谈谈矿山设计中的地质及采矿设计
石灰石矿山开采设计中，包含在矿山初步设计过程中的地质及采矿设计是最为关键的部分，这部分图纸设计工作量大，技术含量高，是整个采矿设计的核心图纸。这部分图纸的用途也很特殊，它不是来描述矿山开拓系统方案的方案图，也不是来指导矿山施工的施工图，而是用来指导矿山在它的整个开采服务年限内如何开采的采矿指导图，方案设计图纸及施工图纸则均是为实现这个采矿目的而配套的阶段性设计图纸。地质及采矿设计的内容包括制定整个矿山的自上而下的详细开采流程、矿山顺层位的开采顺序、矿山分台段的矿石及剥离夹层物的数量计算、矿岩的搭配方案、地形地质图、开拓系统图、地质勘探线剖面图、水平分层平面图、采掘终了平面图、各水平年末采剥界线图、综合年末开采界线图、采剥进度计划表等，部分矿山还可加入水平分层品位图。
施工图是方案设计图的深化，而地质及采矿设计图则是检验矿山的开采设计方案是否合理的最好依据，矿山设计水平的高低，除了与矿山开拓系统布置的是否合理、矿山施工图设计的是否达到了优化最佳、矿山的各工程布置是否在合理范围内经济最优等因素有关之外，最重要的一点则是该设计图是否能让该矿山在长达几十年的漫长开采过程中一直处于开采方便、台段交换合理、各品级矿石搭配充分、年经营费用最低等有关，好与不好的设计，能显着地影响矿山的经济效益，从而直接影响到整个水泥厂的投资收益。
近些年随着我国水泥工业的快速发展，对石灰石的需求量日益增加，好的石灰石矿山现在已经越来越难以找到，在我院近几年设计的几十座大中型矿山之中，不乏一部分是前些年被“枪毙”掉的矿山，现在又被拿来将要进行开采，这样的矿山设计难度可想而知。给这样的矿山找到一套开采方案并不难，难的是找到一套最适合的方案。对于复杂类型的矿山，在矿山的初步设计过程中，进行地质与采矿设计非常重要，即使对于一些只进行方案设计的矿山，地质与采矿设计的一部分工作仍必须完成，以用来校验矿山方案设计的合理性（尽管这部分地质与采矿设计的图纸在方案设计阶段并不要求一定出成品），否则矿山的方案设计则显得依据不足，甚至有可能在以后补充完成地质设计之后，出现将方案设计完全推翻的情况。这种情况在我们几十年的矿山设计过程中并不少见，这种情况的发生，经常是因为受到整个水泥厂项目方案设计时间的限制，而矿山又是比较复杂的矿山，无法完成相应的地质设计，为了赶上项目进度，不得不仓促出一套方案设计图纸，在施工图开始后，再进行地质设计的补充完善，才发现原先设计的矿山方案存在比较重大的问题，不得不重新调整整个开采方案。发现开采方案的瑕疵，是一个很专业的问题，需要有比较丰富的专业知识和充分的时间，很多评委在方案评审会上是很难在短时间内发现问题的。我们现在的设计一方面在尽量适应甲方对于项目进度的苛刻要求，另一方面也是在人力安排上进行了很多新的尝试，一直在尽量避免类似问题的发生，以免造成设计的大返工。
在十多年的矿山设计生涯中，本人完成了很多大中型矿山的地质及采矿设计，这些矿山之中，勘探类型从简单到复杂，规模也是从为1000t/d水泥厂配套的中型石灰石矿山，到为10000t/d规模配套的超大型的矿山，结合我们现在手头正在进行的一些矿山的此类设计，针对我本人感受最深的几个方面，来谈谈我自己多年来的一些体会。
一 对地质资料要进行详尽的分析与研究
地质报告的目的是要通过文字与图纸多方位多角度地来阐述矿床在地下空间上的赋存形态、矿石质量等信息。一般来说，可以从以下几个方面来对地质报告进行分析。
1、 矿区所处的区域地质情况、矿床地质结构及构造等。这些因素对矿体的赋存形态一般影响较大，从而影响到矿石的质量分布。这些因素对于确定开采境界线也非常重要，另外对于将要采用竖井平硐方式的矿山来说，这些还是预选竖井平硐位置的重要考虑因素之一。
