鐵礦資源采選生產(chǎn)能力產(chǎn)能配置優(yōu)化研究——以寬城縣長河礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)鐵礦資源開發(fā)為例

○馮春濤

（中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院 北京 101149）

一、鐵礦資源采選生產(chǎn)能力配置優(yōu)化動因

1、國內(nèi)外鐵礦石供需形勢為加快開發(fā)利用磁鐵礦資源提供發(fā)展契機(jī)

從我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展趨勢來看，由于我國的鐵礦石品位低、大型礦床少，礦石種類復(fù)雜，開采難度大，成本高，噸鋼鐵礦石需求強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于其他發(fā)達(dá)國家（由于冶煉方式的不同），很難滿足當(dāng)前我國鋼鐵工業(yè)對鐵礦石的大量需求。從對全球鐵礦石供需形勢分析來看，鐵礦石依然處于供不應(yīng)求的局面還將持續(xù)。雖然伴隨著鐵礦石主要供應(yīng)方B H P、V a l e、Rio、F MG擴(kuò)大產(chǎn)能規(guī)模，全球鐵礦石供需或?qū)⒍虝黑呌谶^剩的現(xiàn)狀，但由于以中國、印度等為主導(dǎo)的發(fā)展中國家新一輪的工業(yè)化進(jìn)程及其全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇前景必將帶動全球鋼鐵工業(yè)的大力發(fā)展。同時，由于鐵礦石主要供給方高度集中的優(yōu)勢，在未來的相當(dāng)長的一段時期來看，對于作為冶煉用鐵精粉的價格也將處于穩(wěn)定波動局面。上述客觀事實的存在，為賦存超貧釩鈦磁鐵礦和鞍山式磁鐵礦資源的寬城礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)加快開發(fā)利用磁鐵礦資源提供發(fā)展契機(jī)，使其成為發(fā)展縣域經(jīng)濟(jì)的重要支撐點。

2、實現(xiàn)資源合理開發(fā)利用

礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)的科學(xué)發(fā)展要遵循礦產(chǎn)資源的適度開發(fā)與利用的規(guī)律，就依托長河流域的礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)而言，要避免礦區(qū)超貧釩鈦磁鐵礦資源和鞍山式磁鐵礦資源的過度開發(fā)利用，調(diào)控的目的也要使資源的開發(fā)利用規(guī)模與寬城縣縣域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展相協(xié)調(diào)，同時，使礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境得到有效保護(hù)，通過對超貧釩鈦磁鐵礦和鞍山式磁鐵礦資源礦石生產(chǎn)能力和開發(fā)利用規(guī)模進(jìn)行科學(xué)合理調(diào)控，也是落實全面協(xié)調(diào)和科學(xué)發(fā)展觀的具體體現(xiàn)。

3、促進(jìn)縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展

合理調(diào)控經(jīng)濟(jì)區(qū)磁鐵礦資源開發(fā)利用是實現(xiàn)資源優(yōu)勢向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢轉(zhuǎn)變，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求。在適度的范圍內(nèi)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模有助于寬城縣縣域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展壯大。

二、鐵礦資源選礦生產(chǎn)能力配置優(yōu)化模型選擇

鐵礦資源采選生產(chǎn)能力優(yōu)化模型的建立包括以下三個方面需要考慮，目標(biāo)函數(shù)的確立，優(yōu)化設(shè)計變量、附帶約束條件的數(shù)學(xué)模型。

1、目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)各集團(tuán)公司所屬各礦山采、選生產(chǎn)情況，2009年處理超貧釩鈦磁鐵礦石的各選廠以及處理鞍山式磁鐵礦石資源的各選廠的選礦能力總體礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)處理超貧釩鈦磁鐵礦石的選廠（包括在建，擴(kuò)建）共28家，2009年產(chǎn)鐵精粉362.24萬噸，鐵精粉平均品位64%～66%，礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)處理鞍山式磁鐵礦鐵礦石的選廠共33家，2009年年產(chǎn)鐵精粉215.4萬噸/年，鐵精粉平均品位62%～66%。在遺傳算法的過程中將礦山不同礦種選礦能力（噸/年）設(shè)為基本的種群個體，利用個體求解適應(yīng)度，將所有礦山選礦能力的總和確定為適應(yīng)度，以適應(yīng)度最大為目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)化計算。目標(biāo)函數(shù)在遺傳算法中是個重要的控制主角，它強(qiáng)調(diào)了問題中最終目標(biāo)及限制條件的相對重要性，目標(biāo)函數(shù)包括了兩個部分即目標(biāo)部分和懲罰部分。

