基于三维仿真的大型露天矿生产能力动态优化.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G [ C A LE N G I N E E R I N G V o l _ 3 2N 0 4 A u g u s t2 0 t 2 基于三维仿真的大型露天矿生产能力动态优化① 杨彪 长沙有色冶金设汁研究院有限公刮，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要为获得更为优越的露天矿牛产能力，提出r 基于 维仿真的矿山产能动态优化方法。首先在传统广能验证方法基础上， 综合考虑矿山实际情况制定多组产能方案，再利用三维仿真方法完成各方案进度计划的快速编制，经统计基建剥离量、出矿品位、 矿岩采剥量等基础数据，计算获得各方案动态经济效益指标，最终得到技术f ．可行、经济} ‘最优的矿山生产能力。以某大型铜矿为 例，利用国内外普通验证方法获得，该矿山的估算日生i 出能力为1 0 万吨，参照预选的选矿设备要求制定了6 种产能方案，利用三 维可视化的进度计划编排软件M i n e S c h e d 实施各方案，通过比较内部收益苹 I R R t ，确定矿1 1 【最优日生产能力为1 5 万吨，较传统生 产能力验证所得提高了约5 0 ％，内部收益率增加了约3 个百分点。 关键词露天矿山；生产能力；三维仿真；动态优化 中图分类号T D 2 1 1文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 4 0 0 2 7 0 4 D y n a m i cO p t i m i z a t i o no fP r o d u c t i v i t yf o rO p e n p i tM i n e B a s e do n3DS i m u l a t i o n Y A N GB i a o C h a n g s h aE n g i n e e r i n g ＆R e s e a r c hI n s t i t u t eo f N o n f e r r o u sM e t a l l u r g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 1 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t Ad y n a m i co p t i m i z a t i o nm e t h o di sp r o p o s e df o rt h em i n ep r o d u c t i v i t yb a s e do na3 Ds i m u l a t i o n ．F i r s t l y ， t a k i n gt h ec o m p r e h e n s i v es i t u a t i o no ns i t ei n t oa c c o u n t ，s e v e r a lp r o d u c t i o np r o g r a m sw e r ep r e p a r e db a s e do nt h ev e r i f i c a - t i o nm e t h o df o rt r a d i t i o n a lp r o d u c t i v i t yo fm i n e ．T h e n ，t h es c h e d u l ew a sq u i c k l yc o m p i l e df o re a c hp r o g r a mb y3 D s i m u l a t i o nm e t h o d ．F i n a l l y ，t h em i n ep r o d u c t i v i t yw i t ht e c h n i c a lf e a s i b i l i t ya n de c o n o m i cp r o f i t a b i l i t yw a so b t a i n e db y c a l c u l a t i n gd y n a m i ci n d e x e so fe c o n o m i cb e n e f i tb a s e do nt h eb a s i cd a t as t a t i s t i e si n c l u d i n gs t r i p p i n gv o l u m ef o ri n f r a s t r u c t u r e ，e x t r a c t e do r e 静a d e ，e x t r a c t i o nq u a m i wo fo r er o c k ．T a k i n gal a r g e - s c a l ec o p p e rm i n ea sa ne x a m p l e ，i t sp r o - d u c f i v i t yw a se s t i m a t e dt ob e1 0 00 0 0t ／db yt h ee x i s t i n gv e r i f i c a t i o nm e t h o d ．