露天矿智能配矿系统研发与应用

陈彦亭　巩瑞杰　南世卿　宋爱东　陈　越

(1.河北钢铁集团矿山设计研究院；2.河北钢铁集团司家营铁矿有限公司)



露天矿智能配矿系统研发与应用

陈彦亭1巩瑞杰2南世卿1宋爱东1陈越1

(1.河北钢铁集团矿山设计研究院；2.河北钢铁集团司家营铁矿有限公司)

摘要为了保证入选矿石质量稳定，在利用三维建模软件表现矿体空间形态及品位分布的基础上，充分分析矿山采矿生产工艺，研发露天矿损失率、贫化率定量化预测软件，提供相对精确的配矿基础数据保障；深入分析配矿流程，建立诸多约束条件下的规划求解配矿数学模型，采用VB与Matlab混合编程，开发智能优化配矿软件，实现矿块正交组合、规划求解优化等功能，使配矿工作定量化、智能化。应用结果表明：配矿软件操作简便、功能实用，进一步稳定入选品位，同时最大限度地利用了境界内的低品位矿，提高矿石综合利用率，降本增效效果显著。

关键词智能配矿系统三维建模正交组合规划求解低品位矿

为了达到矿石质量指标要求，对品位高低不同的矿石按比例互相搭配，尽量使之混合均匀，称为配矿。目前，国内大多数矿山配矿管理一般利用计算机相关技术建立配矿模型，如线性规划、0-1整数规划等，实现了矿山生产短期作业质量计划的编制[1]，此外，一些三维矿业软件也具有配矿功能。可见，配矿方法、手段的研究及相应软件的开发及应用是矿山配矿工作的发展趋势。现有配矿系统及软件没有考虑开采损失率、贫化率对配矿工作的影响，同时也都没有实现配矿的智能优化。 因此，亟需对配矿管理工作进行多方面、智能化研究，以保证矿山选矿品位的稳定。

1矿山配矿工作简介

司家营露天矿属鞍山式沉积变质铁矿床，矿石全部为贫铁矿，平均地质品位全铁为29.13%(不包括表外矿)，虽有极少数富矿(TFe>45%)，但不足以考虑单独利用。图1为利用地质钻孔化验样品样长组合后的6 092组全铁样品建立的分布直方图，可以看出，数据主要集中在25%～35%，但对于矿山的入选品位要求来说，峰值仍然较宽，特别是对于边界品位20%以上的原生低品位矿初步设计按利用考虑后[2]，矿石的品位变化幅度进一步变大，更需通过配矿工作保证入选矿石品位的稳定[3]。

图1　6092组全铁数据分布直方图

司家营露天矿配矿工作是在每隔一定时间对采场矿石预选的基础上，由主管领导、技术人员根据试验、化验数据及经验等估计各爆堆的矿石质量，然后人工确定配矿比例，铲装运输按此比例出矿；主要采用经验的、半定量的人工配矿方式，在一定程度上稳定了出矿品位，基本保证了选厂对矿石品位的要求，但受爆堆矿石质量波动的剧烈程度及配矿技术人员的经验、工作责任心等因素影响，供矿品位容易产生较大波动。

因此，根据司家营铁矿配矿生产的实际开发能够进行损失率、贫化率预测及动态智能优化计算的配矿软件，使配矿工作定量化、自动化，最大限度地减少采出品位波动及不必要的人为因素影响，稳定和改善现有的配矿质量，保障选矿生产指标稳定[4]。

2矿山三维模型建立

考虑矿体的整体特征，利用已有的探采工程(探槽、炮孔、掌子面)反映、揭露的矿体产状、厚度、夹岩变化情况，结合已有的地质勘探资料，利用3DMine三维建模软件建立矿体开采现状模型，提供更为准确的矿体变化、品位分布三维模型资料(图2)，为智能优化配矿提供地质保证。

