基于3DMine軟件的露天礦山開采境界圈定

何龍飛

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司)

礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè),在推進(jìn)中國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程中起重要的保障和支撐作用。礦業(yè)技術(shù)的發(fā)展隨著科技的發(fā)展而發(fā)展,近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,利用礦業(yè)三維軟件確定露天礦山開采境界已成為主流方法之一[1]。露天境界的確定直接影響生產(chǎn)規(guī)模、開采工藝、設(shè)備選型、開拓系統(tǒng)等后續(xù)工作,對(duì)礦山生產(chǎn)具有重要意義[2-4]。

1 工程背景

某礦山位于剛果(金)南東部的加丹加高原,海拔標(biāo)高為1 400～1 550 m。主礦體埋藏較淺,礦體比較厚大,位于向北傾斜的向斜北翼,地表延伸超過300 m,主要賦存在礦山組R2地層中,總體呈層狀分布,傾角近直立,受構(gòu)造作用影響,礦區(qū)地層空間排布錯(cuò)亂,從上到下有多層銅礦體。各層礦體厚度變化較大,厚薄不一,薄的礦體厚度一般為10～20 m,厚的礦體厚度可達(dá)70～80 m,礦體平均厚度為40～50 m。銅品位一般為1 %～10 %,局部地層最高可達(dá)21.9 %。主礦體最低賦存標(biāo)高1 207 m。

礦石類型以氧化礦為主,礦石組分以孔雀石為主,含水鈷礦。隨深度增加,從淺部氧化礦轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸V與硫化礦混合帶,深部為硫化礦。礦體與圍巖按工程地質(zhì)巖組可分為3組,即松散軟弱巖組、半堅(jiān)硬巖組和堅(jiān)硬巖組。工程地質(zhì)巖組以半堅(jiān)硬至松散巖組為主。礦區(qū)地表地質(zhì)災(zāi)害不甚發(fā)育,很少見滑坡、崩塌、泥石流等。

2 露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡特征

該礦床主要賦礦地層為羅恩群礦山亞群,該套地層RSC段主要為淺灰色—淺灰白色硅化結(jié)晶白云巖,常具蜂窩狀風(fēng)化特征,蜂窩狀孔洞內(nèi)常見有黑色礦物顆粒、粉末,為重要標(biāo)志層位。

含礦層主要是灰黑色條帶狀硅質(zhì)白云巖、灰黑色含碳質(zhì)白云巖、含疊層石白云巖和含碳質(zhì)白云質(zhì)頁巖。而礦體頂?shù)装逯饕前鍘r、片巖類巖石,亦為重要巖性標(biāo)志。

露天采場(chǎng)長(zhǎng)軸為東西向,短軸為南北向。初步確定露天采場(chǎng)底標(biāo)高為1 245 m,根據(jù)地表地形條件,到最終狀態(tài)時(shí),北部邊坡最高達(dá)185 m,南部邊坡最高達(dá)195 m,一般邊坡高度為130～150 m。

2.2 邊坡角確定

根據(jù)國內(nèi)外類似礦山的工程類比及礦床現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況,結(jié)合本次設(shè)計(jì)露天采場(chǎng)的服務(wù)年限,綜合考慮露天開采安全邊坡穩(wěn)定性系數(shù)(Fs),不同條件下的取值范圍如下:

1)該地區(qū)歷史上未發(fā)生地震,地震設(shè)防烈度按6度考慮,地震加速度為0.1g。

2)最終邊坡非工作幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可取1.10～1.20。為了確保邊坡安全并考慮經(jīng)濟(jì)成本,本次研究以Fs=1.15為標(biāo)準(zhǔn)參考值。

綜合考慮后,本次優(yōu)化采用邊坡角如下:近地表30 m深度范圍內(nèi)的終了邊坡角為35°,深度30 m以下為45°。

3 露天開采境界圈定

3.1 圈定原則

1)以地形圖及礦體剖面圖為依據(jù)。

2)所圈定露天采場(chǎng)的最終邊坡角不大于或等于露天邊坡穩(wěn)定所允許的角度,以保證露天采場(chǎng)的安全生產(chǎn)[5],采用3DMine軟件優(yōu)化露天開采境界。

3)參考附近礦山成本及部分參數(shù)。

4)在經(jīng)濟(jì)合理的前提下,盡可能多回收利用礦產(chǎn)資源,以充分發(fā)揮露天開采的優(yōu)越性。

3.2 礦體實(shí)體模型建立

采用LG圖論法優(yōu)化露天開采境界,首先用3DMine軟件建立礦體實(shí)體模型(見圖1)。將地質(zhì)剖面圖轉(zhuǎn)為大地坐標(biāo)立體圖,鏈接各剖面形成實(shí)體總模型。

