地下开采边界品位动态优化研究及其应用

论文摘要

在矿山开采过程中,边界品位是最基本、最重要的参数之一。边界品位的选择直接影响所圈定矿体的形态及矿石储量,进而影响矿山建设、生产规模、收益、设备选择和生产寿命,同时还影响到不可再生资源的利用率。因此,边界品位是一个对矿山经济效益和社会效益有着重大影响的技术经济参数。边界品位的优化,也是矿山经营参数优化的核心内容之一。国内外在边界品位研究中经历了50多年的历史,尽管做出了许多非常有价值的成果,但还存在不足：盈亏平衡法得到的边界品位,是一个与矿石质量、时间和位置无关的静态区分标准,没有考虑资金的时间价值,它的不合理性是显而易见的,这种方法逐渐被淘汰；最大现值法是假设整个优化范围的品位服从同一统计学分布,即这一分布在该范围是处处相同。在这个假设条件下,得到使总净现值最大的优化结果是边界品位逐年下降。现实中几乎所有矿床都不满足这一假设条件,矿床一般都有高品位区和低品位区。当低品位区位于矿床的上部时,开始一个时期采用高的边界品位显然是不合理的,甚至是无法实现的。因此,要得到符合实际的最优边界品位,必须考虑矿床不同区段的真实品位分布。针对边界品位优化研究中存在的问题,在研究地下开采工艺的基础上,根据矿床的赋存条件和矿体的开采顺序,把优化范围划分为一系列的区段,即优化单元。在此基础上,将开采过程分成前后过渡的开采阶段,每个开采阶段包括若干个状态,一个阶段的一个状态由从开始到该阶段开采完毕的累积开采矿量作为状态变量,一个阶段的一个状态对应的开采矿量是从过渡到该状态的前一阶段某状态的累积矿量和本状态的累积矿量求的。开采方案从第一阶段的各状态开始,从优化单元1的品位—矿量曲线上得到各状态矿量对应的边界品位,根据开采过程中发生的投资与使用的采矿方法所发生的生产成本计算出开采矿量所得的赢利,再根据矿山的年生产能力计算出开采时间,并将赢利折现到开采初期时的净现值。这样第一阶段完成后,就得到该阶段各状态的矿量、边界品位和净现值。第二阶段各状态是由第一阶段的某些状态过渡而来。以第二阶段的某个状态为例,假设第一阶段中有k个状态可以过渡到该状态,每个过渡都有一个本阶段开采的矿量,这个矿量是在优化单元2开采的,从第二优化单元的品位—矿量曲线可以得到这一矿量对应的边界品位值、获得的利润以及该利润折现到开采初期时的净现值。该状态的净现值就等于过渡到该状态的前一阶段状态的净现值加上开采矿量获得利润通过折现后的净现值,从前阶段的k个状态过渡到本阶段有k个不同的净现值,该状态的净现值取这k个不同净现值中的最大者,而该状态的边界品位就是获得最大净现值时对应的边界品位。用同样的方法一直计算到最后阶段(最后一个优化单元)每个状态的净现值和边界品位。从最后阶段的各状态中找出净现值最大的状态,按过渡的顺序反推回去,就得到每个阶段的最优过渡(也叫最优决策),这些最优决策组成该边界品位优化问题的最优解。根据上述优化思路,建立了新的动态规划边界品位优化模型。该模型以净现值为指标函数,同时考虑矿体的开采顺序、矿山的年生产能力以及矿石品位在不同区段(优化单元)的实际分布,并与实际使用的采矿方法相结合。该模型实现了地下开采边界品位优化在时间上与空间上的动态结合,在地下开采边界品位优化方法的一次突破。论文还基于Lane法的思路,分析地下开采和露天开采的不同特点,推导出采矿、选矿两阶段和采矿、选矿、冶炼三阶段的地下开采边界品位优化数学模型。模型增加了贫化率和围岩品位等参数,引用围岩品位与矿石地质品位比值的变量,使之适用于地下矿山。基于两种优化方法的数学模型,开发了相应的计算机软件系统：动态规划优化系统(DPOS1.0)和矿山经济决策系统(MEDS1.0)。DPOS1.0不仅可以求得各优化单元的开采矿量、边界品位、累计的生产年限以及现值等结果,还可以通过动态规划网络图,直观的得到各优化单元之间有效的决策集合和该优化问题的最优策略。MEDS1.0不仅可以对整个矿体作为优化对象,还可以选取任意勘探线和水平之间的范围作为优化对象,同时能够使用多套经济技术参数方案,弥补了传统现值法假设优化范围品位分布不变的局限性。该系统是基于谦比西铜矿开发的,但也可以应用于其他同类矿山,是一个相对通用的矿山经济决策软件。这一边界品位动态优化方法应用于赞比亚谦比西铜矿,对崩落法开采的两个阶段的边界品位进行了优化。动态优化法将优化范围划分为12个优化单元(动态规划的阶段),每个优化单元有自己的品位分布,按照一定的开采顺序。