露天礦山開采配礦方案的經濟效益分析與應用*

于輝勝 朱文景 馮紅剛 何培雍 熊勇林

（1.湖南省核工業地質局三○三大隊；2.中國地質環境監測院；3.寧波大學巖土工程研究所）

某露天紅土鎳礦由2個采區組成，相距約10 km，項目規劃規模為年處理干基礦石137萬t，巖層結構從上向下劃分為覆蓋層、鐵帽層、褐鐵礦化層、殘積層和基巖。由于鐵帽層、褐鐵礦化層和殘積層中鎳和鐵的圈定指標不同，一礦區探明+控制的褐鐵礦和殘積型資源量1 185萬t，鎳品位1.64%、鐵品位32.03%；二礦區探明+控制的褐鐵礦和殘積型資源量1 316萬t，鎳品位1.58%、鐵品位27.21%；2個礦區探明+控制鐵帽層1 293萬t，鎳品位1.04%；褐鐵礦層1 685萬t，鎳品位1.47%；殘積型礦層816萬t，鎳品位1.90%。

1 研究內容

研究內容：（1）2個礦區的地質鉆孔數據庫建立，塊體模型，品位空間插值和屬性賦值等三維地質模型［1-3］；（2）按照確定的技術經濟參數和露天邊坡參數進行露天境界初步優化，確定境界內資源量［4-8］；（3）在Minesched軟件中進行生產計劃初步編制，分別考察不同開采順序、推進方向等約束條件下的礦山生產能力和出礦品位，選取凈現值最大的方案為最優方案［9-14］。

2 考核目標及主要技術經濟指標

2.1 考核目標

運用三維可視化技術，進行露天境界優化和生產計劃的編制，考察不同采剝順序的露天生產能力和出礦品位，尋求滿足生產要求和凈現值最大的方案，制定露天礦山可視化設計流程，提高設計質量和設計人員的業務能力，提升單位核心競爭力。

2.2 主要技術經濟指標

通過合理配礦和加強生產組織，對境界內731.8萬t鎳品位1.2%～1.4%的礦石進行綜合利用，提高礦山經濟效益，優化后年均凈利潤5.91億元，年凈利潤提高約16%，所得稅后財務內部收益率19.72%，財務內部收益率提高約7%。不僅提高了資源綜合利用率，而且提高了礦山經濟效益。

3 項目執行情況評價

3.1 目標、任務完成情況

在Minesched中進行開采場所、物料運移、設備定義和采剝工藝等約束，考察不同開采方案的礦山出礦品位、生產能力和凈現值，取滿足生產工藝要求和凈現值最大的方案為最優方案，提高資源的綜合利用率。運用三維可視化技術進行露天開采配礦優化研究，以原礦品位、生產能力和凈現值最大為原則選擇最優開采方案，并形成操作體系文件，將研究成果運用于后續露天礦山項目的設計工作中［3］。

開采法范圍內探明+控制的褐鐵礦和殘積型礦2 501萬t，鎳品位1.61%，最終境界內褐鐵礦（鎳≥1.4%）885.19萬t，殘積礦778.82萬t，平均剝采比4.15 t/t，采礦損失率10%，貧化率5%，境界內資源量占開采范圍內總資源量的66.53%，原設計年凈利潤為5.06億元，所得稅后財務內部收益率18.31%，境界內有鎳品位1.2%～1.4%的礦石單獨堆存于采空區，通過合理配礦和加強生產組織，對該部分礦石進行綜合利用

通過運用三維可視化技術進行露天開采配礦優化研究，比傳統方法設計工期縮短約30%，工程咨詢設計效率提高5%以上。

3.2 關鍵技術

（1）運用三維可視化技術進行礦體和巖體線框模型建立，運用Lerchs Grossmann圖論法進行露天境界優化，提高資源利用率和礦山經濟效益。

（2）在Minesched中依據動態規劃法進行生產計劃的編制，按照凈現值最大和滿足供礦品位以及生產規模確定最優開采方案［14-15］。

3.3 技術路線

通過鉆孔數據庫提取礦體和巖體頂底板，建立礦體和巖體線框模型，運用距離冪反比法進行品位空間插值，然后根據確定的技術經濟指標進行露天境界初步優化，將塊體模型導入Minesched軟件進行生產計劃編制，考察不同開采方案的出礦品位和現金流，選取凈現值最大和滿足礦山生產要求的方案為最優方案［16-17］，技術路線見圖1。

