大寶山礦大均化智能配礦系統(tǒng)研究

陳光木，趙一霏，陳建宏，尹關(guān)華，楊珊

(1.大寶山礦業(yè)有限公司， 廣東 韶關(guān)市 512128；2.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

0 引言

廣東省大寶山礦區(qū)是一個以鐵、銅礦石為主要材料的大型多金屬礦區(qū)，褐鐵礦體的礦量大致為2000 萬t，是礦區(qū)上部的主框體；下部地層為大規(guī)模的銅硫酸鹽礦體，儲量2800 余萬t，并伴隨著鎢、鉬、金、銀等多種珍貴的稀有金屬及其他貴金屬。大寶山礦業(yè)有限公司就是在此地區(qū)開采淺部的鐵、銅礦石資源，開采方式主要是露采。

在目前的社會主義市場經(jīng)濟中，礦山企業(yè)須能夠順應市場，明確并滿足客戶的需要，開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的礦產(chǎn)品，提高自身的市場競爭力。對于原材料礦，其質(zhì)量主要表現(xiàn)為可用性與經(jīng)濟效益。配礦工藝就是一種對礦石品質(zhì)進行規(guī)劃、管理的技術(shù)手段。采用先進的配礦工藝技術(shù)來組織各種礦石的生產(chǎn)，可以很好地平衡礦石品位，盡可能多地開采貧礦，取得一定的經(jīng)濟效益[1]。

礦石質(zhì)量的管理與控制是一個大的、繁復的系統(tǒng)工程，是礦山企業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是控制成本的核心環(huán)節(jié)，產(chǎn)量和質(zhì)量的要求都要抓，在可波動的范圍內(nèi)實現(xiàn)礦山企業(yè)生產(chǎn)所要求的礦石成份要求目標[2]。配礦是將礦石送去加工之前的必要過程，是指礦山按照計劃，根據(jù)一定的比例搭配混合同類型不同品級（或品位）的礦石，達到規(guī)定要求的礦石質(zhì)量標準[3?4]。按需要對低品位礦石進行配礦處理并利用，提高一些劣質(zhì)礦石的品位，這對于礦山企業(yè)降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟收入，實現(xiàn)礦山的可持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義[5]。

本文提出一種新型智能配礦系統(tǒng)，即大均化聯(lián)合配礦系統(tǒng)，目標是通過對大寶山各礦區(qū)資源分布情況進行分析，開發(fā)多礦區(qū)聯(lián)合配礦信息平臺。它分為3 個大環(huán)節(jié)：采場配礦、堆場配礦、選礦均化配礦。大均化聯(lián)合配礦系統(tǒng)根據(jù)礦山的生產(chǎn)計劃要求，通過建立和集成配礦相關(guān)的各個生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理功能，建立合理的配礦模型以滿足出礦量與礦產(chǎn)品質(zhì)量兩方面主要技術(shù)指標，在各礦區(qū)及存礦點等生產(chǎn)條件的約束下，采用科學的優(yōu)化算法對配礦模型進行解算，從而生成符合實際的配礦指令單，實現(xiàn)大寶山大均化聯(lián)合配礦管理的自動化，在充分利用寶貴礦資源的前提下，滿足公司礦產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量要求。

大寶山礦業(yè)公司大均化配礦及生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成共享平臺是為提高礦山生產(chǎn)和配礦管理水平而開發(fā)的企業(yè)管理類應用軟件系統(tǒng)，將現(xiàn)代計算機科學技術(shù)、統(tǒng)計學融入礦山生產(chǎn)管理中，針對礦山生產(chǎn)的多個流程數(shù)據(jù)進行收集、存儲、提煉、傳輸、匯總以及分析處理，是現(xiàn)代礦山配礦管理和生產(chǎn)管理一體化管理的信息系統(tǒng)。

1 大寶山礦配礦技術(shù)分析

1.1 配礦現(xiàn)狀

大寶山礦業(yè)公司現(xiàn)有的配礦技術(shù)方法主要依據(jù)采場資源數(shù)據(jù)進行手工計算，通過堆場進行配礦，如果出現(xiàn)入選品位偏差較大，則進行二次配礦，公司生產(chǎn)技術(shù)部控制的入選品位為0.47，要求滿足入選品位波動幅度不大于±10%，控制銅精礦品位大于17.5%。技術(shù)方法基本上采用人工，工作精度和效率較低，目前，質(zhì)檢化驗及地磅等生產(chǎn)數(shù)據(jù)及指標基本上采用電話、微信或EXCEL 電子表進行傳輸，經(jīng)常出現(xiàn)無法確認、跟蹤和查詢的情況，出現(xiàn)問題追責缺乏依據(jù)，手工記錄效率低、精度差，因此，迫切需要建立一套可行的大均化配礦及生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、共享生產(chǎn)信息共享平臺。

