大型铀矿床全寿命期虚拟仿真系统开发.pdf
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1、书书书第 卷第期 年月铀矿冶 收稿日期:第一作者简介:沈玉众(),男,江苏滨海人,硕士,高级工程师,主要从事铀矿山开采设计及岩土工程数值分析研究。通信作者简介:杨江坤(),男,河北邢台人,硕士,助理工程师,主要从事矿山开采设计及数值分析。大型铀矿床全寿命期虚拟仿真系统开发沈玉众,陈勇,杨江坤,郝志华(中核矿业科技集团有限公司,河北 石家庄 )摘要:某大型铀矿床位于中国北方生态脆弱地区,其资源量大、矿体缓薄,矿床前期开发决策难度大。采用虚拟仿真技术,构建矿山三维模型,结合矿床开采时序,实现对矿山开采过程全寿命期的动态仿真,动态展示矿山生产环节和施工工序,为矿床开发决策提供依据。通过开发全寿命期的
2、虚拟仿真系统,为该大型铀矿床开采工程规划和设计数据的综合与解释提供了独特的虚拟环境,展现了矿床未来开发场景,初步验证了矿床整体开采方案的合理性与可行性,为矿床开发奠定了基础。关键词:铀矿床;整体开采;三维模型;全寿命期;虚拟仿真;开发决策中图分类号:;文献标志码:文章编号:()犇 犗 犐:随着计算机技术的发展,虚拟仿真技术的应用越来越广。软件在绘图功能和人机交互方面的便捷性均较好 ,但其主要用于二维图形设计,对于满足用户的可视化需求方面相对欠缺。三维虚拟化仿真软件可较好地弥补二维图形设计的不足。羊劲松等依托 软件平台,创建了三维实体模型,从三维角度更好地划分生产矿量,指导实际生产;马开川等利用
3、 三维矿业软件建立了曼家寨矿区的仿真模型,对矿体进行了二次圈定,细化了采剥区,提高了矿石资源的利用效率;冯兴隆等基于三维模拟手段对矿岩可崩性进行了研究,更好地指导矿产资源的合理开采;厉金龙等基于 三维仿真软件建立了南京栖霞山铅锌矿的地质模型,对铅锌元素的品位空间、内在属性进行分析;徐卫亚等采用 三维可视化技术对高边坡复杂岩质的情况进行模拟研究,对边坡复杂几何体地质情况进行了可视化研究;贾建红等以凤凰山铜矿为例,通过 三维软件,对复杂矿体进行了三维可视化建模。已有虚拟仿真软件主要侧重对某一工艺环节的研究,而对工业生产的全寿命期的关注相对较少。某大型铀矿床资源量大、产状平缓、矿体平均厚度为,总体属
4、于缓薄层状矿体。矿体北部埋藏较浅、适宜露天开采;南部埋藏较深、适宜 地 下 开 采。矿 床 开 发 面 临 的 技 术 问 题较多。以该大型铀矿床为研究对象,采用虚拟仿真技术构建矿山三维模型,通过开发大型铀矿床全寿命期虚拟仿真系统,结合矿床开采时序,实现对矿山开采过程全寿命期的动态仿真,展现矿床未来开发的场景,为矿床开发决策提供依据。矿床地理地质条件某大型铀矿床位于内蒙古自治区锡林郭勒盟境内,东西宽约,南北长约 ,面积约 。区内交通较为便利,有草原便道可通二连浩特市,并与“集二线”铁路、国道及 省道相衔接。矿区属风蚀平台地貌,年平均降雨量 ,年平均蒸发量 ,年平均温度 ,最大冻结深度 。区内气
5、候干旱,风大沙多,地表生态较为脆弱。根据勘查结果可知,该矿场属砂岩型铀矿,形态简单,呈平整的板状,微倾斜,连续性好,构造不发育。矿床主矿体厚度变化较稳定,矿化分布均匀,矿体产在上白垩统二连组下段上亚层下部,矿体及围岩主要为泥岩、粉砂岩和泥质胶结砂岩,层间结合良好;地层产状平缓,矿体及顶、底板较完整;地质构造简单,无节理裂隙发育。岩石成岩度较低,抗压、抗剪强度低,稳定性较差,岩石遇水膨胀。同时,矿床所在地区气候干旱,矿床范围内无地表水体。矿床整体开采规划方案通过分析矿床赋存特点,提出了全露天开采、全地下开采、露天地下联合开采种开采方案,通过综 合 比 选,以 露 天地 下 整 体 开 采 方 案
