露天矿山开采方案的优化技术

　　一、前言

　　我国近年来露天矿开采的方案很多，就探讨露天矿开采的一些关键技术问题，如合理生产规模、开采工艺、开采程序和开拓运输系统等，给出了实用决策模型，就能在实际应用中取得满意的效果。相信本文的优化方案会对我国近年来合理开发矿产资源具有一定的实用价值。露天开采方案涉及的因素很多，诸如地质、地理、气候、经济等条件，无不影响露天开采方案，开采方案因其构成因素的种种变化，而使方案数量多不胜举，在众多的开采方案中，能否含有最优方案和怎样找出最优方案？这就是本文探讨的课题。

　　露天开采方案的技术因素分析在一定的矿床地质条件下，任何一个露天开采方案都是由许多技术因素构成的，包括设备选型、开采参数、开采程序、开拓运输系统、总平面布置和选矿等，这些因素是相关的，某一因素发生变化，往往会影响到其他因素的变化和总的经济效果，上述因素的变化可产生出众多的开采方案，例如，仅按以上每个因素有三种可能的变化计算，就可以派生出万余个方案。为了在拟定露天开采方案的最优化设计时，该方法可以直接对露天开采的最终开采境界、长期开采计划（即开采顺序）、生产能力和开采寿命等重要参数实施以最大净现值为目标的同时优化。但是， 应做到在有限的开采方案中不要有重大的遗漏。

　　二、构成露天开采方案的主要技术因素

　　在一定的矿床地质条件下， 任何一个露天开采方案都是由许多技术因素构成的， 矿山生产能力、设备选型、开采参数、开采程序、开拓运输系统、总平面布置、选矿等。这些因素之间是相关的，某一因素发生变化， 往往会影响到其他因素的变化和总的经济效果。这些因素的变化可产生出无限的开采方案。如果以某个因素仅有三种可能的变化计算，由上列因素就可以派生出上万个方案，这对用计算机进行开采方案优化来说， 也是十分繁重和不经济的。

　　为了在拟定露天开采方案的过程中不遗漏最优的开采方案， 以及尽可能减少设计和计算工作量， 应区分主要因素和次要因素，抓住影响全局的主要因素， 就能把握住最优的开采方案。

　　构成露天开采方案的主要技术因素为开采工艺、开采程序和开拓运输系统。在某开采工艺条件下， 可采取不同的开采程序， 从中得出最优的开采程序。最优开采程序的主要标志为露天矿生产过程中剥离量的逐年分配比较有利， 即矿山基建工程量小， 初期生产剥采比小和露天矿的盈利的现值大。在某一开采程序条件下， 可以采取不同的开拓运输系统。开拓运输系统在露天开采过程中是动态变化的， 一方面它应满足露天矿在一定的开采程序条件下矿山工程不同发展时期建立运输通道的需要， 另一方面应力求矿岩的运距短和开拓工作量小。

　　同一开采工艺条件下， 由于设备选型和开采参数不同， 也将派生出许多子方案。开采程序是露天开采方案中很活跃的因素。在一定的露天开采境界范围内， 可以全境界开采， 分区开采或分期开采， 可以有不同的开段沟位置， 不同的工作线推进方向和矿山工程延深方向， 以及不同的台阶划分方式，工作帮结构和工作帮坡角等。这些都将影响露天矿的矿山基建工程量、生产剥采比和运距。在以静态经济分析为基础的情况下，只要开采境界不变， 采剥总量是一个常数，剥离时间早晚没有经济意义， 而趋向于以较均衡的生产剥采比进行生产， 以减小采剥生产能力的峰值及其相应的设备数量和地面设施。而从动态经济分析的观点， 则开采程序的优选能为露天矿提供最大的盈利净现值，有利于积累资金和扩大再生产， 对经济的发展是有实际意义的， 应引起重视。