大寶山礦區(qū)內(nèi)礦床的分布廣泛，埋藏淺，因此比較適合露天開采，但由于礦體形狀復雜，其厚度、含礦率、品位波動較大，因而增加了該類礦床采礦和配礦的難度。均化配礦必須建立在采礦配礦和選礦配礦的基礎(chǔ)上才能真正實現(xiàn)對礦石的均化，使供給銅礦品位和礦石量均衡、穩(wěn)定。

1.2 配礦存在的問題

大寶山礦區(qū)在配礦方面存在的問題主要體現(xiàn)在供礦銅礦品位波動較大，如何控制入選銅品位的波動是當前企業(yè)的一大難題。從采礦系統(tǒng)的角度來看，只開采或過多優(yōu)先開采高質(zhì)量的礦石會導致日后采礦的復雜性，降低礦山壽命，增加投資，提高成本，更重要的是還降低了資源的綜合利用率。礦石平均品位波動對企業(yè)的影響見圖1。因此，應從整個采礦、選礦和冶金生產(chǎn)系統(tǒng)中整體優(yōu)化，使礦石質(zhì)量均衡。

圖1 礦石品位波動的不利影響

從大寶山整個配礦流程來看，供礦品位的控制可通過采礦配礦、堆場配礦及二次配礦進行控制，同時對短期的采剝計劃進行嚴格控制和管理，包括化驗、運輸?shù)刃畔⒌姆答?。采礦配礦和選礦配礦都可以通過構(gòu)建合理的配礦數(shù)學模型，結(jié)合計算機的計算能力，得到符合生產(chǎn)要求的供礦品位。總體看來，配礦存在的主要問題如下。

（1）客觀條件影響采礦計劃，不能均衡出礦。

（2）配礦計劃要求高，超出實際，高、中、低分配不均衡。

（3）運輸環(huán)節(jié)影響較大，出車分配不合理，運礦集中無法實現(xiàn)高、中、低均勻卸料。

（4）實際供礦與計劃之間差異大、波動大。

（5）卸礦隨意性大，無法實現(xiàn)高、中、低礦石均勻下堆；卸礦倉卸料不暢。

（6）堆場庫存不足，無法滿足入選銅礦質(zhì)量需求。

（7）取樣不完善，不具有代表性，監(jiān)測結(jié)果誤導決策。

（8）礦石貧化虧損較大。

1.3 配礦的流程及原則

對于現(xiàn)代化的礦山企業(yè)來說，做好生產(chǎn)進度和配礦之間的關(guān)系計劃是十分重要的。Mark Gershan認為要想使長期生產(chǎn)方案獲得最優(yōu)的結(jié)果，只靠短期的配礦方案是不行的，必須要以長期方案為前提，才能確定周或月的生產(chǎn)方案，同時由此提出了生產(chǎn)工作中配礦優(yōu)化的程序[6]。其原則流程一般如圖2 所示。

