基于三维软件的某露天矿山境界优化研究与应用*

白二涛，王金院，李 岩，梁吉佳，朱荣成

（青海鸿鑫矿业有限公司，青海 格尔木 816000）

牛苦头矿区采选工程（一期） 为生产矿山，开采对象为M1矿段浅部矿体，采用露天开采方式，矿山生产规模为75×104t/a，于2017年9月26日建成投产。该矿山为凹陷露天矿，原初步设计露天境界上口尺寸（长×宽） 为（760×440） m，最高台阶标高为3 648 m，封闭圈标高为3 600 m，坑底标高为3 480 m，台阶高度12 m（并段24 m），安全平台宽度3 m，清扫平台宽度（8～10）m，台阶坡面角65°～70°，靠近地表第四系为45°，最终边坡角45°～47°，运输道路宽度14 m（双线）8 m（单线）、道路坡度8%（永久坑线）、9%（临时坑线）。该矿山采剥作业采用外包模式，目前露天采场已开采至3 504 m平台，采场北、东、西三面3 528 m平台以上已基本剥离到位，现主要剥离工作在采场南部。经过多年开采，M1矿段上部已形成一个大规模开采的露天矿，鉴于前期开采使矿体上覆围岩相对变薄，M1矿段二期仍然具备继续露天开采的条件，结合矿山生产现状及围岩揭露情况，综合考虑现行经济条件下，利用三维软件建立矿床地质模型和经济模型[1-2]，对M1矿段一期境界外的挂帮矿体以及坑底3 480 m平台以下的深部矿体进行境界优化，最终确定最优的露天开采境界[6-7]。

1 矿床概况

该矿山M1矿段为矽卡岩型成因的铁多金属矿床，区内共探明46条矿体，以中部的1#及深部的5#矿体为主。矿体均倾向北东，倾角多在4°～22°之间，矿体形态一般为透镜状或似层状，少数为豆瓣状，内部有夹石，可见分枝复合现象，矿体厚度稳定程度为较稳定，全区厚度变化系数65%；1#矿体：由24～06勘探线上的50个钻探工程控制，矿体赋存于M1矿段中部的矽卡岩带内，矿体形态呈似层状、豆瓣状，西浅东深，在倾向及走向上均具分支复合、膨大收缩之特征。矿体长500 m，倾向北东，倾角4°～18°，平均延深238.89 m，平均厚度6.59 m，厚度变化系数84.18%；5#矿体：由20～15勘探线上的76个钻探工程控制，为M1磁异常区埋深最大、规模最大的一条矿体。矿体赋存于深部矽卡岩带中，形态受下伏二长花岗岩控制明显，为铜、铅、锌、硫复合型矿体。矿体形态呈似层状、透镜状、豆瓣状，西浅东深，在倾向及走向上均具分枝复合、膨大收缩之特征。矿体长925 m，倾向北东，倾角1°～22°，平均延深557.18 m，平均厚度13.01 m，厚度变化系数52.32%。

2 矿床开采条件

2.1 工程地质条件及矿岩力学参数

综合钻孔工程地质编录、岩石物理力学性质实验成果，依照岩组强度、岩体结构、岩体性质的不同将M1矿段内岩、土体的工程地质类型可划分如下几组-岩（矿）体：块状坚硬的花岗岩组、块状次坚硬的矽卡岩组、块状次坚硬的铁多金属矿石岩组、层状次坚硬-坚硬的碳酸盐岩组、块状坚硬的角岩组；土体：残坡积砂砾岩土、冲积洪积砂砾石土、风积砂质土。

2.1.1 岩（体）工程地质类型

1） 松散岩（土） 体岩组：M1矿段土体类型简单，主要为单层结构碎块石，土体结构松散－密实，颗粒级配不良。主要为冲洪积砂砾石（土）层、残坡积砂砾石（土）层和风积砂质土层，厚度多在（10～50） m。矿区地表广泛分布有土质松散的风积砂质土层（砂质成分占70%以上），厚（0.5～5） m；在风积砂质土层之下普遍存在残坡积砂砾石（土）层，主要由粒径大小悬殊、磨圆度及分选性差的松散碎石块组成（成分与山坡岩体一致）；冲洪积砂砾石层主要分布在牛苦头沟和半个呆沟，土体松散，砾石成分较复杂，粒径一般（2～10）cm，分选性及磨圆度较好；

