金属矿地下开采的计算机辅助设计.pdf

金属矿地下开采的计算机辅助设计 联邦德国柏林技术大学采矿研究所特许工程师盖尔施泰因 摘要在得到布鲁塞尔欧洲共同体赞助的科研项目 “ 坑内金属矿采矿布置的计算机辅助设计 ” 中 , 伦 敦帝国大学皇家矿山学院 、 柏林 自由大学数学地质工作组 、 柏林技术大学采矿研究所密切合 作 , 研究出了一种新构思 , 解决金属矿坑内开采的设计及其最佳化研究工作的目的是建立一个以电子 计算机为基础的组合设计系统 。 借助这套系统 , 地质学家和采矿工程师能对一个采矿工程进行分析并使 之最佳化 , 内容包括地质 、 地质统计 、 岩石力学 、 采矿方法 、 设备选择 、 采矿进度 、 经济评价和进度计 划 。 采矿设计的特点是 自然科学和技术经济专 业协同起作用 。专 业范围包括地质和地质统计 、 岩石 力学 、 矿山的技术经济规划 、 环境保护和 采后复垦 。 每一设计均 需 要与工程项目有关的资料 。 由于设计是放眼未来的 , 所以这些数据往往不 太准确 。 因此 , 在采矿工作初期要导 出一些数 据 , 例如矿床的几何结构 、 有用矿物的分布 。 估 算出的数据的可靠性随着采矿进展 阶段的深化 而 增 加 。 在这些资料的基础上 , 必须设计出不 同方 案 , 对它 们进行分析和评价 , 以便做出究竟实 施哪一方案的决定 。 每一个设计均应有助于为 整个工程找到一个最佳方案 。 一般来说 , 孤立 的局部设计不能得 出最佳结果 , 因此必须致力 于全部生产工序的同步设计 。 以计算机为基础的设计系统的构思 提供有效的计算机模型供设计师使用 , 帮 助他们解决采矿专业的大量问题 。 模型的使用 经常是有成效的 。 这里涉及的大多数是计算机 程序 , 专门适用于矿山特定条件 , 仅包括设计 过程 的一个方面 。 但是各设计专业之间存在各种相互作用和 依赖性 。 而在计算机模型中 , 这些相关性经常 被忽略或过分简化 , 以致于总是只解决单一的 设计问题 , 不考虑其结果对矿山其它专业的影 响 。 国外金属矿山 正是这一点违背采矿设计的完整性 。 因此 , 不应将各单项设计分开 , 而要将它们结合起来 考虑 。 设计基础 矿床和 围岩的尽可能准确和完整的资料是 设计的基础 。 首先解释钻孔和取样的结果 , 建 立矿床模型并算出地质储量 , 接着选择采矿方 法并确定坑内矿的技术和几何参数 , 这些参数 决定采 出原矿的质量和数量 。 为了判断岩石 的 稳定性和支护费用 , 要求分析或 必 要 时 校正 例如借助岩石力学计算法井巷布置的几何方 式 。 采矿顺序对于回采作业的设计及矿石质量 和数量的规划有密切关系 。 确定矿井建设进度 图以计算机为基础的坑内金属矿 设计概念中模型的相互作用 国压 不〕 一 匕竺习 图配有设计模块的以计算机为基础的工作站 时 , 必须在满足技术经济约束条件的前提下考 虑矿石的质量参数 。 衡量不 同设计方案质量的 标准是它 的经济效益 。 因此设计模型示意 图 图的中心是经济评价 , 以便根据成本和纯 利参数对设计方案做出评价 。 模块结构 研制出 了一种大有希望的以计算机为基础 的工作站 , 用于克服普通计算机模型 的缺点 。工 作站配有 一个由彼此交互的计算机模型组成的 构模系统图 。 各个模块相互兼容 , 所获成果不必再经中 间处理就可互相交换 。 程序模块之间的联络通 过共用数据库进行 。 各个模型不必按系统预定的顺序起动 , 而 可由用户根据具体情况决定何时启用某一模 块 。 这套 系统汇集了解决各种设计问题的辅助 手段 , 是设计工程师的电子工具箱 。 利用图示 的程序 系统和单个的设计模块工作 , 不是僵化 地进行 , 而要灵活并互相配合 。 因此 , 不是在 计算机的监督下 , 而是在它的帮助下解决问题 。 设计技术和方法 解决提出的综合性问题 , 要求采用不 同的 技术和方法 。 为了用合适的结构处理问题 , 可 以采用运筹学方法 。