圖1 礦體實(shí)體模型

建立地質(zhì)塊體模型,整理收集到的鉆孔數(shù)據(jù)電子圖片,將其中有關(guān)鉆孔定位、測(cè)斜、化驗(yàn)及巖性的數(shù)據(jù)提取成Excel表格數(shù)據(jù)格式。有效數(shù)據(jù)共87組,錄入3DMine軟件建立鉆孔數(shù)據(jù)庫,根據(jù)地質(zhì)報(bào)告中的工業(yè)指標(biāo)將鉆孔數(shù)據(jù)形成2 m等長(zhǎng)組合樣,采用距離冪次反比法,根據(jù)不同區(qū)域的礦體產(chǎn)狀分別建立相應(yīng)的橢球體。礦體內(nèi)的樣品全銅品位值進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見圖2。經(jīng)計(jì)算:該礦山主礦體保有礦石量8 368.10 kt。其中,銅金屬量309 139 t,Cu平均品位3.69 %;鈷金屬量23 431 t,Co平均品位0.28 %。

圖2 礦體內(nèi)樣品全銅品位值基本統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.3 經(jīng)濟(jì)模型建立

根據(jù)陰極銅售價(jià)及礦石出坑后的加工成本折算單位金屬價(jià)值,根據(jù)礦石開采成本、巖石剝離成本、陰極銅售價(jià)及礦石出坑后的加工成本等建立礦床的經(jīng)濟(jì)模型。露天開采境界優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)見表1。

表1 露天開采境界優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)

3.4 開采境界參數(shù)確定

根據(jù)上述的依據(jù)原則和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),計(jì)算機(jī)將礦化模型轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟(jì)模型后,應(yīng)用LG圖論法進(jìn)行境界圈定。根據(jù)礦體形態(tài)特征及設(shè)備選型等,采用露天境界臺(tái)階高度15 m,選擇優(yōu)化塊尺寸為:x=20,y=20,z=15;次級(jí)塊尺寸為:x=2.5,y=2.5,z=1.875,按回采臺(tái)階數(shù)遞增境界,結(jié)果見表2。

從表2可以看出,隨著露天最優(yōu)境界底標(biāo)高的降低,露天境界可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值逐漸增大;當(dāng)露天最優(yōu)境界底標(biāo)高為1 215 m時(shí),露天境界剝采比有突變,此時(shí)境界剝采比為20.49 t/t,遠(yuǎn)大于附近礦山經(jīng)濟(jì)合理剝采比。選擇底標(biāo)高為1 215 m的露天境界為最終的優(yōu)化境界,考慮到露天坑底最小寬度及臺(tái)階坡度影響,選擇1 245 m為最低平臺(tái)高度。

以礦床露天開采優(yōu)化境界為基礎(chǔ),考慮到選礦廠和排土場(chǎng)所處位置及境界周圍地形條件(東西低),將礦床終了境界礦(廢)石出入溝口設(shè)在露天采場(chǎng)的西側(cè),東側(cè)設(shè)一基建輔助出口。露天開采境界最終狀態(tài)見圖3,圈定境界的參數(shù)如下:

表2 露天開采境界優(yōu)化結(jié)果

圖3 露天開采境界最終狀態(tài)示意圖

1)臺(tái)階高度。為控制礦石貧化率,同時(shí)考慮臺(tái)階高度對(duì)生產(chǎn)能力的影響,本次露天采場(chǎng)臺(tái)階高度定為15 m。

2)臺(tái)階坡面角為65°。

3)終了平臺(tái)寬度,安全平臺(tái)5 m,清掃平臺(tái)10 m,其設(shè)置一般為:每2個(gè)安全平臺(tái)設(shè)1個(gè)清掃平臺(tái)。

4)運(yùn)輸?shù)缆穼?2 m。

5)道路最大縱坡8 %。

6)道路最小轉(zhuǎn)彎半徑25 m。

7)緩和坡段長(zhǎng)度40 m。

8)最高臺(tái)階標(biāo)高1 425 m。

9)坑底標(biāo)高1 245 m。

10)總出入溝口標(biāo)高1 417 m。

11)基建輔助出入口標(biāo)高1 380 m。

12)境界上口尺寸1 000 m×580 m。

13)坑底尺寸95 m×95 m。

14)最終幫坡角<45°。

4 結(jié) 語

利用三維軟件設(shè)計(jì)露天礦山在國內(nèi)外已經(jīng)比較普遍,給礦山設(shè)計(jì)工作帶來了很多便利,也為最優(yōu)境界圈定提供了更加科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。無論是露天礦還是地下礦,科技的不斷進(jìn)步推動(dòng)礦山設(shè)備的自動(dòng)化、大型化。未來將出現(xiàn)大量智能化甚至智慧化的礦山,使用礦業(yè)三維軟件是未來礦山建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中重要的一環(huán)。本文基于3DMine軟件,在礦床開采技術(shù)條件的基礎(chǔ)上,分析了邊坡穩(wěn)定性,建立了礦體三維模型,在三維數(shù)值模型上尋求最優(yōu)的結(jié)果,避免了由于設(shè)計(jì)人員水平、能力造成的不利結(jié)果,并節(jié)約了工作量和工作時(shí)間,為礦山安全高效開采提供了技術(shù)支撐。