2） 块状坚硬花岗岩组：M1矿段内花岗岩主要以隐伏形式存在，多在钻孔深部可见，岩体的具体规模不清，最大埋深超过300 m，一般（100～200）m；其岩石类型主要有印支期斜长花岗岩和二长花岗岩，多为中细粒花岗结构，块状构造。岩石坚硬，单轴抗压强度（43.7～129.4） MPa，平均80.94 MPa；天然抗拉强度（5.0～8.1） MPa，平均6.66 MPa；天然抗剪切强度（8.1～14.0） MPa；钻孔岩芯块度一般为块状-长柱状，其岩石质量指标（RQD） 一般在86.57%～95.8%，平均92.94%，岩石质量等级特好，岩石质量优，岩体完整性为岩体完整；

3） 块状次坚硬矽卡岩组：该岩组在M1矿段内发育较广泛，是铁多金属矿体的主要赋矿围岩。岩石类型主要有透辉石矽卡岩、石榴石透辉石矽卡岩、石榴石矽卡岩、绿帘石透辉石矽卡岩、透闪石矽卡岩、绿泥石矽卡岩等，多为中细-中粗粒粒状变晶结构，块状构造。岩石坚硬，单轴抗压强度（76.2～223.8） MPa，平均135.08 MPa；天然抗拉强度（4.6～11.0） MPa，平均7.23 MPa；天然抗剪切强度（6.8～16.5） MPa；岩芯块度一般呈块状至长柱状，岩石质量指标（RQD）平均94.80%，岩石质量等级特好，岩石质量优，岩体的完整性为岩体完整。岩组中局部与碳酸盐岩组接触的部位，特别是与破碎带接触的位置，由于结构面发育，为碎裂状结构类型，工程地质性质恶化，岩石稳定性差，容易产生矿床顶板冒落；

4）块状次坚硬铁多金属矿石岩组：M1矿段内已发现的主要矿石类型有磁铁矿矿石、磁黄铁矿矿石、黄铁矿矿石、方铅矿矿石、闪锌矿矿石、方铅矿闪锌矿矿石和黄铜矿矿石等，多为中细-中粗粒粒状结构，浸染状-团块状构造。该岩组主要賦存在矽卡岩组内，岩石坚硬，单轴抗压强度（88.2～100.9） MPa，平均94.55 MPa；天然抗拉强度（3.8～3.9） MPa，平均3.85 MPa；天然抗剪切强度（10.4～13.2） MPa；矿芯块度块状至长柱状均有出现，其岩石质指标（RQD） 平均96.93%，岩石质等级特好，岩石质优，岩体的完整性为岩体完整；

5）层状次坚硬-坚硬碳酸盐岩组：为M1矿段内发育的主要地质体，岩石类型有大理岩、白云质大理岩、含碳质大理岩、灰岩、结晶灰岩等，常见中细粒变晶结构，中厚层状构造。岩石相对较坚硬，单轴抗压强度（31.3～114.5） MPa，平均63.14 MPa；天然抗拉强度（2.2～7） MPa，平均4.1 MPa；天然抗剪切强度（5.1～12.9） MPa；钻孔岩芯块度一般为短株状-长柱状，其岩石质指标（RQD） —般在85.63%～79%，平均89.45%，岩石质等级一般，岩石质良，岩体的完整性为岩体较完整。钻探工程施工时在该岩组中局部见有碎裂状发育，在矿区深部见有少具碎裂岩化的大理岩、灰岩等。为碎裂、散体结构类型，主要由岩粉、角砾岩、碎裂岩、碎裂岩化的大理岩、灰岩等组成，一般为软质的，岩石质量极劣，岩体破碎，开采时与矿床接触部位的井巷围岩容易产生顶扳冒落；

6） 块状较硬角岩组：M1矿段内角岩多在钻孔深部可见，岩体的規模较大，分布较稳定，最大埋深超过200 m，—般约（70～150） m；其岩石类型主要为隐晶质结构，块状构造。岩石坚硬，单轴抗压强度 （74.7～132.6） MPa，平均 100.67 MPa；天然抗拉强度 （3～11.3） MPa，平均 6.60 MPa；天然抗剪切强度（5.4～15.8） MPa；钻孔岩芯块度一般为块状-长柱状，其岩石质指标（RQD） -般在84.62%～92.29%，平均88.46%，岩石质等级好-特好，岩石质优，岩体完整性为岩体较完整。

