弓長嶺露天礦獨木采區山坡轉深凹露天開采過渡開采境界優化

王宇馳

(鞍鋼礦業集團公司弓長嶺露天鐵礦)

開采境界優化對于實現礦山經濟效益最大化具有重要作用。隨著采礦工業的不斷發展，20世紀八九十年代許多開采境界優化方法應運而生，最為主流的方法為浮錐法和L-G圖論法[1-3]。浮錐法和L-G 圖論算法均基于圖論理論，將塊體定義為有向圖，點代表塊體模型某一塊的質心，圖代表點與點之間的連接，結構弧代表點與點之間的定向連接，用于表示開采時所允許的最大邊坡角，點的值是單元塊的經濟價值，如此便就組成了1個有向圖G，在該圖中找到1個權重之和最大的閉包即可實現境界優化的目的[4-9]。該類方法不足在于：①建立模型時需要劃分塊體，如果塊體劃分過大，易導致計算結果不精確；反之，會導致數據量成幾何級數增加，導致程序運行存在問題，對于形狀規則、厚大礦體(如煤礦)，易于劃分塊體，對于形態產狀復雜變化的礦體，則難于劃分塊體，如弓長嶺鐵礦最小礦體厚度為2 m，夾石最小厚度為2 m，如果將塊體劃分至2 m，塊體數量將達到108個以上，不但建模困難，計算時也難以收斂；②僅考慮了理論上的最優解，對于實際問題中存在的有條件的極值問題未能充分考慮，例如某一方向有重要目標無法開挖，目前一些軟件未能充分顧及；③計算中由于設計理念欠缺，難以對最優解附近的次優解進行充分描述；④計算礦量的方法與相關勘探規范給出的算法不同，即該類方法計算出的礦量不被現行規范認可[10-12]。

本研究結合弓長嶺礦區實際情況，開發了適合該礦區的開采境界優化軟件，該款軟件與現階段一些圖論算法和浮動圓錐方法軟件相比，在計算思路和程序設計上所具有的特點為：①建模思路不同，不對地質體全體劃分塊體進行建模，而是僅針對礦體進行建模，礦體按照傳統勘探線劃分斷塊建模，有工程控制的礦體則按控制的幾何形狀進行建模，如此礦體的塊體有大有小，塊體數量會大大降低，實際計算中，塊體數量約103個，不影響計算速度；②塊體屬性劃分為境界內和境界外，對于與境界相交的礦體，求出相交面，可將礦體拆分成2個塊體；③需要給出境界初值，而后對可行區域進行搜索，對于二次境界優化優勢較明顯。

1 境界優化算法

計算中優化目標可定義為

(1)

式中，G為優化目標,為總收益；M為計算單元價值；E為單元開采成本；n為單元總數；i為單元個體。

本研究設計的優化境界算法步驟為：①根據數字化鉆孔數據和地形數據，構建鉆孔數據庫和地形數據庫，而后對礦體進行空間建模；②境界空間形態初始化，對各個勘探線斷面進行優化；③進行斷面優化步長的評估與計算，計算出各個斷面步長的導數，進而根據導數給出總體優化步長；④進行總體優化迭代計算，確定總體最優、次優方案。

算法程序使用MATLAB語言編寫，程序實現流程如圖1所示。

2 斷面內優化步長計算

為確定總體優化步長，首先計算各個斷面的境界優化步長，各斷面分布位置見圖2。斷面優化步長的計算思路是假定1個100 m長斷塊，礦體、圍巖都與斷面一致，每20 m為1步，計算各個斷面各個迭代步增加的礦量、剝巖量、剝采比，結果如圖3～圖5所示。

圖1 程序實現流程

圖2 斷面分布位置

圖3 各個斷面優化步長礦量曲線

圖4 各個斷面優化步長剝巖量曲線

3 總體迭代斷面內優化步長計算

各個勘探線在總體迭代計算中的步長可用下式計算

(2)

圖5 各個斷面優化步長采剝比曲線

據此，計算到總體迭代中各個斷面(勘探線)的步長，根據該值進行迭代計算，得到各個計算步對應的境界優化結果。總體迭代計算中，各計算步對應的各斷面的步長見表1。

4 境界優化計算結果與分析

依據礦山提供的經濟技術指標(表2)，目前，礦山運行的采剝比約5.2，極限采剝比為7.89，設計境界的采剝比約5.67，此次境界優化的目標主要為提高境界礦量和經濟效益。

表1 各斷面采用的迭代步長

表2 礦山經濟技術指標

分析表3及表4可知：境界優化后(礦區開采已進行到第3步)與原境界相比，新境界礦量由0.889 9 億t提高至1.078 2億t，凈增加高級別礦量0.188 3億t，按目前經濟技術指標計算，礦量經濟價值由72.838 2億元提高至88.250 7億元，提高了15.412 5億元，剔除采礦成本，產生經濟效益(凈收益)由20.538 3億元提高至25.694 7億元，凈利潤提高5.156 4億元，隨著經濟形勢好轉，鐵礦石價格提高，經濟效益還會繼續提升。按每年250萬t產能計算，礦山服務年限將由35.596 a提高至43.128 a，即有望提高約7.5 a。

表3 各優化步計算結果

5 結 語

結合弓長嶺露天礦獨木礦區礦體復雜變化的實際情況，開發了該區開采境界優化軟件，通過優化計算，得到了新的優化境界，與原境界相比，新境界礦量凈增加高級別礦量0.188 3億t，礦量經濟價值提高至88.250 7億元，提高了15.412 5億元，凈利潤提高了5.1564億元，礦山服務年限提高了約7.5 a。

表4 境界礦量與經濟收益比較