露天矿开采损失率贫化率预测

陈彦亭 龚瑞杰 宋爱东 南世卿

(1.河北钢铁集团矿山设计研究院；2.河北钢铁集团司家营铁矿有限公司)

露天矿开采损失率贫化率预测

陈彦亭1龚瑞杰2宋爱东1南世卿1

(1.河北钢铁集团矿山设计研究院；2.河北钢铁集团司家营铁矿有限公司)

分析了现有露天矿损失率、贫化率的预测方法，构建预测对象三维模型，依据铲装作业参数将其微分为有限多个采矿单元体，利用地质探针技术获取采矿单元体的矿石比例，预测出初步损失率贫化率,通过人机交互二步预测，求得更加贴近生产实际的预测结果。据此原理开发出了相应软件，经过某露天矿的应用表明，可以方便、快捷的实现不同铲装推进方向、不同台阶高度、不同矿石截止条件等情况下的损失率贫化率预测，结果符合实际，能够为配矿及采矿生产管理提供定量化依据。

损失率 贫化率 定量化预测 三维模型 预测软件

采矿混入率和损失率是采场生产中两项重要的技术指标，是检验矿山开采技术水平、衡量采矿方法的合理性及矿产资源利用率的技术经济指标，也是矿山配矿工作要考虑的重要指标。长期以来，在矿山设计和生产计划编制时，这两大主要技术经济指标一般凭经验取值。

前人对损贫定量预测进行了深入富有成效的探索[1-2]，但都是在剖面图上进行的，即在二维图件的基础上进行的。因剖面图的选取具有很强的经验性、随机性及局限性，并不能全面反映预测区域的空间形态、矿体产状、矿岩关系、台阶高度及电铲采剥方向等情况，而这些因素又是损贫计算的重要影响因素。矿山生产及国内外的科研结果均表明：对于缓倾斜、倾斜矿体，台阶高度增大，矿石损贫随之增加。前苏联阿尔先耶夫指出：损贫同台阶高度呈正比关系，台阶高度增加1倍(10～20 m)，损失率贫化率增加40%～60%[3]。

因此，快速、准确的预测三维空间不同矿体赋存条件、不同台阶高度及不同掘进方向下的露天矿采矿损失贫化率，很大的实际意义。

1 三维模型虚拟采矿地质探针技术

利用三地曼软件建立爆区三维地质模型、采场现状DTM模型，可以真实、直观地刻画矿体的赋存特征、采场环境，使预测对象三维化。根据牙轮钻机现场作业情况，确定电铲铲装作业工作面与下一台阶坡顶所形成的夹角，可以此角度确定一个条带内的矿岩，计算条带内的矿体体积比例，并作为判断该条带内铲装类型的依据。同理计算预测范围内所有铲装单元的矿体比例，与台阶高度存放在前一阶段布设单元格的中心点属性内，确定合理的矿石比例(铲装截止条件)，按不小于此比例的铲装单元确定采出矿石，零为废石，其余皆为含矿废石并用不同颜色加以区分，进而加权统计出预测区域内的损失率、贫化率，即为初步预测结果。如各单元中心点全部位于该预测台阶的坡顶面上，就将预测台阶三维空间的矿石比例全部投影到坡顶面上，再通过二步人机交互圈定，即可较为准确的预测台阶的损失率、贫化率。

2 软件开发

采用vb语言与3Dmine矿业工程软件集成开发露天矿损贫预测软件。

2.1 预测区域微分

在选定的预测范围内，根据确定的电铲掘进方向，从起点开始按一定的间距布点，布点范围要覆盖预测区域；调用函数判断布点是否在预测范围内，如不在则将其删除。

2.2 地质探针初步预测

利用布设点发射射线，射线方位角与掘进方向一致，倾角为电铲工作时形成的台阶坡面角，该射线代表铲装单元的中心线，射线终止点的标高为该预测台阶的坡底标高；获取射线穿过台阶的长度和矿体长度，当穿过多条矿体时累加矿体长度，用射线穿过的矿体总长度除以台阶长度得到此点的含矿比例(体积比)(与地质钻探的原理类似)，在三维建模的基础上实现，称为“数字地质探针”，图1为该方法的剖面示意图。

图1 电铲铲装条带划分剖面示意

2.3 人机交互二步预测

初步预测没有考虑剔除夹石厚度，只是将预测区域各处的含矿比例按采剥条件反应到坡顶面上，打开每个点的属性值即可选择显示含矿比例，参考这些数值和用颜色区分的点，手动二次圈定采出矿体区域，确定哪些部位可直接采出，哪些位置是通过采矿手段剔除岩石，程序将这两大部分闭合线内的点重新统计，计算出更为符合生产实际的损失贫化率。

