昆陽(yáng)磷礦數(shù)字配礦優(yōu)化模型與配礦工藝規(guī)程

陳鵬能，張電吉，李志國(guó),4，章 鵬，周永生

(1.云南磷化集團(tuán)有限公司昆陽(yáng)磷礦，云南 昆明 650600；2.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；3.武漢理工大學(xué)， 湖北 武漢 430070；4.國(guó)家磷資源大開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650113)

1 昆陽(yáng)磷礦配礦現(xiàn)狀

隨著開采的不斷深入，昆陽(yáng)磷礦富礦比例減小，中低品位礦比例增大，須通過(guò)合理均衡配礦后才能滿足磷酸和高濃度磷復(fù)肥等的生產(chǎn)要求[1].為了達(dá)到磷礦質(zhì)量指標(biāo)，昆陽(yáng)磷礦針對(duì)品位高低及其有害成分不同的磷礦石，僅按目標(biāo)元素含量進(jìn)行加權(quán)平均互混搭配，供選礦廠加工后銷售使用，但是昆陽(yáng)磷礦大多數(shù)的礦石都不能達(dá)到磷礦石質(zhì)量指標(biāo)，以這種加權(quán)平均的配礦方式不能滿足生產(chǎn)及其銷售的要求.因此，采用數(shù)字配礦優(yōu)化模型合理均衡配礦以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)精細(xì)配礦，這不僅能降低原料成本、降低有害雜質(zhì)的含量、穩(wěn)定工藝指標(biāo)，且有利于企業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量[2].

2 配礦計(jì)算模型及評(píng)價(jià)

2.1 配礦計(jì)算的研究現(xiàn)狀

配礦計(jì)算方法有多種，其中按照目標(biāo)礦石的品位與礦石重量可分為簡(jiǎn)易的理論計(jì)算方法，按照工程實(shí)例類比可分為驗(yàn)算法，按照目標(biāo)礦石品位與雜質(zhì)等各種要求可分為線性規(guī)劃法.

(1)簡(jiǎn)易理論計(jì)算法.這是一種較為簡(jiǎn)便的計(jì)算方法，可采用兩種配比，即是品位配礦比與質(zhì)量配礦比來(lái)計(jì)算配礦，這種方法簡(jiǎn)單，在礦種少，不復(fù)雜的礦山配礦中可以采用[3].為了使不同品級(jí)的礦石搭配后達(dá)到質(zhì)量指標(biāo),必須進(jìn)行采場(chǎng)質(zhì)量中和的計(jì)算，不同情況可采用不同的計(jì)算方法，主要方法有品位配比率計(jì)算法(品位搭配法[4])和重量搭配法.

(2)驗(yàn)算法.驗(yàn)算法是結(jié)合實(shí)際的工程數(shù)據(jù)，利用操作者豐富的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)時(shí)的調(diào)整配礦的相關(guān)數(shù)量，現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)的廣泛使用，單靠人為及一些數(shù)據(jù)，不結(jié)合計(jì)算機(jī)的使用，這種驗(yàn)算法已經(jīng)基本被淘汰了.安陽(yáng)鋼鐵公司，利用了計(jì)算機(jī)Excel的數(shù)據(jù)強(qiáng)大的處理功能，來(lái)指導(dǎo)配礦工作的計(jì)劃、實(shí)施與調(diào)整，在配礦上起到了很大的效果[5].綜合來(lái)說(shuō)，該方法簡(jiǎn)單易用，適用于現(xiàn)場(chǎng)配料的配礦工作.

(3)線性規(guī)劃法.通過(guò)各種約束條件如磷礦石的品位與各種雜質(zhì)的限制，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)即礦山效益的最大值[3].

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化配礦方法

在配礦計(jì)算的三種方法中，應(yīng)用最多且最廣泛的是線性規(guī)劃配礦.近年來(lái)，隨著線性規(guī)劃在礦業(yè)中的應(yīng)用大幅擴(kuò)大，能用來(lái)解決的問(wèn)題越來(lái)越多, 諸如配礦、運(yùn)輸、分配、采掘進(jìn)度計(jì)劃的制定以及資源的規(guī)劃和合理利用等問(wèn)題[6].

多目標(biāo)線性規(guī)劃配礦方法是在露天礦配礦動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)中, 針對(duì)礦山實(shí)際情況,使用線性規(guī)劃制定短期生產(chǎn)質(zhì)量計(jì)劃,以利用來(lái)配礦[7]；能夠處理多品種問(wèn)題是此方法的最大優(yōu)點(diǎn)[8].作為運(yùn)籌學(xué)最重要的一個(gè)分支，它主要用于有限資源最佳分配問(wèn)題的研究，在理論上最完善，實(shí)際應(yīng)用也最廣泛.在MATLAB軟件的支持下，多目標(biāo)線性規(guī)劃能得到較好的實(shí)施，只需要在滿足各種約束條件下，列出利潤(rùn)最大的目標(biāo)函數(shù)，使用MATLAB軟件編程，就可得到所需要的計(jì)算結(jié)果.

