矿业软件在露天境界优化中的运用.doc

矿业软件在露天境界优化中的运用谭 锐 摘要：文章就矿业软件在露天境界优化中的工作程序进行了概略介绍。特别对露天境界优化中矿床价值模型及几何边界条件的建立进行了深入详细的探讨。对露天境界优化工作步骤和境界优化的本质提出自己的理解和认识。关键词：矿业软件 矿床价值模型 境界优化 1 露天境界优化在露天采矿作业中，剥离掉上部覆盖岩石采出下伏有价值的矿石后形成的三维几何空间即为露天境界。最终露天境界形态由技术和经济条件约束。首先，露天开采要在安全的前提下进行，因此，采场的边坡必须稳定，即露天边坡根据围岩工程地质条件受到一个保证边坡稳定的安全角度（最终帮坡角）的制约。其次，决定露天境界形态的另一重要因素是经济效益。剥离上部覆盖岩石、采出矿石、矿石加工成产品等要带来资金的消耗（成本C），产品销售后获得收入（P），只有PC0的情况下，才有开采的价值。从理论上看，存在一个使矿山企业效益（PC）最大化的最终开采境界。境界优化的实质即求解（圈定）一个经济上最优的最终开采境界。传统确定露天开采境界的方法，是根据矿床地质条件、选矿试验指标、采矿初步选定的技术参数、经济指标计算出经济合理剥采比，在剖面图上绘制并计算不同开采深度的境界剥采比，并用境界剥采比等于经济合理剥采比的原则，确定各剖面的开采深度，经调整后再根据选定的参数进行露天境界的平面圈定。这种传统圈定露天开采境界的方法实质上是一种试错法。存在的主要问题：1、圈定境界过程中需反复试圈，工作量大。特别是在矿体形态复杂、多组分矿石、品位变化大时，虽然在理论上可以精确定位，但实际上由于工作量太大，基本上不能实现精确圈定，一般情况经济合理剥采比计算中是按平均品位计算的，确定境界位置时难以充分考虑该位置矿石价值的真实情况，因而很容易多圈或漏圈。2、由于境界圈定是在二维空间进行操作，精度较差，如两剖面间地形起伏变化或所切到的剖面在地形低凹或凸起时，会产生较大误差；在端部用面积比代替体积比误差很大，特别时在对短轴状的矿体的两端部的剥离量占很大比重，且露天端帮在很大一个范围内很难精确定位。因此传统手工圈定境界基本难以实现境界最优化的目标。关于露天最佳境界圈定的技术研究在国际上始于上世纪60年代，经过多年努力发展出许多最终境界优化设计理论和方法。如浮动圆锥法、三维图论法、三维动态规划法、网络最大流法等等。上世纪80年代，随着计算机技术的发展，国际上矿业发达国家相继开发出一系列用于矿业开发的软件系统，其中较有代表性的矿业软件有Surpac Vision（澳大利亚）、Datamine（英国）、MicroMine （澳大利亚）、MineSight（美国）等。大多数矿业软件均含有基于先进的露天境界最优化设计理论、方法的功能模块（使用最为广泛的优化方法是图论法和圆锥法）。随着这些软件的开发和应用，露天矿最佳境界的圈定成为了可能。在矿业发达国家，利用矿业软件进行露天境界优化和设计成为普遍技术手段。我国于上世纪90年代逐步引进了一些国际上较为成熟的矿业软件，国内一些科研机构也开发了一些具有自主知识产权的矿业软件系统。到目前为止，国内主要矿业企业基本都配备了矿业软件，但其运用基本处于探索、模仿阶段。国内利用矿业软件进行露天最终境界优化设计的成功应用亦甚少。2 基于矿业软件的露天境界优化工作程序各种矿业软件进行露天境界优化的工作程序基本相同。以Surpac Vision软件为例，露天境界优化的工作程序如下：1）、建立矿床数学模型包括地表模型（dtm）、矿体实体模型（3dm）、岩体（或地层）模型（3dm或dtm）、矿床块体模型（包含矿体、围岩的各种属性参数）。2）、建立矿床价值模型根据计算或选取的经济技术参数分别对矿岩块体进行成本和收益计算求取块体净值，形成境界优化直接运算的对象矿床价值模型。3）、确定露天境界优化的边界约束条件包括最终帮坡角、地表限制模型、底部限制模型或标高及其它限制边界条件。