露天開采境界局部優化研究

袁睿棟,鄒智斌,楊新鋒,黃 敏

(1.長沙迪邁數碼科技股份有限公司, 湖南 長沙 410083;2.江西銅業集團七寶山礦業有限公司,江西 宜春市 231500;3.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012)

0 前 言

露天礦開采境界優化是露天礦山設計的重要環節,是露天礦山生產經營決策的重要依據。境界優化計算與分析是一項復雜的系統工程,需要綜合考慮礦山資源狀況、開采技術條件、礦產品銷售價格、開采及選冶成本等多類復雜因素?；诙S圖形的人工計算方法很難準確地系統性考慮上述復雜因素的影響[1]。隨著計算機技術的發展及礦業軟件功能的日益完善,使露天境界優化設計工作從依靠經驗、定性分析向計算分析、定量分析的方向發展,使露天境界優化工作變得快速且高效[2]?；谌S可視化品位模型、技術經濟條件和露天境界優化相結合的方法已逐步在露天礦山設計階段得到廣泛應用,如技術經濟參數集與凈現值方案NPV結果選優,參數影響率和敏感性分析等。

礦山開采過程是受資源狀況、市場價格、開采技術、開采成本、選冶工藝、開采范圍等多因素制約的動態采剝過程。作為露天礦的開采境界也不能一次定終身,要及時調整優化,以適應當前技術經濟條件,提高礦山開采經濟效益[3]。生產階段的境界優化研究較設計階段的影響因素更多、更復雜,因此礦山需定期、不定期地根據外部影響因素開展露天境界的計算、調整和優化研究,指導原有設計方案的修改、開采計劃編制及日常生產管理,以提升開采計劃和日常生產組織的準確性、可靠性和合理性。

七寶山鉛鋅礦是一個沉積后熱液疊加的層控礦床,主要礦物為方鉛礦、閃鋅礦、黃銅礦、斑銅礦及黃鐵礦。礦體嚴格受地層層位控制,走向長1275 m,水平寬約250 m,呈似層狀和規則透鏡狀產出。礦體厚度、品位變化大,礦石類型復雜。礦山先后經過四次境界優化研究,最近一次開采設計方案提出于145～105臺階局部地段保留“假山”,以減少剝離量,降低采礦成本。本次研究主要采用DIMINE數字化礦山軟件對155 m標高以下開采開展境界優化研究。

1 境界優化數據

境界優化數據包括礦床模型及技術經濟參數等。

1.1 構建三維可視化礦床模型

開展三維可視化露天境界優化是以三維礦床模型和現狀地表模型為基礎。因此,在境界優化前,建立地質數據庫、礦床模型、現狀地表模型、礦床品位模型,如圖1所示。

1.2 工業指標優化

隨著生產技術、管理水平的提高以及鉛、鋅、銅等金屬價格的上漲,為充分利用礦產資源,根據礦山近幾年實際測算的剝離排棄成本、選礦成本及原礦運輸成本,并結合近4年鉛、鋅、硫精礦平均銷售單價應用“盈虧平衡品位計算”方法對現有最低入選品位進行測算[4]。所選用參數如下：

(1)鉛、鋅、硫精礦每噸平均銷售單價分別為5837.50,5175.40,122.14 元 ;

(2)回收率：鉛63%,鋅85%,硫65%;

(3)精礦品位：鉛50%,鋅47%,硫38%。

經計算,最低入選原礦品位指標見表1。

圖1 礦山三維地質模型

表1 礦石最低入選品位指標

1.3 技術經濟參數的選取

采選技術經濟相關參數主要來源于礦山近幾年實際生產指標。將近3年鉛、鋅、銅、硫金屬等主產品金屬價格的平均值作為未來市場價格的預估。主要優化參數見表2。

表2 露天境界優化參數

1.4 邊坡控制參數的確定

依據已完成的巖石力學研究工作,并結合礦巖與礦區水文氣象條件,參照礦山邊坡現狀,確定不同部位露天采場最終邊坡角：方位0°～45°范圍內受尾礦庫影響,邊坡角選定30°。45°～210°范圍內邊坡角40°,210°～360°范圍內邊坡角42°,如圖2所示。