（1）目標(biāo)：以下為目標(biāo)函數(shù)F：

式中，i表示各礦業(yè)集團(tuán)（i=1，2，…，n）；Dj若代表各礦業(yè)集團(tuán)所屬選廠的選礦能力（j=1，2，3，...，n），依次類推。Wi為權(quán)重系數(shù)，權(quán)重的取值根據(jù)各因子的重要程度來定義，S為因子取值限制懲罰函數(shù)。

（2）懲罰：第二個部分，包括了限制條件是否符合于目標(biāo)所設(shè)定的條件，懲罰函數(shù)R在遺傳算法中是根據(jù)違反限制條件的合適程度來定義，但是需要注意的是若違反限制條件系數(shù)S過高，會使設(shè)計變的不合理。

（3）優(yōu)化設(shè)計變量。根據(jù)以上目標(biāo)函數(shù)的設(shè)定，這里優(yōu)化設(shè)計變量為：

D=Y DijY

式中，D同上，Dij表示各集團(tuán)所屬各選廠的選礦能力。

2、約束條件

根據(jù)已有資料，目前礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)各集團(tuán)公司各選廠的基本情況和存在的問題如下。

（l）隨著各廠礦生產(chǎn)礦種結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)能力的不斷變化，各選廠選礦能力和選礦對象在不斷發(fā)生變化和調(diào)整；（2）隨著礦山生產(chǎn)的變化，雖然選礦總能力大于礦山生產(chǎn)能力，但選礦生產(chǎn)能力結(jié)構(gòu)不適應(yīng)礦山生產(chǎn)發(fā)展要求；（3）從集團(tuán)公司各生產(chǎn)區(qū)域來看，現(xiàn)有尾礦庫供求不平衡；（4）部分選廠生產(chǎn)用水由坑下供給，生產(chǎn)成本較低，有獨立的供電系統(tǒng)和廠前回水系統(tǒng)，有些選廠則存在早季缺水，需外購生產(chǎn)用水。

綜上所述，礦山選廠能力主要約束條件包括5個方面。供礦約束，結(jié)合礦山的資源儲量；尾礦庫庫容約束，考慮挖潛改造擴(kuò)容后的庫容量；選礦用水用電及供電、供（回）水約束；開拓運輸系統(tǒng)工程的布置；經(jīng)濟(jì)效益最大化。

選廠能力優(yōu)化，牽扯到多影響因素，考慮所有影響因素不太現(xiàn)實，因此需要掌握一個原則，那就是選擇那些對目標(biāo)、約束函數(shù)影響大的影響因素，結(jié)合實際，我們選擇供礦約束；供水資源約束；尾礦庫庫容約束，作為三個對其他相關(guān)的約束。

第一，供礦約束。供礦約束是影響各選廠選礦能力的最主要限制條件，根據(jù)礦山保有資源儲量表，對各集團(tuán)選廠供礦約束如下：

對各集團(tuán)選廠供礦約束如下：

參數(shù)設(shè)定如下：

分別選定Excel窗體內(nèi)H 19和H 23字段為目標(biāo)函數(shù)，采用Recipe的方法來進(jìn)行求解。對于其設(shè)定則采原設(shè)定值選擇，對所有基因染色體設(shè)定變量范圍，變量范圍根據(jù)變量的約束條件設(shè)定，在本數(shù)據(jù)庫內(nèi)以任意實數(shù)形式表示。

三、鐵礦資源開采生產(chǎn)能力配置優(yōu)化模型選擇

鐵礦石開采生產(chǎn)能力優(yōu)化模型不僅考慮理論模型所的結(jié)果，還要結(jié)合實際現(xiàn)狀，予以修正。

1、鐵礦石開采生產(chǎn)能力優(yōu)化理論模型

金屬礦山合理生產(chǎn)規(guī)模的確定是金屬礦山項目開發(fā)過程中一項非常重要的決策要素，許多決策要素均以生產(chǎn)規(guī)模為中心進(jìn)行確定。生產(chǎn)規(guī)模的大小與礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)，因此，在礦山前期規(guī)劃中做好生產(chǎn)能力優(yōu)化工作至關(guān)重要，金屬礦山合理生產(chǎn)規(guī)模的確定，涉及地質(zhì)資源條件、開采技術(shù)條件，礦區(qū)內(nèi)外部多種技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等因素，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。

