鐵礦資源采選生產能力產能配置優化研究——以寬城縣長河礦業經濟區鐵礦資源開發為例

○馮春濤

（中國國土資源經濟研究院 北京 101149）

一、鐵礦資源采選生產能力配置優化動因

1、國內外鐵礦石供需形勢為加快開發利用磁鐵礦資源提供發展契機

從我國鋼鐵工業發展趨勢來看，由于我國的鐵礦石品位低、大型礦床少，礦石種類復雜，開采難度大，成本高，噸鋼鐵礦石需求強度要遠高于其他發達國家（由于冶煉方式的不同），很難滿足當前我國鋼鐵工業對鐵礦石的大量需求。從對全球鐵礦石供需形勢分析來看，鐵礦石依然處于供不應求的局面還將持續。雖然伴隨著鐵礦石主要供應方B H P、V a l e、Rio、F MG擴大產能規模，全球鐵礦石供需或將短暫趨于過剩的現狀，但由于以中國、印度等為主導的發展中國家新一輪的工業化進程及其全球經濟復蘇前景必將帶動全球鋼鐵工業的大力發展。同時，由于鐵礦石主要供給方高度集中的優勢，在未來的相當長的一段時期來看，對于作為冶煉用鐵精粉的價格也將處于穩定波動局面。上述客觀事實的存在，為賦存超貧釩鈦磁鐵礦和鞍山式磁鐵礦資源的寬城礦業經濟區加快開發利用磁鐵礦資源提供發展契機，使其成為發展縣域經濟的重要支撐點。

2、實現資源合理開發利用

礦業經濟區的科學發展要遵循礦產資源的適度開發與利用的規律，就依托長河流域的礦業經濟區而言，要避免礦區超貧釩鈦磁鐵礦資源和鞍山式磁鐵礦資源的過度開發利用，調控的目的也要使資源的開發利用規模與寬城縣縣域經濟社會的發展相協調，同時，使礦業經濟區內的地質環境得到有效保護，通過對超貧釩鈦磁鐵礦和鞍山式磁鐵礦資源礦石生產能力和開發利用規模進行科學合理調控，也是落實全面協調和科學發展觀的具體體現。

3、促進縣域經濟發展

合理調控經濟區磁鐵礦資源開發利用是實現資源優勢向經濟優勢轉變，促進區域經濟快速發展的需求。在適度的范圍內擴大生產規模有助于寬城縣縣域經濟的發展壯大。

二、鐵礦資源選礦生產能力配置優化模型選擇

鐵礦資源采選生產能力優化模型的建立包括以下三個方面需要考慮，目標函數的確立，優化設計變量、附帶約束條件的數學模型。

1、目標函數

根據礦業經濟區各集團公司所屬各礦山采、選生產情況，2009年處理超貧釩鈦磁鐵礦石的各選廠以及處理鞍山式磁鐵礦石資源的各選廠的選礦能力總體礦業經濟區內處理超貧釩鈦磁鐵礦石的選廠（包括在建，擴建）共28家，2009年產鐵精粉362.24萬噸，鐵精粉平均品位64%～66%，礦業經濟區內處理鞍山式磁鐵礦鐵礦石的選廠共33家，2009年年產鐵精粉215.4萬噸/年，鐵精粉平均品位62%～66%。在遺傳算法的過程中將礦山不同礦種選礦能力（噸/年）設為基本的種群個體，利用個體求解適應度，將所有礦山選礦能力的總和確定為適應度，以適應度最大為目標進行進化計算。目標函數在遺傳算法中是個重要的控制主角，它強調了問題中最終目標及限制條件的相對重要性，目標函數包括了兩個部分即目標部分和懲罰部分。

（1）目標：以下為目標函數F：

式中，i表示各礦業集團（i=1，2，…，n）；Dj若代表各礦業集團所屬選廠的選礦能力（j=1，2，3，...，n），依次類推。Wi為權重系數，權重的取值根據各因子的重要程度來定義，S為因子取值限制懲罰函數。

（2）懲罰：第二個部分，包括了限制條件是否符合于目標所設定的條件，懲罰函數R在遺傳算法中是根據違反限制條件的合適程度來定義，但是需要注意的是若違反限制條件系數S過高，會使設計變的不合理。

