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自然崩落采矿法放矿控制要素研究与管理系统开发应用
2019-02-20
为保证自然崩落采矿法矿山企业正常生产,实现矿岩自然崩落过程中科学、高效的放 矿管理控制。在目前自然崩落采矿法控制要素研究的基础上,利用SQL Server Express 数据库、 MFC 开发框架和VTK 可视化工具,使用C++开发语言作为编程语言,开发了具有出矿计划编制、出 矿量统计、放矿控制、矿石品位预测、大块率统计等自动化管理功能的自然崩落采矿法放矿控制集 成管理系统,在自然崩落法采矿过程中通过该系统应用能够有效的提高放矿控制管理效率,实现高 效、自动化的放矿管理。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 自然崩落采矿法放矿控制要素研究与 管理系统开发应用 1 王荣立 ꢀ 张ꢀ 哲 2 ( 1. 中国黄金集团中原矿业有限公司;2. 长沙矿山研究院有限责任公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为保证自然崩落采矿法矿山企业正常生产,实现矿岩自然崩落过程中科学、高效的放 矿管理控制。 在目前自然崩落采矿法控制要素研究的基础上,利用 SQL Server Express 数据库、 MFC 开发框架和 VTK 可视化工具,使用 C++开发语言作为编程语言,开发了具有出矿计划编制、出 矿量统计、放矿控制、矿石品位预测、大块率统计等自动化管理功能的自然崩落采矿法放矿控制集 成管理系统,在自然崩落法采矿过程中通过该系统应用能够有效的提高放矿控制管理效率,实现高 效、自动化的放矿管理。 关键词ꢀ 自然崩落法ꢀ 控制要素ꢀ 放矿控制ꢀ 管理系统 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 037 [ 1-7] 是一种低成本、高效率的采矿方 ꢀ ꢀ 自然崩落法 预测与统计、出矿品位预测管理及出矿口放矿顺序 的控制等。 法,在开采过程中通过借助于底部拉底工程诱导使 矿体和围岩应力发生变化,在节理裂隙扩大、张开、 伸展形成贯通后在矿石自重的作用下发生自然崩 落,从而实现在不依赖大量凿岩爆破施工的情况下 完成矿体开采。 尽管自然崩落法采矿方法应用主要 取决于矿体和围岩的可崩难易程度、岩体构造及其 分布规律、岩体强度及地应力状态等原始地质条件。 但在实际生产过程中能否将自然崩落边界控制、崩 落速度与矿岩块度预测、放矿品位控制、不同阶段崩 落状态与采场稳定性监测等各要素协同管理控制, 实现矿山生产高速、高效、经济和低贫化的管理需要 显得尤为重要。 国内对于自然崩落法生产自动化放矿管理问 题,前期完成了许多物理性实验及工程管理数字化 评价研究。 在自动化放矿管理计算机模拟应用方 面,很多研究人员通过利用随机介质理论,实现矿岩 3 D 崩落移动概率场模拟,部分利用 FLAC 等数值模 拟软件完成自然崩落法采场崩落边界数值模拟来分 [9] 析采场放矿管理模式及放矿步距控制 。 由中国 矿业大学研发自然崩落法放矿排产品位连续预测模 型,具有信息管理、排产计算、放矿统计、打印报表等 功能模块,能很好的实现放矿控制,但缺乏矿体的三 维可视化模型等关键模块;马从安等人利用劳伯斯 特品位估值法的原理提出了连续品位预测模型,并 采用 VB 语言编程和 Access 数据库开发实现了排产 品位预测软件解决了自然崩落法应用过程中难以实 现各放矿阶段出矿品位控制等问题,冯兴隆,王李管 等人利用基于 Monte Carlo 模拟技术对金川Ⅲ矿区 开展矿石块度预测三维模型建模,实现对矿石块度 预测;同时对自然崩落法开采的矿山开展基于混合 整数规划法的放矿计划和放矿控制研究;中南大学 潘长良教授等提出的正逆向二次优化的数学模型, 为解决自然崩落法实现均匀放矿控制的排产优化问 题提出了理论基础。 