2、 矿体的具体赋存形态、矿石结构及类型、矿岩分布情况、顶底板及围岩等。这些内容具体描述了矿岩的空间分布情况、矿石的质量情况及变化规律、夹层的分布及对质量的影响、顶底板及四周围岩的情况等，这些资料为设计圈矿提供了最直接的依据。
3、 矿床的其它重要信息，如高级储量的位置、覆盖土的分布情况、岩溶发育情况、矿层对应及矿石品级的对应问题、夹层情况及侵入岩脉的情况等等。首采区一般选在高级储量分布的位置，并由此展开矿山开拓系统的选择与布置。关于覆盖土的问题，除需根据土层的化学、物理性质研究它对生产配料的影响之外，还要注意它对剥离和开采的影响。岩溶是矿床的特殊问题，对于矿床深部的岩溶问题应充分地研究，揭露其规律，弄清楚充填情况，统计岩溶系数，以判断岩溶对开采的影响程度。至于矿层品级对应的问题，过去往往因为在这个问题上研究得不够，导致矿山的生产十分被动，品级的对应，首先应该是岩层自然类型的对应，这是品级对应的基础。查明自然岩层的界线，而后在其基础上进行品级的对应，决不能跨越岩层的自然界线而人为地对应，这是地质报告中经常容易犯的一个错误，也会直接对今后的矿山生产产生一个误导的作用。在对矿石品级的组合计算过程中，地质报告中经常出现为了人为增加矿石一级品的数量，而将单样“上下窜动”或“穿靴戴帽”进行组合计算的现象，这种做法显然不妥。关于矿山的夹层问题，石灰石矿床中，最经常出现的夹层是高镁夹层，镁是水泥原料中的有害成份，是评价水泥矿床的一项主要技术指标，因此，弄清楚高镁夹层的空间赋存规律是极为重要的，事实证明，不详细研究高镁部分的赋存规律，往往会影响到矿山的正常生产。另外对于高硅及燧石结核情况，矿石中硅若以硬质结核或晶质形态存在的话，会使石灰石的破碎工序变得困难，降低破碎效率。
4、 矿石的物理力学性质、顶底板及围岩的特性等，矿床水文地质情况，均会对开采产生一定的影响。
二 矿山开采境界线的确定
我们建材行业的石灰石矿山因为受到经济性的限制，只能采用开采成本较低的露天开采方式。地质报告中已给出了储量计算范围，并且已经国家储委进行审查备案。矿山地质及采矿设计的目的就是要将地质报告中给出的地质储量，结合恰当的开采技术条件开采出来，这些设计成果将会在甲方申领的采矿许可证的配套文件中详细地说明，以供国家部门进行逐年核查。
地质设计的第一步，就是要确定具体的开采境界线，一般来说应遵循以下原则：
1、 开采境界内的工业储量不得少于规定的矿山生产服务年限；
2、 矿山开采境界线内的平均剥采比，一般不宜大于0.5：1（t/t）；
3、 地质报告中已探明的工业储量，必须得到充分的利用，在圈定开采境界时，如果未划入境界线内的部分，只要现有的开拓系统没有大的改动，基建投资和工程量没有大幅增加，就应尽量圈入，以保证国家资源的充分合理的利用；
4、 开采范围与国家铁路、公路、工厂、居民区及其它重要的建构筑物之间应保持一个合理的安全防护距离，符合《爆破安全规程》（GB6722－2003）的相关要求；
5、 采场的四周最终边坡必须保持稳定，否则就必须对边坡坡度进行调整，应根据矿岩的稳定性来确定采矿场的边坡角，同时还要避开严重影响边坡稳定性的不稳定岩层和构造带。
我们现在的设计方法一般是先从地质勘探线剖面图入手，地质地形平面图与地质剖面图相结合的办法，在初步确定开采境界之后，再进行边坡角的核算，边坡公路工程的布置，总体剥采比的核算，反复几次，最终才能将最终开采范围确定，这项工作需要有一定的设计经验的积累才能做好。
三 确定采场最终边坡角时应注意的问题
