王月軍　李富平　王建華　張　端

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營(yíng)鐵礦有限公司)

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3DMine軟件在司家營(yíng)鐵礦的應(yīng)用

王月軍1,2李富平1王建華2張端2

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北鋼鐵集團(tuán)灤縣司家營(yíng)鐵礦有限公司)

摘要司家營(yíng)鐵礦運(yùn)用3DMine軟件建立了地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建了地表模型、實(shí)體模型及塊體模型，并廣泛應(yīng)用于編制生產(chǎn)計(jì)劃、爆破設(shè)計(jì)、供配礦管理及采剝量核算等工作，提高了司家營(yíng)鐵礦生產(chǎn)管理效率。應(yīng)用3DGPS模塊實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)掌控及合理調(diào)配，礦山效益顯著提升。分別對(duì)司家營(yíng)鐵礦上述應(yīng)用成果進(jìn)行詳細(xì)分析，供類似礦山參考。

關(guān)鍵詞3DMine三維地質(zhì)模型生產(chǎn)計(jì)劃爆破設(shè)計(jì)供配礦采剝量

運(yùn)用礦業(yè)工程軟件建立的三維模型能夠完整準(zhǔn)確地表述各類地質(zhì)現(xiàn)象，快速直觀地展現(xiàn)地質(zhì)體空間分布及相互關(guān)系，可為礦山動(dòng)態(tài)管理和合理利用資源提供依據(jù)[1-3]。本研究以司家營(yíng)鐵礦為例，詳細(xì)分析3DMine軟件在該礦山三維地質(zhì)模型構(gòu)建、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理等方面的應(yīng)用成果，為類似礦山提供參考。

1司家營(yíng)鐵礦概況

司家營(yíng)鐵礦位于河北省唐山市灤縣境內(nèi)，是我國(guó)大型露采金屬礦山之一，隸屬于河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，2007年10月正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)礦石600萬(wàn)t。司家營(yíng)鐵礦采用大型機(jī)械化生產(chǎn)，主體鏟裝設(shè)備為WK-10型10 m3電鏟，運(yùn)輸設(shè)備采用130、180 t別拉斯礦車，目前有9個(gè)臺(tái)階同時(shí)作業(yè)，生產(chǎn)管理組織復(fù)雜。司家營(yíng)鐵礦屬鞍山式沉積變質(zhì)性鐵礦床，礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，礦體厚度一般數(shù)米至數(shù)十米，最厚約80 m。礦體賦存情況復(fù)雜多變，沿走向有明顯的膨縮現(xiàn)象，受構(gòu)造及侵入巖影響，礦體形態(tài)復(fù)雜，分支復(fù)合狀況較多。

23DMine應(yīng)用成果

2.1地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立要求對(duì)司家營(yíng)鐵礦歷次勘探的鉆孔資料進(jìn)行整理，按一定格式分別錄入鉆孔定位表、測(cè)斜表、品位表和巖性表，對(duì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)無(wú)誤后，導(dǎo)入3DMine軟件，建立鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)。司家營(yíng)鐵礦鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)包括121個(gè)鉆孔定位信息、944條測(cè)斜記錄、2 361條巖性數(shù)據(jù)、8 235個(gè)品位信息。按照相同錄入原則，將日常生產(chǎn)炮孔的位置、品位等信息進(jìn)行整理，建立巖粉數(shù)據(jù)庫(kù)，該類數(shù)據(jù)庫(kù)更加貼合生產(chǎn)實(shí)際，廣泛用于實(shí)體模型和塊體模型的更新工作。

2.2三維地質(zhì)模型構(gòu)建

2.2.1地表模型

地表模型一般由若干地形線和散點(diǎn)生成。采用CAD軟件繪制的地形圖，除高程點(diǎn)外，其余圖元均不包含高程信息，因此在導(dǎo)入3DMine軟件后，應(yīng)對(duì)線條賦予高程信息。對(duì)線條賦值時(shí)，首先剔除示坡線、線桿、管道等無(wú)用線條，保留坡頂坡底線，通過(guò)搜索參考高程點(diǎn)，給坡頂坡底線賦予高程信息；然后利用坡頂坡底線及高程點(diǎn)生成DTM面即地表模型，此外，應(yīng)用3DMine軟件的實(shí)體建模功能也可建立礦區(qū)建筑物模型。司家營(yíng)鐵礦地表模型見(jiàn)圖1。

