紫金山露采銅礦空區(qū)處理數(shù)字化建模應(yīng)用研究

鄭正華

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司）

紫金山露采銅礦原460~570 m中段采空區(qū)被兩邊礦柱及正上方標(biāo)高604 m以下的巖礦石垂直崩落填充后，該區(qū)域的采場(chǎng)現(xiàn)狀發(fā)生變化，但礦體實(shí)際并未被采出，導(dǎo)致出現(xiàn)消耗儲(chǔ)量比采出礦量虛高的現(xiàn)象。同時(shí)，隨著充填完畢區(qū)域資源逐步開(kāi)采，給資源儲(chǔ)量精細(xì)化帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，存在的問(wèn)題凸顯，一是充填后的礦石分布情況難以通過(guò)探礦工程驗(yàn)證，二是充填區(qū)每月的資源消耗難以統(tǒng)計(jì)，三是空區(qū)處理后并無(wú)可供采礦部門(mén)生產(chǎn)排產(chǎn)可靠的資源模型，給采剝計(jì)劃編排帶來(lái)不確定因素。針對(duì)以上問(wèn)題，主要開(kāi)展幾個(gè)方面研究：①深入了解采空區(qū)治理［1-2］方案；②如何避免因露采現(xiàn)狀變化，部分礦量進(jìn)行充填采空區(qū)，造成露采消耗比出礦量虛高的假象，以及礦山采礦中長(zhǎng)期及短期計(jì)劃不明確現(xiàn)象；③如何確定充填前后相關(guān)參數(shù)，如充填后礦巖石體積膨脹系數(shù)、原空區(qū)頂柱礦石品位“遷移”到充填區(qū)域巖礦石“混合體”的品位變化、充填前后容重的變化等；④如何對(duì)采空區(qū)充填后的巖礦“混合體”進(jìn)行品位模擬，建立空區(qū)充填后的資源模型；⑤如何充分結(jié)合數(shù)字化品位模型進(jìn)行采礦排產(chǎn)和指導(dǎo)配礦。

為解決上述問(wèn)題，本研究借助Surpac三維可視化軟件，在紫金山金銅礦資源模型以及空區(qū)測(cè)量模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析采空區(qū)處理技術(shù)方案，對(duì)采空區(qū)充填前后的巖礦“混合體”進(jìn)行品位分布模擬和三維建模，建立空區(qū)充填后的資源模型，實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量精細(xì)化動(dòng)態(tài)管理，為采剝計(jì)劃提供可靠的資源依據(jù)。

1 采空區(qū)處理方案

紫金山銅礦體460~570 m中段采用地下開(kāi)采，于2010年結(jié)束。隨著礦山的發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及開(kāi)采方案的變更（實(shí)現(xiàn)+148 m以上銅礦露天開(kāi)采），460~570 m中段由原地下開(kāi)采轉(zhuǎn)為露天開(kāi)采。在控制成本的前提下，確保采空區(qū)區(qū)域平穩(wěn)過(guò)渡為露天開(kāi)采，采空區(qū)處理關(guān)鍵技術(shù)研究尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外空區(qū)處理方案主要有封閉、崩落、加固和充填［3］。為實(shí)現(xiàn)紫金山銅礦尤其是低品位礦石的綜合利用，采空區(qū)處理主要通過(guò)“崩落+充填”［4-5］的方法，對(duì)原采空區(qū)進(jìn)行充填處理。通過(guò)崩落采空區(qū)正上方標(biāo)高604 m以下巖礦石的方式充填，首先崩落510～530 m水平礦柱，充填至460 m中段下部采空區(qū)；再崩落礦房采場(chǎng)采空區(qū)上部的隔離礦柱充填460 m中段余下的采空區(qū)以及520 m中段下部的采空區(qū)，如圖1所示。

2 原地采空區(qū)充填資源數(shù)字化建模過(guò)程

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)及模型基礎(chǔ)

地質(zhì)數(shù)據(jù)是地質(zhì)建模的基礎(chǔ)，是進(jìn)行資源儲(chǔ)量估算的依據(jù)［6-7］。礦山自2013年引進(jìn)Surpac軟件后，根據(jù)歷年的地質(zhì)數(shù)據(jù)不斷更新，已有一套完整的數(shù)據(jù)庫(kù)和紫金山金銅礦資源儲(chǔ)量模型，并成功應(yīng)用于采礦生產(chǎn)多年。

