露天矿境界优化几何约束模型优化及其应用
Optimization and Application of Geometric Constraint Model for Boundary Optimization in Open Mine
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收稿日期: 2017-08-14 修回日期: 2018-01-25 网络出版日期: 2019-01-11
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Received: 2017-08-14 Revised: 2018-01-25 Online: 2019-01-11
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张炬, 王李管, 宋华强, 任助理, 毕林.
ZHANG Ju, WANG Liguan, SONG Huaqiang, REN Zhuli, BI Lin.
境界圈定是露天矿生产规划中最重要的部分,但是当块段模型的块数量较大时,传统境界优化算法的运算效率受到限制,特别是要对多套设计方案的成本、价格、边坡角和边界品位变化等进行参数敏感性分析时,需要更长的运算时间;在构建开采锥时,传统的边坡轮廓插值拟合方法无法满足露天矿边坡角随方位角、高程变化的条件。因此,构建合理的几何约束关系来拟合边坡角变化、精简约束关系对减少境界优化的时间、降低复杂度尤为重要。
许多学者对露天矿境界优化做了深入研究[1,2,3,4,5],其中L-G图论被证明能够严格产生最终境界坑,然而初始的L-G图论无法考虑变化的边坡角并且其求解和运算时间过长[6];张延凯等[7]在L-G图论的初始有向图上考虑最大搜索层数与边坡拟合之间的联系,并在前驱块上进行了去冗余处理;最初的边坡角约束通常基于1∶5、1∶9或1∶5∶9的特定几何约束模型,但是当边坡角发生变化时,该方法难以建立优化的露天坑轮廓[8];Khalokakaie等[9]将变化边坡角的观念应用到L-G图论中,在实际应用中,不能仅沿主要方向考虑不同边坡角,当块段模型的方向与4个主方向不匹配时,该理论与实际不符;黄俊歆等[10]提出了一种改进的露天矿境界优化几何约束新模型,以圆弧进行露天矿边坡轮廓拟合,并提出了一种去冗余的方法,尽管在实现效率上对算法进行了改进,但其拟合效果与矿山实际不符;Gilani等[11]实现了样条插值的方法,在块段模型的每一层定义开采锥的轮廓,该方法在数学上逻辑缜密,但在工程上具有局限性,当已知点数目较少时,会产生较大的偏差;Shishvan等[12]提出了角度反比插值拟合,借鉴地质统计学原理中的距离幂次反比估值方法,插值得到任意方位角处的最大允许边坡角,拟合形成一个渐变的边坡角几何约束模型,该方法更多从工程实际考虑,拟合效果良好。
基于此,在原有非线性插值方法的基础上,考虑不同高程和不同方位角情况下边坡角的变动,确定了边坡角的开采锥轮廓和开采锥半径;考虑最大搜索层数的情况下,以一种定界方式,逐层判断基础块的前驱块,在运算速度与边坡角拟合的精确度之间找到了平衡;提出了一种上向去冗余的方法,去除前驱块中的冗余关系,精简了几何关系,提高了境界优化的运算速度。
1 几何空间关系
将矿床划分为有限个尺寸相等的长方体块体(包括开采的矿石和剥离的废石),每个块体形成的离散模型称为矿床块段模型。以块段模型中最小尺寸的块为基础块,在X、Y、Z方向上组合任意基础块作为价值模型的单元块。在块段模型中,对于开采块
图1
图2
图3
2 角度反比插值
距离幂次反比法中,任何指定的物理量Q与距离d的m次幂成反比[13],用式(1)表示
将式中距离替换为角度,即得角度反比插值公式。
如图4所示,已知起始线OP方位角和边坡角为
形成最终轮廓切线PQ,曲线QN、NR。
图4
3 边坡角随高程变化拟合
3.1 开采锥构建
实际开采过程中岩性复杂多变,为保证边坡稳定,同一方位会出现不同高程边坡角变化的情况。定义di,dj,dk为块(i,j,k)在x、y、z方向的尺寸。
高程位于[L1,L2]之间的
若
块
图5
在边坡角[
如果每一块是否在开采锥内都需要进行判断,上例每层需判断99次,6层共计594次,而运用此方法仅判断141次,因此极大地提高了运算效率。在三维价值模型中,块的数目以百万计,效率提高更为显著。
图6
3.2 冗余关系去除
图7
图8
表1 去冗余前后开采锥块数统计
Table 1
层数l | 开采锥块数/块 | ||
---|---|---|---|
去降冗余前 | 第一次去冗余 | 第二次去冗余 | |
0 | 34 | 15 | 3 |
1 | 26 | 10 | 3 |
2 | 16 | 7 | 2 |
3 | 11 | 7 | 3 |
4 | 6 | 5 | 1 |
5 | 2 | 2 | 2 |
6 | 1 | 1 | 1 |
4 实例应用
图9
表2 采矿参数
Table 2
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
采矿回采率 | 0.95 | 矿石体重/(t | 3 |
贫化率 | 0.05 | 废石体重/(t | 2.7 |
采矿成本/(元 | 35 | 选矿回收率 | 0.9 |
废石开采成本/(元 | 15 | Fe元素价格/(元 | 600 |
选矿成本/(元 | 20 |
设置嵌套坑数目为10个,价格调节因子依次为1.2,1.1,1.0,0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3,统计矿岩量、剥采比、元素品位和价值等,结果见表3。
表3 结果统计
