陳彥亭　鞏瑞杰　南世卿　宋愛(ài)東　陳　越

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)研究院；2.河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)鐵礦有限公司)

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露天礦智能配礦系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

陳彥亭1鞏瑞杰2南世卿1宋愛(ài)東1陳越1

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)研究院；2.河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)鐵礦有限公司)

摘要為了保證入選礦石質(zhì)量穩(wěn)定，在利用三維建模軟件表現(xiàn)礦體空間形態(tài)及品位分布的基礎(chǔ)上，充分分析礦山采礦生產(chǎn)工藝，研發(fā)露天礦損失率、貧化率定量化預(yù)測(cè)軟件，提供相對(duì)精確的配礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障；深入分析配礦流程，建立諸多約束條件下的規(guī)劃求解配礦數(shù)學(xué)模型，采用VB與Matlab混合編程，開(kāi)發(fā)智能優(yōu)化配礦軟件，實(shí)現(xiàn)礦塊正交組合、規(guī)劃求解優(yōu)化等功能，使配礦工作定量化、智能化。應(yīng)用結(jié)果表明：配礦軟件操作簡(jiǎn)便、功能實(shí)用，進(jìn)一步穩(wěn)定入選品位，同時(shí)最大限度地利用了境界內(nèi)的低品位礦，提高礦石綜合利用率，降本增效效果顯著。

關(guān)鍵詞智能配礦系統(tǒng)三維建模正交組合規(guī)劃求解低品位礦

為了達(dá)到礦石質(zhì)量指標(biāo)要求，對(duì)品位高低不同的礦石按比例互相搭配，盡量使之混合均勻，稱(chēng)為配礦。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦山配礦管理一般利用計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)建立配礦模型，如線(xiàn)性規(guī)劃、0-1整數(shù)規(guī)劃等，實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)短期作業(yè)質(zhì)量計(jì)劃的編制[1]，此外，一些三維礦業(yè)軟件也具有配礦功能。可見(jiàn)，配礦方法、手段的研究及相應(yīng)軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用是礦山配礦工作的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)有配礦系統(tǒng)及軟件沒(méi)有考慮開(kāi)采損失率、貧化率對(duì)配礦工作的影響，同時(shí)也都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)配礦的智能優(yōu)化。 因此，亟需對(duì)配礦管理工作進(jìn)行多方面、智能化研究，以保證礦山選礦品位的穩(wěn)定。

1礦山配礦工作簡(jiǎn)介

司家營(yíng)露天礦屬鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，礦石全部為貧鐵礦，平均地質(zhì)品位全鐵為29.13%(不包括表外礦)，雖有極少數(shù)富礦(TFe>45%)，但不足以考慮單獨(dú)利用。圖1為利用地質(zhì)鉆孔化驗(yàn)樣品樣長(zhǎng)組合后的6 092組全鐵樣品建立的分布直方圖，可以看出，數(shù)據(jù)主要集中在25%～35%，但對(duì)于礦山的入選品位要求來(lái)說(shuō)，峰值仍然較寬，特別是對(duì)于邊界品位20%以上的原生低品位礦初步設(shè)計(jì)按利用考慮后[2]，礦石的品位變化幅度進(jìn)一步變大，更需通過(guò)配礦工作保證入選礦石品位的穩(wěn)定[3]。

圖1　6092組全鐵數(shù)據(jù)分布直方圖

司家營(yíng)露天礦配礦工作是在每隔一定時(shí)間對(duì)采場(chǎng)礦石預(yù)選的基礎(chǔ)上，由主管領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員根據(jù)試驗(yàn)、化驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)等估計(jì)各爆堆的礦石質(zhì)量，然后人工確定配礦比例，鏟裝運(yùn)輸按此比例出礦；主要采用經(jīng)驗(yàn)的、半定量的人工配礦方式，在一定程度上穩(wěn)定了出礦品位，基本保證了選廠(chǎng)對(duì)礦石品位的要求，但受爆堆礦石質(zhì)量波動(dòng)的劇烈程度及配礦技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)、工作責(zé)任心等因素影響，供礦品位容易產(chǎn)生較大波動(dòng)。