2.2 采空區(qū)處理實(shí)體的建立

基于Surpac三維軟件，建立空區(qū)處理實(shí)體模型能很好地掌握空區(qū)的空間位置，為后續(xù)空區(qū)處理研究奠定基礎(chǔ)［8］。

根據(jù)采空區(qū)實(shí)測(cè)圖件，用不同體號(hào)區(qū)分空區(qū)類(lèi)型，單層空區(qū)體號(hào)用100系列，從101到121，共建立21個(gè)空區(qū)實(shí)體；雙層空區(qū)體號(hào)用200系列，從201到234，共建立34個(gè)空區(qū)實(shí)體，實(shí)體體號(hào)與空區(qū)編號(hào)保持一致。依據(jù)塊體模型建立需求，分別建立采空區(qū)、礦柱、頂柱等三維實(shí)體模型，同時(shí)根據(jù)空區(qū)實(shí)際標(biāo)高劃分出520~570 m采空區(qū)對(duì)應(yīng)的頂柱礦巖、577~604 m礦巖、460~510 m采空區(qū)對(duì)應(yīng)的頂柱礦巖、513~533 m頂柱的礦巖。如圖2所示。

2.3 采空區(qū)充填后塊體模型的建立

2.3.1 準(zhǔn)備文件

更新紫金山金銅礦資源儲(chǔ)量模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)算，確保基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。基本模型更新信息如下。①根據(jù)礦體模型范圍，確定塊體模型的X、Y、Z值邊界；②根據(jù)露采臺(tái)階高度確定塊尺寸為6 m，次級(jí)塊尺寸為3 m，并讓每個(gè)塊的水平邊與露采境界模型對(duì)應(yīng)臺(tái)階的高程一致，最大限度減少誤差；③增加需要的屬性來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)地質(zhì)信息，包括巖石類(lèi)型、品位、密度、控制程度等；④通過(guò)利用普通克立格法進(jìn)行塊體估值，最終建立塊體模型；⑤利用近年來(lái)的期初期末DTM對(duì)模型儲(chǔ)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算，并和二次圈定、采礦量進(jìn)行對(duì)比分析，確保塊體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

2.3.2 空區(qū)塊體模型建立

（1）膨脹系數(shù)。巖體在爆破下落充填空區(qū)過(guò)程中由實(shí)方變成虛方，發(fā)生體積膨脹。結(jié)合采礦充填方案以及本區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)算，假定礦石和圍巖經(jīng)爆破后的級(jí)配總體一致，得出充填后平均膨脹系數(shù)α=1.358。

（2）充填后礦體密度。由于礦巖石崩落充填后發(fā)生膨脹，該區(qū)域礦石和圍巖容重?zé)o法直接引用地質(zhì)報(bào)告。依據(jù)質(zhì)量守恒原理，巖礦石充填前后的總質(zhì)量m不變，根據(jù)密度公式ρ=m/V，m不變，體積V變大，密度ρ變小。結(jié)合每個(gè)礦房采空區(qū)對(duì)應(yīng)充填的巖礦石比例情況，測(cè)定采空區(qū)充填后各區(qū)域容重，采用動(dòng)態(tài)容重更加切合實(shí)際。

充填后的體積V1=1.358V0（V0為空區(qū)對(duì)應(yīng)的頂板、礦柱、底柱等的礦巖體積）。

因此，用每個(gè)空區(qū)對(duì)應(yīng)礦柱的原礦巖量除以充填后膨脹的體積V1，求出充填后的密度

（3）充填后標(biāo)高界定。據(jù)充填后混合體頂板標(biāo)高的界定來(lái)建立充填后混合體實(shí)體模型，為后續(xù)塊體模型品位和密度賦值奠定基礎(chǔ)。

充填后的標(biāo)高采用如下公式獲得

式中，H1為空區(qū)底板標(biāo)高，m；V1充填后體積，m3；S1為采空區(qū)底面積，m2。

（4）充填后塊體估值。在原資源模型基礎(chǔ)上以采空區(qū)和充填后“混合體”頂面標(biāo)高約束，分別用每個(gè)礦房采空區(qū)對(duì)應(yīng)的平均品位進(jìn)行采空區(qū)范圍內(nèi)塊體Cu屬性賦值，作為充填后的塊品位，完成充填體品位估值，同時(shí)進(jìn)行密度ρ1賦值。最終獲得采空區(qū)充填后塊體模型。

