基于3DMine的露天采矿设计

高艳磊

(中铁工程设计咨询集团有限公司冶金院，北京 100055)

基于3DMine的露天采矿设计

高艳磊

(中铁工程设计咨询集团有限公司冶金院，北京 100055)

采矿设计是矿山建设和运营的一个关键环节。采矿设计需要综合考虑矿山资源状况、开采技术条件、矿产品销售价格、矿石开采及处理成本等多种因素，以实现经济效益最大化。目前三维矿床模型和采矿三维设计方法的完美结合使采矿设计更为简化，并可获得良好的动态效果。以利比里亚某铁矿为例，利用3Dmine三维矿业软件，建立了地表地形、矿体实体和块体模型。在此基础上进行了露天开采境界优化、开拓运输系统布置、采剥进度计划编制等采矿设计。结果直观反映了采矿设计方案及数据变化关系。同时讨论了不同矿石价格及不同台阶对露天境界的影响，分析了不同条件下剥采比的变化情况。在实际生产中，可根据不同情况适时调整露天开采境界，以实现最优的矿山经济效益。

露天开采 3DMine 采矿设计 境界优化

经过40多a的发展，今天的三维矿业软件已经形成了相当的规模。以矿床模型为代表的矿业软件迅速发展，相继推出用于地质资料处理、矿床建模、采矿设计、计划编制、测绘图形处理等方面的矿用商业化软件，如Datemine、Surpac、Micromine、3DMine、MineMap等，并取得了很好的经济效益[1-2]。

随着数字矿山技术的成熟应用，利用矿山三维模型优化设计在矿山开采设计中占有越来越重要的地位。3DMine矿业软件提供了全面的露天矿解决方案[3]，可以实现三维露天境界优化、开拓运输系统布置、采剥进度计划编制等采矿设计要求。

本研究以利比里亚某铁矿为例，利用3DMine软件，建立了矿区地表地形、矿体实体和块体模型。在此基础上进行了露天开采境界优化、开拓运输系统布置、采剥进度计划编制等采矿设计，为矿山开采提供了技术方案和决策依据。

1 矿区概况

矿山位于利比里亚中部，矿区及其周边属低山丘陵地貌，山岭之间有小型盆地沼泽及河流湿地。区内地形总体中东部高，四周低，最高处位于勘查区西部，绝对海拔标高为312 m，最低点也位于勘查区西部，海拔高度80 m，相对高差为232 m。

勘查区已发现并做了工程控制的矿体主要有3个，分别为Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3 矿体。Ⅰ-1矿体为隐伏矿体，走向近东西向，倾角5°～38°，沿走向长度3 600 m，南北翼间宽度130～370 m，矿体平均厚度26.28 m。Ⅰ-2矿体位于Ⅰ矿体之上，该矿体形态为向斜，地表露头部分呈对称的带状断续延伸，出露最长处约110 m，最宽处约70 m，沿走向长度3 600 m，南北翼间宽度220～700 m，矿体平均厚度15.57 m。Ⅰ-3矿体为隐伏矿体，向斜形态，走向东西向800 m，核部倾角近水平，翼部60°。

根据矿体赋存条件、地形特征和开采技术条件，采用露天开采。

2 三维建模

2.1 地表地形模型

地表地形模型是进行露天开采境界优化的约束条件之一[4]，同时地表地形模型能够对矿区地形进行较为准确的三维显示，对上山道路和开拓运输系统的布置起到关键性的作用。

本模型建模过程中将矿山提供的1∶5 000 mapgis格式地形图导入3DMine文件，对部分高程错误进行修正后，形成三维表面模型。地表地形模型如图1所示。

图1 矿区三维地表模型

2.2 矿体实体模型

根据实体模型是一个三维的三角网数据，是用来描述三维空间物体的，是三维模型的基础[3]。三维矿体模型的建立是整个实体模型建立过程中最重要的部分，建立矿体模型能准确掌握矿体的几何空间形态。

将矿区矿体剖面图导入3DMine。在3DMine的三维环境中进行地质剖面解译。勘探线方向的各矿体剖面直接连接，垂直于矿体方向的矿体剖面进行解译和外推。最终得到三维空间的矿体界线。如图2所示。

