姑山礦區(qū)多礦床礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的綜合優(yōu)化模型研究

蔡嗣經(jīng)，王文瀟，2，鄭明貴，3

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083;2.馬鋼集團姑山礦業(yè)公司，安徽 馬鞍山 243184;3.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

姑山礦區(qū)多礦床礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的綜合優(yōu)化模型研究

蔡嗣經(jīng)1，王文瀟1，2，鄭明貴1，3

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083;2.馬鋼集團姑山礦業(yè)公司，安徽 馬鞍山 243184;3.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

依據(jù)整體采礦學(xué)的理念，即從整體上全過程、多方位、系統(tǒng)和動態(tài)地研究一個礦區(qū)多礦床礦產(chǎn)資源的開采與利用，構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)綜合優(yōu)化模型，根據(jù)所構(gòu)建的模型對姑山礦區(qū)的多礦床礦產(chǎn)資源開采與利用進行了綜合優(yōu)化研究，得出了姑山礦區(qū)的鐵礦石推薦生產(chǎn)規(guī)模為540×104～680×104t/a的結(jié)論。研究結(jié)論對加強姑山礦區(qū)的建設(shè)、提高經(jīng)濟社會效益以及礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展均有較好的指導(dǎo)作用。

姑山礦區(qū);多礦床開采;整體采礦學(xué);人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)模型

1 前言

馬鋼集團姑山礦業(yè)公司位于安徽省當(dāng)涂縣境內(nèi)，距馬鋼廠區(qū)30 km，蕪湖市18 km。礦區(qū)有專用鐵路線與寧蕪(南京—蕪湖)線接軌，并與馬鋼廠區(qū)鐵路線相通，緊靠礦區(qū)的縣級公路與205國道相連。青山河通往姑溪河與長江相通，交通十分便利(見圖1)。礦區(qū)處于低山丘陵與長江沖積平原接合部位，地形屬于侵蝕殘丘，由4座海拔標(biāo)高在+53～+102 m的小山和山間凹地組成，地表和地下水系十分發(fā)育，水文地質(zhì)條件復(fù)雜［1］。

礦區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫暖，年平均降雨量1906.5 mm，年平均蒸發(fā)量1361 mm，年平均氣溫16.1℃，年平均風(fēng)速3.3 m/s，冰凍期15～60 d，最大凍土深度9 cm。

姑山礦區(qū)有4個相距很近的鐵礦床，即姑山礦、和睦山礦、白象山礦、鐘九礦，地質(zhì)儲量近3.25×108t，地質(zhì)品位約Fe 40%。目前的生產(chǎn)礦山為姑山露天礦、和睦山地下礦;白象山地下礦正在基建中，預(yù)計2010年后投產(chǎn);鐘九礦還在籌劃開發(fā)中，可能露天開采。另外，姑山露天礦在幾年內(nèi)將要轉(zhuǎn)入地下開采，相關(guān)地下開采的設(shè)計工作已完成。總體規(guī)劃將姑山建成一個大型礦區(qū)，產(chǎn)原礦400×104t/a、成品礦200×104t/a，成為馬鋼集團主要的球團礦和高硅礦生產(chǎn)基地之一［2］。

圖1 姑山礦業(yè)公司地理位置及交通圖Fig.1 Location and transportation of the Gushan Mining Company

2 礦區(qū)多礦床開發(fā)的整體采礦學(xué)理念

采礦工程是一個系統(tǒng)工程，一個礦區(qū)的多礦床開發(fā)更是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在:a.系統(tǒng)龐大。包括地質(zhì)系統(tǒng)、露天開采系統(tǒng)、地下開采系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、選礦系統(tǒng)、排土系統(tǒng)、尾礦系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、銷售系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等，系統(tǒng)之間存在嵌套現(xiàn)象，系統(tǒng)下還有子系統(tǒng)。b.關(guān)系復(fù)雜。子系統(tǒng)之間存在各種關(guān)系，這種關(guān)系使得系統(tǒng)整合大于整體。c.不確定性。系統(tǒng)存在許多不確定性、隱蔽性、動態(tài)性、層次性、隨機性和時空性因素。d.綜合性。系統(tǒng)存在著多學(xué)科交叉、融合，同時又具有一定的社會性和宏觀性［3～5］。

礦區(qū)多礦床采礦系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，采用整體采礦學(xué)的理念對其進行系統(tǒng)分析與研究或許是一種行之有效的途徑。所謂整體采礦學(xué)，是指從整體上全過程、多因素、多層次、多方位研究對礦床有用礦物的開采與利用以及開采過程中產(chǎn)生的時空物流，是一個系統(tǒng)的、動態(tài)的采礦理念［6～9］。

整體采礦學(xué)的基本原則主要有:

1)整體性原則。系統(tǒng)是由若干要素組成的具有一定新功能的有機整體，各個作為系統(tǒng)子單元的要素一旦組成系統(tǒng)整體，就具有獨立要素所不具有的性質(zhì)和功能，形成了新系統(tǒng)的質(zhì)的規(guī)定性，從而整體的性質(zhì)和功能不等于各個要素的性質(zhì)和功能的簡單疊加。礦區(qū)多礦床采礦系統(tǒng)作為一個復(fù)雜大系統(tǒng)，其整體所具有的功能遠大于其各個子系統(tǒng)所具有的功能。在礦山設(shè)計與建設(shè)時必須從整體上進行考慮，找準(zhǔn)各個子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中的作用與地位，發(fā)現(xiàn)各個子系統(tǒng)的瓶頸環(huán)節(jié)并加以解決，有利于實現(xiàn)整個礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

2)時空量序原則。所謂時空量序原則，是指系統(tǒng)在發(fā)展演化過程中必須滿足時間、空間、數(shù)量、次序等相協(xié)調(diào)、相統(tǒng)一的客觀規(guī)律性。這是因為，復(fù)雜系統(tǒng)是由若干要素有機聯(lián)系組成，含有等級結(jié)構(gòu)，具有獨立功能特性的動態(tài)體系，是一個開放的、遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)，具有自組織性、自相似性、隨機性的非線性系統(tǒng)，是無序性和有序性的對立統(tǒng)一。礦區(qū)多礦床開發(fā)隨著采礦生產(chǎn)的不斷進行，礦區(qū)人力、資源、資金等要素的發(fā)展必須遵循時空量序原則。

3)部分延伸與轉(zhuǎn)化原則。組成系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)之間是可以相互延伸與轉(zhuǎn)化的，子系統(tǒng)之間的邊界也不是絕對清晰的。

4)采礦與環(huán)保結(jié)合的原則。在采礦生產(chǎn)過程中對礦區(qū)周圍環(huán)境造成了一定程度的污染與破壞，應(yīng)實行采礦與治理環(huán)境相統(tǒng)一的設(shè)計，這樣，才能真正實現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，建設(shè)綠色生態(tài)礦區(qū)。

3 礦區(qū)多礦床開發(fā)的綜合優(yōu)化模型

礦區(qū)多礦床礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用的綜合優(yōu)化，將基于專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集成，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)模型來進行研究［10，11］。

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要由知識庫、數(shù)據(jù)文件、并行推理機、知識獲取模塊、解釋系統(tǒng)及人機接口(界面)等部分組成［12，13］。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ANN-Export system

3.2 姑山礦區(qū)礦床開采綜合優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 礦床開采條件評價指標(biāo)體系

構(gòu)建的礦床開采條件評價指標(biāo)體系見表1，其中一級指標(biāo)3個，二級指標(biāo)9個，三級指標(biāo)18個(分別用C1，C2，…，C18表示)。

表1 礦床開采條件評價指標(biāo)體系Table 1 Indexes of deposit mining condition evaluation

續(xù)表

3.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)對礦床開采條件的分析，可以構(gòu)造一個3層的多輸出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

1)輸入神經(jīng)元:C1，C2，…，C18。

2)網(wǎng)絡(luò)輸出神經(jīng)元:礦床開采條件綜合評價(EMC)、礦床開采規(guī)模(S，×104t/a)、投資概算總額(TI，億元)以及全投資內(nèi)部收益率(IRR，%)。

3)隱蔽層神經(jīng)元數(shù)目的確定，基本原則是:一般隱含層的神經(jīng)元數(shù)目大于輸入神經(jīng)元數(shù)目和輸出神經(jīng)元數(shù)目之和的一半，小于輸入神經(jīng)元數(shù)目和輸出神經(jīng)元數(shù)目之和。因此，取n=12，n為隱蔽層神經(jīng)元數(shù)目。

3.2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)特點，筆者收集了8個類似鐵礦床的數(shù)據(jù)資料。這些數(shù)據(jù)資料經(jīng)過設(shè)計院以及礦山企業(yè)多位專家共同論證，是可以充分信賴的(見表2)，其中部分指標(biāo)為定性指標(biāo)。對于18個變量的原始數(shù)據(jù)需要按照一定的規(guī)則加以處理，即應(yīng)位于［0，1］范圍內(nèi)，使處理后的數(shù)據(jù)能滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的要求。這些變量數(shù)據(jù)規(guī)格化處理原則見表3。通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練達到要求后，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點間互聯(lián)權(quán)值就完全確定，則BP網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)學(xué)習(xí)好。

姑山礦區(qū)4個鐵礦床的數(shù)據(jù)資料見表4。表中EMC、S、TI以及IRR均為設(shè)計院設(shè)計值或礦山專家估計值。

表2 供BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的類似鐵礦床實例數(shù)據(jù)Table 2 Example data of related iron-ore deposits used in BP-ANN training