3 原地采空區(qū)充填資源模型驗(yàn)算和應(yīng)用

3.1 采空區(qū)充填前后資源模擬結(jié)果驗(yàn)算與分析

通過(guò)前述方式對(duì)空區(qū)充填后進(jìn)行品位估值，與充填前空區(qū)上部礦柱的礦量進(jìn)行對(duì)比，充填后總礦石量為1 325萬(wàn)t，金屬量為55 852 t，平均品位為0.42%，比充填前礦石量減少20萬(wàn)t，減少比例為1.50%；金屬量減少367 t，減少比例為0.65%，平均品位不變。詳見(jiàn)表1。

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對(duì)比結(jié)果顯示，充填后重新估值的結(jié)果與原有礦柱的礦石量、品位和金屬量均較為吻合（均未超過(guò)2%），說(shuō)明估值結(jié)果較為可靠。重新估值后的礦量，通過(guò)月末現(xiàn)狀的變化對(duì)比，計(jì)算出空區(qū)范圍的開(kāi)采變化，提高資源消耗、礦石品位的準(zhǔn)確度及降低貧化損失率。

3.2 空區(qū)充填資源模型應(yīng)用研究

3.2.1 應(yīng)用于資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理

從源頭上規(guī)避了604~570 m頂柱及間柱崩落后難以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)資源儲(chǔ)量瓶頸，利用建立的數(shù)字化空區(qū)充填資源模型，結(jié)合月度現(xiàn)狀DTM，可準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)露采銅礦每月的資源儲(chǔ)量消耗情況，可精細(xì)化至空區(qū)充填區(qū)和其它采區(qū)，確保儲(chǔ)量消耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量消耗的精細(xì)化動(dòng)態(tài)管理，詳見(jiàn)表2。

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另外，提高了保有資源儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度，一方面在未處理的塊體模型統(tǒng)計(jì)露采銅礦保有資源儲(chǔ)量（扣除采空區(qū)巷道），另一方面在模擬采空區(qū)充填后的塊體模型里單獨(dú)統(tǒng)計(jì)采空區(qū)范圍內(nèi)扣除礦柱后的銅礦保有資源儲(chǔ)量，詳見(jiàn)表3。

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3.2.2 應(yīng)用于露采生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)巖礦界線(xiàn)劃分

模型有效提高了一線(xiàn)地質(zhì)人員的礦巖界線(xiàn)宏觀辨別能力，根據(jù)模型中品位初步模擬結(jié)果，對(duì)采空區(qū)充填資源進(jìn)行取樣驗(yàn)證，較為準(zhǔn)確地劃定礦巖界線(xiàn)，有利于降低礦石的貧化損失率，如圖3所示。

3.2.3 應(yīng)用于露采3 a滾動(dòng)計(jì)劃編制

由于采空區(qū)處理前后，實(shí)際地質(zhì)資源模型發(fā)生變化，無(wú)可供采礦部門(mén)生產(chǎn)排產(chǎn)可靠的資源模型。在建立充填后的塊體模型后，可為采礦廠(chǎng)提供可靠的地質(zhì)品位分布數(shù)據(jù)，為采礦配礦提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并成功應(yīng)用于《紫金山金銅礦2020年采掘（剝）計(jì)劃（生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)計(jì)劃）及3 a滾動(dòng)計(jì)劃》編制，有效提高了紫金山金銅礦中長(zhǎng)期規(guī)劃編制質(zhì)量，詳見(jiàn)表4。

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4 結(jié)論

（1）本研究在礦山已有三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合空區(qū)處理過(guò)程規(guī)律，對(duì)空區(qū)充填前礦石、廢石和礦柱崩落后形成的巖礦“混合體”進(jìn)行品位模擬，構(gòu)建空區(qū)充填后的資源模型，可以直觀地展現(xiàn)采空區(qū)充填后的品位分布特征。

（2）利用采空區(qū)充填數(shù)字化資源模型，可以確保資源儲(chǔ)量消耗和保有資源儲(chǔ)量準(zhǔn)確無(wú)誤，實(shí)現(xiàn)資源儲(chǔ)量精細(xì)化動(dòng)態(tài)管理，同時(shí)為采礦部門(mén)編制采剝計(jì)劃提供可靠的資源依據(jù)。

（3）通過(guò)深度結(jié)合“地采轉(zhuǎn)露采”采空區(qū)處理技術(shù)，構(gòu)建采空區(qū)充填數(shù)字化資源模型，成功應(yīng)用于日常的資源儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)管理、采剝中長(zhǎng)期規(guī)劃及日常地質(zhì)巖礦界線(xiàn)界定，優(yōu)化了紫金山金銅礦資源儲(chǔ)量模型，可為同類(lèi)地采轉(zhuǎn)露采礦山提供借鑒。