露天礦智能配礦系統研發與應用

陳彥亭　鞏瑞杰　南世卿　宋愛東　陳　越

(1.河北鋼鐵集團礦山設計研究院；2.河北鋼鐵集團司家營鐵礦有限公司)

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露天礦智能配礦系統研發與應用

陳彥亭1鞏瑞杰2南世卿1宋愛東1陳越1

(1.河北鋼鐵集團礦山設計研究院；2.河北鋼鐵集團司家營鐵礦有限公司)

摘要為了保證入選礦石質量穩定，在利用三維建模軟件表現礦體空間形態及品位分布的基礎上，充分分析礦山采礦生產工藝，研發露天礦損失率、貧化率定量化預測軟件，提供相對精確的配礦基礎數據保障；深入分析配礦流程，建立諸多約束條件下的規劃求解配礦數學模型，采用VB與Matlab混合編程，開發智能優化配礦軟件，實現礦塊正交組合、規劃求解優化等功能，使配礦工作定量化、智能化。應用結果表明：配礦軟件操作簡便、功能實用，進一步穩定入選品位，同時最大限度地利用了境界內的低品位礦，提高礦石綜合利用率，降本增效效果顯著。

關鍵詞智能配礦系統三維建模正交組合規劃求解低品位礦

為了達到礦石質量指標要求，對品位高低不同的礦石按比例互相搭配，盡量使之混合均勻，稱為配礦。目前，國內大多數礦山配礦管理一般利用計算機相關技術建立配礦模型，如線性規劃、0-1整數規劃等，實現了礦山生產短期作業質量計劃的編制[1]，此外，一些三維礦業軟件也具有配礦功能。可見，配礦方法、手段的研究及相應軟件的開發及應用是礦山配礦工作的發展趨勢。現有配礦系統及軟件沒有考慮開采損失率、貧化率對配礦工作的影響，同時也都沒有實現配礦的智能優化。 因此，亟需對配礦管理工作進行多方面、智能化研究，以保證礦山選礦品位的穩定。

1礦山配礦工作簡介

司家營露天礦屬鞍山式沉積變質鐵礦床，礦石全部為貧鐵礦，平均地質品位全鐵為29.13%(不包括表外礦)，雖有極少數富礦(TFe>45%)，但不足以考慮單獨利用。圖1為利用地質鉆孔化驗樣品樣長組合后的6 092組全鐵樣品建立的分布直方圖，可以看出，數據主要集中在25%～35%，但對于礦山的入選品位要求來說，峰值仍然較寬，特別是對于邊界品位20%以上的原生低品位礦初步設計按利用考慮后[2]，礦石的品位變化幅度進一步變大，更需通過配礦工作保證入選礦石品位的穩定[3]。

圖1　6092組全鐵數據分布直方圖

司家營露天礦配礦工作是在每隔一定時間對采場礦石預選的基礎上，由主管領導、技術人員根據試驗、化驗數據及經驗等估計各爆堆的礦石質量，然后人工確定配礦比例，鏟裝運輸按此比例出礦；主要采用經驗的、半定量的人工配礦方式，在一定程度上穩定了出礦品位，基本保證了選廠對礦石品位的要求，但受爆堆礦石質量波動的劇烈程度及配礦技術人員的經驗、工作責任心等因素影響，供礦品位容易產生較大波動。

因此，根據司家營鐵礦配礦生產的實際開發能夠進行損失率、貧化率預測及動態智能優化計算的配礦軟件，使配礦工作定量化、自動化，最大限度地減少采出品位波動及不必要的人為因素影響，穩定和改善現有的配礦質量，保障選礦生產指標穩定[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、揭露的礦體產狀、厚度、夾巖變化情況，結合已有的地質勘探資料，利用3DMine三維建模軟件建立礦體開采現狀模型，提供更為準確的礦體變化、品位分布三維模型資料(圖2)，為智能優化配礦提供地質保證。

圖2　礦體全鐵分布與開采現狀耦合三維模型

3配礦系統研發

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

多目標規劃是數學規劃的一個分支，研究多于一個的目標函數在給定區域上被同等地最優化(極小化或極大化)的問題，又稱多目標最優化。以入選全鐵、亞鐵值為目標的配礦優化正符合多目標規劃的適用條件。

3.1雙因素規劃求解配礦數學模型建立

通過調研，司家營露天礦為多出礦點、單受礦點且沒有儲礦堆場的需采場過程配礦型礦山。其配礦數學模型可簡化為n個出礦點，1個受礦點[5]，其中第j個出礦點的出礦量為xj，出礦全鐵品位為gj，亞鐵品位為kj。雙因素品位配礦的規劃數學模型應滿足相關約束條件。