图2　矿体全铁分布与开采现状耦合三维模型

3配矿系统研发

影响入选矿石稳定的因素有很多，现有的研究手段和方法中，有些是定性的，如脉石矿物的种类、嵌布特征等；有些是定量的，主要检测的为全铁和亚铁2种因素，故本次也是研究稳定全铁、亚铁指标的智能优化配矿系统。

多目标规划是数学规划的一个分支，研究多于一个的目标函数在给定区域上被同等地最优化(极小化或极大化)的问题，又称多目标最优化。以入选全铁、亚铁值为目标的配矿优化正符合多目标规划的适用条件。

3.1双因素规划求解配矿数学模型建立

通过调研，司家营露天矿为多出矿点、单受矿点且没有储矿堆场的需采场过程配矿型矿山。其配矿数学模型可简化为n个出矿点，1个受矿点[5]，其中第j个出矿点的出矿量为xj，出矿全铁品位为gj，亚铁品位为kj。双因素品位配矿的规划数学模型应满足相关约束条件。

3.1.1最低出矿量和生产能力约束

各出矿点的产量必须为其生产技术条件所允许，并满足矿山计划(生产任务)的要求，于是有

(1)

式中，xj为第j个出矿点(电铲)计划出矿量，t；Aj为第j个出矿点能够挖掘的最大矿石量(挖掘设备最大能力)，t；Qj为第j个出矿点必需挖掘的最小矿石量，t，由计划部门指定，可调。

3.1.2破碎站破碎能力约束

每个出矿点的矿石需运送至破碎站破碎配矿，设破碎站一天的破碎指标为Qr，则

(2)

3.1.3供矿量约束

每天采场需保证的最低出矿量为

(3)

3.1.4配矿质量约束

入选全铁品位应不低于最低品位gmin和不高于最高品位gmax，入选亚铁品位应不低于最低品位kmin和不高于最高品位kmax，因此采出矿石的综合质量应满足

(4)

(5)

(6)

(7)

3.1.5优先出矿约束

因调整采场布局及采矿计划等原因，某些爆区需优先铲装，这样的出矿点的权重设置比其他爆区高，如第j个出矿点的权重高于第j+1个出矿点，则相应权重pj和pj+1可设置为

(8)

要求配矿全铁目标品位为g，亚铁目标品位为k,因此，目标函数可取配矿后的品位偏差为最小，即

(9)

式中，xj为第j个出矿点的计划出矿量，t；gj为第j个出矿点的品位,%；g为理想出矿品位,%；kj为第j个出矿点的亚铁品位，%；k为理想出矿品位，%。

3.2配矿模型的求解

上述数学模型的求解软件有很多种，考虑到与VB混合编程的需要，采用Matlab工具箱的目标达到法，调用fgoalattain函数求解，其一般调用格式：[x，fval]=fgoalattain(fun，x0，goal，weight，A，b，aeq，beq，lb，ub，nonlcon，options),其中，x、fval为函数返回的决策变量及目标函数向量值；fun为需要最小化的目标函数；x0为求解的初始值；goal为目标函数期望值；weight为目标权重;其他相关信息详见《Matlab优化工具箱手册》。选厂对入选原矿全铁、亚铁不同级别的要求，可以通过对goal与weight参数的设置来实现。

3.3最小配矿单元划分

一般情况下，一个爆区的矿量常是日供矿量的2～3倍，甚至更大；在品位变化不大的爆区平均品位有代表意义，能表征此出矿点矿石品位；但在品位变化较大的爆区，平均品位并不能真正反映此出矿点当天供矿的矿石品位，因此，有必要将其划分为更小的配矿单元，见图3。

最小配矿单元划分原则上应包含若干个炮孔，一般为3～4个炮孔，实际划分时可综合考虑铲装设备型号、作业能力、炮孔间距及地质品位变化等因素，确定最小配矿单元尺寸；根据生产计划可对矿块进行合并，使其满足产量要求。