表3 輸入數(shù)據(jù)初始化規(guī)則表Table 3 Regulation of ANN input data initiation

表4 姑山礦區(qū)4個礦床的數(shù)據(jù)Table 4 Data of 4 deposits in Gushan mining area

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的性能測試。為了使網(wǎng)絡(luò)收斂速度較快，輸出數(shù)據(jù)初始化的基本方法是將實際值除以一個比例因子，而比例因子獲取應(yīng)遵循的原則是找出某一項數(shù)據(jù)可能取的最大值，具體如下:礦床開采規(guī)模輸入值=礦床開采規(guī)模實際值/500;投資概算總額輸入值=投資概算總額實際值/15;全投資內(nèi)部收益率輸入值=全投資內(nèi)部收益率實際值/20。另外，礦床開采條件綜合評價(EMC)規(guī)定優(yōu)(0.8)、良(0.6)、中(0.4)、差(0.2)。對系統(tǒng)進行測試時，規(guī)定:EMC≥0.8時為優(yōu)秀;0.6≤EMC＜0.8 時為良好;0.4≤EMC ＜ 0.6 時為中等;0.2≤EMC＜0.4時為差;EMC＜0.2時為極差。利用輸出數(shù)據(jù)初始化處理原則對各礦床輸出數(shù)據(jù)進行規(guī)格化，得到表5、表6的系統(tǒng)輸出訓(xùn)練值;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果輸出示意圖如圖3所示。訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果見表7。

表5 類似鐵礦床系統(tǒng)的輸出訓(xùn)練值Table 5 ANN training output of the related iron-ore deposits

表6 姑山礦區(qū)4個礦床的輸出訓(xùn)練值Table 6 ANN training output of 4 deposits in Gushan mining area

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果示意圖Fig.3 Diagram of ANN-Export system training results

表7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果表Table 7 Results of BP-ANN testing

由表7可見，訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)除了個別輸出值偏差較大(如礦床4和礦床3的一些項目相對誤差在10%以上)以外，其余均較好。因此，效果較理想。利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對姑山礦區(qū)4個鐵礦床進行綜合評價，結(jié)果見表8。

表8 姑山礦區(qū)4個礦床開采條件評價結(jié)果Table 8 Mining condition evaluation results of 4 deposits in Gushan mining area

3.3 姑山礦區(qū)礦床開采綜合優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)表8的數(shù)據(jù)還原成表9，從中可以看出:

1)礦床開采條件綜合評價。白象山鐵礦EMC輸出值為良好，較設(shè)計值(優(yōu))低一個等級;姑山鐵礦輸出EMC值為中等，也較設(shè)計值(良)低一個等級;和睦山鐵礦、鐘九鐵礦輸出EMC值與設(shè)計相符合，分別為良好和中等。因此，在白象山鐵礦、姑山鐵礦基建以及生產(chǎn)過程中建議修正礦床開采條件綜合評價值，按照低一個等級進行設(shè)計，以確保礦床安全生產(chǎn)以及合理的經(jīng)濟社會效益。

表9 姑山礦區(qū)4個礦床實際值與網(wǎng)絡(luò)輸出值比較Table 9 Comparison of actual＆ANN output data of 4 deposits in Gushan mining area

2)礦床開采規(guī)模。a.白象山礦。由于地質(zhì)資源豐富，白象山鐵礦設(shè)計開采規(guī)模明顯偏小，考慮馬鋼集團公司對鐵精礦的需求量大，建議其設(shè)計開采規(guī)模為250×104t/a，某些生產(chǎn)關(guān)鍵工程留有礦山生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展到300×104t/a的余地。b.姑山礦。按照現(xiàn)行設(shè)計開采規(guī)模70×104t/a，礦床可以穩(wěn)產(chǎn)100年以上，明顯不經(jīng)濟;網(wǎng)絡(luò)輸出為98×104t/a，考慮到其礦床開采條件復(fù)雜，因此，建議目前可以按照100×104t/a的規(guī)模進行設(shè)計，待開采技術(shù)水平提高后，再考慮是否進一步擴大開采規(guī)模。c.和睦山礦。地質(zhì)儲量一般，但開采條件相對較好，因此，可以進一步提高礦床開采規(guī)模至82×104t/a，此時礦床可以穩(wěn)產(chǎn)20年以上，比較合適。d.鐘九礦。由于鐘九鐵礦正在進行礦業(yè)權(quán)價款評估和探礦設(shè)計工作，其開采規(guī)模為估計值，網(wǎng)絡(luò)輸出值與其很接近，說明150×104t/a的規(guī)模是可行的。e.投資概算總額。網(wǎng)絡(luò)輸出4個礦床投資概算總額為15.1億元，設(shè)計為14.1億元。在資金投向上，應(yīng)重點保證白象山鐵礦、姑山鐵礦兩個鐵礦床的投資建設(shè)，同時應(yīng)進一步控制投資，使得和睦山鐵礦新礦段、鐘九鐵礦建設(shè)得以順利進行。f.全投資內(nèi)部收益率。由于各個礦床生產(chǎn)規(guī)模、投資概算總額發(fā)生了變化，因此，網(wǎng)絡(luò)輸出全投資內(nèi)部收益率與設(shè)計值也產(chǎn)生了差異，但均在11%以上，說明，投資經(jīng)濟效益較好，在經(jīng)濟上可行。