3.1.1最低出礦量和生產能力約束

各出礦點的產量必須為其生產技術條件所允許，并滿足礦山計劃(生產任務)的要求，于是有

(1)

式中，xj為第j個出礦點(電鏟)計劃出礦量，t；Aj為第j個出礦點能夠挖掘的最大礦石量(挖掘設備最大能力)，t；Qj為第j個出礦點必需挖掘的最小礦石量，t，由計劃部門指定，可調。

3.1.2破碎站破碎能力約束

每個出礦點的礦石需運送至破碎站破碎配礦，設破碎站一天的破碎指標為Qr，則

(2)

3.1.3供礦量約束

每天采場需保證的最低出礦量為

(3)

3.1.4配礦質量約束

入選全鐵品位應不低于最低品位gmin和不高于最高品位gmax，入選亞鐵品位應不低于最低品位kmin和不高于最高品位kmax，因此采出礦石的綜合質量應滿足

(4)

(5)

(6)

(7)

3.1.5優先出礦約束

因調整采場布局及采礦計劃等原因，某些爆區需優先鏟裝，這樣的出礦點的權重設置比其他爆區高，如第j個出礦點的權重高于第j+1個出礦點，則相應權重pj和pj+1可設置為

(8)

要求配礦全鐵目標品位為g，亞鐵目標品位為k,因此，目標函數可取配礦后的品位偏差為最小，即

(9)

式中，xj為第j個出礦點的計劃出礦量，t；gj為第j個出礦點的品位,%；g為理想出礦品位,%；kj為第j個出礦點的亞鐵品位，%；k為理想出礦品位，%。

3.2配礦模型的求解

上述數學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工具箱的目標達到法，調用fgoalattain函數求解，其一般調用格式：[x，fval]=fgoalattain(fun，x0，goal，weight，A，b，aeq，beq，lb，ub，nonlcon，options),其中，x、fval為函數返回的決策變量及目標函數向量值；fun為需要最小化的目標函數；x0為求解的初始值；goal為目標函數期望值；weight為目標權重;其他相關信息詳見《Matlab優化工具箱手冊》。選廠對入選原礦全鐵、亞鐵不同級別的要求，可以通過對goal與weight參數的設置來實現。

3.3最小配礦單元劃分

一般情況下，一個爆區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平均品位有代表意義，能表征此出礦點礦石品位；但在品位變化較大的爆區，平均品位并不能真正反映此出礦點當天供礦的礦石品位，因此，有必要將其劃分為更小的配礦單元，見圖3。

最小配礦單元劃分原則上應包含若干個炮孔，一般為3～4個炮孔，實際劃分時可綜合考慮鏟裝設備型號、作業能力、炮孔間距及地質品位變化等因素，確定最小配礦單元尺寸；根據生產計劃可對礦塊進行合并，使其滿足產量要求。

3.4系統開發

利用VB編程語言開發具有獨立界面的配礦系統軟件，進行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，利用Matlab生成的DLL文件作為數據處理核心，實現與3Dmine建模軟件的無縫連接、配礦信息自動獲取、配礦礦塊自動標識、配礦規劃求解計算、配礦結果三維顯示等主要功能，使配礦工作定量化、精細化、智能化。

圖3　爆區最小配礦單元劃分

3.4.1與3Dmine軟件無縫連接

在本軟件內啟動、連接3Dmine軟件，充分利用3Dmine軟件已有的繪圖、實體建模、塊體建模等功能完成相應操作，并實現對其部分自動控制，見圖4。

3.4.2配礦信息獲取及礦塊標識

根據提示選擇爆區所屬礦塊(3Dmine軟件內的采掘帶)，程序自動完成礦塊配礦信息的提取，并對礦塊進行編號，編號具有唯一性，如“爆區1礦塊1”，便于識別及程序判斷、查找，見圖5。

3.4.3爆區貧化率及損失率預測

損失率、貧化率對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礦體實體建模、三維刻畫礦體空間特征的基礎上，結合電鏟型號規格和臺階工作邊幫角，采用微分采礦單元的思路，實現不同礦體賦存條件、不同掘進方向、不同礦巖截止邊界條件下采礦損失貧化率快速、方便預測，并在平面上給出礦石、含礦廢石及廢石的分布范圍等，至此稱為“一步預測”；并可在此基礎上，參考各點的含礦比例等屬性進行出礦位置、剔除夾巖位置的二次圈定，繼而利用軟件“二步預測”功能重新計算圈定后爆區的損失率、貧化率，使預測結果更加貼近生產實際。圖6為采場某臺階的損失貧化率預測結果，預測結果非常形象、清晰。