圖2 配礦優(yōu)化流程

在此基礎(chǔ)之上，礦山配礦過程中在細節(jié)方面還應遵循以下5 個基本原則。

（1）加入多少低品位礦石的數(shù)量是由一定的條件決定的，使由此降低品位的高質(zhì)量礦石品位仍達到可被使用的規(guī)定；

（2）兩類礦石當品位和特點差距相當大時，不能搭配進行配礦；

（3）加工利用的方式不同會導致自然、工業(yè)類型不相同的礦不能進行配礦；

（4）粒度相差過大的礦石不能配礦；

（5）耐火材料及某些利用其特殊物理性質(zhì)的礦石，一般不配礦。

1.4 配礦計算方法

為了使不同品位礦石搭配后能滿足一定的要求，應進行一定的計算，使品位不一的礦石可以配礦。分情況采用不同的計算方法[7?8]。

1.4.1 不同品級礦石配礦的計算

在采場等場所配礦時，要把幾種不同礦石加以搭配，需計算每個采區(qū)的配礦能力系數(shù)：

式中：Fi為各采區(qū)配礦能力系數(shù)；Di為各采區(qū)計劃采礦量；Ci為各采區(qū)預計平均品位；C為要求達到的品位指標。

若Fi是正值，可與相應數(shù)量低品位礦石進行配礦；若為負值則相反。

務(wù)必使各采區(qū)配礦能力的系數(shù)之和滿足以下要求：

（1）當進行有益組分配礦時需滿足以下要求：Fi=F1+F2+…+Fn大于等于0；

（2）當進行有害組分配礦時需滿足以下要求：Fi=F1'+F2'+…+Fn'小于等于0，滿足不了上述條件，則需重新調(diào)整其中某一采區(qū)的產(chǎn)量。

1.4.2 兩種礦石配礦時的計算

可利用式（2）求出所需配礦的低品位礦量：

式中，D為高品位礦石量；C為要求達到的品位指標；C1為高品位礦預計采出的平均品位；C2為低品位礦預計采出的平均品位。

1.4.3 目前在實際工作中的計算

根據(jù)各爆堆的礦量和品位情況，在考慮礦石貧化率的基礎(chǔ)上，采用各爆堆元素金屬量加權(quán)平均進行計算，若滿足不了指標要求，需調(diào)整各爆堆的比例系數(shù)（一般爆堆個數(shù)不大于6 個）。

1.5 配礦的步驟及所需資料

配礦工作融會貫通于礦石開采輸出的全部環(huán)節(jié)，可以靈活搭配不同質(zhì)量礦石，使其達到規(guī)定要求的質(zhì)量標準。配礦步驟如圖3 所示。

圖3 配礦步驟

以露天采礦的配礦步驟加以說明。

（1）地質(zhì)測量資料的準備：采場的各類地質(zhì)圖件、采礦范圍礦石量的計算及品位變化、采場綜合平面圖、潛孔穿爆塊段圖、現(xiàn)場工作面分析結(jié)果等。

（2）采礦設(shè)計和采剝作業(yè)計劃：首先必須充分了解采場地質(zhì)資料，并由此設(shè)計配礦方案，根據(jù)不同的需要安排各臺階、礦塊礦石的采礦方向、出礦順序及產(chǎn)量比例。

（3）礦塊爆破時按需要布置爆破范圍，選擇合理爆破順序。

（4）出礦時配礦：由各出礦點出礦特征相應安排不同的順序和數(shù)量，可以對礦車進行分組和編號處理，以達到最佳的配礦目的。

（5）堆場倒礦：指揮對不同品級的礦車進行倒礦，盡量使礦石逐層分布均勻。

在此基礎(chǔ)之上，礦山在進行配礦前還應收集配礦所需的各類資料，見表1。

表1 配礦所需的資料

1.6 影響配礦工作的因素

礦山配礦工作受各類因素影響，包含地質(zhì)因素、化驗分析測試因素、采礦因素以及配礦管理方面的影響，主要內(nèi)容見表2。

表2 影響配礦工作的因素

其中，配礦管理方面的因素為主要影響因素，包含3 方面的管理。

（1）采場礦石品位管理。露天采場礦石質(zhì)量安全管理較為復雜。其主要環(huán)節(jié)包括爆破塊段管理：根據(jù)臺階可采礦量水平切面圖劃分礦巖、礦石品級和類型界線，在現(xiàn)場采用一定標志（小旗、紅色塑料袋等）表示其分界線位置，指導分穿、分爆工作；爆堆管理：利用爆破塊段礦石質(zhì)量圖，同樣在現(xiàn)場設(shè)置標志礦巖、礦石品位或類型界線，指導分鏟、分裝工作；出礦與倒礦管理：按配礦指令，協(xié)調(diào)運礦車輛、調(diào)整爆堆出礦位置、指揮監(jiān)督礦車倒礦順序、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，指導配礦生產(chǎn)。礦石質(zhì)量檢查：及時對爆堆、礦堆進行生產(chǎn)取樣與質(zhì)量檢查取樣，完成配礦管理臺賬，做好配礦質(zhì)量的反饋。