圖1　司家營(yíng)鐵礦地表模型

2.2.2礦體實(shí)體模型

實(shí)體模型是由一系列在依附點(diǎn)上的三角片封閉形成空心體，通過(guò)中段圖、平面圖或剖面圖都可建立礦體實(shí)體模型。以勘探線剖面圖為依據(jù)建立的礦體三維模型，因其在走向上跨度較長(zhǎng)，連接后的實(shí)體往往棱角分明，與礦體的實(shí)際情況可能有所出入。平面圖、中段圖由于已經(jīng)過(guò)地質(zhì)解譯，并且在連接實(shí)體時(shí)縱向上僅有1個(gè)臺(tái)階高度，利用其建立的礦體實(shí)體模型較貼近實(shí)際，礦山生產(chǎn)中多采用該類模型，司家營(yíng)鐵礦礦體實(shí)體模型見(jiàn)圖2。

圖2　礦體實(shí)體模型

實(shí)體模型構(gòu)建時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行礦體、斷層等地質(zhì)界線解譯及圈定。地質(zhì)界線解譯應(yīng)按照成礦理論對(duì)照鉆孔資料逐剖面、平面對(duì)礦體、地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行地質(zhì)解譯，并圈定礦體、夾石、斷層等地質(zhì)邊界線。在此過(guò)程中，須參考相鄰剖面(平面)，便于下一步順利相連形成模型。為確保實(shí)體模型真實(shí)反映礦體的延伸情況，可適當(dāng)添加點(diǎn)和一些控制線。

2.2.3塊體模型

為提高塊體報(bào)量的準(zhǔn)確性，司家營(yíng)鐵礦塊體尺寸定為4 m×4 m×2 m，次級(jí)塊尺寸2 m×2 m×1 m，主要屬性有礦巖屬性、TFe、FeO、礦體號(hào)及密度等。在進(jìn)行礦塊估值時(shí)需進(jìn)行變異函數(shù)的計(jì)算和分析，針對(duì)不同的方向分別進(jìn)行估值。3DMine軟件提供了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)模塊可用于確定相關(guān)參數(shù)。在進(jìn)行各方向的變異函數(shù)計(jì)算分析時(shí)，一般將分布于某個(gè)方向一定范圍內(nèi)的樣品點(diǎn)參與該方向的變異函數(shù)計(jì)算。利用3DMine軟件提供的“按屬性著色”命令可對(duì)塊體模型的品位或其他字段配色，可直觀地瀏覽塊體的品位分布及需突出顯示的信息。在利用塊體報(bào)儲(chǔ)量時(shí)，通過(guò)添加邏輯約束，可按臺(tái)階、礦巖屬性等條件分別報(bào)告相應(yīng)的儲(chǔ)量及品位。

2.3采剝計(jì)劃編制

編制生產(chǎn)計(jì)劃的基本思路是確定各采剝方向和開(kāi)采邊界線、核算巖礦采剝比、調(diào)整礦石質(zhì)量指標(biāo)、確定開(kāi)拓位置、采剝先后順序等。長(zhǎng)期計(jì)劃主要是年度采剝計(jì)劃，司家營(yíng)鐵礦運(yùn)用3DMine軟件編制了5 a采剝計(jì)劃。利用3DMine軟件創(chuàng)建排產(chǎn)模型，根據(jù)年度計(jì)劃采剝量在排產(chǎn)模型中繪制出不同年份的回采線，并根據(jù)礦巖量、礦石品位等指標(biāo)，調(diào)整采剝進(jìn)度，使之滿足計(jì)劃要求。由于利用排產(chǎn)模型生成的計(jì)劃線為折線，需對(duì)計(jì)劃線“清理釘子角”，使之滿足出圖要求。中短期計(jì)劃主要包括季、月、日采掘計(jì)劃，司家營(yíng)鐵礦運(yùn)用3DMine軟件完成了該類計(jì)劃的編制。編制中短期計(jì)劃目的是指導(dǎo)采礦生產(chǎn)，對(duì)模型準(zhǔn)確性要求較高，因此，主要依據(jù)由巖粉數(shù)據(jù)庫(kù)和平面圖創(chuàng)建的實(shí)體模型和塊體模型編制中短期計(jì)劃，另外，編制短期計(jì)劃還需及時(shí)更新地表模型。司家營(yíng)鐵礦年度、月度計(jì)劃分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3　司家營(yíng)鐵礦某年度采剝計(jì)劃

圖4　司家營(yíng)鐵礦某月采剝計(jì)劃

2.4爆破設(shè)計(jì)

首先運(yùn)用3DMine軟件預(yù)先模擬爆區(qū)的地質(zhì)形態(tài)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置孔深、孔間距、排間距等參數(shù)，布置炮孔；然后通過(guò)設(shè)置裝藥參數(shù)、設(shè)計(jì)裝藥、連接起爆網(wǎng)路、設(shè)置起爆點(diǎn)等操作模擬爆破過(guò)程(圖5)，并對(duì)拋鄭方向及起爆時(shí)間進(jìn)行分析，進(jìn)而選取最優(yōu)爆破參數(shù)。