3.4系统开发

利用VB编程语言开发具有独立界面的配矿系统软件，进行VB与Matlab、3Dmine、excel的混合编程及集成[6]，将3Dmine软件作为图像操作、显示平台，利用Matlab生成的DLL文件作为数据处理核心，实现与3Dmine建模软件的无缝连接、配矿信息自动获取、配矿矿块自动标识、配矿规划求解计算、配矿结果三维显示等主要功能，使配矿工作定量化、精细化、智能化。

图3　爆区最小配矿单元划分

3.4.1与3Dmine软件无缝连接

在本软件内启动、连接3Dmine软件，充分利用3Dmine软件已有的绘图、实体建模、块体建模等功能完成相应操作，并实现对其部分自动控制，见图4。

3.4.2配矿信息获取及矿块标识

根据提示选择爆区所属矿块(3Dmine软件内的采掘带)，程序自动完成矿块配矿信息的提取，并对矿块进行编号，编号具有唯一性，如“爆区1矿块1”，便于识别及程序判断、查找，见图5。

3.4.3爆区贫化率及损失率预测

损失率、贫化率对采出矿石的品位影响很大，特别是贫化率。因此本次研究在爆区矿体实体建模、三维刻画矿体空间特征的基础上，结合电铲型号规格和台阶工作边帮角，采用微分采矿单元的思路，实现不同矿体赋存条件、不同掘进方向、不同矿岩截止边界条件下采矿损失贫化率快速、方便预测，并在平面上给出矿石、含矿废石及废石的分布范围等，至此称为“一步预测”；并可在此基础上，参考各点的含矿比例等属性进行出矿位置、剔除夹岩位置的二次圈定，继而利用软件“二步预测”功能重新计算圈定后爆区的损失率、贫化率，使预测结果更加贴近生产实际。图6为采场某台阶的损失贫化率预测结果，预测结果非常形象、清晰。

3.4.4正交组合规划求解计算

在正交组合配矿模块界面下，可以修改配矿目标全铁、亚铁品位值、权重、出矿量、计划最小出矿量、计划最大出矿量、出矿铲数等参数；进行多爆区多矿块正交组合，完成一个组合后将组合矿块的品位、矿量限制等信息传给上述Matlab生成的规划求解DLL，将结果(各矿块的出矿量)传回组合结果表，在数据库里将求解后的配矿方案按组合序号和矿块号存储起来，之后循环进行下一个组合(配矿方案)的规划求解，直至完成所有组合求解(图7)；对所有组合的求解结果进行方案比较，将满足条件的方案排列好供决策者选择(表1)，各个方案的规划求解结果优劣直观、一目了然，最终实现配矿方案在规划求解优化的基础上再优中选优。

图4　智能配矿软件与3Dmine软件连接示意

图5　配矿软件在3Dmine软件内的配矿信息获取

图6　采场某台阶损贫预测结果

3.4.5供配矿方案整数比转化

表1中各爆区各矿块的出矿量是理论计算出来的，现场配矿操作性差，为了解决这一问题，开发了“整数比”计算功能，即将各爆区各矿块出矿量转化为简明的整数，转化后计算相应的目标函数值、全铁及亚铁值，所有方案转化后再进行目标函数排序(表2)，再从中选择适宜的配矿方案。

3.4.6配矿结果三维显示

配矿技术人员根据计算结果选择相应的配矿方案后，通过“三维显示配矿结果”功能程序切换到3Dmine软件，改变出矿矿块颜色，将所需配矿矿块显示在采场现状三维模型上，并用文字标示出该矿块的所需出矿量(图8)，用对话框的形式显示该方案配矿后的全铁、亚铁值，从图中选择配矿矿块后，提取爆区的范围坐标，地测人员即可到现场定位出相应的实际位置，现场技术人员标识后，电铲即可按此标记进行铲装作业，保证出矿位置的准确，避免电铲越界铲挖，导致配矿结果失准；如果配矿技术人员综合考虑现场作业情况，认为现场难以执行选择的配矿方案，可以将其他的配矿方案显示在三维现状图上，直至找到最合适的配矿方案。

