趙彬 謝東偉

（1.五礦勘查開發(fā)有限公司；2.蘿北縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管委會）

科學(xué)合理地圈定露天礦山開采境界是礦山設(shè)計的前提，也是實現(xiàn)礦床安全、高效、經(jīng)濟開采的基礎(chǔ)［1～2］。目前，露天礦山開采境界的圈定與優(yōu)化主要采用手工法和計算機軟件處理2種形式。其中，人工手動圈定費時耗力，特別在礦床復(fù)雜情況下，優(yōu)化精確度不高，優(yōu)化結(jié)果模糊不可靠，難以真正實現(xiàn)礦業(yè)企業(yè)經(jīng)濟效益最大化；而采用計算機軟件，通過建立地質(zhì)礦床模型，定義礦物、成本等參數(shù)，并選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，可以在三維環(huán)境下真實反映礦體形態(tài)和優(yōu)化結(jié)果，大大提高了露天礦山開采境界圈定工作便捷性、科學(xué)性［3］。根據(jù)優(yōu)化的露天開采境界，進一步編制開采計劃，能夠?qū)崿F(xiàn)礦石最大限度回收，顯著提升企業(yè)經(jīng)濟效益。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的專家和學(xué)者借助計算機軟件優(yōu)化露天礦開采境界，取得了較為滿意的效果。阮詩昆［4］借助Whittle 軟件并采用L-G 圖論法，對某露天礦山開采境界進行優(yōu)化，提高了露天礦山境界優(yōu)化可視化程度；嚴(yán)體等［5］在合理確定露天礦境界優(yōu)化參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用Micromine軟件的露天境界優(yōu)化模塊，根據(jù)價格系數(shù)變動情況優(yōu)化開采境界，提升了境界優(yōu)化工作效率和精準(zhǔn)度；趙明等［6］通過設(shè)置塊體價值屬性，提升了3Dimine 軟件在露天礦開采境界優(yōu)化方面的準(zhǔn)確性和可靠性；蔣權(quán)等［7］以平果鋁土礦為研究背景，應(yīng)用Dimine 軟件得到了理想的境界圈定結(jié)果，有效克服了傳統(tǒng)手工法的不足，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。但是，現(xiàn)有的境界優(yōu)化方法普遍沒有考慮資金價值的時間因素，因此，境界優(yōu)化結(jié)果可能難以實現(xiàn)礦山企業(yè)經(jīng)濟效益最大化。英國DATAMINE 公司開發(fā)的Datamine 軟件是一款專業(yè)性較強的礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用型軟件，在全世界擁有大量用戶，其中，基于“NPV（凈現(xiàn)值）”理論的露天礦山開采境界程序認(rèn)可度較高，可操作性較強［8］。本文以鶴崗市某露天礦為例，利用Datamine 軟件進行露天礦山開采境界研究與應(yīng)用。

1 礦山概況

某礦礦體厚大、埋藏淺，礦床部分出露地表，部分被第四系覆蓋，已探明礦石量約2.6 億t，礦石以石墨片巖型和石墨變粒巖型為主，其次為片麻巖型、混合巖型和含石墨大理巖型石墨礦石。礦區(qū)上部為風(fēng)化帶或弱風(fēng)化帶，巖體完整程度為破碎—極破碎；弱風(fēng)化帶及以下巖石完整性較好，巖體完整程度為較完整—較破碎，巖性以堅硬—較堅硬巖為主，整體上為Ⅲ類巖體，工程地質(zhì)條件中等。為安全、經(jīng)濟、高效開采礦產(chǎn)資源，設(shè)計采用露天開采的生產(chǎn)方式，設(shè)計生產(chǎn)能力為600 萬t/a，臺階高度為12m，最低開采標(biāo)高為230 m 水平。礦巖采用?140 mm 潛孔鉆機鉆孔，孔網(wǎng)參數(shù)為（4～4.5）m×（4.5～5.0）m，使用4 m3液壓挖掘機裝載，60 t卡車運輸。綜合考慮礦床賦存特征，為降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)礦山企業(yè)經(jīng)濟效益最大化，必須對最終露天開采境界優(yōu)化設(shè)計。