綜上所述，能總結(jié)出多目標(biāo)線性規(guī)劃是一種實(shí)用、精確合理的計(jì)算配礦的方法.

昆陽(yáng)磷礦生產(chǎn)礦石，其最終的目標(biāo)是追求更好的礦山經(jīng)濟(jì)效益.合理配礦即是要考慮礦石品位與有害雜質(zhì)的含量，因此可設(shè)目標(biāo)函數(shù)如下[3]：

(1)

式(1)中：M為最終礦石的最大銷售價(jià)值；Cij為第i礦段第j個(gè)品級(jí)礦石的價(jià)格；Xij為第i礦段產(chǎn)出的礦石的第j品級(jí)磷礦使用量；m表示有m個(gè)礦段，n表示有n個(gè)品級(jí)范圍的礦石.采用線性規(guī)劃方法同時(shí)需要配礦的約束函數(shù).

(1)品位的約束如下：

(2)

(3)

式(3)可轉(zhuǎn)化為：

(4)

(2)有害元素約束條件為：

① MgO約束：

(5)

(6)

式(6)可轉(zhuǎn)化為：

(7)

② 二氧化硅約束：

(8)

(9)

式(9)可轉(zhuǎn)化為：

(10)

(11)

(3)使用量的限制約束：

(15)

式(15)中：Xij為第i礦段第j種品級(jí)的可使用礦石總量.

3 配礦優(yōu)化模型的建立

3.1 分析配礦質(zhì)量的影響因素

配礦質(zhì)量的影響因素主要有兩種，即品位與配礦方法[9].

品位因素：由于礦山配礦工作主要根據(jù)礦石品位進(jìn)行，若品位不定，會(huì)極大地影響配礦的質(zhì)量.在現(xiàn)場(chǎng)，由于地質(zhì)采樣不能概括每個(gè)區(qū)域礦石的品位，人為的操作失誤，加上個(gè)別職工責(zé)任心不強(qiáng)等都易導(dǎo)致所獲得的礦石地質(zhì)品位失真；礦山實(shí)際出礦品位肯定與地質(zhì)勘探出的品位有誤差等種種因素，都可能導(dǎo)致品位的差異，影響配礦質(zhì)量.

配礦方法因素：配礦中，簡(jiǎn)易理論計(jì)算法，即品位搭配法和重量搭配法，雖然簡(jiǎn)單，但是沒(méi)考慮雜質(zhì)的影響，相比較線性規(guī)劃法，其配礦的質(zhì)量沒(méi)有線性規(guī)劃法優(yōu)越.

3.2 數(shù)字配礦優(yōu)化模型

實(shí)現(xiàn)磷礦效益是磷礦企業(yè)的首要目標(biāo)，決定著企業(yè)的成敗.為了提高企業(yè)的整體效益，企業(yè)在將自產(chǎn)的礦石進(jìn)行深加工的同時(shí)，其下游的產(chǎn)業(yè)會(huì)與自產(chǎn)的礦石質(zhì)量有密切的關(guān)系，為了保證下游產(chǎn)品的質(zhì)量，必須在考慮主要產(chǎn)品的同時(shí)，考慮其他的一些要求.

昆陽(yáng)磷礦的下游生產(chǎn)工藝主要為濕法磷酸工藝，因此在制定礦石有害元素的影響目標(biāo)時(shí)主要考慮的是酸法工藝[10].

因此，昆陽(yáng)磷礦配礦時(shí)按照其P2O5的品位以及各種雜質(zhì)的限制性要求，制定出相應(yīng)的配礦次序，昆陽(yáng)磷礦的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)次序如圖1[11]所示.

圖1 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)次序圖Fig.1 taiget sequence diagram

因此，建立數(shù)字配礦優(yōu)化模型如下：

Z=c1x1+c2x2+…+cmxm

j=1，2，…，m

約束條件為：

a11x1+a12x2+…+a1mxm≥b1

a21x1+a22x2+…+a2mxm≤b2

…

an-1,1x1+an-1,2x2+…+an-1,mxm≤bn-1

an,1x1+an,2x2+…+an,mxm≤bm

xj≥0j=1,2,…,m

aij≥0bi≥0i=1,2,…,n

其中，Z表示最大配礦的配礦量；cj表示各個(gè)配礦點(diǎn)的礦石總量；xj為所用的礦石占預(yù)配礦的比值；aij為各種對(duì)應(yīng)第i種約束條件中，第j種礦對(duì)應(yīng)的第i中物質(zhì)的含量；bi為各種約束條件給定的指標(biāo).

在配礦過(guò)程中，各礦石的品位，數(shù)量以及雜質(zhì)的含量通過(guò)化驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取.基于以上約束條件，利用MATLAB線性規(guī)劃軟件便能實(shí)現(xiàn)配礦的最優(yōu)化，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果.