（3）優化設計變量。根據以上目標函數的設定，這里優化設計變量為：

D=Y DijY

式中，D同上，Dij表示各集團所屬各選廠的選礦能力。

2、約束條件

根據已有資料，目前礦業經濟區各集團公司各選廠的基本情況和存在的問題如下。

（l）隨著各廠礦生產礦種結構和生產能力的不斷變化，各選廠選礦能力和選礦對象在不斷發生變化和調整；（2）隨著礦山生產的變化，雖然選礦總能力大于礦山生產能力，但選礦生產能力結構不適應礦山生產發展要求；（3）從集團公司各生產區域來看，現有尾礦庫供求不平衡；（4）部分選廠生產用水由坑下供給，生產成本較低，有獨立的供電系統和廠前回水系統，有些選廠則存在早季缺水，需外購生產用水。

綜上所述，礦山選廠能力主要約束條件包括5個方面。供礦約束，結合礦山的資源儲量；尾礦庫庫容約束，考慮挖潛改造擴容后的庫容量；選礦用水用電及供電、供（回）水約束；開拓運輸系統工程的布置；經濟效益最大化。

選廠能力優化，牽扯到多影響因素，考慮所有影響因素不太現實，因此需要掌握一個原則，那就是選擇那些對目標、約束函數影響大的影響因素，結合實際，我們選擇供礦約束；供水資源約束；尾礦庫庫容約束，作為三個對其他相關的約束。

第一，供礦約束。供礦約束是影響各選廠選礦能力的最主要限制條件，根據礦山保有資源儲量表，對各集團選廠供礦約束如下：

對各集團選廠供礦約束如下：

參數設定如下：

分別選定Excel窗體內H 19和H 23字段為目標函數，采用Recipe的方法來進行求解。對于其設定則采原設定值選擇，對所有基因染色體設定變量范圍，變量范圍根據變量的約束條件設定，在本數據庫內以任意實數形式表示。

三、鐵礦資源開采生產能力配置優化模型選擇

鐵礦石開采生產能力優化模型不僅考慮理論模型所的結果，還要結合實際現狀，予以修正。

1、鐵礦石開采生產能力優化理論模型

金屬礦山合理生產規模的確定是金屬礦山項目開發過程中一項非常重要的決策要素，許多決策要素均以生產規模為中心進行確定。生產規模的大小與礦山企業的經濟效益密切相關，因此，在礦山前期規劃中做好生產能力優化工作至關重要，金屬礦山合理生產規模的確定，涉及地質資源條件、開采技術條件，礦區內外部多種技術條件、經濟、環境、社會等因素，是一個復雜的系統工程問題。

泰勒模型雖然并沒有完全包括影響金屬礦山確定合理生產規模的諸多因素，但作為一個經驗公式，用于初步確定礦山生產規模是具有一定的參考與實用價值的。一些學者通過對我國一些礦山的統計分析，提出修正的泰勒模型作為否作為我國礦山初步確定合理服務年限，修正后的泰勒公式為：

考慮±20%波動范圍，則有：Qa=0.65 Q0jg.84（1±0.2）式中：Qjg表示礦床的工業儲量（百萬t），Qa表示礦山生產規模，泰勒模型實際上提出了礦山地質資源儲量、礦山合理生產規模及礦山經濟壽命之間的匹配關系。因為該公式簡便易用，在礦山設計和估算礦山生產規模時具有一定的價值。

而礦山地質資源儲量、礦山生產規模與其服務年限的關系可用下表達式：

式中：Tp表示礦山合理服務年限（a），K=1.3-1.5為儲量備用系數，地下礦K=1.3-1.5，露天礦K=1.1-1.3，其它符號意義同上。

2、修正參數

為了使模型能夠準確反映礦業經濟區實際礦石生產能力現狀，須考慮實際各集團公司采選過程中的選礦比，對泰勒模型予以修正。各集團公司選礦比如表1、表2所示。

表1 處理超貧釩鈦磁鐵礦石的選礦比

表2 處理鞍山式磁鐵礦石的選礦比

四、優化結果與分析

1、鐵礦石開采生產能力優化結果分析

（1）亮甲臺超貧釩鈦磁鐵礦開采生產能力優化。本次礦業經濟區鐵礦資源規劃涉及位于礦業經濟區的亮甲臺共6個超貧釩鈦磁鐵礦礦帶，8個礦體；2009年礦石實際生產能力為780萬噸。