泰勒模型雖然并沒有完全包括影響金屬礦山確定合理生產(chǎn)規(guī)模的諸多因素，但作為一個經(jīng)驗公式，用于初步確定礦山生產(chǎn)規(guī)模是具有一定的參考與實用價值的。一些學(xué)者通過對我國一些礦山的統(tǒng)計分析，提出修正的泰勒模型作為否作為我國礦山初步確定合理服務(wù)年限，修正后的泰勒公式為：

考慮±20%波動范圍，則有：Qa=0.65 Q0jg.84（1±0.2）式中：Qjg表示礦床的工業(yè)儲量（百萬t），Qa表示礦山生產(chǎn)規(guī)模，泰勒模型實際上提出了礦山地質(zhì)資源儲量、礦山合理生產(chǎn)規(guī)模及礦山經(jīng)濟(jì)壽命之間的匹配關(guān)系。因為該公式簡便易用，在礦山設(shè)計和估算礦山生產(chǎn)規(guī)模時具有一定的價值。

而礦山地質(zhì)資源儲量、礦山生產(chǎn)規(guī)模與其服務(wù)年限的關(guān)系可用下表達(dá)式：

式中：Tp表示礦山合理服務(wù)年限（a），K=1.3-1.5為儲量備用系數(shù)，地下礦K=1.3-1.5，露天礦K=1.1-1.3，其它符號意義同上。

2、修正參數(shù)

為了使模型能夠準(zhǔn)確反映礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)實際礦石生產(chǎn)能力現(xiàn)狀，須考慮實際各集團(tuán)公司采選過程中的選礦比，對泰勒模型予以修正。各集團(tuán)公司選礦比如表1、表2所示。

表1 處理超貧釩鈦磁鐵礦石的選礦比

表2 處理鞍山式磁鐵礦石的選礦比

四、優(yōu)化結(jié)果與分析

1、鐵礦石開采生產(chǎn)能力優(yōu)化結(jié)果分析

（1）亮甲臺超貧釩鈦磁鐵礦開采生產(chǎn)能力優(yōu)化。本次礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)鐵礦資源規(guī)劃涉及位于礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)的亮甲臺共6個超貧釩鈦磁鐵礦礦帶，8個礦體；2009年礦石實際生產(chǎn)能力為780萬噸。

依據(jù)生產(chǎn)能力綜合優(yōu)化理論模型，結(jié)合實際選冶需求，8個礦體的開采礦石生產(chǎn)能力達(dá)到2702萬噸/年，其中亮甲臺Ⅰ-1礦體、Ⅰ-2礦體、Ⅰ-3礦體、Ⅱ礦體、Ⅲ礦體、Ⅳ礦體合理開采礦石生產(chǎn)能力為1036萬噸/年，東川Ⅰ礦體合理開采礦石生產(chǎn)能力為40萬噸/年，合理鐵礦石生產(chǎn)能力為1076萬噸/年，生產(chǎn)服務(wù)年限平均17年。

（2）孤山子超貧釩鈦磁鐵礦開采生產(chǎn)能力優(yōu)化。孤山子超貧釩鈦磁鐵礦礦體，2009年孤山子超貧釩鈦磁鐵礦礦石實際生產(chǎn)能力為2930萬噸。結(jié)合實際選冶需求，劍鋒集團(tuán)所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區(qū)、泰豐集團(tuán)所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區(qū)、寬安礦業(yè)所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區(qū)、京城集團(tuán)所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區(qū)、恒泰集團(tuán)所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區(qū)2009年開采礦石量分別為670萬噸/年、630萬噸/年、60萬噸/年、1200萬噸/年、250萬噸/年，依據(jù)生產(chǎn)能力綜合優(yōu)化理論模型，合理生產(chǎn)能力應(yīng)為2740萬噸/年，平均生產(chǎn)服務(wù)年限為20年。