避免出现采矿场的山体滑坡绝对是我们采矿工程师在设计过程中应该注意的首要问题。近年来随着矿山安全事故的频频发生，安全问题已提高到一个受国家关注的极高的层面上来，矿山行业的安全问题尤其备受瞩目。以前我们矿山初步设计中的安全章节，现在已被国家明文规定，必须进行专门的全面安全论述与论证，并且以《安全专篇》的形式出现。从矿山的安全生产预评价开始，到矿山安全篇的正式编写与评审，再到矿山投产前的核查与验收，直至生产中的常规性经常性的检查，任何一个环节如出现任何的问题或疑问，都有可能导致矿山设计工作的返工或正常生产的停顿。矿山安全问题之中，采场边坡的稳定性问题是一个比较重要的方面，它包括生产中的临时开采边坡与永久性的最终边坡的稳定。影响边坡稳定性的主要因素一般包括以下几个方面：
1、 岩石物理力学性质，主要是指岩石的硬度、致密程度、耐风化能力、凝聚力和内摩擦角等；
2、 地质构造，主要是断层、破碎带、节理裂隙和层理面等受力薄弱面等等；如单条断层与边坡走向之夹角<25°，并且倾向相同时，可能引起边坡整体顺大断层面滑落；如几条断层相交把岩层切割成三角体或梯形体时，可能会造成边坡局部失稳并呈三角体滑落；如当节理裂隙比较发育时，要防止端部边坡产生类似几条断层相交所产生的影响；如当采场坡面与同侧岩层顺向，且坡面角大于岩层倾角时，可能产生下盘台段坡面岩石顺层理面滑落等等。
3、 水文地质条件，应考虑地下水活动对岩体稳定性的影响，另外水压力等也必须适当考虑。一般地，在我们所设计的矿山中，此类问题相对来说不是很突出；
4、 开采技术条件、开采深度以及边坡存在的时间长短等等。
最终边坡角包括最终台段坡面角与最终边帮角，最终台段坡面角针对我们目前的石灰石矿山来说，大多数选取70°，实际证明是没有问题的。但针对每个矿山的设计，都要根据具体情况进行具体分析，要结合岩石特征、岩石硬度系数、节理裂隙发育程度等因素来综合选取。当岩层倾角大于30°，并且岩层层面非常发育时，如果所取的台段坡面角大于岩层倾角，则岩石容易滑落，这时最终台面坡面角应和岩层倾角一致，或小于岩层倾角，以保证边坡的稳定。采场的最终边帮角一般可分为两种情况，一是当边坡坡向与岩层面顺向时，应遵循以上所述的原则，由此即可推算出该侧的边帮角；其它的边坡情况下的最终边帮角的选取，在首先遵守地质勘查规范中关于矿山开采技术条件要求的基础上，参照该侧边坡高度、矿岩物理力学性质、并综合各平台预留恰当宽度等情况下，综合选取，必要时还须进行专门的稳定性论证。
四 地质设计中其它必须关注的问题
在确定采场底平面时，首先必须根据地质剖面图上所标注的开采边界线来初步确定底平面的位置。一般地，采矿场的底部应调整为同一标高，或成阶梯状；底平面的边界应尽可能地保持平直，弯曲处应满足运输线路对曲线半径的要求；底平面的最小宽度和长度应满足采掘运输要求；底平面边缘轮廓线的凹入地段应避开岩石不稳定地带，以防边坡地压促使裂隙的进一步发展，从而带来安全隐患。
在设计地质水平分层平面图的过程中，要注意各矿层与岩层的对应关系，并注意对水平横向不连续的层位采取合理的尖灭处理，并注意与地表层位线的合理与顺畅的连接。在计算储量时，应根据实际矿层的形态，选取合理的计算公式，并注意上下水平分层面上地质层位的对应关系，不得错算与漏算。对于上下无对应关系的层位，可按锲形尖灭处理。储量计算完成之后，必须按矿山总体的岩溶率进行储量的校正。一般地，对于勘探类型及矿石质量类型均比较简单的矿山来说，可以采取一种比较简略的储量计算方法，就是先计算整个矿山总的矿岩合量，然后根据矿石品级的分类，例如某矿山绝大多数都是一级品，二级品与夹层只占少数，我们可以只计算二级品与夹层的量，再利用总的合量减去二级品与夹层的量即可得出一级品的储量。
目前我们设计的采剥进度计划表对于矿山生产来说，是一个具有中短期指导意义的表格。其格式的产生历经几十年几代设计人员的更迭，早已为我国建材矿山的管理技术人员所熟悉并使用，但现在随着我们海外项目不断增多，这种表格因为与国际上通行的进度计划表的格式不一致，将会给我们与国外矿山技术人员的交流带来一定的障碍，现在我们正在想办法借助采矿软件，并参照其它行业矿山上的通行做法，对我们目前的格式进行某种程度上的改进，以利与各方面的交流。