1 ꢀ 自然崩落采矿法放矿控制要素研究现状 目前自然崩落法实际应用过程中主要面临需要 解决的问题主要包括矿体形态建模、矿岩可崩性预 测、崩落块度预测、底部放矿结构稳定性、自动化放 [ 8] 矿管理控制 。 其中自动化放矿管理控制在自然 崩落法矿山的生产实践中起着举足轻重的作用。 根 据目前矿山生产实际情况,自然崩落法放矿控制要 素主要包括采场自然崩落控制、数据统计、出矿口放 出矿石量的控制、崩落范围和边界的控制、崩落块度 ꢀ ꢀ 王荣立(1990—),男,工程师,472200 陕西省安康市旬阳县白柳 镇张湾小区。 国外加拿大学者 D. Jolley 提出电算模拟放矿的 1 55 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 数学模型称之为 Jolley 模型,根据建立的数学模型, 在计算机上进行放矿模拟试验;基于劳布斯彻的放 矿理论而开发的 PC-BC 软件目前已被广泛应用于 铜、 金、 金 刚 石 等 自 然 崩 落 法 矿 山。 该 软 件 与 GEOVIA GEMS 全面集成,在 Surpac 等矿业软件地 质模型构建基础上,通过对不同阶段的可采矿量计 算,依据采场施工拉底速度、崩落速度和放矿点设定 等参数完成采场生产计划编制工作,但该软件在系 统集成应用、放矿自动化控制、智能化管理方面应用 仍显得不足。 综上所述,在自然崩落法生产控制要素研究方 面国内外已具有大量的成熟理论研究,这些研究成 果为其推广应用及放矿管理提供了重要的理论依 据。 近年来,随着三维数字矿山技术的快速发展,根 据矿山需要利用计算机实现矿岩三维建模并完成自 然崩落法各生产要素管控一体化系统开发、集成应 用成为可能。 2 ꢀ 自然崩落采矿法放矿控制管理系统开发 自然崩落采矿法放矿控制管理系统开发是根据 生产需要,将原始数据层、各生产要素控制中间层、 用户需求输出的表现层融合建立自然崩落法生产管 理系统,解决采矿过程中的出矿计划编制、出矿量控 制、出矿品位预测、出矿大块率统计等管理技术问 题。 从而实现数据采集自动化、数据处理智能化、指 令输出数字化的总体目标。 图 1ꢀ 管理系统构建流程 回归和各向变异性分析验证。 基于可视化工具 VTK 构建选定区域矿岩可崩 性评价三维模型。 岩体工程质量评价区域三维模型 属于一种综合模型,在三维可视化评价模型构建方 法和基于区域化变量的估值理论进行研究的基础 上,应用基于 VTK 平台的评价区域三维可视化建模 方法和基于八叉树的复杂地质体块段模型建模方 法,构建采区矿岩可崩性评价三维模型。 VTK 可视 化工具包它是一个开源、跨平台、可自由获取、支持 并行处理的图形应用函数库,主要用于三维计算机 图形、图像处理及可视化。 三维管理模型建模的技 术流程如图 2 所示。 2 . 1ꢀ 系统实现方式 根据矿山实际需要,基于 Windows 平台及 SQL Server Express 数据库开发,选择具有最高执行效率 的 C++开发语言,主流开发框架 MFC 和可视化工具 VTK(全称 Visualization Toolkit),融合多种岩体状态 监测系统,兼容 MicroMine 等矿业软件的数据接口, 构建形成具有数据预处理、排产分析、生产过程记 录、统计分析、系统输出五大模块功能的管理系统。 