（3）鞍山式磁鐵礦石開采能力優(yōu)化。礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)除超貧釩鈦磁鐵礦床鐵礦帶外還存在沉積變質(zhì)磁鐵石英巖型礦床，礦石自然類型主要為磁鐵石英巖型，工業(yè)類型屬“鞍山式磁鐵礦”，礦石品位（T F e）29%～35.17%之間，具有工業(yè)價值的礦體161條。2010年鞍山式磁鐵礦石實際開采能力為453萬噸。礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)鞍山式磁鐵礦開采，依據(jù)資源儲量，規(guī)劃期10年內(nèi)，每年開采產(chǎn)礦石量可達(dá)到619萬噸/年。依據(jù)生產(chǎn)能力綜合優(yōu)化理論模型，并考慮實際生產(chǎn)能力現(xiàn)狀，尾礦庫資源、可供水資源條件約束，到2015年，鞍山式磁鐵礦石開采合理生產(chǎn)能力達(dá)到592萬噸，2015—2020年，寬豐集團(tuán)的唐家莊礦業(yè)公司、婁臺子礦業(yè)公司、雙洞子礦業(yè)公司、兆豐集團(tuán)上院礦業(yè)公司、福林礦業(yè)公司進(jìn)一步做好深部勘查工作的基礎(chǔ)上，2020年鞍山式磁鐵礦石開采能力維持在592萬噸/年。合理服務(wù)年限22年。

2、鐵礦資源選礦生產(chǎn)能力優(yōu)化

（1）超貧釩鈦磁鐵礦選礦生產(chǎn)能力優(yōu)化。基于選廠生成能力優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型，綜合考慮資源賦存狀況、技術(shù)設(shè)備更新能力、水資源及尾礦庫配置能力，考慮礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)礦業(yè)集團(tuán)所屬各選廠相繼擴(kuò)大產(chǎn)能，在天寶礦業(yè)新建一產(chǎn)能為80萬噸/年的選廠，京城礦業(yè)集團(tuán)新建一產(chǎn)能為100萬噸/年的選廠這一實際，長河礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)處理超貧釩鈦磁鐵礦石的產(chǎn)能總規(guī)模可達(dá)到864.5萬噸/年。遠(yuǎn)期（2015—2020年），考慮資源賦存條件、尾礦庫資源利用條件等因素，考慮天寶集團(tuán)、京城集團(tuán)、恒泰集團(tuán)所屬部分選廠進(jìn)一步擴(kuò)大選礦生產(chǎn)能力，新建兩家年處理超貧釩鈦磁鐵礦石60萬噸/年和100萬噸/年鐵精粉的選廠，可以保障長河礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)到2020年時處理超貧釩鈦磁鐵礦石的選廠生產(chǎn)能力達(dá)到年產(chǎn)鐵精粉1244.5萬噸/年。

（2）優(yōu)化鞍山式鐵礦選礦生產(chǎn)能力。考慮鞍山式磁鐵礦資源賦存條件和可采條件，讓部分選廠如：龍源所屬龍泉選廠、福林公司所屬福林選廠等達(dá)到設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模，使得2015年處理鞍山式磁鐵礦石的選廠規(guī)模達(dá)到年產(chǎn)鐵精粉256.8萬噸/年，遠(yuǎn)期（2015—2020年），在逐步做好深部地質(zhì)詳查工作的基礎(chǔ)上，到2020年，處理鞍山式磁鐵礦石的選廠規(guī)模維持年產(chǎn)鐵精粉256.8萬噸/年。

五、鐵礦資源采選生產(chǎn)能力產(chǎn)能配置優(yōu)化保障措施

1、優(yōu)化超貧釩鈦磁鐵礦的采選生產(chǎn)能力保障措施

（1）優(yōu)化超貧釩鈦磁鐵礦開采能力。對隸屬礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)的超貧釩鈦磁鐵礦體，礦山應(yīng)采用自上而下臺階式開采，礦山最終產(chǎn)品為磁鐵礦石原礦，塊度不大于350 m m。在充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施的基礎(chǔ)上，增加或更新生產(chǎn)設(shè)備，主要考慮使用容量大的電鏟設(shè)備，同時結(jié)合該礦礦區(qū)范圍大，礦體形成獨立采場多，開采剝離量大等實際情況來確定各礦體的開采先后順序。在原有形成獨立采場的基礎(chǔ)上，增加采區(qū)作業(yè)面，增加采場數(shù)量，建立多套獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)。

