露天礦中長期生產(chǎn)計劃三維可視化編制?

李 寧,曹澤康,趙文斌,吳 浩,孔令好

(1.武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院, 湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學 土木工程與建筑學院, 湖北 武漢 430070)

露天礦中長期生產(chǎn)計劃的編制是礦山生產(chǎn)工作中的重要環(huán)節(jié),是指導(dǎo)和管理礦山正常生產(chǎn)的主要依據(jù).然而露天礦山生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜,礦山開采受到許多因素的制約,如采場空間、采剝關(guān)系、設(shè)備效率等,如何快速準確地編制出技術(shù)上可行、經(jīng)濟效益好、資源利用率高的中長期生產(chǎn)計劃是目前必須解決的關(guān)鍵問題[1G2].國內(nèi)現(xiàn)階段大多數(shù)露天礦山的生產(chǎn)計劃編制仍然采用手工編制的方法,不僅編制效率低下,同時不便于后期生產(chǎn)需要對計劃進行修改.隨著計算機技術(shù)、圖形快速處理技術(shù)及三維可視化技術(shù)的不斷發(fā)展,在構(gòu)建礦山三維模型的基礎(chǔ)之上,進行露天礦中長期生產(chǎn)計劃的可視化編制,已成為目前國內(nèi)露天礦山的發(fā)展趨勢[3G6].

本研究針對手工編制露天礦中長期生產(chǎn)計劃存在的難點[7G8],借助Di mine數(shù)字礦山軟件平臺,以襄陽石灰石礦為對象,在三維可視化環(huán)境下,構(gòu)建礦山鉆孔數(shù)據(jù)庫、礦體模型、數(shù)字地表模型、塊段模型等,通過人工交互的方式編制適用于礦山開采的最佳露天礦中長期生產(chǎn)計劃.

1 中長期生產(chǎn)計劃編制流程

露天礦中長期生產(chǎn)計劃編制是在確定露天坑開采境界基礎(chǔ)上進行的,目前,國內(nèi)外采用浮動圓錐法、L－G圖論法、整數(shù)規(guī)劃法等方法對露天開采境界進行優(yōu)化.Di mine數(shù)字礦山軟件平臺基于L－G圖論實現(xiàn)開采境界的優(yōu)化,其實質(zhì)是在所建立的價值模型中尋求具有最大開采價值的開采境界[9G11].根據(jù)編制技術(shù)人員的生產(chǎn)經(jīng)驗,通過交互操作實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的多方案比較,并選擇最佳中長期規(guī)劃結(jié)果,具體的操作流程如圖1所示.

圖1 生產(chǎn)計劃編制流程

2 工程應(yīng)用實例

襄陽石灰石礦為一大型露天礦山,礦區(qū)山體似渾圓狀,礦區(qū)內(nèi)無地表水體,開采區(qū)域海拔標高為496.8~318.2 m,相對高差為178.6 m,四周較低.大部分基巖裸露,第四系地層零星分布.根據(jù)礦層賦存情況及礦段情況,按礦區(qū)礦量計算界線為設(shè)計開采界線.南側(cè)以地質(zhì)界線為邊界,東、西兩側(cè)分別以2,3號勘探線最低開采標高355 m向上放邊坡為界,北側(cè)以355 m等高線為界,其中北東側(cè)通過保留礦柱確保破碎系統(tǒng)穩(wěn)定性,設(shè)計最低開采標高為355 m,最終臺階邊坡角為65°,清掃平臺和安全平臺寬度分別為8,4 m,清掃平臺和安全平臺間隔設(shè)置.

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建

將孔口表、測斜表、樣品表以及巖性表導(dǎo)入DiG mine數(shù)字礦山軟件平臺,生成鉆孔數(shù)據(jù)表文件,再對其進行校驗并修改后即可創(chuàng)建Di mine地質(zhì)數(shù)據(jù)庫文件(.d mg文件),如圖2、圖3所示.

圖2 鉆孔局部放大圖

圖3 鉆孔數(shù)據(jù)庫

由圖3可知,總共有24個鉆孔和槽探數(shù)據(jù),Ca O的最低品位是22.92%,最高品位是55.82%,Mg O的最低品位是0.24%,最高品位是17.94%.

通過對鉆孔數(shù)據(jù)庫進行樣長組合,得到Ca O和Mg O品位分布直方圖如圖4、圖5所示.

圖4 Ca O品位分布直方圖

圖5 Mg O品位分布直方圖

從圖4和圖5可知,Ca O品位的平均值為51.63%,中值是53.06%,變化系數(shù)為0.0816,表明Ca O品位變化較小,較為均衡;Mg O品位平均值為1.5%,中值是0.82%,變化系數(shù)為1.4825.

2.2 數(shù)字地表模型構(gòu)建

地表模型作為境界優(yōu)化和開采設(shè)計的邊界約束,是三維實體模型的重要組成部分.地表模型一般由若干等高線和散點組成,直接導(dǎo)入到Di mine數(shù)字礦山軟件平臺,通過形成DT M的功能,即可構(gòu)建襄陽石灰石礦的地表模型.原始數(shù)字地表模型及開采現(xiàn)狀圖如圖6、圖7所示.