这里 涉及到的是 自动运行 、 部分最佳化的模型 。 使用这样的模型时 , 操作 者在开始计算时就确定目标标准和 约束条件 , 以控制计算运行 。 遇到具有纯线性相关性的问 题时例如混矿问题 , 如果在制定生产和 回采 , 顺序计划时必须解决这些问题 , 可以采用线性 规划方法 , 算 出最佳建设顺序 。 如果不能用运筹学方法 , 可以采用试凑法 。 操作者通过反复输入数据控制程序运行 。 要建 立一个设计方案并对 中间结果进行计算 。 设计 工程师的任务是解释所获结果并逐步使输 出解 法最佳化 。 这个过程要一直进行 , 直到获得满 意结果 。多 数情况下要求采用普通计算程序 , 因 为普通计算程序使用比较简便 , 可以在短时间 内设计出方案并对它们予以评价 。 多数情况下只有把运筹学 技术与交互求解 方法结合起来才能获得满意结果 。 因此 , 在以 计算机为基础的工作站 , 不仅要有普通计算 一评 价程序 , 还要有综合性的最佳化模型供使用 。工 作站 的其它构成部分是绘图设计技术和项目单 引动的程序运行 。 以计算机为基础的工作站的构成 在得到布鲁塞尔欧洲共同体赞助的科研项 目 “ 坑内金属矿采矿布置的计算机辅助设 计 ” 计算机原材料研究程序 , 代号 一 中 , 伦敦帝国大学皇家矿山学院 、 柏林自由 大学数学地质工作组 、 柏林技术大学采矿 研究所共同合作 , 研究一种以计算机为基础 的工作站 , 用于解决金属矿坑内开采的设计及 其最佳化问题 。根据 矿山提出的任务和要求 , 工 作站 的构成可以差别很大 。 目前 , 研究工作集 中在下述几个方面 建立矿床和井巷的几何模型 建立地质统计模型 选择采矿方法和规模 生产和回采顺序计划 岩石力学评价 上述几个方面也仅仅是整个采矿设计中的 部分内容 。 科研项目的目的不是建立包容所有 领域内问题的系统 , 而是要证明 , 把解决不 同 任务的计算机模型综合起来 , 可以形成统一的 总体设计并对采矿设计过程给以有效的帮助 。 几何模型 在图示的设计系统中 , 需要处理 的绝大部 分数据和信息具有几何和 空间特性 。 每一采矿 年第期 设计的先决条件是矿床的几何模型 。 在几何模 型的基础上能设计出并巷及其开拓采准要 素 。 这些几何数据不仅为绘制图形服务 , 也是下面 所有设计步骤的输入值 。 例如 , 关于未来运输 距离 、 巷道断 面 、 曲率半径的数据对于选择采 矿设备必不可少 。 通常 , 几何数据以剖面图和平面图的形式 供后面的设计步骤使用 。 这件事费时又费力 。 如 果矿床的数据有 改进或巷道掘进有变化而需要 做一些修改 , 常常只有通过新 图才能做到 。 将 二维图转为三维模型是很困难的 , 由于复杂的 几何关系 , 只有在空间思维方面训练有素的设 计工程师才能成功 。 有 了先进的以计算机为基础 的绘 图系统 , 在人机对话 中既可以二维交互也可以三维交 互 , 绘制矿床和井巷并将其作 为模型存储起来 。 在这样一种模型 中 , 用标准体与普通几何的结 合给空间目标定义 。 用户能用一个结构箱内 有标准组件组成复杂的图形 , 例如多分支井 巷网 。 用户也有可能将一次定义的 、 由许多标 准要 素合成的组件存储入组件库并随时将它们 调出 。 这一设计过程要求交互工作 , 因为不能通 过单独一个指令序列利用计算机产生个别设计 步骤 。 用户自己控制设计过程 , 计算机仅仅是 用于建立模型的适当辅助手段 。 因 为有一系列专用绘图系统可供地质和采 矿人 员使用 , 决定将一种市售 系统纳入设计系 统并接到合适的接 口上 。 目前采用的是加拿大 图借助计算机建立的矿床和井巷 的东北视向的三维模型 国外金属矿山 图借助计算机建立的矿床和井巷的平面图 温哥华吕恩克斯地质系统公司 一 二终 的系统 。 借助这个系统 , 可以利用或数字转换 器 , 通过交互输入或输入坐标 、 倾角 、 曲率半 径 、 断面 , 给单个的因素定义并逐步建立矿体 的地质模型和井巷的采矿模型图 。 