依據生產能力綜合優化理論模型，結合實際選冶需求，8個礦體的開采礦石生產能力達到2702萬噸/年，其中亮甲臺Ⅰ-1礦體、Ⅰ-2礦體、Ⅰ-3礦體、Ⅱ礦體、Ⅲ礦體、Ⅳ礦體合理開采礦石生產能力為1036萬噸/年，東川Ⅰ礦體合理開采礦石生產能力為40萬噸/年，合理鐵礦石生產能力為1076萬噸/年，生產服務年限平均17年。

（2）孤山子超貧釩鈦磁鐵礦開采生產能力優化。孤山子超貧釩鈦磁鐵礦礦體，2009年孤山子超貧釩鈦磁鐵礦礦石實際生產能力為2930萬噸。結合實際選冶需求，劍鋒集團所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區、泰豐集團所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區、寬安礦業所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區、京城集團所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區、恒泰集團所屬超貧釩鈦磁鐵礦采區2009年開采礦石量分別為670萬噸/年、630萬噸/年、60萬噸/年、1200萬噸/年、250萬噸/年，依據生產能力綜合優化理論模型，合理生產能力應為2740萬噸/年，平均生產服務年限為20年。

（3）鞍山式磁鐵礦石開采能力優化。礦業經濟區內除超貧釩鈦磁鐵礦床鐵礦帶外還存在沉積變質磁鐵石英巖型礦床，礦石自然類型主要為磁鐵石英巖型，工業類型屬“鞍山式磁鐵礦”，礦石品位（T F e）29%～35.17%之間，具有工業價值的礦體161條。2010年鞍山式磁鐵礦石實際開采能力為453萬噸。礦業經濟區鞍山式磁鐵礦開采，依據資源儲量，規劃期10年內，每年開采產礦石量可達到619萬噸/年。依據生產能力綜合優化理論模型，并考慮實際生產能力現狀，尾礦庫資源、可供水資源條件約束，到2015年，鞍山式磁鐵礦石開采合理生產能力達到592萬噸，2015—2020年，寬豐集團的唐家莊礦業公司、婁臺子礦業公司、雙洞子礦業公司、兆豐集團上院礦業公司、福林礦業公司進一步做好深部勘查工作的基礎上，2020年鞍山式磁鐵礦石開采能力維持在592萬噸/年。合理服務年限22年。

2、鐵礦資源選礦生產能力優化

（1）超貧釩鈦磁鐵礦選礦生產能力優化?；谶x廠生成能力優化配置數學模型，綜合考慮資源賦存狀況、技術設備更新能力、水資源及尾礦庫配置能力，考慮礦業經濟區礦業集團所屬各選廠相繼擴大產能，在天寶礦業新建一產能為80萬噸/年的選廠，京城礦業集團新建一產能為100萬噸/年的選廠這一實際，長河礦業經濟區處理超貧釩鈦磁鐵礦石的產能總規模可達到864.5萬噸/年。遠期（2015—2020年），考慮資源賦存條件、尾礦庫資源利用條件等因素，考慮天寶集團、京城集團、恒泰集團所屬部分選廠進一步擴大選礦生產能力，新建兩家年處理超貧釩鈦磁鐵礦石60萬噸/年和100萬噸/年鐵精粉的選廠，可以保障長河礦業經濟區到2020年時處理超貧釩鈦磁鐵礦石的選廠生產能力達到年產鐵精粉1244.5萬噸/年。

（2）優化鞍山式鐵礦選礦生產能力?？紤]鞍山式磁鐵礦資源賦存條件和可采條件，讓部分選廠如：龍源所屬龍泉選廠、福林公司所屬福林選廠等達到設計生產規模，使得2015年處理鞍山式磁鐵礦石的選廠規模達到年產鐵精粉256.8萬噸/年，遠期（2015—2020年），在逐步做好深部地質詳查工作的基礎上，到2020年，處理鞍山式磁鐵礦石的選廠規模維持年產鐵精粉256.8萬噸/年。

五、鐵礦資源采選生產能力產能配置優化保障措施

1、優化超貧釩鈦磁鐵礦的采選生產能力保障措施

（1）優化超貧釩鈦磁鐵礦開采能力。對隸屬礦業經濟區的超貧釩鈦磁鐵礦體，礦山應采用自上而下臺階式開采，礦山最終產品為磁鐵礦石原礦，塊度不大于350 m m。在充分利用現有生產設施的基礎上，增加或更新生產設備，主要考慮使用容量大的電鏟設備，同時結合該礦礦區范圍大，礦體形成獨立采場多，開采剝離量大等實際情況來確定各礦體的開采先后順序。在原有形成獨立采場的基礎上，增加采區作業面，增加采場數量，建立多套獨立的生產系統。

