3dmine露天境界优化功能的应用

李海波

（攀钢集团矿业有限公司设计研究院, 四川省攀枝花 617063）

在露天矿开采过程中，边界优化设计对矿山生产具有重要意义。在露天矿开采的实践中，其生产经营决策主要侧重于开采边界的设计，并为其提供重要的依据。在露天矿开采边界的优化过程中，应当将开采工艺、地质参数、选矿开采成本以及市场行情纳入重要的衡量因素。

本文以四川省某铁矿作为实例，在建立地表模型、地质数据库、矿体模型、块体模型的基础上，采用3Dmine矿业软件，在三种不同条件下进行境界优化，对三种不同条件下的边界优化结果进行了比较，得到了不同条件下的边界优化结果和结论［1-2］。

1 矿区地质概况

某矿山矿体主要赋存于元古界火地垭群上两组岳家河段上部的黑云母斜长片岩、角闪片麻岩中，主要有编号为：Fe-N1、Fe-N2、Fe-N3、Fe-N4、Fe-N5、Fe-N6、Fe-N7、Fe-N8、Fe-N9、Fe-N10、Fe-N11、Fe-N12 12个铁矿体组成。矿体呈北东～南西向展布，倾角55°～65°，地表出露长度达1km，宽3m～100m，矿石呈星点～浸染状不均匀分布。矿体厚度变化大。磁铁矿化较弱，矿体品位变化不大，矿体呈短透镜状，常见局部突然膨大后在短距离内又突然变薄的现象。

2 构建3D模型

2.1 原始曲面模型的构建

本文利用地质队提供的1：2000地形地质图建立了原始地表模型，见图1。

图1 原始曲面模型

2.2 矿体模型的构建

矿体三维模型的构建是优化露天矿山边界的基础，本文利用地质队提交的《四川省某铁矿西北段详细调查报告》中的剖面图。通过图形的整理，二维到三维坐标的转换，导入到3dmine软件中，建立并通过实体验证的矿体实体模型［3-5］。

2.3 建立地质数据库

本文利用地质队于2014年9月提交的《四川省某铁矿北西矿段详查报告》结果建立了地质数据库。其中，化验表包含TFe等级，TFe含量，mFe等级，mFe含量，建立完成地质数据库和TFe组合后建立块体模型作为基础。

2.4 建立块模型

块体模型中包含有采场名称、矿岩类型、品位分布、比重、储量类别等，本文采用“普通克里格法”对块体进行赋值。根据勘探间距、地质可靠程度、设备型号、开采高度、爆破方式方法等来确定块体的尺寸，本次确定块体尺寸为20×20m×4m（X×Y×Z），次级模块尺寸为10m×10m×2m（X×Y×Z），得出最终块体模型。

为了对所提交的《地质详查报告》作出评论，进行了矿体品位统计和品位累积频率图，见图2、图3。在3Dmine中计算出矿体的平均品位为10.05%，《地质调查报告》工业等级为9.92%。两者之间的误差为-1.31%，符合《冶金矿山采矿设计规范》(gb50830-2013)的要求。块体模型与矿体模型两者间具有紧密的关联，它们直接或间接的保证了后续工作的全面开展，体现了其重要的保障作用，并且地质技术人员的技术积累保证了其完善的程度，同时也包括原始地质材料的精准性与完整性［6-9］。

图2 品位统计

图3 品位累积频率

3 露天优化

3.1 3Dmine边界优化简介

3DMine采用最大流量和最小切割原则来优化露天开采边界。该方法具有严格的数学推导并且在数学上是严格的。其本质与图论和线性规划一致，但算法时间复杂度高，效率高。3DMine领域优化模块有五个选项，即经济模型，采矿成本，开放边界坡度，采矿约束和输出选项。矿石价值可以通过三种方式计算：品位、矿石类型和区块属性。

3.2 露天境界优化原则

露天矿优化的基础取决于矿坑中所有矿石的总和值。也就是说，露天矿优化设计的目的是确定可以产生最大经济效益的露天采矿边界。也就是说，无论是扩大还是缩小边界，采矿边界内的所有矿石都应该随着矿坑的减少而产生价值。