2 Datamine軟件簡介

Datamine 軟件可以實現(xiàn)地質(zhì)勘探、儲量評估、礦床模型、地下及露天開采設(shè)計等基本功能，還可以應(yīng)用于露天開采境界優(yōu)化、露天及地下開采計劃編制等，在全世界有50多個國家和地區(qū)使用，能夠顯著提升工作效率和節(jié)約人力物力成本。

本文使用Datamine 軟件中的露天境界優(yōu)化及進度計劃（NPV）程序，對某露天礦山開采境界進行優(yōu)化設(shè)計。NPV 程序提供境界優(yōu)化、分期生產(chǎn)、邊界品位優(yōu)化、進度計劃、運輸優(yōu)化、儲礦管理等戰(zhàn)略性露天開采計劃解決方案。軟件依據(jù)建立的地質(zhì)礦床模型、礦區(qū)地形地質(zhì)圖和確定的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)，并基于線性規(guī)劃法、浮動圓錐法、L-G 圖論法等優(yōu)化方法，充分考慮資金的時間價值，根據(jù)經(jīng)濟技術(shù)性參數(shù)動態(tài)變化情況，形成一系列開采境界方案，最后，以境界內(nèi)凈現(xiàn)值（NPV）最大為目標(biāo)，圈定最優(yōu)的露天開采境界。其中，Lerchs和Grossman提出的動態(tài)規(guī)劃方法（L-G 圖論法）是應(yīng)用最為廣泛的優(yōu)化理論。L-G 圖論法的原理是將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)為價值塊體模型，并以價值塊體模型為基礎(chǔ)劃分塊段，用結(jié)點表示價值塊體模型中的每一個塊段，用一組?。ㄓ邢蚓€）連接塊段，以露天開采的最終邊坡角為幾何約束，由結(jié)點和若干條有向線將價值塊體模型轉(zhuǎn)化為加權(quán)有向圖。在圖中搜索出的閉包就是符合最終邊坡角要求的露天開采境界，閉包內(nèi)的所有節(jié)點權(quán)值之和稱為閉包的權(quán)值，權(quán)值最大的閉包就是最優(yōu)的境界［9-10］。從算法理論可知，L-G 圖論法數(shù)學(xué)邏輯嚴(yán)密，算法在國內(nèi)外應(yīng)用最多，發(fā)展相當(dāng)成熟。

3 露天礦開采境界優(yōu)化和圈定

Datamine軟件開采境界優(yōu)化流程如圖1所示。

3.1 塊體模型創(chuàng)建

利用某地質(zhì)軟件建立該礦山的礦體模型、地形模型和礦塊模型。通過地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)分析，對礦塊模型采用不同的搜索橢球體法進行品位估值。礦塊模型為正交模型，按8×8×8 的比例劃分子塊，邊界附近允許進一步劃分子塊，模型參數(shù)見表1。

3.2 露天開采境界的圈定原則

根據(jù)礦區(qū)礦床的埋藏條件、礦石品位、節(jié)理裂隙及結(jié)構(gòu)的產(chǎn)狀和分布，以及地表地形條件，確定露天開采境界圈定原則如下：

（1）保證露天開采境界內(nèi)采出的礦石實現(xiàn)盈利。

（2）充分利用礦產(chǎn)資源，發(fā)揮露天開采資源利用率高的優(yōu)勢，盡可能將較多地礦石圈定在露天開采境界內(nèi)，并充分考慮主礦體周圍小礦體的開采利用。

（3）露天采場的最終幫坡角應(yīng)等于或小于露天邊坡穩(wěn)定所允許的角度，以確保露天采場的安全生產(chǎn)，防止發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

（4）露天開采境界的幾何形狀應(yīng)有利于邊坡穩(wěn)定。

（5）露天采場邊界臨近重要運輸公路、建筑物，考慮爆破振動及個別分散物安全允許距離的影響。

3.3 境界邊坡參數(shù)確定

礦體的頂?shù)装鍑鷰r為片巖類、片麻巖類、斜長變粒巖類、斜長淺粒巖類、大理巖類、斜長角閃巖及花崗巖脈和霏細(xì)斑巖脈，圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測試表明，巖石力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)比較高，圍巖狀態(tài)抗壓強度為41.5～105.5 MPa，抗剪強度為11.4～36.1 MPa，為堅硬巖類。采用類比法確定露天采場最終邊坡角為42°。露天開采境界邊坡參數(shù)為臺階高度12，24 m（并段）；臺階坡面角65°～70°（靠近地表覆蓋層為55°～60°）；安全清掃平臺寬度6～20 m；道路路面寬度（未考慮路肩及擋車堆）單車道7 m，雙車道12 m。