因此，根據(jù)司家營(yíng)鐵礦配礦生產(chǎn)的實(shí)際開(kāi)發(fā)能夠進(jìn)行損失率、貧化率預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)智能優(yōu)化計(jì)算的配礦軟件，使配礦工作定量化、自動(dòng)化，最大限度地減少采出品位波動(dòng)及不必要的人為因素影響，穩(wěn)定和改善現(xiàn)有的配礦質(zhì)量，保障選礦生產(chǎn)指標(biāo)穩(wěn)定[4]。

2礦山三維模型建立

考慮礦體的整體特征，利用已有的探采工程(探槽、炮孔、掌子面)反映、揭露的礦體產(chǎn)狀、厚度、夾巖變化情況，結(jié)合已有的地質(zhì)勘探資料，利用3DMine三維建模軟件建立礦體開(kāi)采現(xiàn)狀模型，提供更為準(zhǔn)確的礦體變化、品位分布三維模型資料(圖2)，為智能優(yōu)化配礦提供地質(zhì)保證。

圖2　礦體全鐵分布與開(kāi)采現(xiàn)狀耦合三維模型

3配礦系統(tǒng)研發(fā)

影響入選礦石穩(wěn)定的因素有很多，現(xiàn)有的研究手段和方法中，有些是定性的，如脈石礦物的種類(lèi)、嵌布特征等；有些是定量的，主要檢測(cè)的為全鐵和亞鐵2種因素，故本次也是研究穩(wěn)定全鐵、亞鐵指標(biāo)的智能優(yōu)化配礦系統(tǒng)。

多目標(biāo)規(guī)劃是數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個(gè)分支，研究多于一個(gè)的目標(biāo)函數(shù)在給定區(qū)域上被同等地最優(yōu)化(極小化或極大化)的問(wèn)題，又稱(chēng)多目標(biāo)最優(yōu)化。以入選全鐵、亞鐵值為目標(biāo)的配礦優(yōu)化正符合多目標(biāo)規(guī)劃的適用條件。

3.1雙因素規(guī)劃求解配礦數(shù)學(xué)模型建立

通過(guò)調(diào)研，司家營(yíng)露天礦為多出礦點(diǎn)、單受礦點(diǎn)且沒(méi)有儲(chǔ)礦堆場(chǎng)的需采場(chǎng)過(guò)程配礦型礦山。其配礦數(shù)學(xué)模型可簡(jiǎn)化為n個(gè)出礦點(diǎn)，1個(gè)受礦點(diǎn)[5]，其中第j個(gè)出礦點(diǎn)的出礦量為xj，出礦全鐵品位為gj，亞鐵品位為kj。雙因素品位配礦的規(guī)劃數(shù)學(xué)模型應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)約束條件。

3.1.1最低出礦量和生產(chǎn)能力約束

各出礦點(diǎn)的產(chǎn)量必須為其生產(chǎn)技術(shù)條件所允許，并滿(mǎn)足礦山計(jì)劃(生產(chǎn)任務(wù))的要求，于是有

(1)

式中，xj為第j個(gè)出礦點(diǎn)(電鏟)計(jì)劃出礦量，t；Aj為第j個(gè)出礦點(diǎn)能夠挖掘的最大礦石量(挖掘設(shè)備最大能力)，t；Qj為第j個(gè)出礦點(diǎn)必需挖掘的最小礦石量，t，由計(jì)劃部門(mén)指定，可調(diào)。

3.1.2破碎站破碎能力約束

每個(gè)出礦點(diǎn)的礦石需運(yùn)送至破碎站破碎配礦，設(shè)破碎站一天的破碎指標(biāo)為Qr，則

(2)

3.1.3供礦量約束

每天采場(chǎng)需保證的最低出礦量為

(3)

3.1.4配礦質(zhì)量約束

入選全鐵品位應(yīng)不低于最低品位gmin和不高于最高品位gmax，入選亞鐵品位應(yīng)不低于最低品位kmin和不高于最高品位kmax，因此采出礦石的綜合質(zhì)量應(yīng)滿(mǎn)足

(4)

(5)

(6)

(7)

3.1.5優(yōu)先出礦約束

因調(diào)整采場(chǎng)布局及采礦計(jì)劃等原因，某些爆區(qū)需優(yōu)先鏟裝，這樣的出礦點(diǎn)的權(quán)重設(shè)置比其他爆區(qū)高，如第j個(gè)出礦點(diǎn)的權(quán)重高于第j+1個(gè)出礦點(diǎn)，則相應(yīng)權(quán)重pj和pj+1可設(shè)置為

