露天礦山開采方案的優(yōu)化技術(shù)

　　一、前言

　　我國近年來露天礦開采的方案很多，就探討露天礦開采的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，如合理生產(chǎn)規(guī)模、開采工藝、開采程序和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)等，給出了實(shí)用決策模型，就能在實(shí)際應(yīng)用中取得滿意的效果。相信本文的優(yōu)化方案會對我國近年來合理開發(fā)礦產(chǎn)資源具有一定的實(shí)用價(jià)值。露天開采方案涉及的因素很多，諸如地質(zhì)、地理、氣候、經(jīng)濟(jì)等條件，無不影響露天開采方案，開采方案因其構(gòu)成因素的種種變化，而使方案數(shù)量多不勝舉，在眾多的開采方案中，能否含有最優(yōu)方案和怎樣找出最優(yōu)方案？這就是本文探討的課題。

　　露天開采方案的技術(shù)因素分析在一定的礦床地質(zhì)條件下，任何一個露天開采方案都是由許多技術(shù)因素構(gòu)成的，包括設(shè)備選型、開采參數(shù)、開采程序、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、總平面布置和選礦等，這些因素是相關(guān)的，某一因素發(fā)生變化，往往會影響到其他因素的變化和總的經(jīng)濟(jì)效果，上述因素的變化可產(chǎn)生出眾多的開采方案，例如，僅按以上每個因素有三種可能的變化計(jì)算，就可以派生出萬余個方案。為了在擬定露天開采方案的最優(yōu)化設(shè)計(jì)時，該方法可以直接對露天開采的最終開采境界、長期開采計(jì)劃（即開采順序）、生產(chǎn)能力和開采壽命等重要參數(shù)實(shí)施以最大凈現(xiàn)值為目標(biāo)的同時優(yōu)化。但是， 應(yīng)做到在有限的開采方案中不要有重大的遺漏。

　　二、構(gòu)成露天開采方案的主要技術(shù)因素

　　在一定的礦床地質(zhì)條件下， 任何一個露天開采方案都是由許多技術(shù)因素構(gòu)成的， 礦山生產(chǎn)能力、設(shè)備選型、開采參數(shù)、開采程序、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、總平面布置、選礦等。這些因素之間是相關(guān)的，某一因素發(fā)生變化， 往往會影響到其他因素的變化和總的經(jīng)濟(jì)效果。這些因素的變化可產(chǎn)生出無限的開采方案。如果以某個因素僅有三種可能的變化計(jì)算，由上列因素就可以派生出上萬個方案，這對用計(jì)算機(jī)進(jìn)行開采方案優(yōu)化來說， 也是十分繁重和不經(jīng)濟(jì)的。

　　為了在擬定露天開采方案的過程中不遺漏最優(yōu)的開采方案， 以及盡可能減少設(shè)計(jì)和計(jì)算工作量， 應(yīng)區(qū)分主要因素和次要因素，抓住影響全局的主要因素， 就能把握住最優(yōu)的開采方案。

　　構(gòu)成露天開采方案的主要技術(shù)因素為開采工藝、開采程序和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。在某開采工藝條件下， 可采取不同的開采程序， 從中得出最優(yōu)的開采程序。最優(yōu)開采程序的主要標(biāo)志為露天礦生產(chǎn)過程中剝離量的逐年分配比較有利， 即礦山基建工程量小， 初期生產(chǎn)剝采比小和露天礦的盈利的現(xiàn)值大。在某一開采程序條件下， 可以采取不同的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。開拓運(yùn)輸系統(tǒng)在露天開采過程中是動態(tài)變化的， 一方面它應(yīng)滿足露天礦在一定的開采程序條件下礦山工程不同發(fā)展時期建立運(yùn)輸通道的需要， 另一方面應(yīng)力求礦巖的運(yùn)距短和開拓工作量小。

