铁矿石质量均衡管理的数学模型构建与应用

要智勇 潘 杰 刘少君

(河钢集团矿业公司，河北 秦皇岛 066000)

0 引言

为了实现司家营矿区入选矿石质量的均衡稳定，保障选矿生产的高效运行，以采矿、选矿生产并重为原则，采矿现状和实际为基础，从供矿源头着手，对司家营矿区铁矿石质量运用数学思维进行研究与管理。根据数学模型构建的要素制定保障供配矿指标稳定的管理办法和实施方案，以达到减小矿石性质日趋频繁变化带来的波动；同时，检验数学模型构建的合理性，并以此方法为基础建立铁矿石质量均衡管理方案，提高供矿稳定率，提升矿石配比管理水平，实现减排增效和矿产资源利用结构的优化。

1 铁矿石质量特征分析

通过以下三方面对司家营矿区铁矿石质量特征进行分析：

——矿石中主要有用组分TFe、OFe、mFe及有害杂质绿泥石的含量及其分布特征；

——根据分采、分选的需要，对矿石进行分类、分级研究，将矿石分为赤铁矿、磁铁矿等不同的自然类型和依有用矿物含量而划分工业品级；

——查明矿石从原始状态下到采、选、输出全过程中的质量及其变化规律，取得指导生产、管理生产、进行矿石质量管理的基础资料。

2 铁矿石入选指标的选定

由实验室选矿试验结果及现场生产数据分析得知，对于入选的原矿，按现有流程条件，若要获得TFe>64.6%的合格精矿，原矿中磁性铁含量需大于5%，FeO含量至少大于2.15%；在保证亚铁品位的前提下，原矿全铁品位要求TFe>22%～23%；为了保证浮选指标，原矿中绿泥石含量要求不超过5%。入选矿石质量指标见表1。

表1 铁矿入选矿石质量指标

3 数学模型构建

3.1 数学模型的选定[1]

预计矿石质量的方法有定性预测与定量预计两类。由于矿区属新建矿山，开采时间较短，对矿石质量变化规律认识有待于进一步加深，故不建议采用定性预测方法。常用的矿石质量定量预计方法是根据开采矿块的矿石平均品位C和预计贫化率P，来计算出矿品位Ct，公式为：

Ct=C(1-P)

(1)

对于局部出矿地段的矿石质量的快速预计，建议采用滑动平均法，假定出矿品位与近期生产状况有关，与较远期无关，只选用近期(如三日或三周)的平均出矿品位值C1、C2、C3进行算术平均，即得到下个时期预计出矿品位C4，公式为：

(2)

——单目标配矿数学模型，两个采掘掌子面的电铲同时作业时可以搭配供矿的低品位矿石量的计算方法为:

X=D(C1-C)/(C-C2)

(3)

式中:X—可能被搭配的低品级矿石量；D—较高品位的矿石量；C—要求达到的品位指标；C1—较高品位矿石的平均品位；C2—低品级矿石的平均品位。

——两个以上品位矿石配矿，三个或三个以上电铲同时作业时表达式为:

Qn(Cn-C)=Fn

(4)

式中：Qn—各电铲计划出矿量；Cn—各电铲预计出矿平均品位；C—要求达到品位指标；Fn—各电铲均衡能力系数。

各电铲均衡能力系数为正，需要使用低品位矿石搭配；各电铲均衡能力系数为负，需要使用高品位矿石搭配。最终使得供矿电铲或者作业电铲的均衡能力系数的总和达到下式要求：

∑F=F1+F2+L+Fn=α(α≥0)

(5)

或Q1(C1-C)+Q2(C2-C)+L+Qn(Cn-C)=α

(α≥0)

(6)

式中:Q1，Q2，L，Qn—各电铲出矿量；C1，C2，L，Cn—各电铲预计出矿品位；F1，F2，L，Fn—各电铲均衡能力系数。

当α=0时(∑F=0)，为最佳供矿状态，即采出矿石品位等于计划入选矿石品位为：

(∑Fi- ∑Fj)k-α=0

(7)

式中:Fi—大于0的均衡能力系数；Fj—小于0的均衡能力系数；k—调整系数。

3.2 数据采集[2]

数据采集主要是对原矿和采下矿石进行地质取样化验分析取得矿石质量数据。采出矿石量数据通过矿区生产地质图件进行计算获取。

原矿地质品位数据的采集是通过地质取样手段取得。原矿地质取样主要包括平台探槽取样、平台穿爆孔取样、台阶斜坡(掌子面)取样等。完成取样后填写取样送样单，待化验结果出来后，填写《探槽工程取样化验分析统计台账》、《炮孔工程取样化验分析统计台账》、《台阶斜坡取样化验分析统计台账》，并将实验数据展布在《矿石质量分布图》上，实现矿石质量数据有序整理和采集。

采下矿石品位数据采集通过对爆堆、矿车地质取样获得具体数据。爆堆取样一般采用拣块法，也可用点线法。拣块法是指在爆堆斜坡上按一定网格拣取矿石做为样品，一般爆堆拣矿点间距为20～50cm；点线法是指沿坡线拣块取样，取样线在大矿堆布设五条，小矿堆布设三格均匀布置，线上间距一般为1m，每点拣取矿石0.5kg，按线或全堆样品样合并，视需要而定。矿车取样是在同一采样地点，每班或每十车组合一个样品，样品重量一般为8～10kg。完成取样后填写《采下矿石取样化验分析统计台账》，并将实验数据展布在《矿石质量分布图》上，实现矿石质量数据采集。