6p r o d u c t i o np r o g r a m sw e r ep r e p a r e db a s e d o nt h er e q u i r e dp r o c e s s i n ge q u i p m e n tf o rp r e p r o c e s s i n g ．T h e ne a c hp r o g r a mw a sp e r f o r m e du s i n gM i n e s c h e dS o f t w a r e ． F i n a l l y ，t h eo p t i n m ld a i l yp r o d u c t i v i t yw a sd e t e r m i n e dt ob e1 5 00 0 0t ／d ，u p5 0 ％c o m p a r i e dw i t ht r a d i t i o nv e r i f i c a t i o n m e t h o d ，w i t hI R Ra p p r o x i m a t e l yu p3p e r c e n t a g ep o i n t s ． K e yw o r d s o p e n p i tm i n e ；m i n ep r o d u c t i v i t y ；3 Ds i m u l a t i o n ；d y n a m i co p t i m i z a t i o n 露天矿规模是露天矿山设计最重要的依据。矿山 规模确定的不合理，将给矿山生产和经济效益带来长 期的不良影响”。2 。国内在确定露天矿⋯生产能力方 面大致经历了三个阶段计划经济时期的资源需求定 量确定、改革初期的综合考虑协商定制、市场化阶段的 利润最大化，前两阶段均是在人为确定生产能力前提 下，根据经验对矿山固定资产合理利用及技术可行两 方面进行验证，所得．生产规模往往远离经济最优 点”。国外生产规模确定主要目标是经济最优化， 1 9 9 2 年美国BC a v e n d e r 提出利用净现值 N P V 或内 部收益率 I R R 来动态评价矿山生产规模，据1 9 9 8 年 B h a p p u 及G u z m a n 统计，在采矿业公司中，5 5 ％采用 I R R 、4 0 ％采用N P V 作为确定生产规模方案的经济比较 指标4 。建立在动态经济模型基础上的规模最优化寻 找远比仅对固定投资分析的静态经济分析合理得多。 利用动态经济指标评价矿山生产规模的难点在于如何 确定矿山现金流情况和规模方案的可实现性”J 。本文 尝试利用三维可视化的进度计划编排软件M i n e s c h e d ， 按照一定的排产原则及生产技术参数要求，对多组规 模方案进行排产规划，获得矿山年现金流人、流出量， 比较各方案I R R ，获得技术| 二町行、经济上最优的矿山 生产能力。 ①收稿1 3 期2 0 1 2 4 4 一1 2 作者简介杨彪 1 9 8 1 一／，男，河南商丘人，博士，主要从事∥山系统优化段矿I h 数’一化 面的研究工作。 万方数据 2 8 矿冶工程 第，2 卷 l 生产能力动态综合优化方法 矿山生产能力动态综合优化主要分为三步规模 方案制定、进度计划编排及经济效益分析。规模方案 是优化的基础，其合理性制约着后期工作。本文在参 考传统矿山规模预测方法基础上，根据矿山实际情况 进行规模方案制定。利用先进快捷的M i n e S c h e d 软件 编排进度计划，根据其可视化效果控制排产进度，最后 计算分析各方案经济效益指标并确定矿山规模。 1 ．1 规模方案制定 目前在设计中广泛应用按储量保证服务年限确定 露天矿的生产能力”5 ，矿石生产能力与储量保证服务 年限关系如下 d 一型 i 二女2 。，1 、 “T K 1 一p ”7 式中A 为矿山生产规模，万吨／年；T 为矿山服务年限， 年；Q 为露天境界内工业储量，万吨；q 为矿石损失率； p 为贫化率；K 为资源储量备用系数，露采矿山一般取 1 ．1 1 ．3 。矿山生产规模受矿山服务年限及贫化、损 失率制约，其中贫化、损失率可由对比及经验方式获 取，因此确定A 值即是寻找r 值。确定开采周期的方 法主要有国内经验值法、国外经验公式法以及类比 法等。 1 国内经验值法。表1 为设计手册推荐的金属 类露采矿山合理服务年限值”’。根据推荐的服务年 限值，带入公式 1 可得到此时的矿山极限生产规 模A 1 。 表1 矿山合理敬务年限 2 国外经验公式法。经济学家T a y l o r 根据多年 的设计经验，对于矿山经济寿命与资源储量的关系归 纳为下列经验公式 T 2 7 p 1 0 ．2 2 该式实际上是经验上的储量、矿山生产规模及矿 山经济寿命之间的匹配关系”j 。依公式 1 、 2 可得 出不同储量下的矿出经济寿命及合理生产规模之阊的 关系，如图1 和图z 所示。已知矿山境界工业储量便 可得到最小生产规模{ 4 和最大生产规模A ，。 s 0 } 一4 解限三／ 封多二一 。l P 日 宝 ≤ 鼙 鹾 { L { } l 储量／M t 周l 矿山经济寿命与矿床储量关系 储量／．