由于井巷和矿 床在 计算机内是三 维存储 的 , 因此可以产生任意的剖面图 。 用户的唯一 任务是给接口磁道定义 。 建立剖面图由计算机 承担图 。 地质统计模型 根据建立的矿体模型 , 在下一个工作步骤 中要评价地质统计并解释取样和分析的结果 。 所采用的方法能建立一个大小可变的三维块段 模型 。 模型所依据的数据结构能使块段模型的 大小局部适应取样密度 , 因而与对矿床的了解 程度相适应 。 尽管同大小有规律的普通块段模 型有区别 , 仍然可以采用地质统计的标准方法 反距播值法和通用克里格法 评估品位并建立 矿体的地质统计块段模型 。 通过地质模型 与地质统计块段模型的结 合 , 可以算出地质储量 , 供随后的设计工作使 用 。 , 采矿方法构成要素的确定和设计 利用纳入总系统的设计模块确定采矿方法 的技术和几何参数 , 以便根据经济标准来试验 和评价采 、 运 、 充填设备的不同匹配方式 。 目 的是在考虑采出原矿的质量和数量的基础 上 , 将巷道布置和采矿的几何参数同技术设备匹配 得最理想 , 使生 产成本降到最低 。 。 借助交互工作技术 , 设计工程师可设计和 规划出许多方案 。 利用贫化率和井下采出率影 响的详细费用计算资料 , 可以按经济标准评价 各个设计方案 。 借助纳入模型 的决策树形网络 法 , 可以根据有限枚举原则有目的地寻找最佳 方案 。 这样能提前识别不利的设计方案并将它 们从以后的设计过程中排除 。 工作的第一步是利用绘图系统设计出坑内 矿的几何布置 。 按照计算地质储量的方式 , 通 过切割地质 、 地质统计和采矿模型 , 确定回采 矿块的体积 、 吨位 、 品位 。 与采矿模型的逻辑 连接 为设计模块提供了关于运距 、 巷道断面 、 曲 率半径等的信息 。 假如 一种巷道布置对于获得 一定的采矿能力不利 , 可以从技术设计返回到 井巷构模 , 另选一种巷道掘进法 。 么 生产和采矿顺序计划 根据贫化率 、 回采率 、 生产能力和费用的 相互作用来确定回采顺序和生产计划 。 以取自 采矿模型的矿块和工艺设计的技术经济参数为 基础 , 可以确定待采矿块的开采顺序 。 这一设 计步骤也可以反向进行 , 即先给出回采顺序计 划 , 再求开采矿块 的矿量和质量 。 用于确定技 术和几何参数的程序现在可用来检验是否能获 得预期的质量和数量 。 借助 “ 回采顺序 ” 设计模块 , 能编制坑内 矿各采区的产量计划 , 最好地满足对采出原矿 质量成分的要求 。 模型的基础是计算机和 用户 之 间的交互作用 。 操作者的任务是开发附有各 道工序的 回采顺序方案并将其输入计算机 。 计 算机根据一道工序的输入值直接计算由此得出 的结果 , 这样设计工程师 可以立 即根据每一输 入值评价设计步骤 , 必要时予以修正 。 对这种 方法进行扩展 , 可以把线性规划方法包括进去 , 用于确定最佳回采顺序 。 目标标准是除实现经 济最佳化外 , 还要把金属含量偏离选矿额定指 标的范围缩到最小 。 岩石力学 设计模块 “ 岩石力学 ” 担负的任务是估算 井下建筑的强度和支护费用 。 为了解决这一问 题 , 有许多计算方法可供使用 。 利用现有程序 和模型存在一个问题 , 即它们的完整性不够 。 为 克服这一缺点 , 引入了一个建立在科学基础上 的系统 。 借助这一辅助手段 , 设计工程师可以 在人机对话中选择并采用最适合他提出的问题 的岩石力学模型 。 进行岩石力学研究的先决条 件是井巷形状和大小的几何描述 , 因此要与几 何构模和采矿方法的设计密切配合 。 硬件 程序系统的开发是在属 于 以操作 系统 的工作站进行的 。 计算机配有图形显示屏和字 母数字终端 。 可以连接作为接 口 , 用于传输 给 一 操作系统处理 的数据 。 由于各参与 研究单位的计算机构思可以相互比较 , 保证了 兼容性的完整并提供了交换程序和数据 的可能 性 。 