(8)

要求配礦全鐵目標(biāo)品位為g，亞鐵目標(biāo)品位為k,因此，目標(biāo)函數(shù)可取配礦后的品位偏差為最小，即

(9)

式中，xj為第j個(gè)出礦點(diǎn)的計(jì)劃出礦量，t；gj為第j個(gè)出礦點(diǎn)的品位,%；g為理想出礦品位,%；kj為第j個(gè)出礦點(diǎn)的亞鐵品位，%；k為理想出礦品位，%。

3.2配礦模型的求解

上述數(shù)學(xué)模型的求解軟件有很多種，考慮到與VB混合編程的需要，采用Matlab工具箱的目標(biāo)達(dá)到法，調(diào)用fgoalattain函數(shù)求解，其一般調(diào)用格式：[x，fval]=fgoalattain(fun，x0，goal，weight，A，b，aeq，beq，lb，ub，nonlcon，options),其中，x、fval為函數(shù)返回的決策變量及目標(biāo)函數(shù)向量值；fun為需要最小化的目標(biāo)函數(shù)；x0為求解的初始值；goal為目標(biāo)函數(shù)期望值；weight為目標(biāo)權(quán)重;其他相關(guān)信息詳見(jiàn)《Matlab優(yōu)化工具箱手冊(cè)》。選廠(chǎng)對(duì)入選原礦全鐵、亞鐵不同級(jí)別的要求，可以通過(guò)對(duì)goal與weight參數(shù)的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3最小配礦單元?jiǎng)澐?/p>

一般情況下，一個(gè)爆區(qū)的礦量常是日供礦量的2～3倍，甚至更大；在品位變化不大的爆區(qū)平均品位有代表意義，能表征此出礦點(diǎn)礦石品位；但在品位變化較大的爆區(qū)，平均品位并不能真正反映此出礦點(diǎn)當(dāng)天供礦的礦石品位，因此，有必要將其劃分為更小的配礦單元，見(jiàn)圖3。

最小配礦單元?jiǎng)澐衷瓌t上應(yīng)包含若干個(gè)炮孔，一般為3～4個(gè)炮孔，實(shí)際劃分時(shí)可綜合考慮鏟裝設(shè)備型號(hào)、作業(yè)能力、炮孔間距及地質(zhì)品位變化等因素，確定最小配礦單元尺寸；根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃可對(duì)礦塊進(jìn)行合并，使其滿(mǎn)足產(chǎn)量要求。

3.4系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

利用VB編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)具有獨(dú)立界面的配礦系統(tǒng)軟件，進(jìn)行VB與Matlab、3Dmine、excel的混合編程及集成[6]，將3Dmine軟件作為圖像操作、顯示平臺(tái)，利用Matlab生成的DLL文件作為數(shù)據(jù)處理核心，實(shí)現(xiàn)與3Dmine建模軟件的無(wú)縫連接、配礦信息自動(dòng)獲取、配礦礦塊自動(dòng)標(biāo)識(shí)、配礦規(guī)劃求解計(jì)算、配礦結(jié)果三維顯示等主要功能，使配礦工作定量化、精細(xì)化、智能化。

圖3　爆區(qū)最小配礦單元?jiǎng)澐?/p>

3.4.1與3Dmine軟件無(wú)縫連接

在本軟件內(nèi)啟動(dòng)、連接3Dmine軟件，充分利用3Dmine軟件已有的繪圖、實(shí)體建模、塊體建模等功能完成相應(yīng)操作，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其部分自動(dòng)控制，見(jiàn)圖4。

3.4.2配礦信息獲取及礦塊標(biāo)識(shí)

根據(jù)提示選擇爆區(qū)所屬礦塊(3Dmine軟件內(nèi)的采掘帶)，程序自動(dòng)完成礦塊配礦信息的提取，并對(duì)礦塊進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)具有唯一性，如“爆區(qū)1礦塊1”，便于識(shí)別及程序判斷、查找，見(jiàn)圖5。

3.4.3爆區(qū)貧化率及損失率預(yù)測(cè)