系统构建流程如图 1 所示。 利用三维矿岩块度重构技术实现矿岩崩落块度 预测。 预测矿岩块度的方法有间接法、图像法和节 理网络模拟法 3 类。 如目前 D. H. Laubscher 博士开 发了 BCF(Block Cave Fragmentation) 系统等。 系统 设计中可采用 Monte Carlo 技术和三维空间解析几 何知识,按照统计学原理模拟构造面对岩体的切割 作用及由此切割而形成的岩块大小和形状的分布组 成,构成新的三维的矿岩块度预测模型。 在以每次 独立的抽样结果为一样本元素,用大量的抽样样本 分布规律来表示母体的分布规律的基础上。 通过节 理面对岩体的切割情况,并利用有关崩落和放矿过 程的力学知识,预测崩落矿岩的块度的分布,同时应 2 . 2ꢀ 系统开发基本原理及应用 通过 Micromine 等可视化建模软件完成矿岩体 和评价区域的三维结构表面模型,评价对象块段属 性。 国内外矿岩三维可视化建模软件大多提供了地 质体建模、储量计算模块和采矿设计 3 个层次的模 块满足可视化建模需要,如 Surpac、Micromine、Dat- aMine、3Dmine、Dimine 和 MineSight 等。 采用地质体 三维可视化建模建立矿岩体和评价区域的三维结构 表面模型、评价对象的块段属性模型,并对选定区的 原始和组合后的组合样品数据进行统计分析、线性 1 56 ꢀ ꢀ 王荣立ꢀ 张ꢀ 哲:自然崩落采矿法放矿控制要素研究与管理系统开发应用ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 将垂直和水平方向的 2 个接触面等效变换成斜面。 在形成矿岩接触斜面放矿形态后,根据将日均总出 矿量平均摊分至各个出矿口,并遵循一定的出矿顺 序,逐点放出出矿计划规定的矿石,最佳状况是每点 放出所在单元面积内自然崩落矿石量的 1 / 3 或稍 少,从而做到各出矿口均匀放矿。 在已形成倾斜矿 岩交界面的前提下,放矿顺序应先从拉底推进方向 边界处漏口开始放矿,以等量的方式向远离推进崩 落线的方向顺序放矿,每漏口放出矿量应与计划的 出矿量相符。 排产计划编制是在确定了矿量和设备等各种约 束条件后,使用线性规划的方法制定最佳的出矿计 划。 根据各漏斗的排产结果,制定月计划指标。 内 图 2ꢀ 三维管理模型建模技术流程 容包括漏斗、出矿巷道、穿脉及本月合计的担负矿 用 Borland Delphi 5. 0 软件进行分析计算,实现三维 矿岩块度重构,最终实现矿岩块度的有效预测。 利用劳伯斯特排产品位的原理建立排产品位连 续预测模型。 用易解算的几何图形来近似模拟采场 中的放矿过程, 并根据放矿过程中几何图中数据的 变化来估算出矿石品位。 为了使出矿计划管理中对 月度或季度计划放出矿量的品位有一个预知值,进 而可计算出未来一定时间的金属产量,建立自然崩 落法出矿品位预测模型。 以实际矿体的品位分布和 空间位置为基础,结合对象矿体的自然崩落特性和 矿石崩落后的自然流动轨迹特点,即可将在出矿口 点所放出矿石与矿岩初始所处空间位置对应起来实 现预测出矿品位及排产品位预测估算功能。 系统集 成岩体声发射监测定位系统和岩体厚度监测系统数 据并进行整体优化,形成完整的崩落顶板动态监测 优化过程。 通过对崩落过程底部结构应力监测,基 本上掌握了自然崩落顶板应力传递过程对底部结构 压力的影响。 利用岩体厚度监测系统、岩体崩落实 时监测系统对自然崩落高度、自然崩落边界、崩落区 内的矿堆高度(或体积) 和保留空间高度(或体积) 监测。 