以上几个方面，仅仅是我们在进行地质与采矿设计过程中，所面临的一系列问题中间的几个比较有代表性的方面，地质与采矿设计需要依据原始的地质资料，借助设计者的智慧与经验，经过多方计算与比较，才能找出一个比较合理的采矿设计方案来。它没有一定之规，任何两个矿山都没有相同的地方可供抄袭，完全在设计者的头脑中，需要经过长时间的思索与大量的求证，才能得出最后的成果。能独立、完整且高质量地完成一个石灰石矿山的地质与采矿设计，往往代表了一个采矿工程师在技术上的进步与成熟。
目前我们设计中所面临的问题
在我们的实际工作中，却经常遇到这样的问题，一部分甲方因为对于矿山专业的不了解，在对我们进行设计合同的委托时，把矿山的设计混同于工厂的设计过程，认为设计图纸除了表示项目的方案外，就是指导实际的施工，而把最具技术含量的指导矿山实际生产的矿山地质与采矿设计内容忽略。据我们了解，这种不合理的事情只在我们国家出现，以方案设计来替代初步设计，而在我们国家关于矿山初步设计深度的规定中，明确规定了矿山的初步设计必须要进行详尽的地质与采矿设计。客观地来讲，矿山设计是不存在方案设计的这个阶段的。
总体而言，矿山的地质设计只是一种定性的设计，是一种方案性质的设计，它与工厂的针对每一个具体实体的施工图设计的最大不同之处，在于它只是具有不可更改的指导性意义，而并非详细地落实到每一个采矿细节上去，更没有去具体指明每一个矿块的开采尺寸该如何选取等等。
另外另我们头疼的还有地质报告本身。在为整个水泥厂设计的过程中，需要十几个专业配合才能完成，其中矿山专业是个比较特殊的专业，它与其它专业的一个最大的不同在于，它需要接收外部地质队的大量成果资料才能动手设计，它在整个矿山项目建设过程中，是第二道工序。它与结构专业接收内部工艺专业的设计资料所不同的是，矿山专业无法控制外部地质成果的正确性，因此对地质资料进行全面深入的研读显得非常重要。随着我国整个矿山地质行业的全面开放，过分的市场竞争的负面影响正在日益显现。不同矿山行业地质队伍工作的相互渗透，在尚未完全弄懂对方行业矿种的地质特性的情形下就仓促开始工作；甲方不顾技术因素而一味地追求低价中标；地质工作中的弄虚作假（因大多数投资方矿山及地质专门人才的缺乏而造成）；地质工作监理的缺失（我国尚未建立起矿山地质工作强制监理制度）等等。不同矿种因为地质成因的不同，各自特点千差万别，地质及矿体赋存条件以及矿体的空间形态也毫无相同之处，以前计划经济时代，我国实行的是各矿种均各自建立自己的专业化的地质队伍，并且国家从资金上给予保证，这种做法尽管存在一些弊端，但从根本上保证了地质资料的准确性，能为各个资源型工厂提供可靠的地质资料。客观地讲，现在我们建材矿山的地质工作成果的准确性是在逐年下降，近些年很多矿山的地质资料深度不够，或虽然深度已达到要求，但其内部错误不少，主要是不完全按国家规范行事。我国国土资源部于2002年12月17日发布并且于2003年3月1日起实行的《冶金、化工石灰岩及白云岩、水泥原料矿产地质勘查规范》（DZ/T0213－2002）是一个地质矿产行业标准，是地质勘查工作必须遵守的准则性文件与技术性文件。从现有的地质勘探报告来看，问题主要存在于以下两个方面：一是地质工作单位在技术上不存在问题，但具体工作过程中，不认真按规范行事，偷工减料，弄虚作假，以至于最后的报告中生编硬造的痕迹很重；二是本身地质工作单位在技术上就不是很清楚，以至于其勘探设计就不是很合理，最后的报告自然也就难以达到目的。现在整个建材行业矿山专门人才匮乏，工作环境艰苦，并带有一定的危险性，报酬也没有太多的吸引力，很难吸引人才的加入，因而造就了各投资方很难凭借自身的技术力量对其所聘请的地质队伍的工作进行有效的监督，这个问题在短时间内一时还难以解决；另外通过对地质工作实行强制监理制度，也是解决这一问题的有效途经，但地质勘探工作专业性极强，野外工作条件差，据我们了解，近些年地质勘探工作人才流失严重，人才缺乏，另外监理队伍如何建立，还有报酬问题等等，想通过这一途经来解决面前的难题也是困难重重。