（2）優化超貧釩鈦磁鐵礦資源選礦技術。礦業經濟區內超貧釩鈦磁鐵礦除含TFe之外，還含有一定數量TiO2、V2O5，通過測試分析以及多種方法選礦試驗，證明經濟區內原礦磁性鐵為中細顆粒較易選，鈦不易回收，磷通過浮選可得到磷精礦，但由于原礦中含有一些碳酸鹽礦物，在浮選的過程中，碳酸鹽礦物和磷灰石在一起，使得磷精礦品位并未顯著增加，故推薦只回收鐵的選礦流程，即：原礦－干式預選拋尾（弱磁）-粗磨-濕式弱磁選－細磨-濕式弱磁選－鐵精礦的選別流程。該流程實現了提前拋尾具有節水、電、低成本、低污染的優點。

（3）開展超貧釩鈦磁鐵礦礦床的地質詳查工作。礦業經濟區的超貧釩鈦磁鐵礦礦床分布于亮甲臺和孤山子。由于礦床屬巖漿晚期分異形成，巖漿結晶分異的不同，造成磁鐵礦含量的變化，為進一步提高礦業經濟區資源規模經濟效率，在查明孤山子超貧釩鈦磁鐵礦成礦地質條件及資源潛力現狀基礎上，規劃期應進一步加大勘探詳查力度，加密各種采樣工程，采用邊采邊探的方法，加強地質工作投入，加強巖體相帶的劃分及礦化富集規律等方面的綜合性研究工作，加強孤山子超貧釩鈦磁鐵礦床的深部勘查，力爭找到大而富的鐵礦體。

2、優化鞍山式磁鐵礦資源的采選生產能力保障措施

（1）優化鞍山式磁鐵礦資源開采生產能力。對賦存于礦業經濟區內鞍山式磁鐵礦體，普遍采用的采礦方式為斜井—豎井—平硐聯合開拓方式，用分段空場法輔以淺孔留礦法進行采礦。（2）科學布置地下開拓工程，開拓巷道布置的合理與否，將直接影響今后漏斗的布置和礦石是否能大量采出。因此，在加強地質工作的基礎上，獲取第一手基礎資料用于指導開拓工程。（3）科學合理布置探礦工程。在探采結合的原則下，對變化大，現有巷道和原地質鉆孔沒有控制到或揭露不準確的礦段，根據情況，適當地多安排一些探礦工程，力爭提前為開拓巷道確定合理的位置。（4）適當增補一些采準工程，盡量回收滯留在采場內的礦石。（5）對于采礦中途賦存條件發生變化的礦體，及時改進回采工藝，確保礦石回采率。

3、優化鞍山式磁鐵礦資源選礦技術

針對鞍山式磁鐵礦石特點，選廠采用“三級破碎，二段磨礦，三次磁選加磁團聚重選”工藝流程，并增加聚環式尾礦回收機，以降低尾礦的品位，濃縮磁選的粗精礦進行兩段磨礦，磨礦細度為-200目占60%，仍采用CTB1024型濕式磁選機（磁場強度1450奧斯特）進行二次磁選，得出粗精礦再返回高頻細篩進行兩段分級，篩下產品進入磁團聚重選（采用φ2500型磁團聚磁選機進行重選）。

4、開展鞍山式磁鐵礦深部地質詳查工作

在基本查明了礦區賦存于中—下太古界遷西群上亞群拉馬溝組地層的沉積變質磁鐵石英巖型礦床的地質及構造條件、礦體數量、礦體形態、產狀、規模和空間分布以及開采技術條件現狀的基礎上，規劃期內應以邊采邊探原則，加強布置深部控制礦體的探采詳查工程，進一步查清鞍山式磁鐵礦資源遠景儲量，為礦山合理規劃開發、管理提供地質和儲量依據。

[1]劉偉朋：基于討價還價博弈分析的中國鐵礦石談判的策略與戰略[D].中南大學，2009.

[2]高文翔：多礦整合產能配置與區域開拓運輸系統重構優化研究[D].中南大學，2008.

[3]楊立生：基于粒子群算法的選礦能力優化研究[J].礦業快報，2007（11）.

[4]鄭明貴、蔡嗣經：金屬礦山擴建合理規模的影響因素分析[J].采礦技術，2007（1）.

[5]鄭明貴、蔡嗣經：地采金屬礦山生產規模確定的泰勒公式研究[J].江西理工大學學報，2007（3）.