紫金山露采铜矿空区处理数字化建模应用

郑正华

(紫金矿业集团股份有限公司)

紫金山露采铜矿原460～570 m中段采空区被两边矿柱及正上方标高604 m以下的岩矿石垂直崩落填充后，该区域的采场现状发生变化，但矿体实际并未被采出，导致可能出现消耗储量比采出矿量虚高的现象。同时，充填完毕的区域也在逐步开采，充填后的矿石分布情况难以通过探矿工程或炮孔进行验证，充填区每月的储量消耗难以统计，空区处理后并无可供采矿部门生产排产可靠的资源模型，给采剥计划编排带来不确定因素。分析以上问题，主要集中几个方面研究：①深入了解采空区治理[1]方案；②如何避免因露采现状变化，部分矿量进行充填采空区，造成露采消耗比出矿量虚高的假象以及矿山采矿中长期及短期计划不准确现象；③充填后矿岩石体积膨胀，如何确定膨胀系数；④如何将原空区顶柱的矿石品位“迁移”到充填后的岩矿石“混合体”；⑤如何对采空区充填后的矿石、废石和矿柱“混合体”进行品位模拟，建立空区充填后的资源模型；⑥如何充分结合数字化品位模拟进行采矿排产和指导配矿。

为解决上述问题，本研究借助Surpac三维可视化软件，在原钻孔工程控制的资源模型以及空区测量模型的基础上，通过分析采空区处理技术方案，对采空区充填后的矿石、废石和矿柱“混合体”进行三维建模与品位分布模拟，建立空区充填后的资源模型，实现资源储量精细化动态管理，为采剥计划提供可靠的资源依据。

1 采空区处理方案

紫金山铜矿体460～570 m中段采用地下开采，于2010年结束。随着矿山的发展，技术的不断进步，以及开采方案的变更(实现+148 m以上铜矿露天开采)，460～570 m中段由原地下开采转为露天开采。为平稳过渡为露天开采，地采遗留的采空区处理显得尤为重要。

目前国内外空区处理方案主要有封闭、崩落、加固和充填[2]。为实现紫金山铜矿尤其是低品位矿石的综合利用，采空区处理主要通过“崩落+充填”[3]的方法，对原采空区进行充填处理。即采空区正上方标高604 m以下岩矿石垂直崩落充填的方式，首先崩落510～530 m水平矿柱，充填460 m中段下部采空区；再崩落矿房采场采空区上部的隔离矿柱，充填460 m中段余下的采空区以及520 m中段下部的采空区，如图1所示。

图1 采空区剖面

2 原地采空区充填资源数字化建模过程

2.1 地质数据库的建立

地质数据是地质建模的基础，是进行资源储量估算的依据[4]。矿山自2013年引进Surpac软件后，根据历年的地质数据不断更新，已有一套完整的数据库。

2.2采空区处理实体的建立

基于Surpac三维软件，建立空区处理实体模型能很好的掌握空区的空间位置，为后续进行空区处理研究奠定基础[5]。

根据采空区实测图件，用不同体号区分空区类型，单层空区体号用100系列，从101到121，共建立21个空区实体；双层空区体号用200系列，从201到234，共建立34个空区实体，实体体号与空区编号保持一致。依据块体模型建立需求，分别建立采空区、矿柱、顶柱等三维实体模型，同时根据空区实际标高划分出520～570 m采空区对应的顶柱矿岩、577～604 m矿岩、460～510 m采空区对应的顶柱矿岩、513～533 m顶柱的矿岩。如图2所示。

图2 空区与矿柱分布

2.3 采空区充填后块体模型的建立

2.3.1 准备文件

更新紫金山金铜矿块体模型，并对模型进行验算，确保基础模型数据准确。基本模型参数信息如下：①根据矿体模型范围，确定块体模型的X、Y、Z值边界；②根据露采台阶高度确定块尺寸为6 m，次级块尺寸为3 m，并让每个块的水平边与露采境界模型对应台阶的高程一致，最大限度减少误差；③增加需要的属性来存储相关地址信息，包括岩石类型、品位、比重、控制程度等；④通过利用普通克立格法进行进行块体估值，最终建立块体模型；⑤利用近年来的期初期末DTM对模型储量数据进行验算，并和二次圈定、采矿量进行对比分析，确保块体数据准确无误。

