挑水河磷礦集中溜井位置優(yōu)化

池秀文　翟　振

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

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挑水河磷礦集中溜井位置優(yōu)化

池秀文翟振

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

摘要挑水河磷礦屬緩傾斜中厚礦體，出礦系統(tǒng)中集中溜井位置對總運輸費用有很大影響。通過分析礦石運輸方式及特點，建立了與溜井位置相關(guān)的運輸成本模型，借鑒物流配送中心選址問題研究成果，結(jié)合工程實際情況，采用微分法確定了最優(yōu)溜井位置，能充分發(fā)揮各種運輸方式優(yōu)勢，合理分配有軌運輸與無軌運輸距離，降低礦山運輸成本。

關(guān)鍵詞緩傾斜中厚礦體溜井位置運輸成本模型

緩傾斜中厚礦體在我國磷礦、鐵礦等礦體中占有較大比例，這類礦體厚度在4～15 m，傾角在5°～30° ，由于存在采場運搬及高大空場管理等一系列問題，該類礦體開采難度大、運輸成本高，尤其是傾角小、厚度小時，難以借助重力搬運礦石，增加了運輸成本[1-2]。該類礦山出礦分為采場出礦和坑內(nèi)出礦2個部分。采場出礦一般采用電耙、鏟運機、裝運機等，隨著礦業(yè)的發(fā)展及無軌自行設(shè)備的推廣，采用鏟運機的礦山越來越多。坑內(nèi)出礦一般則采用卡車運輸或有軌運輸，運礦卡車等無軌設(shè)備出礦時機動性好、操作方便，但出礦成本高，有軌運輸生產(chǎn)能力大、運輸成本低，適用于長距離運輸[3]。采場出礦與坑內(nèi)出礦通過溜井銜接，因此，溜井的位置將影響兩部分運輸距離，進而影響總運輸成本。

1工程概況

1.1地質(zhì)概況

挑水河磷礦東部礦段位于宜昌市北西方向，直距約85 km的宜昌磷礦北緣，屬緩傾斜中厚礦體，主要工業(yè)磷礦層(Ph2)厚1.60～14.72 m，平均厚4.61 m，厚度變化系數(shù)為87%。礦層總體傾向北東，傾角為4°～7°，北西走向長3 000～5 070 m，北東傾向?qū)? 470～3 400 m，賦存標(biāo)高為660～920 m，埋深為81.67～383.99 m。礦段被挑水河河流及公路保安礦柱劃分為東Ⅰ區(qū)、東Ⅱ區(qū)，生產(chǎn)規(guī)模為100萬t/a。限于地形，工業(yè)場地位于距礦區(qū)1.5 km的西南部。

1.2運輸方案

礦區(qū)采用平硐斜坡道開拓，條帶充填法開采，東Ⅰ區(qū)、東Ⅱ區(qū)同時開采。盤區(qū)沿走向布置，走向?qū)?00 m，傾向長100 m，盤區(qū)間留20 m寬盤區(qū)礦柱。采場采用鏟運機出礦，盤區(qū)不單獨設(shè)溜井，礦石通過鏟運機裝載至運礦卡車后，運送至集中溜井，所有礦石通過集中溜井卸載至電機車，經(jīng)電機車長距離運送至工業(yè)場地。這種聯(lián)合運輸方案既減少了建設(shè)溜井的成本，又充分發(fā)揮運礦卡車與電機車的優(yōu)勢。但其集中溜井設(shè)立在礦區(qū)最南側(cè)(圖1)，此溜井方案將使地下卡車平均運距增大，不利于成本控制， 因此，有必要對集中溜井位置進行優(yōu)化。

圖1　礦區(qū)平面及采場布置

2運輸成本模型

緩傾斜中厚礦體溜井布置不同于通常的溜井布置方式，在傾斜大、厚度高的礦體中溜井的作用是將開采水平以上若干個階段采出的礦石溜放到開采水平集中裝載運出，溜井是借助重力搬運礦石的通道；而緩傾斜薄礦體或中厚礦體中不能借助重力搬運礦石，溜井主要是起集中礦石的作用[4-5]。聯(lián)合運輸?shù)臒o軌運輸距離與電機車運輸距離會因集中溜井位置改變發(fā)生較大變化，對總運輸成本產(chǎn)生較大影響。

每個采場的礦石通過無軌設(shè)備運送至溜井，然后經(jīng)電機車運至工業(yè)場地。該過程類似物流配送過程，所有產(chǎn)品由工廠運至配送中心，經(jīng)配送中心分發(fā)到每一個客戶。因此，可以借鑒物流配送中心選址問題分析與確定緩傾斜礦體集中溜井位置。

2.1配送中心選址問題

物流配送中心的選址問題已經(jīng)取得很多研究成果，目前連續(xù)空間的單一配送中心選址問題大量采用微分法[6-7]。微分法基于重心法，通過迭代獲得較為精確的解。

對于配送中心選址問題，假設(shè)配送中心坐標(biāo)為(x0,y0)，n個配送點坐標(biāo)為(xi,yi)，則配送費用H為

(1)

為求得Hmin，對H求偏導(dǎo)，令

(2)

(3)