損失率、貧化率對(duì)采出礦石的品位影響很大，特別是貧化率。因此本次研究在爆區(qū)礦體實(shí)體建模、三維刻畫(huà)礦體空間特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合電鏟型號(hào)規(guī)格和臺(tái)階工作邊幫角，采用微分采礦單元的思路，實(shí)現(xiàn)不同礦體賦存條件、不同掘進(jìn)方向、不同礦巖截止邊界條件下采礦損失貧化率快速、方便預(yù)測(cè)，并在平面上給出礦石、含礦廢石及廢石的分布范圍等，至此稱(chēng)為“一步預(yù)測(cè)”；并可在此基礎(chǔ)上，參考各點(diǎn)的含礦比例等屬性進(jìn)行出礦位置、剔除夾巖位置的二次圈定，繼而利用軟件“二步預(yù)測(cè)”功能重新計(jì)算圈定后爆區(qū)的損失率、貧化率，使預(yù)測(cè)結(jié)果更加貼近生產(chǎn)實(shí)際。圖6為采場(chǎng)某臺(tái)階的損失貧化率預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)結(jié)果非常形象、清晰。

3.4.4正交組合規(guī)劃求解計(jì)算

在正交組合配礦模塊界面下，可以修改配礦目標(biāo)全鐵、亞鐵品位值、權(quán)重、出礦量、計(jì)劃最小出礦量、計(jì)劃最大出礦量、出礦鏟數(shù)等參數(shù)；進(jìn)行多爆區(qū)多礦塊正交組合，完成一個(gè)組合后將組合礦塊的品位、礦量限制等信息傳給上述Matlab生成的規(guī)劃求解DLL，將結(jié)果(各礦塊的出礦量)傳回組合結(jié)果表，在數(shù)據(jù)庫(kù)里將求解后的配礦方案按組合序號(hào)和礦塊號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，之后循環(huán)進(jìn)行下一個(gè)組合(配礦方案)的規(guī)劃求解，直至完成所有組合求解(圖7)；對(duì)所有組合的求解結(jié)果進(jìn)行方案比較，將滿(mǎn)足條件的方案排列好供決策者選擇(表1)，各個(gè)方案的規(guī)劃求解結(jié)果優(yōu)劣直觀(guān)、一目了然，最終實(shí)現(xiàn)配礦方案在規(guī)劃求解優(yōu)化的基礎(chǔ)上再優(yōu)中選優(yōu)。

圖4　智能配礦軟件與3Dmine軟件連接示意

圖5　配礦軟件在3Dmine軟件內(nèi)的配礦信息獲取

圖6　采場(chǎng)某臺(tái)階損貧預(yù)測(cè)結(jié)果

3.4.5供配礦方案整數(shù)比轉(zhuǎn)化

表1中各爆區(qū)各礦塊的出礦量是理論計(jì)算出來(lái)的，現(xiàn)場(chǎng)配礦操作性差，為了解決這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了“整數(shù)比”計(jì)算功能，即將各爆區(qū)各礦塊出礦量轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)明的整數(shù)，轉(zhuǎn)化后計(jì)算相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值、全鐵及亞鐵值，所有方案轉(zhuǎn)化后再進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)排序(表2)，再?gòu)闹羞x擇適宜的配礦方案。

3.4.6配礦結(jié)果三維顯示

配礦技術(shù)人員根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇相應(yīng)的配礦方案后，通過(guò)“三維顯示配礦結(jié)果”功能程序切換到3Dmine軟件，改變出礦礦塊顏色，將所需配礦礦塊顯示在采場(chǎng)現(xiàn)狀三維模型上，并用文字標(biāo)示出該礦塊的所需出礦量(圖8)，用對(duì)話(huà)框的形式顯示該方案配礦后的全鐵、亞鐵值，從圖中選擇配礦礦塊后，提取爆區(qū)的范圍坐標(biāo)，地測(cè)人員即可到現(xiàn)場(chǎng)定位出相應(yīng)的實(shí)際位置，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員標(biāo)識(shí)后，電鏟即可按此標(biāo)記進(jìn)行鏟裝作業(yè)，保證出礦位置的準(zhǔn)確，避免電鏟越界鏟挖，導(dǎo)致配礦結(jié)果失準(zhǔn)；如果配礦技術(shù)人員綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)難以執(zhí)行選擇的配礦方案，可以將其他的配礦方案顯示在三維現(xiàn)狀圖上，直至找到最合適的配礦方案。