2.3.2 块体模型建立

(1)膨胀系数。岩体在爆破下落充填空区过程中由实方变成虚方，发生体积膨胀。结合采矿充填方案以及本区的岩体结构进行系统实验测算，假定矿石和围岩经爆破后的级配总体一致，得出充填后平均膨胀系数α=1.358。

(2)充填后矿体松散密度。由于矿岩石崩落充填后发生膨胀，该区域矿石和围岩密度无法直接引用地质报告。依据质量守恒原理，岩矿石充填前后的总质量m不变，根据密度公式ρ=m/V，质量m不变，体积V变大，ρ变小。结合每个矿房采空区对应充填的岩矿石比例情况，测定采空区充填后各区域松散密度，采用动态松散密度更加切合实际。

充填后的体积V1=1.358V0(V0为空区对应的顶板、矿柱、底柱等的矿岩体积)。

因此，用每个空区对应矿柱的原矿岩量除以充填后膨胀的体积V1,求出充填后的松散密度

ρ1=m/V1.

(3)充填后块体赋值。在原资源模型基础上以采空区和充填后“混合体”顶面标高约束，分别用每个矿房采空区对应的平均品位给采空区范围内块体cu属性赋值，作为充填后的块品位，完成充填体品位赋值，同时进行ρ1赋值。

建立约束方法：采空区范围以及充填后实际顶面标高。采空区范围已根据测量实测结果获得。充填后的标高H2=V1/S1+H1(注：H1为空区底板标高，m;V1充填后体积，m3;S1为采空区底面积,m2)。

3 原地采空区充填资源模型验算和应用

3.1 采空区充填前后资源模拟结果验算与分析

通过前述方式对空区充填后进行品位估值，与充填前空区上部矿柱的矿量对比，充填后总矿石量1 325万t，金属量55 852 t，平均品位0.42%，比充填前矿石量减少20万t，减少比例为1.50%；金属量减少367 t，减少比例为0.65%，平均品位不变,见表1。

表1 露采460～577 m空区充填前后矿量变化对比

对比结果显示，充填后重新估值的结果与原有矿柱的矿石量、品位和金属量均较为吻合(均未超过2%)，说明估值结果较为可靠。重新估值后的矿量，通过月末现状的变化对比，计算出空区范围的开采变化，提高资源消耗、矿石品位的准确度及降低贫化损失率。

3.2 空区充填资源模型应用

3.2.1 资源储量动态管理

从源头上规避了604～570 m顶柱及间柱崩落后难以准确统计资源储量瓶颈，利用建立的数字化空区充填模型，结合月度现状DTM，可准确的统计露采铜矿每月的资源储量消耗情况，可精细化至空区充填区和其它采区，确保储量消耗数据的准确性，实现资源储量消耗的精细化动态管理，详见表2。

表2 2019年下半年露采铜矿各月资源储量消耗统计

另外，提高了保有资源储量统计的准确度，一方面在未处理的块体模型统计露采铜矿保有资源储量(扣除采空区巷道)，另一方面在模拟采空区充填后的块体模型里单独统计采空区范围内扣除矿柱后的铜矿保有资源储量，见表3。

表3 2019年底露采铜矿保有资源储量估算

续表

3.2.2 露采生产现场岩矿界线划分

有效提高了一线地质人员的矿岩界线宏观辨别，较为准确地划定矿岩界线，有利于降低矿石的贫化损失率，如图3所示。

图3 紫金山金铜矿露采铜矿矿岩界限分布

3.2.3 露采3 a滚动计划编制

由于采空区处理前后，实际地质资源模型发生变化，但无可供采矿部门生产排产可靠的资源模型。在建立充填后的块体模型后，可为采矿厂提供可靠的地质品位分布数据，为采矿配矿提供数据依据，并成功应用于《紫金山金铜矿2020年采掘(剥)计划(生产经营计划)及3 a滚动计划》编制，见表4。

表4 2020—2022年露采铜矿储量动用计划

4 结 论

(1)本研究在矿山已有三维地质模型的基础上，结合空区处理过程规律，对空区充填后的矿石、废石和矿柱“混合体”进行品位模拟，构建空区充填后的资源模型，可以直观地展现采空区充填后的品位分布特征。

(2)利用充填后的资源模型，可以确保消耗、保有资源储量的准确性，实现资源储量精细化动态管理；同时为采矿部门编制采剥计划提供可靠的资源依据。

(3)通过原有品位技术转换来优化资源模型，可为同类地采转露采矿山提供借鉴。