圖2 采場范圍內邊坡角定義

2 開采境界優化

2.1 底部約束面

考慮到采場東南部195 m以上臺階處理方案未定,暫時推進困難,因而本次研究重點針對原開采設計155 m臺階以下進行局部優化,修正部分設計,以期減少剝離量,增加可采礦量,從而延長礦山服務年限和降低生產成本。

為滿足局部優化計算要求,將原設計境界的155 m臺階底線外推至105 m標高,并與原設計境界、地表現狀模型進行布爾運算,生成境界優化底部約束DTM面。

2.2 境界優化計算

應用DIMINE數字礦山軟件中露天礦境界優化功能,調用賦值后的礦塊品位模型,結合采礦成本、剝離成本、貧化率、損失率、復墾成本、銷售成本等技術經濟參數,將礦塊品位模型轉換為價值模型。塊的凈價值是根據塊中所含目標元素的品位、開采與處理中各道工序的成本及產品價格計算得出[5]。

結合設定邊坡角、約束DTM底面等約束條件,采用LG法優化生成一個露天坑,優化結果為當前開采技術經濟條件下實現利潤最大化的開采境界。

2.3 開采境界設計優化

以優化境界殼為基礎,提取各臺階境界線,作為下一個臺階坡頂線的基準界限,應用露天設計功能對原設計進行優化處理。

為保證155 m臺階以上境界不變動和臺階上、下開拓系統良好銜接,境界設計中采取自上而下,并向內擴展臺階的方式進行最終臺階線的設計,同時兼具考慮每個臺階的安全平臺或清掃平臺寬度。最終,155 m以下露天開采境界優化情況如圖3所示。

圖3 155 m以下優化后露天開采境界

2.4 優化結果分析

155 m標高以下境界優化前后技術經濟對比分析見表3。由表3可知,155 m標高以下開采境界優化設計較原設計方案凈增礦石量3.32萬t,其中單銅礦減少0.77萬t,鉛鋅礦、鈷礦以及黃鐵礦等凈增4.08萬t,剝離量增加79.68萬t,凈盈利1040萬元。

表3 155 m標高以下境界優化前后技術經濟對比

局部修改設計后,對境界內實際可利用資源量進行統計,截止至2017年12月底,新設計現有境界內155 m標高以下實際可利用保有資源量約為108.37萬t(平均品位為Pb：1.40%,Zn：2.41%,Cu：0.25%,S：6.19%,EQZn：4.23%;金屬 量 為：Pb：15134 t,Zn：26072 t,Cu：2744 t,S：67049 t,EQZn：45863 t)。設計境界內155 m標高以下實際可利用保有資源量約為105.06萬t(平均品位為Pb：1.37%,Zn：2.35%,Cu：0.27%,S：6.09%,EQZn：4.20%;金屬量 為：Pb：14445 t,Zn：24684 t,Cu：2817 t,S：63970 t,EQZn：44091 t)。本次設計凈增礦量3.32萬t,凈增金屬量為：Pb：689 t,Zn：1388 t,Cu：－74 t,S：3078 t,EQZn：1772 t。

3 結 論

設計階段的開采境界更側重于從宏觀層面輔助決策,但礦山在開采過程中,其境界范圍往往受征地進度、設施、外圍探礦、采礦證等各類復雜因素的制約。在生產現狀與當前生產技術條件基礎上,開展局部開采境界優化研究,可指導礦山實際生產,對礦山決策、計劃編制等具有十分重要的意義。

本次是在七寶山鉛鋅礦三維地質模型基礎上,結合礦山生產現狀約束,按現有技術經濟條件,對155 m臺階以下局部境界和設計進行優化,主要結論如下：

(1)合理準確的地表現狀模型、礦山地質資源模型是露天礦境界優化的基礎。復雜多金屬礦露天境界優化特別需要合理確定技術經濟指標和參數。

(2)155 m標高以下開采境界優化設計較原設計方案,凈增礦石量3.32萬t,剝離量增加79.68萬t,凈盈利1040萬元。

(3)局部開采境界優化因所用約束條件和技術經濟參數更接近于當前生產,所以優化結果較設計階段更利于指導礦山生產過程中的生產決策、計劃編制、開采方案等,并取得了較大的經濟和社會效益。

(4)在局部開采境界優化研究時,應考慮與整體開拓系統相銜接,建議采用“自上而下、向內擴展”的方式。