　　同一開采工藝條件下， 由于設(shè)備選型和開采參數(shù)不同， 也將派生出許多子方案。開采程序是露天開采方案中很活躍的因素。在一定的露天開采境界范圍內(nèi)， 可以全境界開采， 分區(qū)開采或分期開采， 可以有不同的開段溝位置， 不同的工作線推進(jìn)方向和礦山工程延深方向， 以及不同的臺階劃分方式，工作幫結(jié)構(gòu)和工作幫坡角等。這些都將影響露天礦的礦山基建工程量、生產(chǎn)剝采比和運(yùn)距。在以靜態(tài)經(jīng)濟(jì)分析為基礎(chǔ)的情況下，只要開采境界不變， 采剝總量是一個常數(shù)，剝離時間早晚沒有經(jīng)濟(jì)意義， 而趨向于以較均衡的生產(chǎn)剝采比進(jìn)行生產(chǎn)， 以減小采剝生產(chǎn)能力的峰值及其相應(yīng)的設(shè)備數(shù)量和地面設(shè)施。而從動態(tài)經(jīng)濟(jì)分析的觀點(diǎn)， 則開采程序的優(yōu)選能為露天礦提供最大的盈利凈現(xiàn)值，有利于積累資金和擴(kuò)大再生產(chǎn)， 對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是有實(shí)際意義的， 應(yīng)引起重視。

　　應(yīng)指出，露天礦的礦石生產(chǎn)能力是一個重要因素。一般情況下它是根據(jù)礦山企業(yè)規(guī)模由設(shè)計(jì)部門制定的， 設(shè)計(jì)中按規(guī)定的礦石生產(chǎn)能力擬定開采方案， 雖然因此也影響開采方案，但不涉及更多的生產(chǎn)能力方案。在可行研究階段， 有時需對礦石生產(chǎn)能力進(jìn)行論證， 這時對開采方案的影響增大。 在可行性研究階段， 對礦石生產(chǎn)能力進(jìn)行論證是非常必要的。露天開采境界與露天開采技術(shù)水平及露天開采與地下開采技術(shù)的相對水平有關(guān)， 是與露天開采工藝密切相關(guān)的。露天開采工藝和露天開采的技術(shù)水平將影響露天礦的投資和成本，從而影響露天開采境界， 但是， 開采方案是在一定的開采境界的基礎(chǔ)上擬定的，因此， 應(yīng)先根據(jù)預(yù)定采用的開采工藝和技術(shù)裝備水平， 參考類似礦山的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)或預(yù)測的指標(biāo)， 初步確定露天開采境界， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行露天開采方案的優(yōu)化。開采方案優(yōu)化后得出的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)， 與上述初步確定露天開采境界所用的指標(biāo)相差較大時， 需將開采境界重新修正?？偲矫娌贾门c開拓運(yùn)輸系統(tǒng)同時考慮，可達(dá)到布局合理、有利生產(chǎn)、礦巖運(yùn)距短等要求。選礦工藝與露天開采工藝結(jié)合考慮， 使露天礦綜合效益最好。露天礦礦石生產(chǎn)能力、開采工藝、開采程序及開拓運(yùn)輸系統(tǒng)是構(gòu)成露天開采方案的主體。在某一開采工藝條件下， 相應(yīng)地需確定開采境界、設(shè)備選型、開采參數(shù)和選礦工藝等， 一定的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)則有相應(yīng)的總平面布置， 或者兩者同時研究確定。這些因素將構(gòu)成許多子方案。

　　三、開采方案的建立及優(yōu)化

　　根據(jù)上述對構(gòu)成露天開采方案的有關(guān)技術(shù)因素的分析， 開采方案可按主要因素并按一定的層次建立：

　　第一層次為露天礦生產(chǎn)能力， 有A1、A2、......Am個方案；

　　第二層次為露天開采工藝， 有B1、B2、......Bn個可能的方案， 分別與某一生產(chǎn)能力相適應(yīng)；

　　第三層次為露天礦開采程序， 有C1、C2、......Co個方案， 分別與某一生產(chǎn)能力和開采工藝相適應(yīng)；

　　第四層次為開拓運(yùn)輸系統(tǒng)， 有D1、D2、......Dp個方案， 分別與某一生產(chǎn)能力開采工藝及開采程序相適應(yīng)。

　　開采方案的優(yōu)化可按多階段決策問題處理， 可采用類似動態(tài)規(guī)劃的方法得出多階段決策的最優(yōu)策略的方法優(yōu)化。上述分層次建立露天開采方案中的層次相當(dāng)于動態(tài)規(guī)劃法的分階段。分階段決策亦采取逆序解法， 即采取由上述第四層次到第一層次連續(xù)遞推優(yōu)化的過程。 第一步， 對某一開采程序下若干可能的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)選， 得出該開采程序下最優(yōu)的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)方案;第二步， 對某一開采工藝條件下若干可能的開采程序進(jìn)行優(yōu)選，得出一定開采工藝條件下最優(yōu)的開采程序；第三步， 對某一生產(chǎn)能力條件下若干可能的開采工藝進(jìn)行優(yōu)選， 得出該生產(chǎn)能力條件下最優(yōu)的開采工藝;第四步， 對生產(chǎn)能力進(jìn)行優(yōu)選， 得出露天礦最優(yōu)的生產(chǎn)能力， 以及相應(yīng)的由最優(yōu)的開采工藝、開采程序和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)組成的最優(yōu)的露天開采方案。