并利用岩土工程三维应力分析软件(3D-σ) 对采矿过程中的矿岩自然崩落规律进行有效模拟。 崩落矿石以椭球体放矿理论为基础,通过均匀 放矿和斜面均匀放矿控制确定各出矿口放矿顺序与 放矿量。 由于采场底部出矿口布置为矩阵式布置, 每个出矿口放出的矿石均符合放矿椭球体理论,矿 石等量放出时,接触面的水平状态一直保持到漏孔 之间的相互影响消失时,达到某高度后,矿岩接触面 便开始逐步调整,而在放矿最终结束时形成漏斗状。 而通过利用斜面控制放矿缩小矿石与围岩接触面, 量、累计出矿量、可放矿量、排产矿量、品位、金属量 等。 也可生成出矿计划的动态三维模型。 根据出矿 计划数据,可以绘制出出矿前和出矿后的矿体变化 趋势仿真图。 根据实际出矿数据及岩体厚度监测系 统的监测数据可对模型进行进一步修正,得到更准 确的结果。 构建放出矿石大块率统计功能。 放出矿石的大 块率直接影响出矿口的放矿作业效率和矿石的后续 运输、处理工艺和设备,而通过出矿石大块率统计功 能反馈可以实现自然崩落过程(崩落速度、拉底方 式、推进速度)控制,达到控制大块产出的多少的目 的。 用块体形状和体积联合统计的方法来研究矿岩 的块度形状特征,预测出的矿岩块度分布指导矿山 生产设备配置。 系统设计对接移动终端、具备 web 服务功能,可 随时在移动终端、微信应用中共享累积生产经验数 据。 随着井下无线通讯基础设施的完善和智能手机 终端应用,数据输入、输出及录入、编辑和浏览不再 局限于电脑。 2 . 3ꢀ 系统管理应用 自然崩落采矿法放矿控制管理系统开发完成后 系统应用简单、易操作,在了解矿山开采工艺、采场 结构参数及生产需求的基础上结合应用说明就可操 作应用,系统管理应用主要涵盖数据预处理、生产计 划编制、品位预测、崩落控制及大块儿统计、数据输 出及日常数据处理等操作应用。 数据预处理包括前期的基础数据整理、编辑、定 义,勘探数据、采矿工程设计、计划编排设计需求;如 矿山名称、建设规模、主要产品、采场范围、各中段定 义、品位阈值、钻孔数据、块体模型、地质构造带、主 1 57 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 要巷道设计等。 而这些数据处理主要通过软件设计 界面菜单栏对应的编辑、预处理、巷道、钻孔等按钮 直接进行录入、处理。 可向用户给出提示信息,并引导用户进行相应的处 理。 数据输出与日常数据处理应用中无论是原始数 据还是生产记录或是分析结果,系统都能提供多种 方式输出。 用户可从中选择最符合自己习惯的组 合,提高工作效率。 主要包括报表、图表及三维模 型。 如地质部分输出各出矿点的担负矿量、地质品 位和金属量等、实际出矿部分的输出各出矿点的实 际出矿量、品位和实际金属量等、设备运行,输出各 台设备在一定时期内的出矿量,累计出矿量等均可 通过报表可直接打印,或导出为 Excel 格式的文件。 图表输出部分的曲线图可用于显示各出矿的在一定 时期内的出矿量等信息;柱状图用于显示不同出矿 点的出矿量/ 累计出矿量的对比;饼图用于显示不同 出矿口、穿脉的出矿量占比;散点图可根据位置显示 不同出矿口的出矿量等。 除此之外还有三维模型显 示等均可在模型菜单栏中进行操作。 在系统中用户 可根据需要,分别选择特定的统计结果及输出形式, 例如出矿计划表、实际出矿柱状图等。 也可以预先 设定最符合个人需求的集成输出模式,一次性输出 全部需要的结果,必要情况下也可以根据实际需要 对功能区进行拓展增加。 生产出矿计划编制在软件操作过程中主要是菜 单栏中排产分析模块的应用,包括矿量约束分析、设 备规划、出矿计划等子菜单应用。 