章 林 代碧波，3 王運(yùn)敏 牟英杰

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山，243004；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山，243004；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽，110819；4.包鋼集團(tuán)礦山研究院，內(nèi)蒙古包頭，014010）

生產(chǎn)規(guī)模是露天開采的一個(gè)重要參數(shù)，它直接 關(guān)系到礦山的投資、生產(chǎn)成本及經(jīng)濟(jì)效益，必須詳細(xì)論證，慎重選擇。但是，合理生產(chǎn)規(guī)模的確定受礦區(qū)資源條件、開采技術(shù)條件、外部經(jīng)濟(jì)條件等多方面因素綜合影響，是一個(gè)復(fù)雜的礦山系統(tǒng)工程問題［1］。目前，國(guó)內(nèi)外露天礦生產(chǎn)規(guī)模的確定及優(yōu)化方法主要有以下幾種：①技術(shù)確定，主要有礦山工程延深速度法、工作面可布置設(shè)備數(shù)等；②技術(shù)經(jīng)濟(jì)確定，主要有按經(jīng)濟(jì)合理服務(wù)年限、盈虧平衡分析等；③綜合分析確定，主要有模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法、灰色多目標(biāo)決策、層次分析法等［2］。本研究將生產(chǎn)規(guī)模與露天境界優(yōu)化相結(jié)合，借助Whittle系統(tǒng)平臺(tái)，首先對(duì)露天開采境界進(jìn)行動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，確定最優(yōu)的露天境界，在該境界的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)模優(yōu)化及生產(chǎn)進(jìn)度編排［3-5］，即確定最優(yōu)的礦巖總量后，再確定最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)過程。

1 露天礦境界經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化

采用經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)評(píng)估方法，綜合考慮了礦床品位、資金時(shí)間價(jià)值、礦產(chǎn)品售價(jià)、開采成本等多種可變因素的影響，利用Whittle軟件對(duì)露天開采境界進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Whittle軟件對(duì)露天礦山進(jìn)行境界優(yōu)化主要包括以下3個(gè)步驟：①構(gòu)建礦床地質(zhì)模型并進(jìn)行參數(shù)賦值；②確定邊坡角；③構(gòu)建經(jīng)濟(jì)模型，通過調(diào)整產(chǎn)品售價(jià)、開采成本等市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)敏感性因素生成多個(gè)露天開采境界，根據(jù)礦山的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確定最優(yōu)的開采境界［6-8］。

1.1 礦床地質(zhì)模型

礦床地質(zhì)模型包括實(shí)體模型和品位塊段模型，由其他三維可視化礦業(yè)軟件如Surpac、Datamine、Dimine等創(chuàng)建，再導(dǎo)入至Whittle中，Whittle的礦床模型為單元塊模型，有2種形式，一種是Block model，另一種是Parcel model，如圖1所示。Block model為礦床模型的基本塊，Parcel model屬于Block model的子塊，每個(gè)Block model可劃分成8個(gè)Parcel model子塊。Parcel model可提高計(jì)算精度，增加開采操作的靈活性、降低貧化損失率。

1.2 邊坡角設(shè)定

邊坡角通過2種方式設(shè)定，一種按巖性設(shè)定，在創(chuàng)建礦床地質(zhì)模型時(shí)通過設(shè)置巖性標(biāo)識(shí)參數(shù)確定不同的巖性區(qū)域，然后在礦床地質(zhì)模型范圍內(nèi)根據(jù)不同巖性區(qū)域設(shè)置不同的邊坡角；另一種是按區(qū)域方位設(shè)定，先通過礦區(qū)巖體構(gòu)造、巖層等分布情況對(duì)不同區(qū)域的邊坡角分別進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)不同的區(qū)域方位范圍設(shè)置相應(yīng)的邊坡角參數(shù)。

1.3 經(jīng)濟(jì)模型

露天境界的優(yōu)化最終由經(jīng)濟(jì)模型中的參數(shù)指標(biāo)綜合確定。經(jīng)濟(jì)模型參數(shù)主要包括地質(zhì)參數(shù)、采選技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及財(cái)務(wù)指標(biāo)等。經(jīng)濟(jì)模型結(jié)構(gòu)見圖2所示。

經(jīng)濟(jì)模型中各項(xiàng)指標(biāo)的選取直接影響露天境界的尺寸。因此，需對(duì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，根據(jù)參數(shù)隨市場(chǎng)環(huán)境的變化生成系列境界。通常，礦產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格對(duì)露天開采境界的敏感性最強(qiáng)。因此，在大型露天礦山境界優(yōu)化研究中，往往采用調(diào)節(jié)礦產(chǎn)品價(jià)格來生成系列境界。

2 生產(chǎn)規(guī)模的Milawa優(yōu)化

露天境界初步優(yōu)化完成后，將進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)模的優(yōu)化和進(jìn)度計(jì)劃編排。Whittle生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)化和生產(chǎn)進(jìn)度編制分為凈現(xiàn)值最優(yōu)算法、凈現(xiàn)值最差算法和Milawa算法。凈現(xiàn)值最優(yōu)算法，礦山前期大量采礦，采出礦石品位高，生產(chǎn)剝采比低，經(jīng)濟(jì)效果好，但該方法一味追求經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，生產(chǎn)極不穩(wěn)定，設(shè)備效能難以發(fā)揮，容易造成剝離欠賬，甚至采死，在實(shí)際生產(chǎn)中是不現(xiàn)實(shí)的。凈現(xiàn)值最差算法基本上可以保障生產(chǎn)的穩(wěn)定，但礦山的效益難以發(fā)揮。Milawa優(yōu)化算法是Whittle具有獨(dú)特的排產(chǎn)自動(dòng)優(yōu)化算法，該算法以采剝總量均衡、設(shè)備效能最大發(fā)揮為基礎(chǔ)，綜合考慮了礦床品位、礦石價(jià)格、開采成本、基建投資以及資金的時(shí)間價(jià)值等可變因素對(duì)生產(chǎn)規(guī)模的影響，先計(jì)算出不同境界方案下的礦山動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，然后模擬礦山經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)情況，最終從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度設(shè)計(jì)出礦山最優(yōu)采剝順序和生產(chǎn)規(guī)模［9-11］。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