划定露天开采边界应保证矿山生产利润为正，即采用的边界剥采比不大于经济合理的剥采比；为了充分利用矿产资源，我们应该在保证矿业企业盈利能力的基础上，尽可能多地回收矿石。为保证露天矿的安全，圈定的露天矿边坡倾角应小于露天矿稳定性所允许的倾角。在划定露天矿开采边界时，应充分考虑矿区水文地质条件的影响，避免各种严重影响边坡稳定的因素。

3.3 露天边界优化方法

露天矿境界优化方法主要有两种：一种是根据经验和直观判断，非数学严谨的，有启发法、手工法、浮动圆锥法三种方法，另一种是可用数学方法证明正确的，有动态规划法、图论法、整体线性规划法、网络流法四种方法。3Dmine矿业软件采用图论法及浮动圆锥法来实现露天境界优化。图论方法最初是在“露天矿优化设计”一文中提出的。只需要价值模型的形成，就可以在任何情况下获得最大总价值的最终生产边界。浮锥法是利用系统仿真技术解决露天采矿问题的一种方法。露天矿实际上是由许多不同的锥交错可折叠锥模拟的，锥的密度越大，就越接近真正的露天矿。

表1 经济技术指标

3.4 边界优化参数值

根据该矿开采成本，攀枝花铁矿石的市场销售价，以及该矿实际生产能力确定的经济技术指标如表1所示。

3.5 露天境界优化过程

运行3DMine软件，打开露天开采境界优化模块，选择按矿石类型计算价值并输入上面确定的技术和经济参数，相应的参数填写在采矿成本，露天边界坡度，采矿约束和输出选项中，保存输入的参数并单击“运行”获得最佳境界状态。

3.5.1 矿石类型优化

矿石价格基于200元/吨，并根据矿石价格调整，-50%、-40%、-30%、-20%、-10%、10%、20%、30%、40%和50%输出露天矿嵌套。不同矿石价格边界优化结果见表2。

3.5.2 按品位变化优化

该矿床矿石物质组成复杂，矿石品位变化较大，矿床较多，伴生矿石和岩石类型较多。根据矿石类型优化，边界只适用于开采具有良好地质条件和矿石品位波动小的矿床。为了适应矿床的实际情况，根据等级变化优化矿床边界。做为矿石考虑的品位变化区间为9%～15%，每个品位的价格按3.00元计算，根据矿石价格调整：-50%、-40%、-30%、-20%、-10%、10%、20%、30%、40%、50%产量嵌套坑，不同矿石价格字段的优化结果见表2。

3.5.3 根据不同坡度角进行优化

坡角是影响露天边界优化的重要因素。从剥离比的角度来看，从安全生产的角度来看，坡角越陡，越好，越慢越安全。

在3DMine软件中，可以利用软件对各种不同的角度进行模拟测定，并且能够将不同分区的特点以获取不同的倾斜角度数据。此次，在不同的方向采用相同的坡度角，坡度为43°～53°，统计结果见表2。

4 结论

三种境界优化的矿石总价值无法比较，并对三种状态优化的矿石量进行了比较，按矿石类型优化境界，矿石量为2018.89万吨；按品位变化优化境界，境界内矿石为1975.25万吨，按不同边坡角优化境界，境界内矿石为2018.89万吨，三种情况两两相互比较只相差43.64万吨。这一缺口主要是根据品位变化来优化境界，考虑到矿石贫化率为5%，采收率为92%。按矿石类型及在不同坡度的优化中，没有考虑矿石的贫化程度和采收率。因此，当根据品位变化对边界进行优化时，相对于根据矿石类型和不同坡角对边界进行优化时，边界内的矿石量有所减少。

表2 不同条件下边界优化结果

在设计过程中，该矿主要根据矿石类型来划分境界，这与实际生产情况不符。根据品位变化对边界进行优化，基本符合该矿矿体赋存条件。通过分级优化领域，可以改变企业的发展模式，实现精细化生产，这不仅可以维护企业的正常生产经营,但也满足需求的资源综合利用,以矿床的经济价值最大化。