（2）優(yōu)化超貧釩鈦磁鐵礦資源選礦技術(shù)。礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)超貧釩鈦磁鐵礦除含TFe之外，還含有一定數(shù)量TiO2、V2O5，通過測試分析以及多種方法選礦試驗，證明經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)原礦磁性鐵為中細(xì)顆粒較易選，鈦不易回收，磷通過浮選可得到磷精礦，但由于原礦中含有一些碳酸鹽礦物，在浮選的過程中，碳酸鹽礦物和磷灰石在一起，使得磷精礦品位并未顯著增加，故推薦只回收鐵的選礦流程，即：原礦－干式預(yù)選拋尾（弱磁）-粗磨-濕式弱磁選－細(xì)磨-濕式弱磁選－鐵精礦的選別流程。該流程實現(xiàn)了提前拋尾具有節(jié)水、電、低成本、低污染的優(yōu)點。

（3）開展超貧釩鈦磁鐵礦礦床的地質(zhì)詳查工作。礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)的超貧釩鈦磁鐵礦礦床分布于亮甲臺和孤山子。由于礦床屬巖漿晚期分異形成，巖漿結(jié)晶分異的不同，造成磁鐵礦含量的變化，為進(jìn)一步提高礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)資源規(guī)模經(jīng)濟(jì)效率，在查明孤山子超貧釩鈦磁鐵礦成礦地質(zhì)條件及資源潛力現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，規(guī)劃期應(yīng)進(jìn)一步加大勘探詳查力度，加密各種采樣工程，采用邊采邊探的方法，加強(qiáng)地質(zhì)工作投入，加強(qiáng)巖體相帶的劃分及礦化富集規(guī)律等方面的綜合性研究工作，加強(qiáng)孤山子超貧釩鈦磁鐵礦床的深部勘查，力爭找到大而富的鐵礦體。

2、優(yōu)化鞍山式磁鐵礦資源的采選生產(chǎn)能力保障措施

（1）優(yōu)化鞍山式磁鐵礦資源開采生產(chǎn)能力。對賦存于礦業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)鞍山式磁鐵礦體，普遍采用的采礦方式為斜井—豎井—平硐聯(lián)合開拓方式，用分段空場法輔以淺孔留礦法進(jìn)行采礦。（2）科學(xué)布置地下開拓工程，開拓巷道布置的合理與否，將直接影響今后漏斗的布置和礦石是否能大量采出。因此，在加強(qiáng)地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上，獲取第一手基礎(chǔ)資料用于指導(dǎo)開拓工程。（3）科學(xué)合理布置探礦工程。在探采結(jié)合的原則下，對變化大，現(xiàn)有巷道和原地質(zhì)鉆孔沒有控制到或揭露不準(zhǔn)確的礦段，根據(jù)情況，適當(dāng)?shù)囟喟才乓恍┨降V工程，力爭提前為開拓巷道確定合理的位置。（4）適當(dāng)增補(bǔ)一些采準(zhǔn)工程，盡量回收滯留在采場內(nèi)的礦石。（5）對于采礦中途賦存條件發(fā)生變化的礦體，及時改進(jìn)回采工藝，確保礦石回采率。

3、優(yōu)化鞍山式磁鐵礦資源選礦技術(shù)

針對鞍山式磁鐵礦石特點，選廠采用“三級破碎，二段磨礦，三次磁選加磁團(tuán)聚重選”工藝流程，并增加聚環(huán)式尾礦回收機(jī)，以降低尾礦的品位，濃縮磁選的粗精礦進(jìn)行兩段磨礦，磨礦細(xì)度為-200目占60%，仍采用CTB1024型濕式磁選機(jī)（磁場強(qiáng)度1450奧斯特）進(jìn)行二次磁選，得出粗精礦再返回高頻細(xì)篩進(jìn)行兩段分級，篩下產(chǎn)品進(jìn)入磁團(tuán)聚重選（采用φ2500型磁團(tuán)聚磁選機(jī)進(jìn)行重選）。

4、開展鞍山式磁鐵礦深部地質(zhì)詳查工作

在基本查明了礦區(qū)賦存于中—下太古界遷西群上亞群拉馬溝組地層的沉積變質(zhì)磁鐵石英巖型礦床的地質(zhì)及構(gòu)造條件、礦體數(shù)量、礦體形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模和空間分布以及開采技術(shù)條件現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，規(guī)劃期內(nèi)應(yīng)以邊采邊探原則，加強(qiáng)布置深部控制礦體的探采詳查工程，進(jìn)一步查清鞍山式磁鐵礦資源遠(yuǎn)景儲量，為礦山合理規(guī)劃開發(fā)、管理提供地質(zhì)和儲量依據(jù)。

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