露天矿台阶高度的优化

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1、采矿工程化 3露 天 矿 台 阶 高 度 的 优胡福祥蔡鸿起(马鞍山矿山研究院)摘 要 为确定不同开采设备条件下的露天矿合理台阶高度 ,通过试验研究建立了台阶高度与穿 孔 、 爆破 、 铲装 、 运输 、 修养路 、 损失贫化 、 边帮结构 、 新水平准备之间关系的数学模型 ,并结合高台阶开采 工艺 ,建立了矿山开采系统中的境界自动生成 、 模拟开采 、 生产剥采比优化 、 合理台阶高度决策数学模 型 ,在此基础上 ,编制了确定台阶高度优化软件 。利用该软件进行 的南芬露天铁矿台阶高度优化表明 , 在采用该矿大型开采设备的情况下 ,采用 18 m 高度台阶开采是合理的 ,技术 、 经济效益显著

2、 。 关键词 露天矿 高台阶开采 台阶高度优化The Opt imizat ion of the Bench Height of Open2pit MinesHu FuxiangCai Ho ngqi ( M aans han I nst i t ute of M i ni n g Resea rch)Abstract To determining t he ratio nal bench height of open2pit mines under t he different mining equip2 ment co nditio ns ,a mat hematical model wa

3、s established t hrough experimental research which describes t he rela2 tio nship of bench height wit h drilling , blasting loading haulage , road maintenance ,loss and dilutio n , slope and wall st ruct ure and new level p reparatio n. Also established were , mat hematical models ,in co mbinatio n

4、wit h t he high bench mining technology ,for t he auto matic boundry generatio n in mining system ,mining simulatio n ,op ti2 mizatio n of st ripping ratio in p roductio n and decisio n of ratio nal bench height . On t his basis , a sof t ware for bench height op timizatio n was developed. The bench

5、 height op timizatio n of Nanfen Iro n Open2pit Mine usingt he above sof t ware has shown t hat ,under t he co nditio n of t he large mining equip ment used ,18 m high bench mining is ratio nal and can have remar kable effect s bot h in technology and in eco no my.Key words Open2pit mines , High ben

6、ch mining ,Bench height op timizatio n随着露天开采设备向大型化发展 ,露天开采由目前的中 、 低台阶向高台阶开采发展已成 为必然趋势 。确定露天矿台阶高度是一项系统工程 。在国内 ,该方面的研究还是个空白 ,在国 外只有少数几个国家进行过研究 。前苏联卡 安季玛菲叶维奇博士曾提出了列别金露天矿 最佳工作帮结构的数学模型 ,该模型在露天矿 工作帮最大 、 或工作帮投影最小的目标下 ,考虑 工艺 、 设备 、 岩石力学性质等约束条件 ,求出合 理的台阶高度值 。在德国 ,L echner , E. M . 1 曾 设计了一个确定露天矿台阶高度的软件系统 ,该系

7、统在考虑露天矿作业条件 、 矿山规模 、 开拓工艺 、 矿石质量及剥岩量 5 个因素的基础上设 计的 。为解决我国大型露天矿山采矿设备大型化 后合理台阶高度确定的问题 ,将该专题列入了 国家 “八五” 科技攻关项目 ,以现场工业试验为3 国家 “八五” 科技攻关项目参加本项研究工作的还有 :马鞍山矿山研究院张士全 、 本钢南 芬露天铁矿张桂秋 、 鞍山冶金设计研究院李淑兰 。 胡福祥 , 马鞍山矿山研究院采矿研究所 , 工学硕士 , 工程师 ,243004 安徽省马鞍山市湖北路 9 号 。 1 总第 260 期金属矿山1998 年第 2 期基础 ,系统地进行了台阶高度与各种开采工艺 、参数之间

8、关系的相关理论的研究 ,研制了确定 合理台阶高度软件系统 。1 露天矿台阶高度优化技术路线的确定露天矿台阶高度与开采工艺之间关系主要 表现在 : 不同的台阶高度有不同的孔网参数和 炸药单耗 ; 台阶高度直接影响着钻孔和电铲的作业效率 ,而台阶高度对露天矿的运输系统有 一定的影响 ,从而导致露天矿矿岩运输功和运 输系统修养路费用的变化 ; 设备类型是确定合理台阶高度的一个主要因素 ,因为不同的设备 类型有不同的作业参数 ,所以不同的设备类型 应该有不同的合理台阶高度范围 ; 矿山的地质 条件对合理台阶高度的选择也有影响 ,例如 ,台 阶高度与矿石损失贫化指标有一定的关系 ,而矿体倾角决定着这一关

9、系的密切程度 ; 在确定 合理台阶高度研究中 ,必须应用一些具体的经 济指标 ,而这些指标则直接反映矿山的管理水 平 ; 国家的经济政策对台阶高度的确定也有一 定的影响 ,如贴现率 、 矿石价格 、 设备报价等 。从上分析可知 : 研究确定合理台阶高度必 须全面 、 系统地研究露天开采中对台阶高度有 影响的各种因素 。因此 ,首先要进行现场工业 试验 ; 然后进行台阶高度与露天开采中有关因 素之间关系的理论研究 ,及与确定合理台阶高度有关的相关理论研究 ;最后 ,借用计算机计算 技术 ,研制确定合理台阶高度软件系统 。图 1 为确定露天矿合理台阶研究的技术线路图 。2 台阶高度优化的软件系统2