研究工作进展现状 建立以计算机为基础 的工作站的第一阶段 已经结束 。 设计模块已作 为样品制 出并接到 了 图示 系统上 , 形成 了完整的设计构思 。 为了验证理论设想的正确性并测试该系统 的功能 , 研究工作集 中到进行一项实例研究 。 为 达到试验目的 , 提供了一个多金属矿床的数据 勘勘探 、取 样 、分析结 果 果 地地质解杯杯杯池硕统欲解杯杯 地地质恨酥酥酥地硕统 计棋型型 休休积 、爪童训算 算 地地 质储 魔文什什 井井巷 和开采矿块 构棋棋 采采矿核宽宽 休休积 、童 员计算算 采采矿仙员文 件件 技技术和儿何参数数数果矿顺序什划划 技技术经济棋蟹蟹蟹时向经济椒皿皿 图利用以计算机为基础的工作站 进行矿山设计的主要过程 下转第页 年第期 板连接处 , 以及在排矿格子板上都发生过挂球 和卡球现象 。 排矿格子板 的孔隙尺寸由于有缩 口而实际上没有变化 、 平均 为 。 塑 一 义 型自磨机球荷 的 最初 重量 为 组 并 由必和 必钢球组 成 。 由于生产能力不足和小直径 的钢球积存于 磨机内 , 以后只采用必的钢球 。 外国选 矿厂的实践也证实了相同的规律 。 试验是在不同的装球率条件下进行的 。 装 球率对 一 义 型自磨机生产能力影 响的分析表明 , 当每台磨机的装球量为时 , 系列 的生 产 能力按矿石计为醒 磨机为 , 塑磨机为 。 在装 球率为相当于重量时不排 砾石的自磨机的生产能力提高 。 全自 磨和排出砾石的系列生产能力 为 。 试验证明 , 原矿粒度对自磨过程有重大影 响 。 随粒级含量的减少 , 磨机的生产能 力增加 。 原矿中粒级的最大含量不应 超过初 。 磨机磨矿介质的充填率是确定 圆筒型磨机 操作工艺指标的主要参数之一 。 众所周知 , 半 自磨机的钢球和粗粒矿石的 总充填率不应超过磨机筒体容积的 。 在英古列茨选矿厂 的试验 中取得了相同的结 果 , 并表明在磨机总充填率钢球十矿石为 一时半 自磨的效率最高 。 在分 级 机 溢流中一粒 级 含 量 为 时 , 半 自磨机的单位生产能力 为 。一 义 型自磨机在 自磨制 度 下工作时的单位生产能力 , 在一粒 级含量为时为 , 。 段联合磨矿和自磨原矿的单 位 能耗 分别 为巧和 。 磨矿石的必 钢球的单耗为 。 往 一 义 型自磨机内添加钢球有 助于降低单位 能 耗和提高按原矿及一粒级计 的单位 生产能力 。 段和段磨 矿 采用班踌 型球磨机 。 采用具有抛物 线轨迹的钢球作磨矿 介质 。 在试验期间磨机的充填率占筒体容积的 , 此 时 , 电动机所需功 率为 。 和段磨矿按一计的磨矿 粒度分别为和 , 单位生产能力分 别为和一 , 原矿的磨矿介 质单耗分别为和 吐 。 一 型球磨机在砾磨制度 下 工作所需功率为 。 根据附系列 试验结果 , 精矿铁品位为 , 比以前进行的联 合磨矿流程试 验高 。 三段 自磨流程的铁品位为 。 联合磨矿流程和三段 自磨流程的尾矿铁品 位分别为和 。 采用联合磨矿流 程 , 系列的生产能力提高 。 试验表明 , 联合磨矿流程 由于从流程中取 消了用胶带机往 一 型 和 砚 型磨机运送砾石和碎砾石而 提高 了整个工艺流程工作的可靠性 。 译 自苏联 “八‘ 劫 , , 附 , 万起译殷俊良校 上接第页 供研究 。 该矿床是一个大型硫化矿体 , 含金 、银、 铜 、 锌 、 铅 。 金属成分的大幅度波动以及矿体 的几何尺寸要求在地质和地质统计方面作详尽 解释 , 仔细设计和确定采矿方法 、 采矿技术 、 采 矿顺序 。 按设计系统目前的开发水平 , 可以进 行这样一项设计 , 其主要过程示于图 组合设计系统的样机表明 , 把采矿设计中 提出的间题合并到 以计算机为基础的工作站去 解决 , 这一设想大有前途 。 首批试验证明 , 这 种构思是可以实施和值得采用的 , 同时有可能 进一步发展并具有灵活性 。 参考 文 献略 译自联邦德国 , , 撇 , 傅庆瑜译胡际平校 白 生位月旧