，經濟合理剝采比僅用于對優化結果的復核。

3.3 主要約束條件

本次設計開采境界的地表約束條件為“露天采場2021年3月現狀地形”。

3.4 開采境界

3.4.1 采場邊坡參數

根據北京礦冶研究總院關于“牛苦頭礦區M1磁異常區鐵多金屬礦采礦工程巖石力學研究報告”并綜合礦山生產實際，確定的最終采場邊坡參數如下：臺階高度：12 m（最終并段為24 m）；臺階坡面角：65°、軟巖55°；并段部分臺階：安全平臺寬度、清掃平臺寬度8 m；運輸道路寬度：單線8 m、雙線14 m；運輸線路最大坡度：8%；運輸線路最小彎道半徑：15 m，最終邊坡角45°～47°。

3.4.2 境界優化結果

根據上述的礦床模型、經濟模型和初步預測的金屬或精礦售價，利用Whittle軟件，由計算機自動進行露天境界優化，凈現值選取8%，得出不同的方案，優化結果樣見表3，圖1。

圖1 M1礦段露天優化境界坑分析圖Fig.1 Analysis diagram of optimized boundary of open pit in M1 ore block

表3 盈利法計算經濟合理剝采比（Nj=（Al-Ad）/b t/t）Tab.3 Economically reasonable stripping ratio calculated by profit method

表3 M1礦段露天境界優化結果表Tab.3 Optimization results of open pit boundary of M1 ore block

3.4.3 境界優化方案選取

根據表3和圖1，NPV最大的境界方案為Pit9，但參考境界剝采比小于經濟合理剝采比[3-5]（19.77 t/t）的境界確定原則最優境界為Pit6，從兩個境界采出礦石量分析，不管采用哪個境界方案，境界方案外的所剩資源已不足10%，從剩余資源賦存條件來看，不足以獨立形成地采開采系統，為充分利用資源設計選取NPV最大的的境界方案為Pit9，為使方案最優，按方案Pit9圈定境界后，再進行人工優化，最終確定最優的露天開采境界。

3.4.4 終了境界

根據優化的露天方案和確定的露天采場邊坡參數，設計將臺階坡面角、平臺寬度、坑內開拓運輸系統、最小工作平臺寬度等采場基本要素布置進去，設計最終確定的露天終了境界三維視圖如下圖2、圖3所示，終了境界主要指標見表4。設計最終確定的露天境界最大長度960 m，最大寬度760 m，最高臺階標高3 660 m，封閉圈標高3 624 m，采場坑底標高3 432 m，坑底最大長度510 m，最大寬度150 m。

圖2 設計露天終了境界Fig.2 The designed end boundary of open pit

圖3 設計露天終了境界與礦體復合圖Fig.3 The combination chart of designed end boundary of open pit and ore body

表4 露天開采境界主要指標Tab.4 The major indicators of open pit boundary

4 結語

1）該生產礦山利用三維軟件建立礦床地質模型和經濟模型，依據露天開采境界的圈定原則，對M1礦段一期境界外的掛幫礦體以及坑底3 480 m平臺以下的深部礦體進行境界優化，得到了該礦山露天開采的優化參考境界；

2）經分析優化后的礦巖境界剝采比和平均剝采比均在經濟合理剝采比7.3 m3/t、19.77 t/t范圍內，適宜采用露天開采；

3）根據優化的露天方案和確定的露天采場邊坡參數，設計將臺階坡面角、平臺寬度、坑內開拓運輸系統、最小工作平臺寬度等采場基本要素布置進去，設計最終確定了天終了境界，本次境界優化達到了預期的目的。