（2）二級礦量的管理.井下礦山：開拓、采準、備采三級；露天礦山：開拓、備采二級；二級礦量保有期的確定。

（3）配礦監(jiān)督管理。建立配礦監(jiān)督管理制度；明確各部門所分擔的管理工作；明確并嚴格執(zhí)行監(jiān)督考核方案。

2 大均化智能配礦研究的主要內(nèi)容

通過研究大寶山礦業(yè)公司銅礦資源礦量、品位分布、生產(chǎn)能力及回采現(xiàn)狀，結(jié)合選礦工藝所需質(zhì)量要求，開發(fā)大均化聯(lián)合配礦計算機管理系統(tǒng)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成共享平臺。實現(xiàn)大寶山采區(qū)及采場均衡出礦，使入選銅品位穩(wěn)定在0.47，供礦銅品位的波動幅度控制在±10%范圍內(nèi)。技術(shù)路線見圖4，主要研究內(nèi)容包括8 個方面。

圖4 技術(shù)路線

（1）建立礦山生產(chǎn)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，為配礦及礦石質(zhì)量控制提供可靠的礦石儲量和礦山工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）結(jié)合公司生產(chǎn)經(jīng)營計劃和配礦要求，制定礦山年度、月度生產(chǎn)計劃。

（3）根據(jù)配礦要求與礦山月度計劃，制定各采場月度、旬、日生產(chǎn)計劃。

（4）根據(jù)各采區(qū)日生產(chǎn)計劃產(chǎn)量、質(zhì)量指標要求，按照采場礦體品位、厚度、傾角等賦存狀況及回采現(xiàn)狀，確定配礦方案，實現(xiàn)采場均衡出礦。在此基礎(chǔ)上制定并下達各作業(yè)采場出礦指令。

（5）供礦管理方式及配礦現(xiàn)場調(diào)度模式研究。包括：現(xiàn)場調(diào)度模式、結(jié)果預測、配礦供礦過程礦石的均化性控制。

（6）根據(jù)生產(chǎn)計劃的供礦品位、供礦量、礦堆庫存礦品位進行配礦計算，得出現(xiàn)場出礦工作的供礦指令單，實現(xiàn)自動計算及手工調(diào)整。自動計算模型中包括定量配礦、最大量配礦、全部加權(quán)平均3 種計算模式。

（7）供礦管理模式的計算機實現(xiàn)。配礦管理模塊的開發(fā)研究，包括：供礦管理模塊開發(fā)、數(shù)據(jù)查詢模塊開發(fā)、配礦統(tǒng)計報表模塊開發(fā)。

（8）實現(xiàn)質(zhì)檢化驗、地磅、生產(chǎn)調(diào)度信息的實時采集、共享及動態(tài)發(fā)布。

3 系統(tǒng)特點和功能

3.1 基本功能

系統(tǒng)的目的是通過對礦業(yè)公司礦區(qū)資源分布情況進行分析，開發(fā)多礦區(qū)大均化聯(lián)合配礦信息平臺。根據(jù)礦山的生產(chǎn)計劃要求指標，在各礦區(qū)及采場的生產(chǎn)條件約束下，采用科學的優(yōu)化算法對配礦模型進行解算，從而生成符合實際的年生產(chǎn)計劃、月生產(chǎn)計劃及日生產(chǎn)計劃表，實現(xiàn)礦業(yè)公司大礦區(qū)均化聯(lián)合配礦管理的自動化，在充分利用低品位銅礦資源的前提下，滿足公司選礦生產(chǎn)的質(zhì)量要求。系統(tǒng)將根據(jù)采場礦體賦存狀況及回采現(xiàn)狀確定配礦方案，實現(xiàn)采區(qū)及采場均衡出礦，滿足銅礦供礦品位的穩(wěn)定與均衡。

系統(tǒng)采用先進的 ASP.NET 開發(fā)工具及SQLSERVER 數(shù)據(jù)庫平臺，建立大寶山大均化聯(lián)合配礦管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有礦山基本信息數(shù)據(jù)庫、配礦計劃管理、生產(chǎn)調(diào)度管理等重要功能，為礦山建立了一個快速、便捷的配礦管理平臺，便于礦山進行統(tǒng)一的配礦管理。

3.2 技術(shù)特點

（1）便于用戶掌握軟件操作。系統(tǒng)遵循軟件設(shè)計原則，不僅實現(xiàn)了界面美觀明了、操作簡單直接，而且容錯率較高，用戶能在短時間內(nèi)掌握該 系統(tǒng)。