自然崩落法采区 生产面积大、服务年限长,目前多数选择电动铲运机 出矿。 在确定了矿量和设备等各种约束条件后,采 用线性规划的方法,来制定最佳的出矿计划。 通过 线性规划计算出最佳的出矿计划后,分出矿道、穿脉 合计各漏斗的排产结果,得出相应的月计划指标。 以表格形式输出当月排产结果一览表,内容包括漏 斗、耙道、穿脉及本月合计的担负矿量、累计出矿量、 可放矿量、排产矿量、品位、金属量及生成出矿计划 的动态三维模型。 同时根据出矿计划数据,可以绘 制出出矿前和出矿后的矿体变化趋势仿真图。 并根 据实际出矿数据以及岩体厚度监测系统的监测数据 可对模型进行进一步的修正,得到更准确的结果。 出矿品位预测在系统的运行初期,每个出矿口 均使用相同的品位估值参数,如相同的贫化点和矿 岩接触线形状。 在累积了部分实际生产记录后,可 根据情况调整这些参数。 例如根据生产记录,发现 放出体中底部矿块的权值相对标准椭球体要更大, 上部矿块则相反,即实际放出体近似于上小下大的 类椭球体。 此时可以将矿岩接触线由直线调整为上 凸形状,并通过已有数据迭代计算确定最优的上凸 程度,后续生产即可用这些新的估值参数来进行品 位和金属量的预测。 生产应用过程中自然崩落法生产管理系统软件 集成出矿量统计与控制、矿石块度及品位预测、出矿 计划编制、大块率统计等使用功能于一体,同时操作 简单、使用方便、具有外部数据交换兼容性高、界面 可操作性好,构建模型效果好,数据统计结果准确、 直观,系统运行流畅、稳定可靠等有点。 在试验采场 应用期间生产能力达 1 500 t/ d。 采矿损失率 4% 以 内、采矿贫化率 2% 以内,品位预测优于原始估值。 崩落控制及大块率统计应用管理主要通过图表 输出形式体现,崩落控制设计中采用控制拉底边界 线的推进方向、步距和速度的方式加以控制,即推进 方向符合合理的崩落顺序,推进步距和速度符合岩 体应力累积的时空规律。 为了有效地统计大块率, 需要记录的数据包括:出矿量、大块总数、大块尺寸、 液压碎石机使用位置、时间及次数等。 除大块率的 统计外,对大块的体积/ 尺寸分布、产生部位的记录 和分析也很重要。 在动态更新矿体三维模型时,将 大块产生的时间、地点及具体尺度反映出来,可以帮 助弄清大块的位置分布情况,有利于采取针对性的 技术措施来改善大块集中出现的现象。 数据统计是 准时、自动化的过程。 系统可设置统计频度和时间, 例如每日零点执行统计功能。 也可以在录入部分数 据后即时统计,统计完成后,系统会根据原始数据、 生产计划等信息与统计结果进行对比分析,必要时 3ꢀ 结ꢀ 语 在利用国内外相关软件技术及自然崩落法放矿 控制管理要素理论研究的基础上,目前可以基于 Windows 平台及 SQL Server Express 数据库,主流开 发框架 MFC 和 VTK 可视化工具,选择具有最高执 行效率的 C++开发语言构建自然崩落法放矿控制 集成管理系统,使常规自然崩落法放矿控制繁杂低 效的采矿生产管理工作变得简单高效。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ 陈清运,蔡嗣经,明世祥. 国内自然崩落法可崩性研究与应用 现状[J]. 矿业快报,2005(1):1-4. 2]ꢀ 周罗中,何远富,李兴平,等. 不稳固特厚大矿体跨步连续自然 崩落采矿综合技术研究[R]. 长沙:长沙矿山研究院有限责任 公司,2012. (下转第 158 页) 1 58
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