4）、境界优化选择优化方法浮动圆锥法或 LG 图论法，确定优化参数后进行境界优化自动运算，形成优化境界。以上境界优化四步骤中，矿床数学模型是境界优化设计的基础，主要属于地质工作的范畴。除此之外，矿床价值模型的建立和边界约束条件的确定是境界优化的关键环节，应予以特别重视。3 矿床价值模型的建立3.1矿床数学模型矿床数学模型是露天境界优化和设计的最重要的基础。其可靠性和精度是露天境界优化设计的关键。矿体、围岩等地质体是露天设计的研究和工作对象，其可靠性和精度存在问题，也就无从谈论境界优化和设计。矿床模型的可靠性和精度一方面取决于地质工作程度，另一方面取决于建模地质工程师的水平和技术。为满足境界优化运算的要求，建模过程中需要注意模型空间范围的确定。建模之前，需要根据矿体产出情况初步推测最终的开采范围（标高和平面范围），模型范围要适当扩大。块体模型或价值模型上部标高要超出地表。3.2块体价值模型及技术经济参数的确定块体价值模型是在矿床模型的块体模型基础上通过计算形成的。价值模型包含了将要开采的矿体以及废石，同时就矿石和废石赋予了经济价值属性，这个属性表示假设将其采出并处理后能够带来的经济净价值。块的净价值是根据块中所含可利用矿物的含量，开采与处理中各道工序的成本及产品价格计算的。为满足境界优化需要，价值模型块体中应包括矿岩分类编码、有用组分品位、矿岩体重、块体净值等必要属性；如需要分别计算不同情况的块体净值，尚须包括区分不同块体性质的属性（矿石工业类型、岩石类型等）（图1）。图1 矿床块体价值模型中的必要属性3.2.1块体净值计算每个块体的净价值是它被开采出来并加工处理后产生的净现金流量。净值（V）销售收入（P）成本（C）P块体有价组分加工成产品销售所得。对于废石和空气（浮于地表之上的块体），销售收入为0。C块体的开采费用、加工费用、销售费用、管理费用、财务费用等。开采费用不包括开采它上方覆盖块体的费用。矿石和废石的块体具有相关的开采费用，空气块体无成本，净值为0。块体净价值的反映的是单位质量或单位体积的净现金流量值（元/t或元/m3）。3.2.2技术经济参数计算块体收入需要的参数和指标主要有产品价格及计算产品产量所需的技术指标，如地质品位、采矿回收率、选矿回收率等。矿山产品如果为精矿时，生产成本一般由开采成本、选矿成本两大部分构成。成本根据劳动力价格、原材料价格、能源价格、土地价格等经济参数结合劳动生产率、原材料消耗、能源消耗等技术指标进行计算。另外，成本尚须考虑管理、财务、销售等费用。计算块体净值的一般参数及构成见表1。表1 块体净值计算的一般参数及构成序号参数及指标单位1技术指标或g/t1.1地质品位1.2采矿回收率1.3选矿回收率2成本2.1开采成本2.1.1穿孔爆破元/t矿岩2.1.2装载运输元/t矿岩2.1.3排土元/t岩石2.1.4排水元/t矿石2.1.5与开采有关的其它费用元/t矿石2.2选矿2.2.1碎磨元/t矿石2.2.2选别元/t矿石2.2.3精矿运输元/t精矿2.2.4尾矿处理元/t尾矿2.2.5与选矿有关的其它费用元/t矿石2.3管理费用元/t矿石2.4财务费用元/t矿石2.5销售费用元/t矿石3销售价格元/t精矿块体价值计算公式很简单，但由于工程实际的复杂性、经济参数的动态变化等因素，块体净值计算中各种参数的选取和计算还是具有一定的难度。块体价值模型是境界优化的直接作用和运算对象，价值模型的准确性和精度达不到要求，优化结果也难以达到目标。下面结合一些工程的实际运用，就块体价值计算中一些主要技术经济参数确定中应该注意的问题进行一个简单归纳分析。3.2.3技术经济参数确定中应注意的问题从块体净值计算技术参数大致可以分为两类：与市场价格有关的参数和与工艺技术有关的参数。1、与市场价格有关的参数这一类参数主要有产品价格、劳动力价格、原材料价格、能源价格等。