（2）靈活方便的多種接口形式。隨著IT 技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，礦業(yè)開發(fā)了多種計算機系統(tǒng)。為避免各系統(tǒng)的信息成為孤島，充分發(fā)揮信息的整合作用，簡化信息工具操作，提高辦公效率，靈活方便的接口是系統(tǒng)所必需的。本系統(tǒng)設(shè)計提供多種接口，從信息數(shù)據(jù)的利用，到綜合查詢、網(wǎng)站資源均提供方便獨立的接口，以便日后兼容企業(yè)綜合管理平臺。

（3）強大的分析結(jié)果圖形展示。信息的處理包括：采集→處理→輸出。采集的方便決定了軟件操作的方便適用性，處理的性能決定了軟件的效率，而輸出的展示則直接決定了軟件的使用效果。對于分析結(jié)果的展示，本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)表格、各種統(tǒng)計圖形、網(wǎng)絡(luò)展示圖表等多種成果展示形式，清晰明了。

（4）適合礦山現(xiàn)狀的B/S 開發(fā)模式。B/S 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于它只需瀏覽器與數(shù)據(jù)庫交互，而傳統(tǒng)的C/S 結(jié)構(gòu)需要專門的服務(wù)器提供數(shù)據(jù)交換服務(wù)。從當前的技術(shù)手段來看，該結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)操作簡易且成本較低。B/S 開發(fā)模式能滿足用戶復雜的需求，實現(xiàn)不同地點、不同人員，以不同的接入方式訪問共同的數(shù)據(jù)庫并進行操作，同時能保證服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的安全。

（5）基于自主研發(fā)和通用組件集成開發(fā)平臺。本系統(tǒng)自主研發(fā)的平臺秉持全配置化設(shè)計理念，在開發(fā)過程中不需要編寫額外的特殊代碼；具有豐富的配置管理器，實現(xiàn)了服務(wù)整合、系統(tǒng)集成；具有一體化的部署與運維體系結(jié)構(gòu)，不再需要每一個系統(tǒng)重復部署，后期維護具備可視化的操作，快速定位異常與性能故障區(qū)域。

4 結(jié)論

本研究建立了大寶山礦業(yè)公司大均化聯(lián)合配礦管理平臺，實現(xiàn)銅礦露天開采配礦的計算機控制，對礦山配礦的信息化技術(shù)實現(xiàn)了精準化管理，實現(xiàn)露天采場礦石輸出均衡，不論礦石品位高低，均衡持續(xù)兼采，堆場均化使供礦平衡波動小。

（1）該礦配礦系統(tǒng)先進，系統(tǒng)的聯(lián)合性和完整性表現(xiàn)出色，是一套大型完備的生產(chǎn)集成一體化的軟硬件系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在從資源儲量和賦存環(huán)境出發(fā)，利用信息化技術(shù)和智能算法迅速制定出符合礦山供給要求的靜、動態(tài)開采計劃，整個系統(tǒng)覆蓋整個采、剝計劃和生產(chǎn)作業(yè)的各項工作程序；大均化配礦配合生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)保證了選礦生產(chǎn)過程狀態(tài)的監(jiān)督和和崗位指揮，嚴格管控了礦石質(zhì)量指標，同時搭建反饋預警系統(tǒng)，管理糾正出礦品位超限時的信息以及需調(diào)整的原礦品位及數(shù)量，讓整套采選系統(tǒng)有機協(xié)同工作，構(gòu)建完整的體系。

（2）X 螢光快速分析儀是一種能快速分析礦石品位的先進儀器，大均化智能配礦系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口可以直接讀取數(shù)據(jù)并進行準確的統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)包括精礦石進礦倉儲存量、品位等動態(tài)參數(shù)，優(yōu)化了對多種配礦方式的選擇。

（3）在生產(chǎn)管理平臺中嵌入Kriging 算法計算礦山資源儲量，建立了不同層級的動態(tài)資源庫。針對采礦配礦計劃模型，引入MOP 規(guī)劃智能算法，同時加入AutoCAD 的圖形技術(shù)，實現(xiàn)多種動態(tài)資源、計劃結(jié)果與圖形規(guī)劃之間的快速轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)功能強大，人機交互界面操作簡單，維護方便。