3.4 經(jīng)濟參數(shù)確定

結(jié)合國內(nèi)類似礦山的實際生產(chǎn)情況，綜合考慮礦體賦存特點，確定境界優(yōu)化的經(jīng)濟參數(shù)，具體參數(shù)見表2。

3.5 露天開采境界圈定結(jié)果

根據(jù)利潤系數(shù)的變化，NPV 程序軟件共圈定了55 個開采境界，圈定結(jié)果見表3。從表3 可以看出，當(dāng)利潤系數(shù)為1 時，即露天境界Pit 為50 時，凈現(xiàn)值NPV 達到最大，利潤系數(shù)繼續(xù)增大時，增量境界的收益開始變?yōu)樨?fù)值，凈現(xiàn)值NPV 逐漸減小，因此確定以Pit50為設(shè)計最優(yōu)參考境界。

續(xù)表

以方案Pit50為參照，考慮運輸?shù)缆贰⑦吰聟?shù)等因數(shù)，人工處理后形成最終境界。確定的露天開采最終境界的最高開采標(biāo)高為406 m，最低開采標(biāo)高為230 m，礦巖出入口標(biāo)高為248，254，284 m。露天采場上口最大尺寸長2 740 m，寬1 160 m；下口尺寸長2 230 m，寬845 m。

露天開采境界內(nèi)礦巖總量為28 669.3萬t，礦石量為15 313.41 萬t，其中，控制礦量為14 176.1 萬t，推斷礦量為1 624.7 萬t（推斷量利用系數(shù)為0.7）；C平均品位為10.169%，廢石量為13 355.9 萬t，平均剝采比為0.87 t/t。境界內(nèi)低品位礦石量為55.4萬t，C平均品位為3.846%，低品位礦石記入廢石，該部分單獨堆存，待具有經(jīng)濟價值后利用。露天最終境界三維示意圖如圖2所示。露天礦最終開采境界內(nèi)礦巖量統(tǒng)計見表4，境界內(nèi)品位變化情況見圖3，剝采比變化情況圖4。

結(jié)合地質(zhì)儲量調(diào)查報告，組織現(xiàn)場相關(guān)技術(shù)人員和礦業(yè)領(lǐng)域?qū)＜疫M行境界優(yōu)化結(jié)果論證，一致認(rèn)為基于Datamine 軟件的境界優(yōu)化結(jié)果符合礦山實際，能夠最大限度回收礦石，可以實現(xiàn)礦山企業(yè)經(jīng)濟效益最大化。后續(xù)將結(jié)合優(yōu)化結(jié)果，依托軟件對礦山開采優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)計劃編制。

4 結(jié)論

Datamine礦業(yè)軟件可以快速、精準(zhǔn)地生成一系列三維露天礦境界優(yōu)化方案，實現(xiàn)了露天礦山開采境界可視化設(shè)計，提高了境界確定工作效率，對提升企業(yè)經(jīng)濟效益和降低生產(chǎn)成本意義重大。以鶴崗市某露天礦為例，利用Datamine 軟件中的NPV 程序，并基于L-G 圖論法優(yōu)化設(shè)計，考慮了資金時間價值因素，以NPV（凈現(xiàn)值）最大化為判定準(zhǔn)則，在人工優(yōu)化基礎(chǔ)上，確定了最優(yōu)開采境界，并計算了圈定礦量，經(jīng)過專家論證，境界優(yōu)化方案符合礦山實際狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山企業(yè)經(jīng)濟效益最大化，獲得了滿意的應(yīng)用效果。Datamine 軟件為類似礦山開采境界設(shè)計優(yōu)化提供思路，還可以為后續(xù)開采設(shè)計和生產(chǎn)計劃編制提供技術(shù)支持。