优化的结果是：优化单元1到12的边界品位和开采矿量分别是1.004%和853823.852吨、0.808%和1333158.948吨、0.905%和913919.33吨、1.002%和883214.087吨、1.015%和906692.185吨、0.999%和965396.035吨、0.995%和716111.732吨、1.007%和708986.005吨、0.993%和710850.398吨、0.993%和759790.244吨、0.993%和709781.188吨、0.989%和740540.653吨,共开采矿石10202264.66吨,开采时间近10年,最大现值为24281.68万美元,边界品位优化结果在0.808%至1.015%之间。按照目前矿山使用的边界品位1%计算,共开采矿量9719937.8吨,开采时间9年5个月,最大现值为23891.76万美元。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 边界品位及其对矿山生产的影响
• 1.1.1 边界品位的定义
• 1.1.2 边界品位对整个生产过程的影响及与其它重要参数的关系
• 1.2 边界品位研究现状及方法
• 1.2.1 国外对边界品位的研究现状及方法
• 1.2.2 我国对品位指标的研究现状及方法
• 1.3 问题的定义
• 1.3.1 边界品位研究中存在的主要问题
• 1.3.2 地下开采边界品位优化问题的提出与定义
• 1.4 本文研究工作
• 1.4.1 解决问题的思路
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 论文结构
• 第二章 地下开采边界品位优化的动态规划法
• 2.1 动态规划问题的基本概念及建模思路
• 2.2 动态规划优化法确定最佳边界品位
• 2.2.1 最优边界品位的确定思路
• 2.2.2 变量定义
• 2.2.3 动态规划边界品位优化模型
• 2.2.4 实际问题的处理
• 2.2.5 边界品位动态规划法的算法步骤和流程图
• 2.3 品位优化的成本分析
• 2.3.1 可变成本的构成
• 2.3.2 不变成本的构成
• 2.4 无后效应讨论
• 2.5 算例
• 2.6 本章小结
• 第三章 最大现值法确定地下开采边界品位
• 3.1 矿量计算和平均品位
• 3.2 采矿、选矿两阶段边界品位的数学模型
• 3.2.1 赢利及现值计算
• 3.2.2 不同阶段生产能力约束下的最佳边界品位
• 3.2.3 生产能力平衡条件下的边界品位
• 3.2.4 最佳边界品位
• 3.2.5 算法步骤和流程框图
• 3.3 采、选、冶三阶段边界品位的数学模型
• 3.3.1 赢利及现值计算
• 3.3.2 不同阶段生产能力约束下的最佳边界品位
• 3.3.3 生产能力平衡条件下的边界品位
• 3.3.4 最佳边界品位
• 3.3.5 算法步骤和流程框图
• 3.5 小结
• 第四章 谦比西铜矿生产概述
• 4.1 矿山概况
• 4.1.1 地理位置
• 4.1.2 生产现状
• 4.2 矿床地质
• 4.2.1 矿区地层
• 4.2.2 矿区构造
• 4.2.3 矿区水文地质条件
• 4.2.4 矿体特征
• 4.3 探矿工程布置、取样
• 4.3.1 基建期探矿
• 4.3.2 生产期探矿
• 4.3.3 取样数据
• 4.3.4 矿体品位变化趋势
• 4.4 主采区开拓及采矿方法
• 4.4.1 开采范围
• 4.4.2 矿床开采技术条件
• 4.4.3 采矿方法
• 4.4.4 回采工艺
• 4.4.5 开拓运输系统
• 4.5 谦比西铜矿成本及价格分析
• 4.5.1 可变成本
• 4.5.2 不变成本
• 4.5.3 铜精矿价格
• 4.6 本章小结
• 第五章 谦比西铜矿边界品位优化
• 5.1 动态规划法对边界品位的优化
• 5.1.1 优化单元的确定
• 5.1.2 优化单元的品位分布
• 5.1.3 优化单元的边界品位—矿量曲线
• 5.1.4 动态规划优化法对边界品位优化的计算
• 5.2 最大现值法对边界品位的优化
• 5.2.1 优化对象的品位分布及边界品位—矿量曲线
• 5.2.2 边界品位优化结果
• 5.2.3 现值法优化的主要局限性
• 5.3 两种优化结果的比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 附录
• 附录1 最终产品分别为精矿和金属时产量的推导过程
• 附录2 动态规划边界品位优化系统（DPOS1.0）简介
• 附录3 矿山经济决策系统（MEDS1.0）简介
• 附录4 第5章案例:有效决策集合（部分）
• 参考文献
• 致谢
• 作者从事科学研究和学习经历的简历
• 攻读博士期间发表的论文及参与的科研活动