对地质及采矿设计工作发展方向的展望
目前我们的这部分设计工作，所采用的仍是传统的以手工为主、计算机为辅的设计方法，这一做法的主要缺点是只能进行定性的设计，对于储量与品位尤其是品位的搭配无法进行精确的计算，对采矿生产只能起到引导性的作用，不能起到精确指导的作用，另外如果想建立一套现代化的矿山数字信息管理系统，首先就必须要解决矿山地质数字化设计问题。现在国际上借助先进的采矿软件，冶金等行业的矿山已全面开始推进数字化矿山设计，国外很多石灰石矿山的设计也已开始大规模推行采矿软件的使用。目前这方面应用比较广泛的采矿软件有SURPAC、DATAMINE、MICROMINE等，这些软件在地质及采矿设计方面各有特色，各有侧重点，比起我们传统的设计方法，这些软件所输出的图纸信息量大，数据精确，除了能完成我们传统的手工图纸中的水平地质分层平面图之外，还能输出水平分层岩性图、水平分层品位图、任意块段的储量及平均品位、矿岩量报告及矿岩搭配后的数据等等，这些数据对采矿生产具有直接的指导作用。以其中的一种目前在国内外使用比较广泛的SURPAC软件为例，来说明一下采矿软件在设计中的应用情况。
澳大利亚SURPAC软件是诸多数字化矿山软件中应用比较广泛的一种，迄今为止已经广泛应用于矿产资源评估、矿山规划设计、矿山生产管理以及矿山闭坑等矿山生产的各个阶段。其突出性能是，提供了强大的三维图形工作区、地质统计学分析和集成的建模环境，使得设计者能够利用有限的信息确定出矿床的地质特征，进而进行全三维图形方式下的采矿设计，数据统计及分析功能强大，内涵丰富。其功能主要涵盖以下几个方面：
1、 钻孔单样原始数据的编录和数据编辑管理
2、 勘探和矿山地质信息的全真录入
3、 露天及地下采矿设计
4、 矿山工程测量模块
5、 采剥进度计划编制
6、 尾矿坝体和复垦设计
该软件的核心模块是一个完全集成的数据可视化和可编辑的、真正意义上的三维图形模块，充分利用了当今计算机强大的图形运算功能，做到三维设计，二维及三维图形输出。
对于我们国家建材矿山独有的槽探数据，是该软件编制时所没有考虑到的，国外石灰石矿山的地质工作一般没有槽探这种做法，这些槽探数据与钻孔单样数据共同标识了我们石灰石矿山的地质化学成份，缺一不可。如何把这些槽探数据全部录入该软件并正确地参与到模型的建立与品位估值中去，这些年我们配合开发商作了不少的工作，现在也已找到了一个比较恰当的方法，从而解决了困扰我们很久的一个难题。
另外该软件还提供了比较强大的二次开发功能，开放了其内部数据结构和函数，客户可以定制自己的工具，进行本地化的设计，这点也非常重要。我认为任何引进采矿软件的设计单位都必须为二次开发及本地化工作付出大量的心血，才能使得软件在各自的设计中发挥出最大的作用。
但万事也并非全如我们想象的那么简单，该软件的使用目前在我国的实际情况中，所遇到的一个最大的难题便是地质数据本身。目前我国地质队普遍采用的是专业化的地质软件来输出地质成果，近年来很多地质成果错误不少，地形图上各种首曲线与计曲线的多维数据不全或不准确，同一份地质报告在不同图纸上对同一地层赋存形态的解释互不对应，直接造成了采矿软件在建立地质模型时数据混乱，也使得我们的设计工时会大幅增加。但采矿软件的全面引入，将把我们从传统的设计方法引进到数字化设计的领域中去，本人认为，数字化设计将是我们采矿设计的终极解决方案。新的设计方法尽管不会为我们节省设计时间，但却能把我们的设计水平提升到一个新的高度，从而满足海外用户及国内高端用户的需求。尤其重要的是，这些工作为将来建立全面的矿山数字化信息管理系统作了一个最重要的铺垫。