3.3 制定铁矿石均衡管理方案

3.3.1 铁矿石质量均衡管理原则

低品位矿石与高品位矿石配比完成后，必须满足生产计划制定的矿石入磨品位。氧化矿和原生矿由于其加工方式、矿石类型不同，不可混合配矿。

3.3.2 制定矿石质量计划

矿石质量计划是指导矿山生产的重要组成部分，制定时应与矿山生产计划、采剥计划同步进行，按照长期计划、中期计划、短期计划和作业期间计划进行编制，由图、表、文字组成矿石质量计划的基本内容。具体分为七个步骤：

第一步根据生产计划、采剥计划、露天采场矿石质量研究成果，合理安排采矿计划进度线及采矿量；

第二步计算计划开采块段内的矿石平均品位、按照矿石类型、品级、矿体以及台阶、爆区分别进行；

第三步计算计划采掘范围内的预计贫化率，根据所圈定的夹石与矿石分布、厚度、产状、品位、开采技术水平来研究分步、分块开采的可行性；

第四步根据矿石类型和矿石开采位置，进行采出矿石平均品位的计算，同时结合采剥计划图制定采出矿石品位预估统计表；

第五步作出矿石质量均衡的具体安排；

第六步提出防止与降低矿石损失与贫化的措施；

第七步编制矿石质量计划所需的图、表以及文字说明。

3.3.3 采场矿石质量管理

司家营露天采场范围大、开采作业面多，矿石质量管理工作难度大。因此，通过制定矿石质量计划来对矿石质量管理工作进行指导。管理的主要措施是实行分穿、分爆、分铲、分装、分运、分级破碎储存，并加强配矿和矿石的分选，其中主要环节有爆破块段管理、爆破矿堆管理、出矿指挥和矿石质量检查。

4 数学模型的应用

4.1 单目标配矿

以TFe≥23%为指标进行配矿为例,露天采场2#电铲在B矿段采出品位25.4%，4#电铲在C矿段采出品位22.2%，两台电铲供矿的情况之下，要求的入矿品位23%。根据以上数据参考公式可计算供矿比例,如果将B矿段采出矿量记为1，那么C矿段应采出矿量为：

X=1×(25.4-23)/(23-22.2)=3

(8)

即B∶C=1∶3。因此在供矿过程中要确保入矿品位23%，2#电铲配给车数与4#电铲配给车数的比值为1∶3或2#电铲配给矿石量吨数与4#电铲配给矿石量吨数比值为1∶3。

4.2 两个以上品位矿石配矿

露天矿在为选厂供矿时，确定5#电铲A矿段采出品位为24.5%，2#电铲B矿段采出品位25.2%，4#电铲C矿段采出品位22.1%，1#电铲E矿段采出品位21.4%。如果按日供矿2.4万吨计算，每个作业矿段位置在无区别的情况下，平均每台电铲每天的供矿计划矿石量是6 000t。

根据表达式(4)计算各个电铲的均衡能力系数分别为：5#电铲F1=6 000×(24.5%-23%)=90；2#电铲F2=6 000×(25.2%-23%)=132；4#电铲F3=6 000×(22.1%-23%)=-54；1#电铲F4=6 000×(21.4%-23%)=-96；∑F=F1+F2+F3+F4=90+132-54-96=72。

因∑F>0，供矿作业应减少5#、2#电铲出矿量，增加4#、1#电铲出矿量。

根据(7)式得：

[(F1+F2) - (F3+F4)]k-α= 0

(9)

即[(90+132)-(-54-96)]×k-72=0，求得k=0.1935。

调整后各电铲的均衡能力系数应为：5#电铲F1=90×(1-0.1935)=72.585；2#电铲F2=132×(1-0.1935)=106.458；4#电铲F3=-54×(1+0.1935)=-64.449；1#电铲F4=-96×(1+0.1935)=-114.576。

各电铲出矿量为：Q1=F1÷(C1-C)=72.858÷(24.5%-23%)=4 839t；Q2=F2÷(C2-C)=106.458÷(25.2%-23%)=4 839t；Q3=F3÷(C3-C)=-64.449÷(22.1%-23%)=7 161t；Q4=F4÷(C4-C)=-114.576÷(21.4%-23%)=7 161t；即∑Q=Q1+Q2+Q3+Q4=4 839+4 839+7 161+7 161=2 400t。

从以上计算可以看出，确保供矿量2.4万t，入矿品位23%情况下，在矿山生产过程中，5#电铲出矿量4 839t，2#电铲出矿量4 839t，3#电铲出矿量7 161t，1#电铲出矿量7 161t。

5 结语

通过对司家营矿区铁矿石质量均衡管理数学模型的构建及应用，优化了矿区供配矿管理机制和工作方法。从而实现了司家营矿区入选矿石质量的均衡稳定，保障选矿生产的高效运行；减小了矿石性质日趋频繁变化带来的波动，提高供矿稳定率；减少了矿区排土场占地，缓解了矿区生态环境压力，社会效益和环境效益显著。