　　應(yīng)指出， 本文談到的上述連續(xù)遞推優(yōu)化過程， 各階段的指標(biāo)可以不同，因此各階段指標(biāo)不能相加。例如， 按礦巖運(yùn)費(fèi)和開拓工程費(fèi)(包括設(shè)置開拓坑線引起的補(bǔ)加擴(kuò)幫費(fèi))優(yōu)選出某一開采程序下開拓運(yùn)輸系統(tǒng)， 而按最大盈利凈現(xiàn)值對某一開采工藝條件若干可能的開采程序進(jìn)行優(yōu)選時， 某一開采程序的盈利凈現(xiàn)值對某一開采工藝條件若干可能的開采程序進(jìn)行優(yōu)選時， 某一開采程序的盈利凈現(xiàn)值是指該開采程序的最優(yōu)開拓運(yùn)輸系統(tǒng)條件的指標(biāo)。其他因素構(gòu)成的子方案， 可分別進(jìn)行優(yōu)化。

　　四、開采方案優(yōu)化指標(biāo)和優(yōu)化方法

　　1、優(yōu)化的指標(biāo)

　　根據(jù)分階段優(yōu)選的內(nèi)容不同， 可采取不同的優(yōu)化指標(biāo)。這是本文提出的采用動態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行開采方案優(yōu)化的特點(diǎn)。選取指標(biāo)的出發(fā)點(diǎn)是為了簡化計(jì)算和能得出準(zhǔn)確評價(jià)。

　　常用的優(yōu)化指標(biāo)有：運(yùn)距、運(yùn)費(fèi)、礦山基建工程量、生產(chǎn)剝采比、開拓工程量、投資、成本、投資回收年限、盈利、投資利潤率、凈現(xiàn)值、勞動生產(chǎn)率等。

　　某一開采程序條件下的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)選， 一般可采用運(yùn)距、運(yùn)費(fèi)、線路工程費(fèi)、開拓及擴(kuò)幫工程費(fèi)等指標(biāo)。

　　某一開采工藝條件下的開采程序優(yōu)選，一般采用礦山基建工程量、一期生產(chǎn)剝采比和成本、投資回收期及凈現(xiàn)值等指標(biāo)?？紤]費(fèi)用時間因素的凈現(xiàn)值指標(biāo)是客觀評價(jià)不同開采程序的較適用的指標(biāo)，它能反映不同開采程序條件下所形成的不同剝采關(guān)系的經(jīng)濟(jì)效果，從而對開采程序作出正確評價(jià)。露天礦服務(wù)年限很長時， 可比較前10年的凈現(xiàn)值， 以減少計(jì)算工作量。生產(chǎn)能力和開采工藝優(yōu)選， 可采取投資、單位投資、成本、凈現(xiàn)值、補(bǔ)加投資回收期、投資利潤率等指標(biāo)。開采方案有時不能用單一指標(biāo)評價(jià)， 需輔以其他指標(biāo)。

　　2、優(yōu)化方法

　　優(yōu)化方法應(yīng)在確保結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，力求簡便和工作量小， 分階段遞推優(yōu)化常用的方法有：

　?。?）邏輯判斷：利用理論和實(shí)際知識進(jìn)行邏輯分析， 刪去一些明顯不合理的方案。例如平朔、準(zhǔn)格爾等近水平煤田， 采用單斗挖掘機(jī)——汽車運(yùn)輸開采工藝條件下，工作線過長將使剝離物繞端幫運(yùn)往內(nèi)排土場的運(yùn)距增大， 導(dǎo)致汽車運(yùn)費(fèi)增高， 明顯是不合理的。這時， 應(yīng)舍棄鐵道運(yùn)輸露天礦慣用的長工作線方案，采取短工作線的分區(qū)開采。類似問題用邏輯判斷決定取舍是最省事的， 可以減少許多計(jì)算工作量。