图7　矿块正交组合规划求解配矿程序流程

4应用效果

该配矿系统2014年1月在矿山试用，搜集了应用前后3个月氧化矿每个台班的入选品位信息，整理成以日为单位的入选品位信息。图9为项目应用之前3个月的日全铁入选品位波动曲线，可以看出，除2013年11月份波动较小外，其他2个月的入选全铁品位波动幅度大、频繁。图10为试用后3个月的全铁入选品位波动曲线，可以看出，品位曲线波动幅度明显变小，波动也不剧烈。为了进一步深入分析品位数据波动情况，计算出应用前后入选品位的标准差，应用前为0.963，而应用后为0.788，同比降低了18.1个百分点。综上所述，说明入选矿石的全铁品位稳定性得到了很大程度的提高，同时，最大限度地利用了境界内的低品位矿石。

表1　配矿方案求解结果排列

表2　整数比转化配矿方案排列

图8　配矿结果三维显示

5结论

(1)借助三维软件清晰、直观地表现出矿体的三维空间展布及品位分布等，为配矿工作提供了更加可靠地质模型保障。

(2)首次将损贫指标引入到配矿研究中，并成功研究出露天矿损失率、贫化率快速、方便的预测方法，预测结果贴近生产实际。

(3)通过分析矿山采矿生产现状，建立了最大破碎能力等诸多约束条件下的规划求解数学模型。

图9　2013年10—12月日入选品位波动曲线

图10　2014年1—3月日入选品位波动曲线　　(4)利用VB与Matlab混合编程开发出智能优化配矿软件，实现配矿信息的自动提取、智能组合优化计算及配矿结果三维显示等功能，使配矿工作定量化、智能化、最优化。

(5)配矿系统应用后，入选品位的稳定性得到很大程度的提高，最大限度地实现了境界内低品位矿的配矿利用，社会和经济效益显著，具有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1]井石滚,卢才武，李本发，等.基于GIS/GPS/GPRS的露天矿配矿动态管理系统[J].金属矿山,2009(6):140-141.

[2]苏建军,李慈.唐钢滦县司家营铁矿一期采选工程初步设计[R].秦皇岛:中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司,2009.

[3]肖跃民.某矿区低品级矿石的开采利用研究[J].金属矿山,2009(1):49-52.

[4]侯煜.线性规划法在露天矿配矿领域的应用[J].矿业工程,2006(2):22-24.

[5]易丽平,王李管，房智恒.线性规划法在露天矿配矿中的应用[J].现代矿业,2010(1):42-43.

[6]胡建明.3Dmine矿业工程软件基础教程[R].北京:北京三地曼矿业软件科技有限公司，2014.

(收稿日期2015-12-07)

Research and Application of Intelligent Ore Matching System of Open-pit Mine

Chen Yanting1Gong Ruijie2Nan Shiqin1Song Aidong1Chen Yue1

(1.Mining Design Institute, Hebei Iron and Steel Group;2.Sijiaying Iron Mine Co., Ltd., Hebei Iron and Steel Group)

AbstractIn order ensure the stable ore quality, the ore-body morphological characteristics and grade distribution characteristics are shown by adopting three-dimensional modeling software, based on this, the quantitative predicting software of loss rate and dilution rate of open-pit mine is developed by analyzing the mining production techniques to provide the relatively accurate ore matching basic data. The ore matching process is analyzed in depth, the programming solver ore matching mathematical model under a number of constraint conditions is established. The intelligent ore matching software is developed by using VB and Matlab language to realize the functions of ore block orthogonal combination and programming solver and optimization to promote the development of quantitative and intelligentize ore matching work. The application results of the software show that the ore matching software developed in this paper has the characteristics of simple operation and practical function, it can make stable ore grade and make full of the low grade ore inside of mining boundary. Besides that, it also help to improve the ore comprehensive utilization rate. On the whole, the effects of cost decreasing and benefit increasing are good.

KeywordsIntelligent ore matching system, Three-dimensional modeling, Orthogonal combination, Programming solver, Low grade ore

陈彦亭(1981—)，男，副主任，工程师，063700 河北省滦县。

·材料·装备·