6、 为最优。露天境界优化及设计通过露天开采境界优化结果与开采工艺特征相结合的方式确定了露天开采范围。建立矿床实体模型与矿床品位分布模型(图),该模型是露天境界优化、露天地下开采设计和生产计划编制的基础数据。矿床露天境界优化采用 图论法,通过输入矿石价格、最终边坡角、开采损失率及贫化率、矿石开采成本、岩石剥离成本等参数,启动境界优化器进行计算,各项参数见表。图矿体实体模型及品位分布模型犉 犻 犵 犗 狉 犲犫 狅 犱 狔犿 狅 犱 犲 犾 犪 狀 犱犵 狉 犪 犱 犲犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀犿 狅 犱 犲 犾表露天开采境界优化参数犜 犪 犫 犾 犲犅 狅 狌 狀 犱 犪 狉
7、狔狅 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳狅 狆 犲 狀狆 犻 狋犿 犻 狀 犻 狀 犵每个品位价格(元 )矿岩密度()矿石贫化率矿石回收率剥离成本(元)开采成本(元)复垦成本(元)境界边坡角()注:每个品位价格为露天开采境界优化软件中设定的输入参数名称,指每 的金属价格,此价格为矿石开采环节分配的价格。根据不同价格的影响(价格因子),将表的参数输入境界优化器,得到露天最优境界的嵌套坑,结果见图()。可以看出,矿床最有可能实现露天开采的部分为北部埋藏较浅且品位较高的部分。结合露天开采确定的轮斗胶带剥离工艺的特征,得到了露天开采境界范围,见图()
8、。地下开采开拓方案露天开采范围以外的部分采用地下开采。从图()可看出,地下开采范围相对不规则。在地下开采范围内主要采用综合机械化回采工艺,而在局部不规则地段采用进路条带回采工艺。地下开采开拓大巷布置方案在地下开采开拓系统布置中,根据矿床开采生产布局,提出种大巷布置方案(图)。方案一的井筒布设在矿床北西矿界与水冶工业 场地中间,主、副斜井沿东南方向掘进,回风大铀矿冶第 卷图露天开采范围的确定犉 犻 犵 犇 犲 狋 犲 狉 犿 犻 狀 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳狅 狆 犲 狀狆 犻 狋犿 犻 狀 犻 狀 犵犪 狉 犲 犪图地下开拓大巷布置方案犉 犻 犵 犚 狅 犪 犱 狑 犪 狔 狊 犮 犺 犲 犿
9、 犲狅 犳狌 狀 犱 犲 狉 犵 狉 狅 狌 狀 犱犱 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋巷向西北方向延深,通过回风石门沟通风井,形成矿井通风系统;在井底车场处,自大巷沿东北方向向露天采坑布置条上山,用于回采西北部的零星矿体。方案二的井筒布设与方案一基本一致,为提高开采效率及简化开拓系统,不再回收西北部的零星矿体,因此不需在井底车场处布置向露天采坑的条上山。方案三井筒布设在矿床西矿界中间,主、副斜井沿东方向掘进,沿东北方向向露天采坑方向布设条大巷,以回收北翼区段资源;沿矿床西南边界向东南方向布设条大巷,服务于南翼区段工作面开采。各方案主、副井筒为斜井,风井为立井。各方案均采用胶带输运机运输
10、,人员、设备及材料采用无轨胶轮车从副斜井直接运至工作地点。通过对比种地下开采开拓方案,可以发现方案二的开拓系统为一段式布置,系统相对简单,但损失了部分矿石量;方案一和方案三的开拓系统均为两段式布置,系统相对复杂,但资源整体回收率较高;方案一与方案三的主要不同在于井筒布置位置不同,从开采布局上说两者的坑内外运输距离不同。地下开采方案对比为了进一步定量化对比分析种方案的指标,从资源回收量、首采面资源量、地表矿石运输功、大巷总掘进量、平巷总掘进量等方面对各方案进行比较,结果见表。综合考虑资源回收率、地第期沈玉众,等:大型铀矿床全寿命期虚拟仿真系统开发面运输布置、矿山建设成本等因素,大巷布置方案最终采
