露天矿精细化开采与智能管控关键技术研究

露天矿精细化开采与智能管控关键技术研究

马 力 胡世士 袁飞虎

中国葛洲坝集团水泥有限公司 430073

1.1 意义和背景

生产计划优化编制是露天矿精细化开采与智能管控的重要基础工作，合理搭配不同开采区域、不同品位矿石是确保出矿品位稳定和最大限度综合利用矿产资源的重要技术手段，它直接影响着矿山企业是否能够持续、稳定、绿色、高效生产，因此，完善的生产计划优化方案将对矿山企业矿产资源开发利用率和经济效益的提高具有至关重要的作用。

露天矿生产开采系统非常复杂，工艺流程繁多，同时受到生产设备数量和开采单元时空关系等多种因素的制约。过去矿山企业要么忽略了生产配矿环节，仅开采满足品位要求的矿产资源，浪费了大量低品位矿石，要么利用传统手工推算方法，围绕矿山企业生产经营目标，进行反复验证并多次修改后才能完成，由于该方法对生产计划编制涉及到各类约束条件做了大量简化，且未考虑到各工艺环节间的制约关系，导致得到的计划方案不能满足实际生产的需求，达不到理想的效果，同时也只能进行局部优化，难以做到全局优化。

20世纪60年代初期，西方国家开始将计算机应用于矿业，但其作用更多的是节省计算时间和劳力，而随着运筹学方法在矿山生产过程中的深入运用，尤其在露天矿生产计划的优化编制方面取得了很大成功，使得计算机不仅仅作为简单的运算工具，也成为了一种优化手段，改变了过去手工优化效率低下的局面。但露天矿生产计划的优化编制大多情况下仅仅是为了达到矿山企业生产任务量的目标，并未深入考虑开采过程中矿石品质和资源利用率的问题。

数字矿山与智能采矿技术以及计算机图形学与图像处理技术的不断发展，为露天矿生产配矿三维可视化优化提供了一个良好的基础。在三维可视化环境下，露天矿开采单元的空间关系清晰明了，同时，运用地质统计学方法进行估值的矿床块段模型为开采区域内地质体物理属性（如品位、体重）和几何属性（如体积、面积）的实时查询提供了依据。因此，利用三维可视化平台，开展露天矿生产计划可视化优化方法和技术的研究，已成为露天矿迈向智能高效开采而不可回避的前沿课题。

本项目通过深入研究露天矿生产配矿基础数据库创建与数据存储管理方法、多目标优化模型构建与优化解算算法设计以及生产计划编制过程可视化交互模拟仿真优化技术等内容，提出编制露天矿生产计划的多源数据提取规则和海量历史与实时数据存储与管理方法、设计基于遗传算法和粒子群算法的混合仿生算法，为露天矿生产计划三维可视化优化提供理论与技术支撑，对提高露天矿山资源综合利用率和企业的经济效益具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

1.2 推广应用和市场前景

露天矿生产计划编制是一个多目标组合、多约束条件的决策优化问题，同时受到矿山开采单元时空位置关系的影响，使得单纯采用数学优化方法得到的计划方案并不能适应矿山生产的需求，与实际工程偏差较大，可执行性不高。在三维可视化环境中，露天矿开采顺序及开采单元的空间位置关系很容易表达，矿块品位、体积及储量等信息可快速精确计算，因此，利用计算机交互模拟仿真技术，对露天矿生产计划进行三维可视化优化得到了很多研究者的关注。

本项目拟采用基于生产计划模型智能优化与计算机交互模拟仿真技术相结合的方法展开研究工作，提出基于开采单元网格划分、矿块网格模型属性估值、生产计划模型构建与解算的露天矿生产计划方案自动优化，再利用交互模拟仿真技术在三维可视化环境下对生产计划方案进行二次调整的新方法。通过本项目的研究，将为露天矿山生产计划三维可视化优化提供可靠的解决方法，为企业编制具有高可执行性的生产计划优化方案，提高企业对矿产资源的开发利用率，确保开采矿石质量均衡的同时降低企业的开采成本。

1.3 国内外技术概况和发展趋势

露天矿生产配矿是矿石质量控制的重要环节，受到采矿工作者的不断重视。国内外专家学者对露天矿生产配矿也做了大量的研究工作，但主要集中在生产配矿模型的构建以及模型的优化解算算法方面。德国学者Wilke较早提出了根据线性规划理论编制露天矿短期生产计划的方法，建立了露天配矿线性优化求解模型；前苏联学者B.M.阿列尼切夫以难选矿石占采掘总量的百分比与生产规定的百分比之间偏差最小为目标函数建立单目标配矿模型，有效降低了难选矿石在所采资源总量中的比例波动值；林启太根据未确知数学理论建立配矿优化的UM模型，解决了石灰石矿山取样数据少，不能反映矿石品位真实分布的问题；文超将地理信息系统技术和线性规划原理相结合，建立露天矿配矿优化模型，并开发出了露天矿配矿管理信息系统；徐铁军基于管理者语言偏好和决策者满意度的模糊优化算法，建立具有模糊性的多目标配矿模型，但其求解算法的收敛速度较慢。上述研究都是通过将露天矿配矿问题建构为抽象的数学规划模型，根据约束条件，采用线性或非线性规划方法实现对模型目标函数的优化，由于所建立的模型并未考虑设备作业范围和开采单元时空关系等不易表达的约束条件，导致得到的生产配矿优化方案随机性很大、准确性较低、可执行性差。

随着计算机技术在矿业领域中的不断深入应用，西方发达国家于20世纪90年代初期开始着手研发应用于露天矿山矿石质量控制系统并获得了快速发展。1991年，美国塞普路斯科珀通金矿依据炮孔取样数据，研发了服务于短期采矿计划编制和日常矿石质量控制的计算机矿石控制系统。该计算机系统实现了炮孔数据采集、实验室自动化验以及数据管理等功能，使得按某一爆破方式完成矿石质量控制的时间减少了50%-70%，可以及时而精确地得到矿石质量控制的结果，提高了向选矿厂预报矿石质量的准确度，使在爆破作业环节中矿石质量的控制水平得到了较大提升。

在国外研究成果的基础之上，计算机技术在国内露天矿山矿石质量控制及生产配矿优化技术等方面得到了快速应用，取得了初步成果。

王连印根据出矿点和受矿点条件、矿车运行状态和位置以及矿石质量控制目标及相关约束条件，将矿石质量控制系统以模块的形式嵌入到露天煤矿铁路运输计算机调度系统中，通过确定各矿车的运行计划，确保在铲、装、运各作业环节矿石质量的均衡与稳定；由于平果铝土矿生产工艺特点及现场环境的限制，丁浪平提出了联合“地质采矿生产管理系统”和“选矿配矿计算机管理及监控系统”的综合配矿系统方案，该系统有效地控制了开采矿石的质量，增加了企业的经济效益。

近十几年来，国内外专家学者开始以人工智能技术为基础，将矿山地质、测量、采矿设计、安全管理及技术经济评价等结合起来考虑，构建一个利用计算机进行矿山开采设计组合优化的系统。到目前为止，数字化采矿软件Datamine、Micromine、Surpac和3DMine都已成功实现了矿山地质储量计算、测量及开采设计的可视化，在露天矿分期开采优化及中长期生产计划编制等方面也有了较成功的应用，但在露天矿生产配矿三维可视化优化方面，除了Dimine外，其他软件仍没有实质性进展。