2.1.2 边坡分析

该露天矿山开采矿种为铅锌矿、硫铜矿、硫铁矿，矿区位于祁漫塔格山北坡。工程地质条件，露天坑的北部组成该区边坡的岩层自上至下依次是第四系砂土层、大理岩、矽卡岩（矿体），露天坑的东侧组成该区边坡的岩层主要是大理岩，露天坑的南部组成该区边坡的岩层主要是大理岩，在上部山谷处分布有十米左右的第四系砂土层，露天坑的西部组成该区边坡的岩层自上至下为第四系砂土层、大理岩层、矽卡岩层（矿体） 和花岗岩层，露天坑的西北部，组成该区边坡的岩层自上至下为第四系砂土层、大理岩层、矽卡岩层（矿体）和花岗岩层。总体来讲该露天坑北部、西部区域内的岩体完整性较差，节理、裂隙比较发育，对边坡的稳定影响较大，东部和南部节理、裂隙不发育，岩体完整性一般，对边坡的稳定性影响较小。含矿岩体主是矽卡岩，硬度相对较硬。

2.2 水文地质条件

矿区水文条件受气象、地质、地形地貌等因素的影响，发育有几条大小规模相近季节性山岳河流，自西向东有：四角羊沟、牛苦头沟、夏努沟，汇水面积约120 km2。矿区在区域上属于中低山区，矿区降雨很小对地下水的补给意义不大，依据露天坑现出水位置，矿区地下水主要以北部和南部裂隙岩溶水及第四系松散岩类孔隙潜水的补给为主。矿区碳酸盐岩作为矿体顶板，与矿体直接接触，为矿体主要的直接充水含水层。该矿区最低侵蚀基准面标高3 591 m，而主矿体出露标高多在相对侵蚀基准面以下，地形条件不利于自然排水。依据2020年矿区实际排水情况预测矿坑涌水，雨季正常矿坑涌水8 480 m3/d，最大正常矿坑涌水11 190 m3/d。旱季正常矿坑涌水6 630 m3/d，最大正常矿坑涌水8 750 m3/d。

矿区主要矿体位于当地侵蚀基准面以下，附近地表水不构成矿床的主要充水因素，主要充水含水层、构造破碎带富水性中等，地下水补给条件差，水文地质边界较复杂，因此划分为水文地质条件中等的矿床。

2.3 环境地质条件

矿区地处地质构造现代活动的基本稳定区，相应的地震基本烈度为Ⅶ度，地表及地下建筑工程抗震烈度应按7°或高于7°设防。矿区位于柴达木盆地南缘中海拔低山丘陵区，区内自然环境恶劣，植被不发育，无工、农业，人迹罕至，矿区附近无污染源，地表、地下水水质良好，矿区地质环境质量良好。

3 露天开采境界的确定

3.1 圈定露天开采境界遵循的原则

根据牛苦头M1矿段矿体的埋藏条件、矿石品位、产状和分布及地表地形条件，确定露天开采境界的圈定原则如下：①境界剥采比及平均剥采比不大于经济合理剥采比；②露天开采总成本不大于地下开采总成本；③保证露天开采境界内采出的矿石要有盈利；④充分利用矿产资源，充分发挥露天矿山资源利用率高的优势，尽可能将更多的矿石圈定在露天开采境界内；⑤露天采场最终边坡角应等于或小于露天边坡稳定所允许的角度，以确保露天采场的安全生产。

3.2 圈定露天境界的方法及其主要约束条件

3.2.1 圈定露天境界的方法

建立矿床地质模型和经济模型，采用计算机自动优化最优境界。

3.2.2 地质模型

根据批准的地质勘查报告和资源储量核查报告资料，采用3Dmine矿山软件建立M1矿体三维模型。块体模型：块体单位尺寸为长×宽×高为（5×5×2）m，靠近矿体边缘依据软件采用次级开采单元逼近，最小开采单元为（1.25×1.25×1.25） m。