　　应指出，露天矿的矿石生产能力是一个重要因素。一般情况下它是根据矿山企业规模由设计部门制定的， 设计中按规定的矿石生产能力拟定开采方案， 虽然因此也影响开采方案，但不涉及更多的生产能力方案。在可行研究阶段， 有时需对矿石生产能力进行论证， 这时对开采方案的影响增大。 在可行性研究阶段， 对矿石生产能力进行论证是非常必要的。露天开采境界与露天开采技术水平及露天开采与地下开采技术的相对水平有关， 是与露天开采工艺密切相关的。露天开采工艺和露天开采的技术水平将影响露天矿的投资和成本，从而影响露天开采境界， 但是， 开采方案是在一定的开采境界的基础上拟定的，因此， 应先根据预定采用的开采工艺和技术装备水平， 参考类似矿山的经济指标或预测的指标， 初步确定露天开采境界， 在此基础上进行露天开采方案的优化。开采方案优化后得出的经济指标， 与上述初步确定露天开采境界所用的指标相差较大时， 需将开采境界重新修正。总平面布置与开拓运输系统同时考虑，可达到布局合理、有利生产、矿岩运距短等要求。选矿工艺与露天开采工艺结合考虑， 使露天矿综合效益最好。露天矿矿石生产能力、开采工艺、开采程序及开拓运输系统是构成露天开采方案的主体。在某一开采工艺条件下， 相应地需确定开采境界、设备选型、开采参数和选矿工艺等， 一定的开拓运输系统则有相应的总平面布置， 或者两者同时研究确定。这些因素将构成许多子方案。

　　三、开采方案的建立及优化

　　根据上述对构成露天开采方案的有关技术因素的分析， 开采方案可按主要因素并按一定的层次建立：

　　第一层次为露天矿生产能力， 有A1、A2、......Am个方案；

　　第二层次为露天开采工艺， 有B1、B2、......Bn个可能的方案， 分别与某一生产能力相适应；

　　第三层次为露天矿开采程序， 有C1、C2、......Co个方案， 分别与某一生产能力和开采工艺相适应；

　　第四层次为开拓运输系统， 有D1、D2、......Dp个方案， 分别与某一生产能力开采工艺及开采程序相适应。

　　开采方案的优化可按多阶段决策问题处理， 可采用类似动态规划的方法得出多阶段决策的最优策略的方法优化。上述分层次建立露天开采方案中的层次相当于动态规划法的分阶段。分阶段决策亦采取逆序解法， 即采取由上述第四层次到第一层次连续递推优化的过程。 第一步， 对某一开采程序下若干可能的开拓运输系统进行优选， 得出该开采程序下最优的开拓运输系统方案;第二步， 对某一开采工艺条件下若干可能的开采程序进行优选，得出一定开采工艺条件下最优的开采程序；第三步， 对某一生产能力条件下若干可能的开采工艺进行优选， 得出该生产能力条件下最优的开采工艺;第四步， 对生产能力进行优选， 得出露天矿最优的生产能力， 以及相应的由最优的开采工艺、开采程序和开拓运输系统组成的最优的露天开采方案。

　　应指出， 本文谈到的上述连续递推优化过程， 各阶段的指标可以不同，因此各阶段指标不能相加。例如， 按矿岩运费和开拓工程费(包括设置开拓坑线引起的补加扩帮费)优选出某一开采程序下开拓运输系统， 而按最大盈利净现值对某一开采工艺条件若干可能的开采程序进行优选时， 某一开采程序的盈利净现值对某一开采工艺条件若干可能的开采程序进行优选时， 某一开采程序的盈利净现值是指该开采程序的最优开拓运输系统条件的指标。其他因素构成的子方案， 可分别进行优化。

　　四、开采方案优化指标和优化方法

　　1、优化的指标

　　根据分阶段优选的内容不同， 可采取不同的优化指标。这是本文提出的采用动态规划法进行开采方案优化的特点。选取指标的出发点是为了简化计算和能得出准确评价。

　　常用的优化指标有：运距、运费、矿山基建工程量、生产剥采比、开拓工程量、投资、成本、投资回收年限、盈利、投资利润率、净现值、劳动生产率等。

　　某一开采程序条件下的开拓运输系统优选， 一般可采用运距、运费、线路工程费、开拓及扩帮工程费等指标。

　　某一开采工艺条件下的开采程序优选，一般采用矿山基建工程量、一期生产剥采比和成本、投资回收期及净现值等指标。考虑费用时间因素的净现值指标是客观评价不同开采程序的较适用的指标，它能反映不同开采程序条件下所形成的不同剥采关系的经济效果，从而对开采程序作出正确评价。露天矿服务年限很长时， 可比较前10年的净现值， 以减少计算工作量。生产能力和开采工艺优选， 可采取投资、单位投资、成本、净现值、补加投资回收期、投资利润率等指标。开采方案有时不能用单一指标评价， 需辅以其他指标。