所以

(4)

(5)

式(4)、式(5)中，di項仍含x0與y0，計算時先擬定初值，通過迭代反復(fù)計算至精度范圍內(nèi)的配送中心位置坐標(biāo)[8]。

2.2模型建立

對于溜井位置，有2點與配送中心選址問題不同：

(1)配送點是有限個分散點，而礦體存在于若干個連續(xù)的空間區(qū)間內(nèi)。

(2)配送線路簡化為配送中心至配送點的直線，而地下運輸路線受巷道限制，通常是折線。

由于工程圖采用1980西安坐標(biāo)系，不便于計算，以電機車運輸終點(37 509 178,3 475 300)為原點建立新的坐標(biāo)系，設(shè)溜井坐標(biāo)為(x0,y0)，則采場Di礦石運送至溜井的費用Hi為

(6)

(7)

所以，總運輸費用為

(8)

3溜井最優(yōu)位置求解

對于式(6)，假設(shè)采場Di質(zhì)心坐標(biāo)為(xi,yi)，則

(9)

(10)

式中，si為采場Di面積，m2。

由此可得

(11)

由于此類問題是NP-hard問題，無法直接求解費用值最小的坐標(biāo)值[9]，可根據(jù)實際情況選取備選點，根據(jù)式(8)對備選點運輸費用進行計算，得到總費用H，通過對比，在備選點中選擇最佳溜井位置，也可對問題進行適當(dāng)簡化，由算法求得一定精度的費用值最小的坐標(biāo)值。

現(xiàn)假設(shè)運輸費用與運輸距離線性相關(guān)，即ai=a，為求得總運輸費用最小的溜井位置，用物流配送中心選址問題求解的微分法，對H求偏導(dǎo)，并令其值為0，則此時的坐標(biāo)值即為理論費用最小值的坐標(biāo)，即

(12)

(13)

(14)

(15)

該方程亦無法直接求解，可通過構(gòu)造迭代方程找出滿足一定精度的解，為確定初始迭代值，減少迭代次數(shù)，可將每個采場質(zhì)心作為備選點，通過式(8)計算各個備選點運輸總費用值，涉及到的采場質(zhì)心坐標(biāo)、采場面積等可由采場布置圖計算得出，由于數(shù)據(jù)較多，部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表1。

備選點運輸總費用計算后由小到大排序見表2。

用割線法構(gòu)造迭代方程：

(16)

表1　采場質(zhì)心坐標(biāo)及采場面積

表2　備選點費用計算結(jié)果

(17)

(18)

(19)

選取表2中費用最小的2個備選點1#和2#作為迭代初始值進行計算，迭代結(jié)果見表3。

表3　迭代結(jié)果

當(dāng)?shù)絢=5時，u、v值已經(jīng)足夠小，即可認(rèn)為點(1 883,1 346)為礦區(qū)總運輸費用最小點，由于該點不在運輸巷道上，而實際建立溜井位置應(yīng)在巷道兩側(cè)，因而選取距該點最近巷道上的點為最優(yōu)點，由采場布置圖通過該點作最近巷道的垂線，垂足即為最優(yōu)點，其坐標(biāo)為(1 883,1 340)，見圖2。通過式(8)計算得出溜井位置優(yōu)化后總運輸費用為6 811.86萬元，為聯(lián)合運輸?shù)淖钚≠M用，而挑水河磷礦東部礦段初設(shè)溜井位置為(2 109,707)，該方案運輸費用為8 193.42萬元，優(yōu)化方案可節(jié)省運輸費用1 382萬元。

圖2　優(yōu)化后溜井位置

4結(jié)論

(1)通過分析挑水河磷礦聯(lián)合運輸形式，借鑒物流配送中心選址問題求解方法，建立了溜井位置相關(guān)的運輸成本模型，通過該模型可以計算備選點的總運輸費用。

(2)通過微分法及構(gòu)造迭代方程求解出理論總運輸費用最小的點的坐標(biāo)值，以此點為參考結(jié)合實際情況選取了最優(yōu)溜井位置，使聯(lián)合運輸充分發(fā)揮各部分優(yōu)勢，降低緩傾斜中厚礦體礦山地下運輸成本，為類似礦山運輸優(yōu)化提供了一種思路。

參考文獻

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(收稿日期2016-02-25)

Optimization of the Concentrated Draw Shaft Position of Tiaoshuihe Phosphorus Mine

Chi XiuwenZhai Zhen

(School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology)

AbstractTiaoshuihe phosphorus mine is belongs to slowly inclined medium thick ore-body, the influence of the concentrated draw shaft position of mining system to the total transportation cost is significant. The transportation cost model related to the draw shaft position is established by analyzing the ore transportation mode and characteristics. Based on the research results of the location of logistics distribution center, combing with the actual engineering situations, the optimal draw shaft position is determined by adopting differential method to make full use of advantages of various transportation modes, conduct the reasonable distribution of the transportation distance of rail transport mode and trackless transport mode and reduce the mine transportation cost.

KeywordsSlowly inclined medium thick ore-body, Draw shaft position, Transportation cost model

池秀文(1963—)，男，教授，碩士，430070 湖北省武漢市。