　?。?）分析計(jì)算：用數(shù)學(xué)分析法得出最優(yōu)的開采參數(shù)， 例如前面提到的半連續(xù)開采工藝情況下， 半固定破碎機(jī)的移動步距， 露天開采境界以及外部溝開拓深度等問題，都可用分析法確定。

　?。?）方案比較法：這是露天開采方案優(yōu)化中最常用的方法。通過不同方案的運(yùn)距、運(yùn)費(fèi)、礦山基建工程量、生產(chǎn)剝采比、投資、成本、凈現(xiàn)值、投資回收期等指標(biāo)的對比，進(jìn)行開采方案分階段遞推優(yōu)化和達(dá)到綜合優(yōu)化。例如不同開采工藝方案的優(yōu)化， 某一開采工藝條件下不同開采程序的優(yōu)化和不同設(shè)備選型的優(yōu)化等， 都可采取方案比較法。重要是根據(jù)不同的優(yōu)化內(nèi)容， 選取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化指標(biāo)。

　　按一定的順序擬定開采方案和進(jìn)行優(yōu)化， 以及由簡到繁選取適宜的優(yōu)化指標(biāo)和方法， 可以達(dá)到不遺漏最優(yōu)方案和簡化計(jì)算工作的目的。即便采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的情況下， 也應(yīng)當(dāng)發(fā)揮人的主觀能動性， 以提高開采方案選取的準(zhǔn)確性和減少機(jī)時。

　　五、開采方案優(yōu)化應(yīng)注意的問題

　　1、按類似動態(tài)規(guī)劃法逆序分階段遞推優(yōu)化過程得出最優(yōu)的開采方案，不同的開采方案應(yīng)在各自進(jìn)行局部優(yōu)化的基礎(chǔ)上再進(jìn)行對比和優(yōu)中選優(yōu)。這點(diǎn)很重要。開采方案優(yōu)化中常出現(xiàn)的失誤是由于參與優(yōu)選的開采方案的不可比性引起的，有的方案是經(jīng)過局部優(yōu)化得出的最優(yōu)方案，有的方案卻是未經(jīng)局部優(yōu)化的漏洞百出的方案， 這種情況下的優(yōu)選結(jié)果是不可靠的。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因很多，可能出于經(jīng)驗(yàn)不足， 或者出于對某方案的偏愛，也可能出于某種主觀意愿，有意維護(hù)或排斥某個開采方案， 這種不科學(xué)地對待開采方案優(yōu)化是極端有害的。

　　2、計(jì)算數(shù)據(jù)的選取應(yīng)符合礦山實(shí)際，否則難以得出真實(shí)的優(yōu)化方案。計(jì)算機(jī)是一種很好的工具， 但僅僅是一種工具， 數(shù)據(jù)是靠人提供的，如果提供的數(shù)據(jù)不符合礦山的實(shí)際情況， 其優(yōu)化結(jié)果也將是錯誤的。這是具有一定難度而必須認(rèn)真對待的問題。

　　3、開采方案必須是技術(shù)可行的。

　　4、開采方案優(yōu)化包括技術(shù)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。開采方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差不大時， 應(yīng)采取其中技術(shù)較優(yōu)和有較大發(fā)展前景的方案。

　　六、總結(jié)

　　1、開采方案優(yōu)化應(yīng)能真正得出最優(yōu)的開采方案和減少計(jì)算工作量。

　　2、按礦石生產(chǎn)能力、開采工藝、開采程序和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的層次建立開采方案，以及采取逆序分階段遞推優(yōu)化過程得出最優(yōu)的開采方案， 亦即從局部到整體進(jìn)行優(yōu)化，可避免重大失誤， 并可減少計(jì)算工作量。

　　3、優(yōu)化指標(biāo)和優(yōu)化方法應(yīng)服從于優(yōu)化的具體內(nèi)容。

　　4、數(shù)據(jù)的選取應(yīng)符合礦山實(shí)際情況，這是優(yōu)化結(jié)果是否可靠的重要基礎(chǔ)。建立以設(shè)計(jì)單位為主的投資控制系統(tǒng)，對于解決基本建設(shè)項(xiàng)目投資超概算的問題具有重要意義， 必須引起建設(shè)單位的高度重視， 要把控制投資工作作為質(zhì)量管理的一個重要內(nèi)容來抓。

　　參考文獻(xiàn)：

     《運(yùn)籌學(xué)》、《現(xiàn)代采礦工程設(shè)計(jì)》、《采礦工程手冊》、《露天采礦優(yōu)化理論》、《采礦生產(chǎn)技術(shù)》。