2.3 矿体块体模型

图2 矿体三维模型

块体模型是在实体模型的基础上创建的。块体模型是一个内容全面的数据库，包含块体体重、品位等信息，同时对块体进行合理细分，更贴近矿体的实际形态[3]。块体模型是进行露天开采境界优化的基础。

根据矿体赋存特点，在3DMine确定块体模型大小为20 m×20 m×5 m。对各块体赋于矿体类型、体重、TFe和MFe品位等属性。然后根据矿山地质钻孔统计数据，采用距离幂次反比法进行品位赋值。得到最终的块体模型。块体模型如图3所示。

图3 块体三维模型

3 露天开采境界优化

露天开采境界优化采用Lerchs-Grossman图论法进行圈定。3DMine软件对该法进行了实现，采用最大流最小割原理，求图的最大闭包，进行境界优化。该方法数学严谨，经过了严格的数学推导。其本质与Lerchs-Grossman图论法一致[4]。

3.1 境界圈定技术经济参数

根据当前铁矿石市场行情，结合当地类似矿山实际开采生产指标[5]，并考虑该矿区的矿岩结构特点，确定境界优化采用的技术经济参数见表1、表2。

表1 技术经济参数

表2 最终边坡参数

3.2 一次优化境界

根据选定的技术经济参数和最终边坡参数，并添加地形三维模型约束，采用3DMine软件的L-G法进行境界优化，生成的一次优化境界包含2个露天坑，分别为西一坑和西二坑。如图4所示。

图4 一次优化境界

在优化境界相关参数的基础上，按矿石价格变化-40%，-30%，-20%，-10%，10%，20%，30%，40%的情况下输出嵌套坑，不同矿石价格境界优化结果见表3。在优化境界相关参数的基础上，按回采台阶数分别递增1、2、3、4、5个的情况下输出嵌套坑，不同回采台阶下境界优化结果见表4。

表3 不同价格下境界优化结果

3.3 境界优化结果分析

通过上述境界优化结果，分析不同的矿石价格和不同的回采台阶下的剥采比变化情况，如图5、图6所示。

从图5可以看出，剥采比随着矿石价格的增长而缓慢增大，在基准价格(82.18美元/t)前增速较快，价格大于基准价格后增速放缓。

表4 不同台阶境界优化结果

图5 不同矿石价格剥采比变化

图6 不同台阶水平剥采比变化

从图6可以看出，剥采比从-85 m到-25 m台阶时变化非常小，从-25 m到-10 m台阶急剧减少，从-10 m开始又呈现出剥采比由快到慢的减少趋势。

在实际生产中，矿山可根据当时的铁矿石市场价格、实际的选冶回收率、成本等因素，及时调整露天开采境界，以达到最优的矿山经济效益指标。不同条件下的最优境界，能够为矿山的开采设计提供多种技术方案和决策依据。

4 开拓运输系统布置

根据矿区总图布置的要求，选厂位于整个矿区的东部，距离露天采场约5 km，因此，开拓运输系统采用汽车+半移动式破碎站+胶带方式。矿石粗碎站位于2个露天采坑的南侧中间位置。排土场位于2个露天采坑的北侧。

因此矿石运输道路出入沟口布置在2个露天采坑的南侧，岩石运输道路出入沟口布置在2个露天采坑的北侧。开拓运输道路参数如表5所示。

表5 开拓运输道路参数

参考一次优化境界，并考虑开拓运输系统、最小底宽(25 m)、及安全清扫平台宽度要求后，进行人机对话，最终圈定露天开采境界。最终境界如图7所示。

图7 最终露天开采境界

5 采剥进度计划编制

采掘进度计划编制是露天矿设计中一项十分重要的工作。采掘进度计划是指导露天矿正常生产和获得尽可能高的经济效益的关键[6]。目的是进一步验证和落实矿石生产能力，并确定均衡的生产剥采比和矿岩生产能力[7]。

3DMine提供了采剥进度计划编制模型，可以直接在模型上直接进行剥离与采矿预演，并自动生成图形与数值结果。同时根据采掘位置和排土场可实现双向互动，灵活调整总量和台阶数量。