　　2、优化方法

　　优化方法应在确保结果准确的前提下，力求简便和工作量小， 分阶段递推优化常用的方法有：

　　（1）逻辑判断：利用理论和实际知识进行逻辑分析， 删去一些明显不合理的方案。例如平朔、准格尔等近水平煤田， 采用单斗挖掘机——汽车运输开采工艺条件下，工作线过长将使剥离物绕端帮运往内排土场的运距增大， 导致汽车运费增高， 明显是不合理的。这时， 应舍弃铁道运输露天矿惯用的长工作线方案，采取短工作线的分区开采。类似问题用逻辑判断决定取舍是最省事的， 可以减少许多计算工作量。

　　（2）分析计算：用数学分析法得出最优的开采参数， 例如前面提到的半连续开采工艺情况下， 半固定破碎机的移动步距， 露天开采境界以及外部沟开拓深度等问题，都可用分析法确定。

　　（3）方案比较法：这是露天开采方案优化中最常用的方法。通过不同方案的运距、运费、矿山基建工程量、生产剥采比、投资、成本、净现值、投资回收期等指标的对比，进行开采方案分阶段递推优化和达到综合优化。例如不同开采工艺方案的优化， 某一开采工艺条件下不同开采程序的优化和不同设备选型的优化等， 都可采取方案比较法。重要是根据不同的优化内容， 选取适当的优化指标。

　　按一定的顺序拟定开采方案和进行优化， 以及由简到繁选取适宜的优化指标和方法， 可以达到不遗漏最优方案和简化计算工作的目的。即便采用计算机设计的情况下， 也应当发挥人的主观能动性， 以提高开采方案选取的准确性和减少机时。

　　五、开采方案优化应注意的问题

　　1、按类似动态规划法逆序分阶段递推优化过程得出最优的开采方案，不同的开采方案应在各自进行局部优化的基础上再进行对比和优中选优。这点很重要。开采方案优化中常出现的失误是由于参与优选的开采方案的不可比性引起的，有的方案是经过局部优化得出的最优方案，有的方案却是未经局部优化的漏洞百出的方案， 这种情况下的优选结果是不可靠的。产生此现象的原因很多，可能出于经验不足， 或者出于对某方案的偏爱，也可能出于某种主观意愿，有意维护或排斥某个开采方案， 这种不科学地对待开采方案优化是极端有害的。

　　2、计算数据的选取应符合矿山实际，否则难以得出真实的优化方案。计算机是一种很好的工具， 但仅仅是一种工具， 数据是靠人提供的，如果提供的数据不符合矿山的实际情况， 其优化结果也将是错误的。这是具有一定难度而必须认真对待的问题。

　　3、开采方案必须是技术可行的。

　　4、开采方案优化包括技术优化和经济优化。开采方案的经济指标相差不大时， 应采取其中技术较优和有较大发展前景的方案。

　　六、总结

　　1、开采方案优化应能真正得出最优的开采方案和减少计算工作量。

　　2、按矿石生产能力、开采工艺、开采程序和开拓运输系统的层次建立开采方案，以及采取逆序分阶段递推优化过程得出最优的开采方案， 亦即从局部到整体进行优化，可避免重大失误， 并可减少计算工作量。

　　3、优化指标和优化方法应服从于优化的具体内容。

　　4、数据的选取应符合矿山实际情况，这是优化结果是否可靠的重要基础。建立以设计单位为主的投资控制系统，对于解决基本建设项目投资超概算的问题具有重要意义， 必须引起建设单位的高度重视， 要把控制投资工作作为质量管理的一个重要内容来抓。

　　参考文献：

     《运筹学》、《现代采矿工程设计》、《采矿工程手册》、《露天采矿优化理论》、《采矿生产技术》。