3 应用实例

司家营铁矿属“鞍山式”沉积变质铁矿床，主要开采Ⅰ#、Ⅲ#矿体，相互间呈平行带状排列，矿体走向近南北，倾向西，倾角40°～50°。矿体多呈层状或似层状，部分呈透镜状或扁豆状，层位稳定。由于构造和古地形的影响，厚度变化较大，形态变化较复杂，沿走向和倾向均有突然尖灭、分枝复合和膨缩现象。由于矿体的赋存条件和采矿作业参数影响，采场不同位置的贫化率差异较大，即使在同一位置，上下两个台阶的贫化率也会发生很大变化。利用经验估计等方法很难快速、准确的预测出损失贫化率。

3．1 建立预测对象的三维模型

考虑矿体的整体特征，结合已有的探采工程(探槽、炮孔、掌子面)揭露的矿体产状、厚度、夹岩变化情况及地质勘探资料，利用3DMine三维建模软件建立矿体实体模型。

3.1.1 现状DTM模型构建

将矿山地形现状CAD图上的点、线文件的横、纵坐标及高程值赋真实值，利用三地曼软件生成DTM表面功能，建立采场开采现状DTM模型，以真实、直观地反应采场内台阶等地形特征。

3.1.2 采场现状三维地质地形图

通过空间点坐标的唯一性，将模型和采场现状DTM模型重合在一起，实现采场开拓现状与矿体的对应(见图2)，用三维可视化展现了深部将要开采矿体的变化情况，比现有损贫预测方法更直观。

3.2 月度采矿计划损失率贫化率预测

输入预测区域的工作边帮角、预测台阶坡底标高、矿岩截止界限(含矿比例)等参数，如图3所示。

图2 采场三维地质地形

按程序提示选择预测区域范围线(闭合的多段线)，标明电铲掘进方向，在-102 m水平拟定从北向南开采，程序执行完后将在坡顶面上用数字将不同类型矿、岩标识出来：1表示满足设定矿岩界限条件可直接采出矿石位置，2表示含矿废石位置，3表示废石位置，见图4。从图4中可看出，初步预测贫化率为7.8%、损失率为12.7%。

图3 损失率贫化率预测软件参数输入界面

图4 采场某台阶损贫预测结果三维

图4左上方有两条矿石含量大于40%的区域，但电铲难以将该部分可采矿石挑选出来，故将该部分划定为含矿废石。此区域通过运行二次圈定预测功能，重新计算损失率为12.19%、贫化率为13.41%。从图4可看出，矿岩关系复杂，局部矿体较薄、交互分布，大型铲装设备难以将其剔除，故此预测区域损贫较大，需利用二次圈定预测功能更准确地预测损失贫化率。

3.3 矿山月度计划范围内预测

表1为2013年12月份各电铲计划范围内的损失贫化初步预测结果(在未采取分穿分爆等采矿措施情况下)。此外，如果计划区域处作业空间允许，还可进行不同掘进方向的预测，以确定最合理的、可行的掘进方向。

表1 2013年12月计划范围内各区域软件初步预测损失贫化率值 %

预测区域损失率贫化率爆区-大钩机12.707.80爆区-1#铲1.604.70爆区-3#铲9.109.70爆区-6#铲17.309.00爆区-6#铲223.0023.40爆区-6#铲37.7011.20爆区-2#铲1.704.00

3.4 结果可靠性验证与分析

经人工切割剖面计算比对，证明预测结果合理可靠。通常情况下，一个范围只选取1到2个剖面，先主观判断矿岩截止界限，然后手工量取矿体、岩石面积，将量取结果代入excel表格计算，求得该剖面的损失贫化率，即为该预测区的损失贫化率。手工计算剖面的代表性有很大的局限性和主观随机性，且计算过程繁琐。采用微分地质探测与虚拟采矿相结合的方法进行预测，通过二次圈定，实现人机互动，将复杂的三维空间简化为近似二维空间，使预测结果贴近生产实际，可操作性强，更便于管理。

4 结 论

(1)运用三维建模技术构建预测对象三维模型，真实、直观、定量化的刻画了矿体的产状、厚度及矿岩等空间分布特征，保证了预测的可靠性。

(2)通过分析实际铲装作业，采用微分的原理，按给定的划分参数，将预测对象划分为有限多个倾斜棱体，避免了其他预测方法人为选择断面的随机性问题。

(3)将三维建模与地质探针技术结合起来，开发损贫定量预测软件，实现不同铲装推进方向、不同台阶高度、不同矿岩截止条件等参数下的灵活、快速、定量预测，并在此基础上，通过人机交互二步预测，使预测结果更加贴近生产实际，提高预测结果的可靠性。

(4)首次实现了三维条件下的损失率贫化率定量预测，司家营露天矿试用结果表明，该预测方法快速、代表性强，为采矿生产损贫指标的管理提供了定量化依据。

[1] 王运敏.现代采矿手册[M].北京:冶金工业出版社，2011.

[2] 伍绍泽.计算机在确定露天矿山损失率与贫化率、可采厚度与剔除厚度中的应用[J].四川冶金.1989(1):12-19.

[3] 张士全.露天矿台阶高度与矿石损失、贫化关系的研究[J].矿业快报，2001(11):14-17.

2014-11-26)

陈彦亭(1981—)，男，科长，工程师，硕士，063700 河北省滦县。