M r 圈2 矿山生产规模与矿床储量关系 3 类比法。类比法也是矿山规模确定的一种有 效途径；根据相近矿种、储量规模、剥采比、岩性等条件 通过类比可获得可能的生产规模A 。。 根据以上诸方法可获得一系列可能的矿山规模结 果，即[ A ．，A ，A ，，A 。，⋯] ，以该区间范围为基准向两边 扩展，即 [ A 。～A ，] [ M i n A ．，A ，A 3 ，A 4 ，⋯ 一J ， 1 V i a x A 1 ，A 2 ，A 3 ，A 4 ，⋯ y J 3 式中X 、Y 为采场生产规模调整系数，其值与矿山预选 的选矿设备生产能力及矿山实际情况有关。在[ A ⋯， A ⋯] 区间内，以矿山预选的单套选矿设备能力为步 长，割定A { 、An 、A m 、A Ⅳ等一系列生产规模方案。 12 进度计划编排 开采顺序和开采工艺是组成进度计划的基础元 素。矿岩不同的开采顺序不仅影响均衡剥采比，还会 影响出矿品位，进而影响经济效益，因此在排进度计划 之前必须根据矿山实际情况优化开采顺序和开采强 度，最后根据一定的排产原则及开采工艺参数对各规 模方案编排进度计划”。M i n e S c h e d 是较为专业的矿 山进度计划编制软件，其工作基础是已进行物理属性、 品位及经济参数赋值后的矿床块体模型。所有操作过 程都是对块体模型的再编辑，将时间属性赋予每个矿 岩块，最终以三维实体模型、块体模型及报表形式输出 万方数据 第4 期扬彪基于三维仿真的大型露天矿牛产能力动忿优化 结果，用于计算分析”“。。 1 ．3 经济效益分析 I R a 是使项目从开始建没到寿命期末各年净现金 流量现值之和等于零时的折现率，其经济涵义是指以 投资项目所承担的最高资金成本来反映的报酬率，反 映了投资的使用效率，被普遍认为是一种比较科学的 投资方案评价方法”⋯。内部收益率的计算公式如下 N P V I R R ∑ C 1 一c 口 。 1 I R R 0 f 0 ，1 ，2 ，3 ，⋯，n 4 式中t 为项目计算期； C I C O 。为第￡年的现金流 量，其中c ，为现金流人量，c o 为现金流出量。 2 应用实例 2 ．1 矿山概况 某矿为一大型、隐伏一半隐伏斑岩型铜矿床，矿体 埋藏浅，矿床水文、工程地质条件简单，环境地质条件 良好，适于露天采矿。根据矿山地表数据及原始勘探 数据，建立图3 所示的矿床块体模型，该模型已具有物 理属性、品位蜃绎济参数等信息． 囤3 矿床块体模型 2 ．2 规模方案 该矿属有色特大型露天破山，根据表1 ，其合理服 务年限应大于3 0 年，矿石开采损失率取4 ％，贫化率 为3 ％，资源储量备用系数取1 ．1 ，根据矿山储量，当年 工作时间3 3 0d 时，由式 1 可得此时极限规模A ．为 1 1 ．3 1 万吨／天。由T a y l o r 经验公式计算得A 2 、A 3 分别 为1 1 ．3 万吨／天、8 ．4 1 万吨／天。根据以上计算可知， 该矿估算产能空间在 8 ．4 1 1 1 ．3 1 万吨／天。矿山 预选的单套选矿设备能力为7 ．5 万吨／天、5 万吨／天 两种型号，以5 万吨／天选矿设备能力为步距时，式 3 中的x 取值3 ．4 1 ，考虑到经验估算的不确定性及 规模效应的存在，y 取值8 ．6 9 ，可确定4 种规模方案， 即5 万吨／灭、l O 万吨／天、1 5 万吨／天、2 0 万吨／天。 以7 ．5 万吨／天选矿设备能力为步距时，可确定3 种规 模方案，即7 ．5 万吨／天、1 5 万吨／天、2 2 ．5 万吨／天。 取两种规模方案划分结果交集，得到六种方案，即 A l 5 万彬天、A Ⅱ 7 ．5 万r - e j 天、A m 1 0 万彬天、 A Ⅳ 1 5 万H 电／天、A v 2 0 万吨／天、A Ⅵ 2 2 ．5 万吨／天。 2 ．3 进度计划 矿山以中间山沟为界分为东西两部分，东部矿石 品位高、上部剥离少，列为前期主采区。矿体沿中间山 沟有出露．该区域覆盖层较薄，故开采推进顺序为东部 由西往东、西部由东往西。在保证备采及开拓矿量的 前提下，尽量压低前期剥离量。工作面宽度不小于8 0 m ，工作线长度不小于2 0 0m ，台阶高度为1 5m 。选场 设备分批投入，投产年每年投入一套选矿系列，其选矿 能力利用系数取0 ．8 ，例如1 5 万吨方案，分两年投入 两套选矿设备，第一年一个7 ．5 万吨／天系列，则第一 年产能为6 万吨／天，第二年投入第二套设备，其中第 一套系列已可达产，则此时产能为1 3 ．5 万吨／天，其他 方案亦同。利用M i n e S c h e d 软件，根据上述原则及参 数对矿区编排进度计划。图4 所示为1 5 万吨方案经 排进度计划后输出的矿床块模型，不同颜色表示不同 开采年采剥的矿岩块。 闰4 编排进度计划后的矿床块模型 2 ．4 最优规模确定 根据进度计划结果可获得各规模方案的矿山基建 工程量、年矿岩采剥量、年出矿品位等信息。根据基建 工程量可估算基建投资，由矿山年矿岩采剥量及服务 年限可进行设备投资计算，根据年平均出矿品位、采出 矿量及金属售价计算年现金流人量，统计年废石剥离 量，计算剥离成本，按式 4 可得到各产能方案I R R ， 计算结果如图5 所示。 