4 結(jié)語

姑山礦區(qū)各礦床礦產(chǎn)資源合理開發(fā)與綜合優(yōu)化問題，涉及“時、空、量”3個方面，即姑山礦區(qū)各礦床在“時間”的調(diào)度上(即在礦床之間的開采順序上)必須以經(jīng)濟效益和馬鋼集團統(tǒng)一生產(chǎn)安排為原則［14］;各礦床在“空間”的調(diào)度上(即在總圖運輸、輔助生產(chǎn)設(shè)施空間布局上)必須以技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理、生產(chǎn)上易于安排為著眼點;各礦床在“數(shù)量”的調(diào)度上(即在礦床之間的生產(chǎn)規(guī)模安排上)必須以設(shè)計的最大選礦生產(chǎn)能力為依據(jù)。

1)姑山礦區(qū)各礦床采礦生產(chǎn)規(guī)模。按設(shè)計利用的地質(zhì)儲量B+C級考慮，整個姑山礦區(qū)的推薦生產(chǎn)規(guī)模為540×104～680×104t/a，其中白象山鐵礦250×104～300×104t/a、姑山鐵礦 100×104～150×104t/a、和睦山鐵礦70×104～80×104t/a、鐘九鐵礦120×104～150×104t/a。

2)姑山礦區(qū)選礦生產(chǎn)規(guī)模及流程。姑山礦區(qū)各礦床相距較近，呈“品”字形分布。和睦山鐵礦床與姑山礦區(qū)龍山選礦廠相距僅1 km，交通便利。鐘九鐵礦床位于鐘山與九連山之間，與和睦山礦毗鄰。因此，在選礦廠布局及生產(chǎn)規(guī)模上值得深入研究［15］。

3)姑山礦區(qū)各礦床開采順序。姑山礦區(qū)4個礦床開采順序的制訂取決于馬鋼集團生產(chǎn)需要及投資資金安排。從生產(chǎn)的延續(xù)性以及礦床開采條件看，開采順序依次為和睦山鐵礦、姑山鐵礦(包括露天轉(zhuǎn)地下開采)、白象山鐵礦、鐘九鐵礦。

4)姑山礦區(qū)多礦床礦產(chǎn)資源開發(fā)的“空間”優(yōu)化。礦區(qū)地面總圖布置的基本原則是:a.保護環(huán)境，節(jié)約用地;b.滿足各個場地和設(shè)施的基本功能要求;c.充分利用姑山礦區(qū)現(xiàn)有各種設(shè)施的能力，避免重復(fù)建設(shè);d.滿足各種防護距離、安全規(guī)范的要求;e.系統(tǒng)考慮各礦床的分總圖情況，進行綜合優(yōu)化，以降低整體運營成本［16］。

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Synthetic optimization modeling on mining and utilization of multi-deposits in Gushan mine area

Cai Sijing1，Wang Wenxiao1，2，Zheng Minggui1，3

(1.State Key Lab of High-efficient Metal Mining＆ Safety，University of Science＆ Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.Gushan Mining Company，Ma-steel Group，Ma’anshan ，Anhui 243184，China;3.Jiangxi University of Science ＆ Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China)

Based on the concept of full-scale mining，that is，the concept of research on the mining and utilizing of mineral resources of multi-deposits in a mine area by systematic and dynamic considering of mine full-life process，a synthetic optimizing model of artificial neutral network(ANN)export system is set up.By using the model，a synthetic optimization for the mining and utilization deposits at Gushan mine area is carried out，and the suggested ore production scale for the Gushan mine area is 5.4 ～6.8 million t/a.The optimized results are helpful to the strengthening construction，the improvement of economical and social benefit and the sustainable development of Gushan mine area.

Gushan mine area;multi-deposits mining;full-scale mining concept;ANN-export system model

TD85

A

1009－1742(2011)03－0056－07

2009－08－10

國家“十一五”科技支撐計劃資助項目(2006BAB08B01)

蔡嗣經(jīng)(1952—)，男，江西南昌市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦業(yè)工程、安全技術(shù)及工程的研究與教學(xué)工作;E － mail:Sjcai@admin.ustb.edu.cn