4 優(yōu)化配礦工藝規(guī)程

(1)優(yōu)化品位管理.不同作業(yè)位置品位常有較大的差異，若根據(jù)爆區(qū)所有炮孔品位來(lái)計(jì)算該爆區(qū)平均品位，這種方法的不精確性只會(huì)誤導(dǎo)配礦工作[9].

為了達(dá)到更高的配礦要求，須在地質(zhì)平均品位基礎(chǔ)上，將爆區(qū)斷面取樣化驗(yàn)和爆區(qū)供礦量計(jì)算結(jié)果標(biāo)識(shí)在現(xiàn)場(chǎng)爆堆上[12]，以提供更精確的作業(yè)位置，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可據(jù)此直觀地分辨出作業(yè)地點(diǎn)和范圍.

(2)優(yōu)化產(chǎn)量管理.配礦人員可根據(jù)各平盤供礦量和品位確定各平盤的適時(shí)供礦量[13]，因?yàn)?0%的供礦任務(wù)由礦石堆場(chǎng)承擔(dān)，所以對(duì)配礦整體質(zhì)量的影響最大.由于礦石堆場(chǎng)可以進(jìn)行首次配礦，因此，應(yīng)最大發(fā)揮礦石堆場(chǎng)的首次配礦作用.

① 堆場(chǎng)配礦原則.采場(chǎng)首次配礦的配礦量可自由控制，配礦較為主動(dòng)靈活，而二次配礦情況就被動(dòng)受限了.因此礦石堆場(chǎng)配礦應(yīng)立足于礦石堆場(chǎng)的礦石品位相對(duì)穩(wěn)定，遵循“首次配礦為主，二次配礦為輔”的原則，以礦石堆場(chǎng)二次配礦為輔助手段，來(lái)調(diào)整供礦品位，達(dá)到配礦的目的.

② 企業(yè)所屬礦山基本情況、各礦礦石堆場(chǎng)吞吐量及礦石品位的確定.掌握各堆場(chǎng)吞吐量及品位是選擇合理均衡配礦工藝的依據(jù)，據(jù)此，在單座礦山配礦不能達(dá)到目標(biāo)的情況下，可以考慮多做礦山多目標(biāo)規(guī)劃綜合配礦，以滿足更高的礦石配礦要求.

(3)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)的管理與監(jiān)督.

① 強(qiáng)化對(duì)配礦工作的領(lǐng)導(dǎo)與管理.明確責(zé)任及主管部門，實(shí)行專人負(fù)責(zé)制.

② 強(qiáng)化配礦點(diǎn)的地質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)察，細(xì)化現(xiàn)場(chǎng)管理.

③ 加大考核力度，維護(hù)配礦指令的嚴(yán)肅性.

5 結(jié) 語(yǔ)

a. 合理均衡配礦可降低后續(xù)生產(chǎn)成本，提高資源的利用率，并能保持供礦品位的穩(wěn)定性.

b. 數(shù)字配礦優(yōu)化模型及解算技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多元目標(biāo)的配礦要求.

c. 多目標(biāo)優(yōu)化配礦新理論與新技術(shù)，將給礦山企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益.

參考文獻(xiàn)：

[1] 向洋良,郭云.昆陽(yáng)磷礦擦洗原礦性質(zhì)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(2):103-105.

[2] 孫成斌.配礦對(duì)過(guò)磷酸鈣生產(chǎn)的影響[J].化工礦物與加工，2000(6):10-12.

[3] 李軍.燒結(jié)配礦專家系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2004.

[4] 林啟太.混合配礦模擬技術(shù)研究[J].江西建材.1998(3):39-43.

[5] 高丙演.用Excel作燒結(jié)配料計(jì)算[J].燒結(jié)球團(tuán)，2001，26 (1): 32-33.

[6] 李克慶, 黃鳳吟, 吳大衛(wèi). 礦倉(cāng)優(yōu)化配礦專家決策支持系統(tǒng)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1995(6):503-505.

[7] 文超,顧清華,馮居易.基于GIS的露天礦配礦管理系統(tǒng)研究[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2009,17(2):58-62.

[8] 范曉慧，王海東.燒結(jié)過(guò)程數(shù)學(xué)模型與人工智能[M]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2002.

[9] 馬英.露天配礦工作淺析[J].有色金屬，2008,24(5):13-15.

[10] 葛英勇,張?jiān)?李紅強(qiáng)，等.深度氧化脂肪酸MG-2浮選膠磷礦的性能及機(jī)理[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(6):111-115.

[11] 肖建華.開磷集團(tuán)生產(chǎn)配礦技術(shù)研究[D].貴州:貴州大學(xué),2009.

[12] 譚光虹.晉寧磷礦排土場(chǎng)及露天采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的治理[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(3):104-106.

[13] 孫兆剛,褚義景.鐵礦石資源節(jié)能減排科技支撐倡導(dǎo)和管理機(jī)制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,32(4):117-120.