Table 3
嵌套坑 | 矿岩总量 | 剥采比 | 元素金属量/t | 元素品位/% | 价值/亿元 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
矿量/t | 岩量/t | 总计/t | |||||
1 | 7 648 952 | 16 139 288.72 | 23 788 240.72 | 2.11 | 2 309 983.504 | 30.20 | 4.63 |
2 | 9 005 698 | 21 163 390.3 | 30 169 088.3 | 2.35 | 2 683 698.004 | 29.80 | 4.95 |
3 | 23 669 398 | 57 753 331.12 | 81 422 729.12 | 2.44 | 6 816 786.624 | 28.80 | 11.54 |
4 | 38 956 254 | 122 322 637.6 | 161 278 891.6 | 3.14 | 11 141 488.64 | 28.60 | 14.52 |
5 | 53 589 467 | 193 993 870.5 | 247 583 337.5 | 3.62 | 14 897 871.83 | 27.80 | 14.03 |
6 | 70 163 956 | 287 672 219.6 | 357 836 175.6 | 4.10 | 19 716 071.64 | 28.10 | 14.34 |
7 | 88 463 690 | 346 777 664.8 | 435 241 354.8 | 3.92 | 24 150 587.37 | 27.30 | 17.02 |
8 | 95 638 614 | 367 252 277.8 | 462 890 891.8 | 3.84 | 25 631 148.55 | 26.80 | 17.22 |
9 | 105 474 247 | 395 528 426.3 | 501 002 673.3 | 3.75 | 27 950 675.46 | 26.50 | 18.88 |
10 | 115 774 376 | 426 049 703.7 | 541 824 079.7 | 3.68 | 29 638 240.26 | 25.60 | 16.86 |
图10
图10
算法优化前后运算时间对比
Fig.10
Comparison of operation time before and after
optimization
将优化前后的算法分别应用于该铁矿境界优化过程中,对比各嵌套坑解算时间,结果如图10所示。由图可知,各嵌套坑解算效率都得到提升,且矿岩量越大,速度的提升率越大,算法优化前后10个嵌套坑的总运算时间由29.56 min缩短到5.29 min,即该矿境界优化的总效率提高了82%,优化效果显著。
通过与DIMINE数字矿山软件平台做境界优化时各分期的矿石量和岩石量统计数据对比,以验证算法的正确性和可行性,结果见表4,A1和B1分别表示优化算法统计的矿石量和岩石量,A2和B2分别表示DIMINE软件统计的矿石量和岩石量。通过对比优化算法与DIMINE软件统计的矿岩量可知,二者相差较小,优化算法计算准确可行。
表4 优化算法与DIMINE软件统计的矿岩量对比
Table 4
嵌套坑 | 矿量A1/t | 矿量A2/t | 岩量B1/t | 岩量B2/t |
---|---|---|---|---|
1 | 7 648 900 | 7 648 972 | 16 139 288.72 | 16 139 100.5 |
2 | 9 005 698 | 9 005 581 | 21 163 390.3 | 21 163 125 |
3 | 23 669 398 | 23 669 526 | 57 753 331.12 | 57 753 029.25 |
4 | 38 956 254 | 38 955 819 | 122 322 637.6 | 122 322 068 |
5 | 53 589 467 | 53 589 301 | 193 993 870.5 | 193 993 029.2 |
6 | 70 163 956 | 70 163 329 | 287 672 219.6 | 287 671 605.3 |
7 | 88 463 690 | 88 463 059 | 346 777 664.8 | 346 777 011.8 |
8 | 95 638 614 | 95 638 153 | 367 252 277.8 | 367 251 420.7 |
9 | 105 474 247 | 105 473 805 | 395 528 426.3 | 395 526 512.1 |
10 | 115 774 376 | 115 774 008 | 426 049 703.7 | 426 047 066.4 |
图11
图12
5 结论
(1)研究了几何约束模型,从参数方面改进了露天矿边坡轮廓角度反比插值计算方法;提出了边坡角随方位角、高程变化时的开采锥构建方法,即一种快速构建开采锥的环形搜索块判别方式,能够极大地减少初始开采锥构建的时间。
(2)提出了开采锥去除冗余的方法,精简了块几何约束关系,降低了利用网络最大流算法进行境界优化时构建初始网络的复杂度,提高了境界优化的运算效率。
(3)对开采锥构建算法加以实现,并将其应用到某露天矿境界优化,运算高效、计算准确,在构建价值模型基础上,批量生成了一组嵌套坑,选出了符合矿山实际的最终境界。
参考文献
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