矿山所采用的采剥进度计划模型如图8所示。

图8 采剥进度计划模型

6 结 论

(1)以利比里亚某铁矿为例，采用3DMine软件进行了露天境界优化、开拓运输系统布置和采剥进度计划编制等工作。比常规的手工做法操作简单、快捷、精度高，能够非常好地满足矿山设计和生产管理的要求。

(2)在不同的矿石价格和不同台阶标高条件上，对该露天境界进行了优化，并分析了变化趋势，为矿山的开采设计提供了多种技术方案和决策依据。

(3)经过多个项目的实践运用，3DMine软件在露天开采设计中能够发挥重要作用。但与SURPAC等国际流行的矿业软件相比，软件在矿石采出坑口后成本费用的考虑不足，尤其是在选矿、冶炼费用及其他必要费用的参数选取及对露天开采境界的影响不能直观反映出来。因此，3DMine软件功能仍需进一步加强和完善。

[1] 叶海旺，王 荣，韩亚民，等.基于3DMine的鄂西高磷赤铁矿凉水井矿区三维建模[J].金属矿山，2011(1):89-97. Ye Haiwang，Wang Rong，Han Yamin，et al.3Dmine-based three dimensional modeling of high phosphorous hematite mine of Liangshuijing orefield in West Hubei[J].Metal Mine,2011(1):89-97.

[2] 李肖锋，邓华梅，袁海平.数字化矿山三维空间模型的建立与研究[J].矿业快报，2008(12):31-33. Li Xiaofeng，Deng Huamei，Yuan Haiping.Establishment and research on three-dimensional spatial model of digitized Mine[J].Express Information of Mining Industry,2008(12):31-33.

[3] 北京三地曼矿业软件科技有限公司.3DMine软件基础教程[M].北京：北京三地曼矿业软件科技有限公司，2012. 3DMine Company Limited Beijing.Basic Tutorial of 3DMine[M].Beijing:3DMine Company Limited Beijing,2012.

[4] 北京三地曼矿业软件科技有限公司.3DMine矿业工程软件帮助文档[M].北京：北京三地曼矿业软件科技有限公司,2014. 3DMine Company Limited Beijing.Suporting Documents of 3DMine[M].Beijing:3DMine Company Limited Beijing,2014.

[5] 卢晋敏.大黑山钼矿露天境界及分期开采方案[D].北京：北京科技大学，2007. Lu Jinmin.Pit Optimization and Staged Mining of Daheishan Molybdenum Mine[D].Beijing:University of Science and Technology Beijing,2007.

[6] 王 青，史维祥.采矿学[M].北京：冶金工业出版社，2001. Wang Qing，Shi Weixiang.Mining[M].Beijing:Metallurgy Industry Press,2001.

[7] 宋文龙，梁乃跃.应用3DMine软件进行露天矿采掘进度计划编制[J].中国矿业，2012(8):374-377. Song Wenlong，Liang Naiyue.Open-pit mining schedule planning by 3DMine software[J].China Mining Magazine，2012(8):374-377.

(责任编辑 徐志宏)

Design of 3DMine Software in Open Pit Mining

Gao Yanlei

(MetallurgyDesignandResearchinstitute，ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.，Ltd，Beijing100055，China)

Mining design is a key link of mine construction and operation.In order to maximize economic benefits，resource condition，mining technical condition，mineral products price，ore mining and processing costs etc.should be considered in mining design.At present，the combination of 3D deposit model and mining design makes the mining design more simplified，and good dynamic effect is obtained.Taken a Liberian iron mine as an example，terrain model，solid model and block model of ore bodies are built by using 3DMine software.On this basis，mining designs including the open pit boundary optimization，development and haulage system and the stripping schedule are made，which directly reflect the mining plan and the data changes.Effect of different prices and steps on boundary optimization is discussed to analyze the variation under different stripping rate.In practical production，open-pit boundary can be adjusted according to the different situation to realize the best economic benefits.

Open pit mining，3DMine，Mining design，Boundary optimization

2015-01-29

高艳磊(1983—)，男，工程师。

TD854

A

1001-1250(2015)-04-255-04