11、用方案一。表地下开采方案对比犜 犪 犫 犾 犲犆 狅 犿 狆 犪 狉 犻 狊 狅 狀狅 犳狌 狀 犱 犲 狉 犵 狉 狅 狌 狀 犱犿 犻 狀 犻 狀 犵 狊 犮 犺 犲 犿 犲 狊方案资源回收量首采面资源量万地表矿石运输功()大巷总掘进工程量 平巷总掘进工程量 方案一 方案二 方案三 全寿命期仿真系统总体架构设计全寿命仿真系统需要紧密结合矿床开采方案进行,依据该矿床整体开采方案,结合矿床开采的全寿命期动态生产过程进行仿真系统设计,具体方案技术路线见图。图全寿命仿真系统构建技术路线犉 犻 犵 犜 犲 犮 犺 狀 犻 犮 犪 犾 狉 狅 狌 狋 犲狅 犳 狋 犺 犲狑 犺 狅 犾 犲 犾 犻 犳
12、 犲 狊 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狊 狔 狊 狋 犲 犿犮 狅 狀 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犻 狅 狀以矿床资源数据、采矿设计、生产计划数据为基础,以 引擎为技术开发平台,结合三维地质建模、数值模拟等软件工具,建立大型铀矿床开采全寿命期仿真系统,实现矿床开发条件分析、开采方案、生产计划及矿床技术经济评价的全寿命三维仿真。矿床全寿命仿真系统总体上分为数据层、平台层、业务层(图)。数据层数据层包括地质基础数据、方案设计数据、经济指标数据三方面,其中:系统可录入的地质基础数据包括钻孔、地形、地层、岩性、取样、品位等信息;系统可导入的方案设计数据包括露天开采计划、年度开采现状、地下开采年度开
13、拓和采矿现状、工业广场、办公区,及生活区布置等模型;系统可录入的经济指标数据包括开采技术参数,资源价值,利用水、电、人力、物资成本,投资回报等。平台层采用 的双平台设计。面向工程的 平台,可浏览真实三维状态下的地质数据,并进行交互查询、编辑,报告地质资源储铀矿冶第 卷量,展现设计成果。面向虚拟现实的 平台,支持复杂模型渲染,快速高效运算,是仿真模拟的有力工具。同时,通过开发多种数据转换接口,使仿真系统支持 格式、格式、格式等数据格式转换,支持读取工业自动化 协议。图全寿命仿真系统总体架构犉 犻 犵 犗 狏 犲 狉 犪 犾 犾 犪 狉 犮 犺 犻 狋 犲 犮 狋 狌 狉 犲 狅 犳 狋 犺 犲狑
14、 犺 狅 犾 犲 犾 犻 犳 犲 狊 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 狔 狊 狋 犲 犿 业务层全寿命期仿真模拟系统包括计划虚拟仿真子系统、工艺虚拟仿真子系统及多源信息融合与展示子系统等。计划虚拟仿真子系统主要包括设计方案展示、按计划生产年进行动态演示等功能;工艺虚拟仿真子系统是针对矿床整体开采过程中的关键工艺进行虚拟仿真模拟,包括对露天开采的轮斗胶带剥离工艺,液压挖掘机自卸卡车采矿工艺,地下开采的综采工艺、综掘工艺、地下采掘支护工艺进行仿真;多源信息融合展示子系统包括对地质信息、矿山开采安全分析信息及技术经济评价成果信息等的融合。全寿命期仿真系统模型建立全寿命期仿真系统模型主要分为:
15、)三维几何模型。包括矿体、岩层、地形、地表厂房、设备等各类不含材质信息的素模型。)虚拟现实模型。经过渲染,显示效果更逼真,达到虚拟仿真的目的。虚拟现实模型的主要建立方法 包括地质模型转换方式和三维渲染软件建模转换导入方式。三维几何模型建立在全寿命期仿真系统中,几何模型的建立主要在三维地质建模软件中进行,包括矿体、岩层、地形,露天采、剥、运、排线路,地下开拓巷道,地下采场设计等模型。其中,矿体模型在 节中已建立;岩层模型的建立较复杂,在仿真系统开发过程中采用隐式建模方法 建立该矿床的岩 层模型。在建模中进行了岩性合并。矿床原始岩性达 种,经过统计分析,结合现场施工的 钻孔柱状图与对应的地质剖面图
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