東介勒格勒礦區(qū)位于白云鄂博鐵礦區(qū)主、東、西礦外圍，鐵礦體賦存于哈拉霍疙特巖組上部白云巖中，白云巖呈層狀產(chǎn)出，分布穩(wěn)定，在白云巖層間，生成較大的鐵礦體呈層狀、透鏡狀，與白云巖產(chǎn)狀一致平行出現(xiàn)，具沉積變質(zhì)特征。礦體東西長(zhǎng)3.2 km，南北寬1.0 km，走向?yàn)?0°～80°，傾向340°～320°，傾角較陡為70°～84°，頂?shù)装逡园自茙r為主，巖體結(jié)構(gòu)以塊狀結(jié)構(gòu)為主，致密堅(jiān)硬頗耐風(fēng)化。近地表部分唯云母巖片理發(fā)育，部分矽質(zhì)板巖節(jié)理發(fā)育，工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

3.2 礦床資源模型

礦床資源模型是露天境界和生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)化的基礎(chǔ)。礦床資源模型利用Surpac軟件建立，主要步驟包括建立地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、礦體實(shí)體模型和塊段模型。地質(zhì)數(shù)據(jù)庫包含鉆孔孔口、測(cè)斜、樣品分析、巖性以及工程地質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建鉆孔三維模型（見圖3），進(jìn)行地質(zhì)解析，然后建立表示礦體三維實(shí)體模型，最后根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和礦體三維實(shí)體模型，通過地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)礦床品位、巖性等地質(zhì)屬性進(jìn)行克里格插值，建立東介勒格勒礦床的品位塊段模型（見圖4）。

3.3 露天境界優(yōu)化

根據(jù)Surpac建立的品位塊段模型，在Whittle中設(shè)定塊段模型尺寸，該尺寸至少能包含礦床品位模型范圍，然后根據(jù)采礦單元尺寸確定Block塊的大小，并進(jìn)一步細(xì)分成Parcel model塊，生成空塊模型。再將礦床品位塊段模型、地表模型作為約束條件，同時(shí)設(shè)置礦產(chǎn)品價(jià)格變化函數(shù)、生產(chǎn)成本變化函數(shù)以及臺(tái)階高度等相關(guān)動(dòng)態(tài)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)，最后在Whittle中最終生成一系列的開采境界。

3.3.1 經(jīng)濟(jì)參數(shù)的選取

露天境界優(yōu)化經(jīng)濟(jì)參數(shù)取自于地質(zhì)報(bào)告、選礦試驗(yàn)指標(biāo)以及礦山的實(shí)際情況，見表1。

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3.3.2 邊坡參數(shù)的確定

根據(jù)工程地質(zhì)條件，將東介勒格勒礦境界分區(qū)域選取不同的邊坡角（表2）。

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3.3.3 露天境界優(yōu)化結(jié)果

基準(zhǔn)產(chǎn)品價(jià)格為4.35元/百分比單位品位，按照產(chǎn)品價(jià)格影響因子0.2～2.0進(jìn)行優(yōu)化，步長(zhǎng)為0.2，生成不同產(chǎn)品價(jià)格下的露天境界，見表3和圖5所示。

3.4 生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)化

對(duì)露天優(yōu)化境界中的礦石產(chǎn)量分3種情況確定礦山生產(chǎn)規(guī)模，分別為凈現(xiàn)值最優(yōu)、凈現(xiàn)值最差、 Milawa算法（采剝均衡，設(shè)備能力充分發(fā)揮），分別確定礦山每年的生產(chǎn)規(guī)模以及礦山收益指標(biāo)，見表4 所示。

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從表4可以看出，3種方法優(yōu)化的生產(chǎn)規(guī)模大部分時(shí)間為130萬t/a，其中凈現(xiàn)值最優(yōu)方法片面追求礦山效益最大化，生產(chǎn)剝采比不穩(wěn)定，這在生產(chǎn)實(shí)踐中往往是不符合實(shí)際的。凈現(xiàn)值最差方法的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)剝采比基本比較穩(wěn)定，生產(chǎn)規(guī)模同樣為130萬t/a，但凈現(xiàn)值較低，沒有實(shí)現(xiàn)礦山效益最大化。按照采剝總量均衡、設(shè)備能力充分發(fā)揮的原則，采用Milawa生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)化，確定礦山每年的生產(chǎn)規(guī)模及收益指標(biāo)情況見表5所示。

Milawa生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)化后，生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)剝采比基本保持穩(wěn)定，但經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍不理想，說明在當(dāng)前的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)情況下，礦山開采的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)很大。

4 結(jié)論

Whittle軟件平臺(tái)可根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，快速生成高質(zhì)量批量的露天境界，從而選擇出最優(yōu)境界，并計(jì)算不同境界方案下的礦山動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)出礦山最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模和采剝順序，以適應(yīng)市場(chǎng)條件的變化。通過該方法，確定出包鋼白云鄂博東介勒格勒鐵礦最優(yōu)生產(chǎn)規(guī)模為130萬t/a，但在當(dāng)前的市場(chǎng)環(huán)境下，礦床開發(fā)的總凈現(xiàn)值為24 415.67萬元，投資收益率為7.58%，礦山開采的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)很大，為礦山的決策提供了指導(dǎo)。

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