3.4.4正交組合規劃求解計算

在正交組合配礦模塊界面下，可以修改配礦目標全鐵、亞鐵品位值、權重、出礦量、計劃最小出礦量、計劃最大出礦量、出礦鏟數等參數；進行多爆區多礦塊正交組合，完成一個組合后將組合礦塊的品位、礦量限制等信息傳給上述Matlab生成的規劃求解DLL，將結果(各礦塊的出礦量)傳回組合結果表，在數據庫里將求解后的配礦方案按組合序號和礦塊號存儲起來，之后循環進行下一個組合(配礦方案)的規劃求解，直至完成所有組合求解(圖7)；對所有組合的求解結果進行方案比較，將滿足條件的方案排列好供決策者選擇(表1)，各個方案的規劃求解結果優劣直觀、一目了然，最終實現配礦方案在規劃求解優化的基礎上再優中選優。

圖4　智能配礦軟件與3Dmine軟件連接示意

圖5　配礦軟件在3Dmine軟件內的配礦信息獲取

圖6　采場某臺階損貧預測結果

3.4.5供配礦方案整數比轉化

表1中各爆區各礦塊的出礦量是理論計算出來的，現場配礦操作性差，為了解決這一問題，開發了“整數比”計算功能，即將各爆區各礦塊出礦量轉化為簡明的整數，轉化后計算相應的目標函數值、全鐵及亞鐵值，所有方案轉化后再進行目標函數排序(表2)，再從中選擇適宜的配礦方案。

3.4.6配礦結果三維顯示

配礦技術人員根據計算結果選擇相應的配礦方案后，通過“三維顯示配礦結果”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現狀三維模型上，并用文字標示出該礦塊的所需出礦量(圖8)，用對話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，提取爆區的范圍坐標，地測人員即可到現場定位出相應的實際位置，現場技術人員標識后，電鏟即可按此標記進行鏟裝作業，保證出礦位置的準確，避免電鏟越界鏟挖，導致配礦結果失準；如果配礦技術人員綜合考慮現場作業情況，認為現場難以執行選擇的配礦方案，可以將其他的配礦方案顯示在三維現狀圖上，直至找到最合適的配礦方案。

圖7　礦塊正交組合規劃求解配礦程序流程

4應用效果

該配礦系統2014年1月在礦山試用，搜集了應用前后3個月氧化礦每個臺班的入選品位信息，整理成以日為單位的入選品位信息。圖9為項目應用之前3個月的日全鐵入選品位波動曲線，可以看出，除2013年11月份波動較小外，其他2個月的入選全鐵品位波動幅度大、頻繁。圖10為試用后3個月的全鐵入選品位波動曲線，可以看出，品位曲線波動幅度明顯變小，波動也不劇烈。為了進一步深入分析品位數據波動情況，計算出應用前后入選品位的標準差，應用前為0.963，而應用后為0.788，同比降低了18.1個百分點。綜上所述，說明入選礦石的全鐵品位穩定性得到了很大程度的提高，同時，最大限度地利用了境界內的低品位礦石。

表1　配礦方案求解結果排列

表2　整數比轉化配礦方案排列

圖8　配礦結果三維顯示

5結論

(1)借助三維軟件清晰、直觀地表現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模型保障。

(2)首次將損貧指標引入到配礦研究中，并成功研究出露天礦損失率、貧化率快速、方便的預測方法，預測結果貼近生產實際。

(3)通過分析礦山采礦生產現狀，建立了最大破碎能力等諸多約束條件下的規劃求解數學模型。

圖9　2013年10—12月日入選品位波動曲線

圖10　2014年1—3月日入選品位波動曲線　　(4)利用VB與Matlab混合編程開發出智能優化配礦軟件，實現配礦信息的自動提取、智能組合優化計算及配礦結果三維顯示等功能，使配礦工作定量化、智能化、最優化。

(5)配礦系統應用后，入選品位的穩定性得到很大程度的提高，最大限度地實現了境界內低品位礦的配礦利用，社會和經濟效益顯著，具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻

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[4]侯煜.線性規劃法在露天礦配礦領域的應用[J].礦業工程,2006(2):22-24.

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[6]胡建明.3Dmine礦業工程軟件基礎教程[R].北京:北京三地曼礦業軟件科技有限公司，2014.

(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·