在技术条件确定的情况下，这些价格决定了块体价值，实际上也决定了开采境界。价格是随市场、随时间变化而变化的，不同的市场价格对应有不同的最佳境界，终了境界是价格的函数。由于价格难以准确预测和把握，从这个意义上说，优化一个具有十几年、甚至几十年开采寿命的终了境界基本上是不可能的。针对这个问题，分期境界和分期开采应该是最好的解决方案，将终了境界划分成几个小的中间境界，一方面可以减少初期投资，另一方面可以有效避免最终境界的经济不确定性所带来的投资风险。但仍有不少矿山基于矿床埋藏条件、生产规模要求等原因，不具备分期开采条件，针对这种情况，一般需要针对不同价格情况优化多个终了境界，分析价格参数变化对终了境界的影响，结合矿床自身特点，从企业整体情况进行分析，择优确定终了境界。下面是某露天矿境界优化的一个实例。该矿床为一低品位矿床，同时需要尽快开采完毕以解除对深部矿体的压制，要求规模尽可能大、服务年限尽可能短，因此不具备分期开采条件。通过市场分析和预测分别选取480元/t、500元/t、530元/t、580元/t、630元/t的产品售价进行了5个境界的优化（图2）。图2 不同精矿价格圈定的露天境剖面及净值480、500、530境界底部基本重合，扩大境界主要是通过平面范围的扩大来实现境界矿量的增加，530、580、630境界边帮基本重合，境界主要是通过采深的增加来实现境界矿量的扩大。通过对矿体赋存情况分析，露天底部主要为两个低品位矿体，当精矿售价较低时，开采两矿体亏损，当精矿价格大于530元/t时，开采以上两矿体仍有效益。530露天边帮所压部分矿体，境界向外扩展时埋深越来越大，虽然精矿价格提高到630元/t，仍然难以更多地圈入境界。通过计算530境界底部残余低品位矿石量1000余万t。由于开采这部分矿量无需扩大境界周边范围，而只是向深部延深，如产品市场价格提升有开采价值时，容易实现回收。考虑回收530境界底部低品位矿石后，可采地质储量与580、630境界相当。因此，最终选择530境界为设计终了境界。通过分期境界或多价格境界方案分析的方法处理价格因素不确定性对露天境界优化带来的问题是有效的。价格参数的选取需要根据市场、结合地区情况、矿山实际进行认真分析确定。在有条件的情况下，应尽可能进行各种组合价格境界优化，分析终了境界对价格因素的敏感性，结合矿山实际、企业总体要求确定最终境界。2、与工艺技术有关的参数确定在不考虑价格因素的情况下，有一些重要的工艺技术指标决定着采矿成本和销售收入，如材料消耗、能源消耗、劳动生产率等指标直接决定开采成本，采矿回收率、选矿回收率等指标决定着销售收入。采矿直接成本由穿孔、爆破、装载、运输、排土等作业工段成本构成。对同一座矿山，采剥工艺、设备配置、管理水平、工人素质等差异，其作业成本亦有很大的差异，但对价值模型的块体价值计算，这些因素对所有的块体的影响都是同等的。影响成本的另外一些因素，如矿岩性质、运输距离等，对不同块体其影响权重是不一样的。岩石凿岩性能好，穿孔成本就要低一些，反之则高；对表土和风化层，一般不需要凿岩爆破，没有凿岩爆破成本，对硬岩就需要爆破成本，且矿岩爆破性能好，爆破成本就低，反之则高；对不同空间位置的矿岩，其运输距离也是不同的，运输成本也就不一样，等等。就块体净值计算来看，我们更关心的是对块体成本有不同权重影响的因素。当然，要确定这些影响因素的具体权重，需要作大量详细的工作，对境界优化来说，这些工作是很有必要的，如果不考虑这种差异，将会对最终结果造成歪曲。涉及爆破性能等这一类属矿岩内秉性质的参数是容易处理的，只要在块体模型中增加矿岩性质的属性类别，块体净值计算时根据不同类别分别计算即可。涉及如矿岩运距一类的参数（矿岩运输、排水等）的确定就较为复杂了。以矿岩运输来说，首先，运输的目的地需要明确，即选厂（或破碎站）和排土场的厂址（场址）要确定，排土场的库容和排土工艺也要确定。