圖6 原始數(shù)字地表模型

圖7 開采現(xiàn)狀圖

2.3 礦體模型構(gòu)建

礦體模型是整個三維建模過程中的重點,根據(jù)礦體埋藏及復(fù)雜程度的不同,建模的難度也大不相同.礦體模型為儲量計算、境界優(yōu)化及開采設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).本文通過將勘探線剖面導(dǎo)入Di mine數(shù)字礦山軟件平臺,通過連線框的方式構(gòu)建礦體模型.在建模過程中要對剖面線閉合及交叉情況進行檢查,同時需對生成的實體模型進行相關(guān)有效性檢測,避免未封閉區(qū)域和交叉三角形的出現(xiàn),導(dǎo)致儲量估算和境界優(yōu)化產(chǎn)生誤差,構(gòu)建的石灰石礦礦體模型如圖8所示.

2.4 塊段模型構(gòu)建及估值

礦床品位推估以及儲量計算以構(gòu)建的塊段模型為基礎(chǔ),其基本思想是將三維礦床模型在空間內(nèi)根據(jù)估計精度按照需要按一定尺寸劃分為眾多的單元體,然后根據(jù)勘探得到已知的樣品點品位值,通過空間插值和數(shù)據(jù)擬合等方法對整個礦床范圍內(nèi)單元體的品位信息進行估算,同時在此基礎(chǔ)上進行地質(zhì)儲量的計算.

塊段模型實際上是一個記錄礦石單元體屬性信息的數(shù)據(jù)庫,其目的主要是存儲各類地質(zhì)信息(包括礦巖類型、品位、比重等),通過創(chuàng)建塊段模型,可以為實體或DT M范圍內(nèi)的單元體賦予巖性、層位、品位等相關(guān)信息.通過克里格估值,經(jīng)礦體約束后得到的塊段模型如圖9所示.

圖8 礦體模型

圖9 約束后塊段模型

2.5 露天境界優(yōu)化

露天境界優(yōu)化是露天開采設(shè)計的基礎(chǔ),優(yōu)化的基本原則是經(jīng)濟合理剝采比不大于境界剝采比,即在經(jīng)濟合理的前提下,最大限度地開采礦產(chǎn)資源,提高礦產(chǎn)資源的利用率.

依據(jù)露天礦實際生產(chǎn)的臺階高度,結(jié)合采礦工作面尺寸以及鉆孔網(wǎng)度等相關(guān)參數(shù)確定合理的單元體尺寸大小為7.5 m×7.5 m×3 m,創(chuàng)建空塊模型,再添加約束條件如礦體模型、開采成本、臺階高度、露天邊坡角等參數(shù).

通過Di mine數(shù)字礦山軟件平臺的優(yōu)化,需開挖的單元塊如圖10所示,優(yōu)化的具體參數(shù)見表1.

根據(jù)境界優(yōu)化結(jié)果,同時依據(jù)采礦手冊確定開采參數(shù),在三維環(huán)境下,設(shè)計生成的最終露天境界模型如圖11所示.

圖10 約束后塊段模型(Mg O)

表1 境界優(yōu)化參數(shù)

圖11 最終露天境界

2.6 露天礦中長期生產(chǎn)計劃優(yōu)化

結(jié)合構(gòu)建的礦體模型、最終露天開采境界以及開采現(xiàn)狀圖,可直接通過軟件進行中長期生產(chǎn)計劃的編制.編制人員通過計算機自動優(yōu)化與人工交互優(yōu)化的方式,靈活調(diào)整中長期生產(chǎn)計劃結(jié)果,得到最終的中長期生產(chǎn)計劃方案如圖12所示.

圖12 露天礦中長期生產(chǎn)計劃編制結(jié)果

其中前10期的生產(chǎn)計劃如圖13所示.

圖13 前10期生產(chǎn)計劃編制結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)基于L－G圖論法將礦體劃分成單個六面體塊,再通過克里格估值算法推估每一塊段的礦石品位,根據(jù)開采的經(jīng)濟成本和相關(guān)設(shè)計參數(shù),智能優(yōu)化出需最終開采的礦塊,得到最終開采境界.

(2)系統(tǒng)提供了一個可視化的三維露天礦中長期生產(chǎn)計劃編制優(yōu)化平臺,可以直觀、方便地展示露天礦地表、鉆孔數(shù)據(jù)庫、礦床等模型,基于經(jīng)濟合理剝采比不大于境界剝采比的原則編制露天礦中長期生產(chǎn)計劃,極大提高了露天礦山中長期生產(chǎn)計劃編制的效率.

(3)軟件系統(tǒng)采用系統(tǒng)自動優(yōu)化與人工交互優(yōu)化雙重優(yōu)化模式,便于編制工作者針對采礦工程中揭露的礦床地質(zhì)條件和水文條件,及時改變原先的優(yōu)化結(jié)果,調(diào)整編制的中長期生產(chǎn)計劃方案,確保礦山生產(chǎn)的正常進行.

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