10、11确定合理台阶高度决策目标分析 编制确定合理台阶高度的软件系统 ,首先 要分析软件系统最终的决策目标 ,及这些目标 的计算途径 。露天开采中的穿 、 爆 、 铲 、 运 、 修养路 5 大因 素对台阶高度的影响很大 ,因此这 5 大因素的综合指标 露天开采的直接作业成本是确定 合理台阶高度的主要决策目标 ,它的计算途径 是通过建立台阶高度与这 5 大因素的数学模 型 , 并结合计算机模拟开采技术计算而得 。 台2 高与养系研图 1 台阶高度优化系统 阶高度不同 ,露天矿的边坡结构也有所不同 ,从 而引起露天矿最终境界的变动 ,因此 ,表示露天 矿最终境界的综合指标 剥岩量和采矿量也 是两个决

11、策目标 。台阶高度对露天矿生产剥采 比有一定的影响 ,因此反映生产剥采比波动的 综合指标 设备投资是确定合理台阶高度的 决策目标之一 。台阶高度对矿石的损失 、 贫化 率影响 很 大 , 因 此 反 映 生 产 质 量 的 综 合 指 标 矿石损失率 和 贫 化 率 也 是 决 策 的 两 个 目 标 ,矿石的损失率和贫化率可通过模拟电铲的 采矿过程 。对于深凹露天矿 ,随着台阶高度的 增加 ,运输重心下降 ,为了客观合理地反映运输 对台阶高度的影响 ,反映露天矿运输系统的综 合指标 当量平均运距也将作为决策的一个 目标 。212数据流分析 确定合理台阶高度值需要集中每个方案的 剥岩量 、 矿

12、量 、 设备投资 、 作业总成本 、 损失率 、工业试验穿孔爆破铲装有关数据收集开采 、 优化 模型的建立台阶高度与相关参 数关系模型的建立境 界 自 动 生 成模 拟 开 采优 化 模 型剥 采 比 优 化台 阶 高 度 与 穿 爆 铲 关 系 的 研 究台 阶 高 度 与 损 失 贫 化 关 系 的 研 究台 阶 高 度 与 新 水 平 准 备 的 研 究台 阶 高 度 与 边 帮 结 构 关 系 的 研 究台 阶 高 度 与 运 输 关 系 的 研 究台 阶度 修路 关的 究软件编制数据流图 确 定层次图 设 计编 码调 试胡福祥等 :露天矿台阶高度的优化1998 年第 2 期贫化率 、

13、 当量平均运距 7 项数据 。剥岩量和矿量来源于境界生成的处理过程 ; 作业成本和设 备投资来源于生产剥采比优化 ; 损失贫化率来 源于损失贫化率计算 ; 当量平均运距来源于运 输计算 ; 生产剥采比优化处理输入数据是模拟结果和成本指标 ; 产生模拟结果的模拟开采处 理的主要输入数据是境界生成处理产生的一些 图形数据 。境界生成是一个重要环节 ,它产生 的数据流向模拟开采 、 模糊决策 、 损失贫化计算 等处理过程 。境界生成处理需要原始的矿体分层图 、 露天底和边坡结构 ,而这些数据需要人工 输入后再处理 ,这就是系统的输入端 。213层次图设计 层次图是系统中各模块之间关系的程序框 图 。

14、根据确定合理台阶高度软件系统的数据流 分析 ,可设计出相应的层次图 (图 2) 。推平行线 ,图线并运算 ,线段插入等技术来实现运输系统计算机生成过程 ; 利用图形交运算来 实现境界和地形的合成 ; 利用多边形求面积原 理来计算分层矿岩量 。312 露天矿模拟开采系统露天矿模拟开采 ,就是露天矿在实际生产 过程中 ,空间状态从露天矿开始到终了的演变 过程 。其模拟原理可分二步来叙述 。 首先是露天 矿 空 间 状 态 演 变 过 程 的 离 散 化 。表面上看 ,露天矿山从开始到终了 ,空间状态在连续不断地变化 。但是 ,实质上看 ,露天矿 空间状态是周期性 、 循环地变化着 。周期的起 点可

15、以看成一个空间状态新水平的开始 ,终点 为该状态新水平准备的结束 。在露天矿新水平 准备的同时 ,新水平以上台阶向外扩帮 ,以保证每个台阶都有正常的作业空间 。图 3 表示露天 矿空间状态演变过程的一个周期 ,表示露天矿 状态 i ,经过一个循环后 , 演变成 i + 1 状态 。 阴影线部分表示在该循环中采出的岩石和矿 石 。每一状态的具体空间状态由新水平准备的 工艺参数和上下盘工作帮坡角来确定 。图 2 层次图 3 系统运用的主要数学模型和计算原理311露天矿境界自动生成系统 露天矿境界生成是露天矿设计 、 生产 、 研究的核心 。计算机生成露天矿境界的步骤和原理 采用模拟人工设计露天境界

16、的步骤和方法 。主 要步骤有 : 一次境界生成 、 二次境界生成 ( 运输系统布置) 、 地形与境界合成 、 分层矿岩量计算 。 露天矿境界计算机生成的主要原理为 : 利用图形推平行线技术来实现露天矿的边帮结 构 ; 利用图形并运算来形成边帮上的不规则平 台 ;模拟人工布置运输系统过程 ,利用图形局部图 3 露天矿空间状态演变过程示意 其次是工作帮移动坑线的布置 。工作帮上 的移动坑线 、 固定帮上的固定坑线和外部运输 系统三者的结合 ,构成了露天矿山完整的运输 网络 。从采场最上一个工作台阶到最下一个工 作台阶上布置移动坑线 ,穷举可得 ( n - 1) m 条 路线 ( n 为一个台阶可布置坑线数 ,