圖5　某爆區(qū)模擬起爆網(wǎng)絡(luò)

2.5供配礦

3DMine軟件在配礦中的應(yīng)用有3個(gè)方面：①根據(jù)采剝計(jì)劃建立配礦方案；②編制炮孔圖，指導(dǎo)鏟裝；③利用3DGPS模塊監(jiān)控、調(diào)度設(shè)備，實(shí)現(xiàn)入料配礦均衡。根據(jù)月、旬采剝計(jì)劃，利用3DMine軟件創(chuàng)建配礦方案，綜合考慮出礦品位、日采礦量、各出礦點(diǎn)礦量等條件，生成各供礦點(diǎn)配比信息，據(jù)此指導(dǎo)分配鏟運(yùn)設(shè)備。在完成礦體實(shí)體更新后，利用建立的巖粉數(shù)據(jù)庫(kù)編制爆區(qū)礦石質(zhì)量分布圖。爆區(qū)礦石質(zhì)量分布圖包括爆區(qū)三維圖、平面位置圖、礦石品位信息、開(kāi)采建議等內(nèi)容，爆區(qū)三維圖可直觀地展現(xiàn)整個(gè)爆區(qū)的礦巖分布、夾巖厚度等信息，平面位置圖則精確顯示爆區(qū)位置。將所有爆區(qū)按其在采場(chǎng)的位置匯總編制采場(chǎng)爆區(qū)位置圖，在圖上標(biāo)注爆區(qū)礦量、礦石品位等信息。在鏟裝過(guò)程中，電鏟司機(jī)可根據(jù)該類圖件，對(duì)礦巖走向進(jìn)行預(yù)判，從而減少礦石損失和巖石混入。

3DGPS模塊可實(shí)現(xiàn)GPS卡調(diào)系統(tǒng)在三維界面的運(yùn)行，能夠自動(dòng)演示并記錄設(shè)備的運(yùn)行路線，查看單個(gè)設(shè)備的類型、編號(hào)及當(dāng)前所在位置的地質(zhì)信息(圖6)。通過(guò)導(dǎo)入的塊體模型，可對(duì)每臺(tái)設(shè)備所處位置的礦巖屬性進(jìn)行區(qū)分，統(tǒng)計(jì)礦石品位。通過(guò)3DGPS模塊可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)或設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度。

圖6　司家營(yíng)鐵礦3DGPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.6采剝量核算

利用3DMine軟件建立的表面模型，通過(guò)任意2個(gè)面或面與實(shí)體的交并布爾運(yùn)算，可精確計(jì)算封閉體的體積和表面積。該模型被廣泛應(yīng)用于計(jì)算排土場(chǎng)的體積、采場(chǎng)填方及挖方量等方面。司家營(yíng)鐵礦運(yùn)用較多的是每月生產(chǎn)設(shè)備的采剝量核算方法，該方法首先根據(jù)前后2個(gè)月地形變化圈定生產(chǎn)設(shè)備的作業(yè)區(qū)域；然后用該區(qū)域約束前后2個(gè)月的地表模型，計(jì)算出每個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的填挖方量；最后根據(jù)礦巖密度計(jì)算出采剝礦(巖)量。

2.7尾礦庫(kù)庫(kù)容測(cè)算

司家營(yíng)鐵礦尾礦庫(kù)一期工程設(shè)計(jì)服務(wù)年限為9 a，目前已接近最大服務(wù)年限，二期工程正有序建設(shè)，為確保尾礦庫(kù)生產(chǎn)與建設(shè)的有序銜接，對(duì)尾礦庫(kù)一期工程剩余庫(kù)容進(jìn)行測(cè)算。參考尾礦庫(kù)現(xiàn)狀及初步設(shè)計(jì)資料，選取正常庫(kù)水位和干灘長(zhǎng)度，建立尾礦庫(kù)現(xiàn)狀模型及模擬閉庫(kù)模型，依據(jù)建立的模型計(jì)算尾礦庫(kù)剩余庫(kù)容，在此基礎(chǔ)上，按照每月尾礦排放量測(cè)算服務(wù)期限。

3結(jié)語(yǔ)

詳細(xì)分析了3DMine軟件在司家營(yíng)鐵礦生產(chǎn)管理中的應(yīng)用成果，該軟件以三維的組織形式及運(yùn)算方式，大幅提高了礦山生產(chǎn)管理的工作效率，利用該軟件建立的礦山三維模型，可及時(shí)、準(zhǔn)確地反映礦產(chǎn)資源的動(dòng)態(tài)情況，為礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織提供準(zhǔn)確依據(jù)。

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(收稿日期2015-09-22)

王月軍(1987—)，男，工程師，碩士研究生，063700 河北省唐山市灤縣響嘡鎮(zhèn)。