3.2.3 经济模型

在境界优化过程中，输入经济参数，建立经济模型。输入的主要参数有：按铅精矿、锌精矿、铁、铜、银、硫10年平均销售价格（含税价）、采矿贫化率、硫铁铜选矿指标、铅锌矿选矿指标、采矿成本、选矿成本（含期间费用）等，具体参数见表1、表2。

表1 M1矿段露天境界优化参数表Tab.1 Parameters of open pit boundary of M1 ore block

表2 经济技术参数表Tab.2 Table of economic and technical parameters

3.2.4 经济合理剥采比的确定

根据开采技术条件，总结多年生产经验及开采成本，结合矿体赋存条件，经济合理剥采比计算见表2，经济合理剥采比计算结果为7.3 m3/t（19.77 t/t）。此次设计采用Whittle矿业软件进行境界优化，经济合理剥采比仅用于对优化结果的复核。

3.3 主要约束条件

本次设计开采境界的地表约束条件为“露天采场2021年3月现状地形”。

3.4 开采境界

3.4.1 采场边坡参数

根据北京矿冶研究总院关于“牛苦头矿区M1磁异常区铁多金属矿采矿工程岩石力学研究报告”并综合矿山生产实际，确定的最终采场边坡参数如下：台阶高度：12 m（最终并段为24 m）；台阶坡面角：65°、软岩55°；并段部分台阶：安全平台宽度、清扫平台宽度8 m；运输道路宽度：单线8 m、双线14 m；运输线路最大坡度：8%；运输线路最小弯道半径：15 m，最终边坡角45°～47°。

3.4.2 境界优化结果

根据上述的矿床模型、经济模型和初步预测的金属或精矿售价，利用Whittle软件，由计算机自动进行露天境界优化，净现值选取8%，得出不同的方案，优化结果样见表3，图1。

图1 M1矿段露天优化境界坑分析图Fig.1 Analysis diagram of optimized boundary of open pit in M1 ore block

表3 盈利法计算经济合理剥采比（Nj=（Al-Ad）/b t/t）Tab.3 Economically reasonable stripping ratio calculated by profit method

表3 M1矿段露天境界优化结果表Tab.3 Optimization results of open pit boundary of M1 ore block

3.4.3 境界优化方案选取

根据表3和图1，NPV最大的境界方案为Pit9，但参考境界剥采比小于经济合理剥采比[3-5]（19.77 t/t）的境界确定原则最优境界为Pit6，从两个境界采出矿石量分析，不管采用哪个境界方案，境界方案外的所剩资源已不足10%，从剩余资源赋存条件来看，不足以独立形成地采开采系统，为充分利用资源设计选取NPV最大的的境界方案为Pit9，为使方案最优，按方案Pit9圈定境界后，再进行人工优化，最终确定最优的露天开采境界。

3.4.4 终了境界

根据优化的露天方案和确定的露天采场边坡参数，设计将台阶坡面角、平台宽度、坑内开拓运输系统、最小工作平台宽度等采场基本要素布置进去，设计最终确定的露天终了境界三维视图如下图2、图3所示，终了境界主要指标见表4。设计最终确定的露天境界最大长度960 m，最大宽度760 m，最高台阶标高3 660 m，封闭圈标高3 624 m，采场坑底标高3 432 m，坑底最大长度510 m，最大宽度150 m。

图2 设计露天终了境界Fig.2 The designed end boundary of open pit

图3 设计露天终了境界与矿体复合图Fig.3 The combination chart of designed end boundary of open pit and ore body

表4 露天开采境界主要指标Tab.4 The major indicators of open pit boundary

4 结语

1）该生产矿山利用三维软件建立矿床地质模型和经济模型，依据露天开采境界的圈定原则，对M1矿段一期境界外的挂帮矿体以及坑底3 480 m平台以下的深部矿体进行境界优化，得到了该矿山露天开采的优化参考境界；

2）经分析优化后的矿岩境界剥采比和平均剥采比均在经济合理剥采比7.3 m3/t、19.77 t/t范围内，适宜采用露天开采；

3）根据优化的露天方案和确定的露天采场边坡参数，设计将台阶坡面角、平台宽度、坑内开拓运输系统、最小工作平台宽度等采场基本要素布置进去，设计最终确定了天终了境界，本次境界优化达到了预期的目的。