3.4 效果評價與技術貢獻

通過露天開采配礦優化研究，保證礦山穩定的供礦品位和生產規模，充分發揮設備的效率，減小前期剝采比，盡量均衡全期生產剝采比，提高礦山經濟效益［18-20］。

運用三維可視化技術提高了露天境界優化設計質量和進度，為單位承擔國內外類似礦山項目提供技術積累，為提供優質服務、打造精品工程、提升單位核心競爭力提供技術支持。

4 項目研究成果

4.1 建立地質模型

4.1.1 鉆孔數據庫

從提供的鉆孔數據中提取工程孔位數據、化驗數據、巖性數據，建立EXCEL格式的勘探工程位置表、化驗數據表、地質數據表，測斜數據表（全部按直孔），導入到數據庫中，進行數據有效性檢驗，包括孔深錯誤檢驗、樣品重疊檢驗等內容，最終完成數據庫建立。

經過整理建立數據庫，一礦區數據庫入庫鉆孔共計4 327個，化驗數據共計69 445條，巖性數據共計69 445條；二礦區數據庫鉆孔共計3 352個，化驗數據共計54 234條，巖性數據共計54 234條。

（1）LFO，鐵帽，鎳品位0.9%～1.2%，鐵品位≥40%。

（2）LGL，低鎳褐鐵礦，鎳品位1.2%～1.5%，鐵品位≥20%。

（3）MGL，中鎳褐鐵礦，鎳品位1.5%～1.8%，鐵品位≥20%。

（4）HGL，高鎳褐鐵礦，鎳品位≥1.8%，鐵品位≥20%。

（5）LGS，低鎳殘積型礦，鎳品位1.6%～2.0%，鐵品位≤20%。

（6）MGS，中鎳殘積型礦，鎳品位2.0%～2.3%，鐵品位≤20%。

（7）HGS，高鎳殘積型礦，鎳品位≥2.3%，鐵品位≤20%。

4.1.2 線框模型

在數據庫中分別提取褐鐵礦層和風化殘積層的頂底板點，中間插點擬合，建立褐鐵礦層和風化殘積層模型。

4.1.3 塊體模型

依據礦體產狀和采剝工藝以及設備選擇，塊模型尺寸25 m×25 m×1 m、次級塊12.5 m×12.5 m×0.5 m。運用距離冪次反比法進行品位空間插值，并進行礦巖類型等屬性賦值。

4.2 露天境界優化

按照選定的技術經濟參數，并參考類似礦山生產實際，露天境界優化參數見表1。

4.3 生產計劃與配礦

4.3.1 地質模型定義

塊體模型導入MineSched后，需要進行品位、礦巖量和金屬量等的統計分析，根據礦石類型定義礦石種類和品級。

4.3.2 生產計劃編制與配礦

（1）生產流程的邏輯定義。主要包括開采單元、礦石堆場、廢石場和冶煉廠等工藝對象的定義及相互關聯性制定。定義主要生產場所以及物料運移方向。鐵帽層運往礦石堆場堆存，低品位褐鐵礦層運往礦石堆場堆存，殘積層和中等品位褐鐵礦層以及高品位褐鐵礦層運往冶煉廠處理。

（2）設備定義。根據生產能力和設備臺年綜合效率進行自卸汽車和挖掘機等主要采剝設備的定義。

（3）采剝工藝。主要包括臺階高度、工作平臺寬度、生產剝采比、工作線長度和同時生產臺階數以及推進方向的設置。

（4）排產結果輸出與優化。排產結果以動畫和圖表的形式報告，可通過報表數據的分析，調整相關參數對排產結果進行優化。通過選取2種可能的配礦方案分別考察其生產能力、供礦品位和凈現值，方案1和方案2的營業收入、經營成本和現金流分布見圖2。

方案1所得稅后凈現值（Ic=10%）1.55億元，財務內部收益率10.79%，投資回收期8.41 a；方案2所得稅后凈現值（Ic=10%）4.45億元，財務內部收益率12.29%，投資回收期8.02 a。依據滿足礦山生產能力、便于生產組織和凈現值最大，選擇方案2為最優方案。

將MineSched軟件的生產計劃優化結果的計劃期數導入塊體模型中，在Surpac中進行屬性約束，便可獲得塊體模型的單元塊計劃期數，指導礦山生產實際。

5 對策與建議

（1）露天開采配礦不僅要考慮開采區域、采剝順序對出礦品位的影響，還要考慮儲礦堆的礦石量和品位，有利于礦石品位的調節，便于高效配礦。

（2）后續需開展在最優動態邊際品位和最小運輸功下的露天開采配礦優化研究，實現礦山生產的動態管理，提高資源綜合利用率。