由图5 可知，除方案A I 、A 口的1 R R 小于1 2 ％外， 其余方案I R R 均满足矿业行业内部收益率要求，其中 A Ⅳ的I R R 值最大，即在该生产规模’隋况下，矿山可获 得最好的效益回报。最后两方案的I R R 之所以变小， 是由于其最大剥采比无法得到有效平衡．设备投资过 大，而利用率却很低。方案A 。较好的平衡了剥采比， 万方数据 F 冶工程棼3 2 眷 ．尹≮篡 l i 乏“ 最大剥采比平筏时间为1 3 年，与设备寿命基本相当， 提高了设备利用率，在综合考虑矿山效益及均衡投资 的情况下，最终确定方案A 。为最优生产能力，即1 5 万 吨／天，相对于传统验证所得的l o 万吨／天，生产能力 提高了5 0 ％，内部收益率增加了约3 个百分点。 3 结语 1 阐述了几种主要的露天矿山生产能力的预测 验证方法，在此基础上提出了生产规模的动态优化方 法并对其原理及实施步骤进行了浼踢。 2 在实例中，运用S u r p a c 软件创建了某大型铜矿 床的块体品位模型，利用三维可视化的M i n e s c h d e 软 件编排了6 个规模方案的进度计划，计算了各方案最 终内部收益率，确定I R R 最大的A 。为最优方案，这比 传统验证所得的1 0 万吨／天生产能力提高了5 0 ％，内 上接第2 6 页 4 结语 1 6 3 0 分段首层矿柱共有储矿31 7 万吨，利用加压 泵对该矿体采空区进行充填后，保证了1 6 3 0 分段首层 矿柱的顺利开采，并为转层开采创造了先决条件。通 过技术和工艺研究与试验，改造现有的充填系统与工 艺技术，实现浅层矿区加压泵送充填，经过几年的现场 生产验证，充填系统运行稳定，完全满足充填强度、流 动性、生产能力的工艺要求，在充填工艺中具有技术特 色，填补了国内充填工艺的空白，具有较大的工程 价值。 部收益率增加了约3 个} ；『分点。 3 由于优化过程是建立在进度计划基础上的，故 在编排过程中存在一定的人为主观因素，另外对于各 项成本及1 “品售价均取定值，也会对结果有一定影响， 故如何克服诸多不利因素，而获得更加准确严密的最 优生产能力，尚待进一步努力。 参考文献 [ 1 ] 于汝缓露天矿设计理论分析[ M ] 徐州中国矿业大学出版社， 1 9 8 7 [ 2 ] F u n g RS u r f a c ec o a lm i n i n g t e c h n o l o g y [ M ] N o y e sN e wJ e r s e y D a t a C o r p o r a t i o n ，1 9 8 1 【3 ] 张幼蒂．蛭长生太譬矿n l 生产规模及其辊关获策要素综合优化 [ J ] 中国矿业大学学撤，2 0 0 0 ，2 9 I 1 5 J 7 『4 1 T o r r l e sT F N P Vo rI R R 々w h yn o lb o t h [ J ] M i n i n gE n g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 ，5 0 1 0 6 9 7 3 『5 ] R ⅢnRJT h eR a l co rT i m eV a l u eo fM e n e yi nD e t e r m i n i n g4 n O p e r tP 【LM i n i n gS e q u e n c ea n f lP i t L i m i t s 【c 】∥t 2 t hA p “nS y m p o s i 一 ⋯1 9 7 4． [ 6 ] 采矿手册编委会采矿手册 M ] 北京冶金工业H { 版社，1 9 8 8 f 7 ] 王青，王智静露天开聚整体优化理沧、模型与算法[ M ] 北京冶金工业出版社，2 0 0 0 [ 8 ] 杨彪，箩局全，廖江【幸i ，等嚣天矿f l I “ 秉境界动态优化固定 [ J ] 堤炭学报，2 0 1 0 ，3 5 3 3 6 8 3 7 2 [ 9 ] B y e ，A l a n T h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n 盯a3 1 g e o t e c h n i e a l m o d e l f o r m i n i n go p t i m i s a t i o n [ C ] ∥2 0 0 5S M EA n n u a lM e e t i n g G o t M i n i n g P m p r i n t s ，2 0 0 5 6 5 l 一6 6 0 『1 0 1王柏轩．王陆萱技术经济学[ M ] 卜簿．复日大学出版社， 2 0 0 7 参考文献 [ 1 ] 王文斌机械设计手册液压传动与控制[ M ] 北京机械工业出 版社，2 0 0 7 [ 2 ] 段文泽电气传动控制系统及其工程设计[ M ] 重庆重庆大学 出版社，1 9 8 9 [ 3 ] 郭伯农，陆德浩自动拧制系统[ M ] 上海上海科学技术史献 出版社，1 9 8 6 [ 4 ] 牟兴中，陈启松液压设备管理维护手册[ M ] 上海J ‘海科学 技术出版社．1 9 9 6 [ 5 ] 刘同有充填采矿技术与应用[ M ] 北* 冶金川k 出版社， 2 f 1 1 l 万方数据