圖7　礦塊正交組合規(guī)劃求解配礦程序流程

4應(yīng)用效果

該配礦系統(tǒng)2014年1月在礦山試用，搜集了應(yīng)用前后3個(gè)月氧化礦每個(gè)臺(tái)班的入選品位信息，整理成以日為單位的入選品位信息。圖9為項(xiàng)目應(yīng)用之前3個(gè)月的日全鐵入選品位波動(dòng)曲線(xiàn)，可以看出，除2013年11月份波動(dòng)較小外，其他2個(gè)月的入選全鐵品位波動(dòng)幅度大、頻繁。圖10為試用后3個(gè)月的全鐵入選品位波動(dòng)曲線(xiàn)，可以看出，品位曲線(xiàn)波動(dòng)幅度明顯變小，波動(dòng)也不劇烈。為了進(jìn)一步深入分析品位數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，計(jì)算出應(yīng)用前后入選品位的標(biāo)準(zhǔn)差，應(yīng)用前為0.963，而應(yīng)用后為0.788，同比降低了18.1個(gè)百分點(diǎn)。綜上所述，說(shuō)明入選礦石的全鐵品位穩(wěn)定性得到了很大程度的提高，同時(shí)，最大限度地利用了境界內(nèi)的低品位礦石。

表1　配礦方案求解結(jié)果排列

表2　整數(shù)比轉(zhuǎn)化配礦方案排列

圖8　配礦結(jié)果三維顯示

5結(jié)論

(1)借助三維軟件清晰、直觀(guān)地表現(xiàn)出礦體的三維空間展布及品位分布等，為配礦工作提供了更加可靠地質(zhì)模型保障。

(2)首次將損貧指標(biāo)引入到配礦研究中，并成功研究出露天礦損失率、貧化率快速、方便的預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)結(jié)果貼近生產(chǎn)實(shí)際。

(3)通過(guò)分析礦山采礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，建立了最大破碎能力等諸多約束條件下的規(guī)劃求解數(shù)學(xué)模型。

圖9　2013年10—12月日入選品位波動(dòng)曲線(xiàn)

圖10　2014年1—3月日入選品位波動(dòng)曲線(xiàn)　　(4)利用VB與Matlab混合編程開(kāi)發(fā)出智能優(yōu)化配礦軟件，實(shí)現(xiàn)配礦信息的自動(dòng)提取、智能組合優(yōu)化計(jì)算及配礦結(jié)果三維顯示等功能，使配礦工作定量化、智能化、最優(yōu)化。

(5)配礦系統(tǒng)應(yīng)用后，入選品位的穩(wěn)定性得到很大程度的提高，最大限度地實(shí)現(xiàn)了境界內(nèi)低品位礦的配礦利用，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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(收稿日期2015-12-07)

Research and Application of Intelligent Ore Matching System of Open-pit Mine

Chen Yanting1Gong Ruijie2Nan Shiqin1Song Aidong1Chen Yue1

(1.Mining Design Institute, Hebei Iron and Steel Group;2.Sijiaying Iron Mine Co., Ltd., Hebei Iron and Steel Group)

AbstractIn order ensure the stable ore quality, the ore-body morphological characteristics and grade distribution characteristics are shown by adopting three-dimensional modeling software, based on this, the quantitative predicting software of loss rate and dilution rate of open-pit mine is developed by analyzing the mining production techniques to provide the relatively accurate ore matching basic data. The ore matching process is analyzed in depth, the programming solver ore matching mathematical model under a number of constraint conditions is established. The intelligent ore matching software is developed by using VB and Matlab language to realize the functions of ore block orthogonal combination and programming solver and optimization to promote the development of quantitative and intelligentize ore matching work. The application results of the software show that the ore matching software developed in this paper has the characteristics of simple operation and practical function, it can make stable ore grade and make full of the low grade ore inside of mining boundary. Besides that, it also help to improve the ore comprehensive utilization rate. On the whole, the effects of cost decreasing and benefit increasing are good.

KeywordsIntelligent ore matching system, Three-dimensional modeling, Orthogonal combination, Programming solver, Low grade ore

陳彥亭(1981—)，男，副主任，工程師，063700 河北省灤縣。

·材料·裝備·