其次，矿岩开拓运输方式要确定（公路开拓、铁路开拓、联合开拓）。有了这些边界条件，就可以根据不同情况分别计算不同块体的运输成本了。下面是某露天矿境界优化中废石运输成本计算的一个实例（图3）。 图3 某露天矿采场、废石场布置图该露天矿为一山坡露天，根据周边地形条件设置4个废石场，采用公路开拓运输。设计根据各废石场位置、标高、库容、排废工艺等情况编制了废石排放计划（表2）。根据该计划，计算了采场各标高范围废石运输距离和运输单价。从表2可以看出，不同标高的废石运输成本差别是很大的，如果用平均运距来计算块体运输成本其误差很大，境界价值模型会严重失真，从而造成境界优化失误。表2 某露天矿排废计划及运费计算采场产出标高（m）废石量 （实方 m3）1#废石场2#废石场3#废石场4#废石场运距（km）单位运费（元/m3）排放量 （实方 m3）排放量 （实方 m3）排放量 （实方 m3）排放量 （实方 m3）11509105528112 3686268 1841844 0.91 1.00 910860869091086909102.10 2.31 8608207898767 78987673.02 3.32 820780786459511078276756768 3.71 4.08 7807507070487 7318663838621 25000003.55 3.91 75073010949599 2.82 3.10 这里有一个问题需要注意：露天开拓方式及运输线路、排土场库容及排土计划等工作都需要终了境界及露天采出矿岩情况等技术条件，就与前面的说法产生了“互为因果”的矛盾，“先有鸡，还是先有蛋？”。实际工作中，矿山规划、设计是划分为不同的阶段的：预可研、可研、初步设计、施工图设计等，设计工作是由浅入深地展开的。在前期工作阶段（预可研、可研等阶段），我们可以结合实际采用一些大指标、经验指标、平均指标相对粗略地进行境界优化和圈定，它的结果可以有分析的作为下一阶段设计的输入条件。在缺失前期工作的情况下，境界优化设计的工作程序亦应该先选用一些宏观经验参数进行境界初步圈定，通过初步圈定结果进行开拓运输、废石排放等规划，结合企业总体布局分析影响露天开采效益的主要技术因素，把这些影响因素的分析成果作为条件纳入境界优化的运算中去。对直接影响销售收入的“采矿回收率”、“选矿回收率”等指标，也应根据具体情况具体分析处理，不宜简单采用平均指标的方式进行替代。特别是选矿回收率指标，有些矿床不同性质、不同品级的矿石其选矿回收率指标差异很大，计算块体价值时需要针对不同块体进行分别计算处理。4 几何边界条件在境界优化需要的条件中，除了价值块体模型外，还需要一些约束露天境界几何边界的技术条件和边界条件。4.1最终帮坡角最终帮坡角是约束露天几何形态的最主要技术条件。最终帮坡角的确定需要根据构成边坡的岩体工程地质条件确定。工程地质条件简单的矿山，可以根据经验和类比的方式确定露天境界最终帮坡角；工程地质情况复杂的矿山，或高陡露天边坡需要进行专项露天采场边坡稳定性勘查研究工作，通过分析计算确定最终帮坡角。露天矿的不同部位工程地质条件可能不同，其对应的最终帮坡角也会有差异。Surpac软件规定了两种确定最终帮坡角的方式。其一，把露天境界划分为八个方位区域，可以为不同的方位定义不同的帮坡角；其二，可以根据不同的岩石类型指定不同的帮坡角。4.2其它几何边界条件的确定除最终帮坡角外，在特殊情况下还有一些约束最终境界的其它几何边界，如矿界、地表重要设施的保护线、深部开采的岩石移动线等。由于不具普遍性，在一般境界优化软件中没有设置专门功能考虑这些边界条件。一般情况下的处理办法有两个：1、通过边界约束文件把边界外的块体净值直接赋为一个极大的负值，使境界优化计算中该范围内的任一块体均不可能进入境界；2、如Surpac软件可以通过定义一个底部约束的dtm文件，使该dtm