1、問題的提出
目前，采礦工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家露天礦開采的比重約占80%以上，在露天礦的設(shè)備投資中，運(yùn)輸設(shè)備投資幾乎占50%，有的礦山高達(dá)2/3，運(yùn)輸成本占總成本的比值高達(dá)50%左右。
隨著露天礦開采深度的增加，傳統(tǒng)的鐵路運(yùn)輸和汽車運(yùn)輸因運(yùn)距的增大和采場內(nèi)提升定線困難，運(yùn)輸效率顯著下降，完成相同運(yùn)量所需用的設(shè)備數(shù)量大大增加，運(yùn)輸成本也因之明顯提高。間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)以膠帶運(yùn)輸取代傳統(tǒng)的輪式運(yùn)輸?shù)奶嵘δ埽辛Φ叵寺短斓V采深和運(yùn)距增大在經(jīng)濟(jì)上的不利影響。
深凹露天礦采用間斷連續(xù)運(yùn)輸工藝，有60%～70%的礦巖是用間斷連續(xù)工藝輸送到地表的，這樣汽車運(yùn)輸量大大減少，可使汽車道路等級降低，汽車道路基建費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用等大大減少。實(shí)踐表明，在深凹露天礦應(yīng)用間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)和傳統(tǒng)的間斷工藝相比，運(yùn)輸成本可降低30%，電耗降低25%，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高50%。由于它具有令人矚目的經(jīng)濟(jì)效果，在深凹露天礦擴(kuò)大間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)應(yīng)用的勢頭正方興未艾。在我國，大孤山鐵礦、東鞍山鐵礦、石人溝鐵礦和南芬鐵礦己應(yīng)用了這種工藝系統(tǒng)。
早期的間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)普遍應(yīng)用固定式轉(zhuǎn)載站。固定式轉(zhuǎn)載站的
破碎機(jī)安裝在集運(yùn)水平以下的地下峒室內(nèi)，開挖峒室、構(gòu)筑基礎(chǔ)等建安工程量大、施工期長，特別是隨著礦山工程的延深，工作面距集運(yùn)水平越來越遠(yuǎn)，汽車運(yùn)距增大而降低了經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。
破碎機(jī)站是實(shí)現(xiàn)間斷一連續(xù)工藝的樞紐。為保持間斷一連續(xù)工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，當(dāng)?shù)V巖的集運(yùn)距離增大到某種程度后，把原來的破碎機(jī)站移到新址，縮短礦巖集運(yùn)距離，從而產(chǎn)生了半固定破碎轉(zhuǎn)載站。
半固定式破碎轉(zhuǎn)載站每次搬遷的垂直距離稱為破碎站的移設(shè)步距。移設(shè)步距是根據(jù)汽車運(yùn)輸成本、膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸成本以及攤銷到單位礦巖上的移設(shè)破碎轉(zhuǎn)載站的費(fèi)用之和最小的原則來確定的。
移設(shè)步距視礦山的具體條件不同而變化，一般取60～90m。國內(nèi)外許多專家曾對此進(jìn)行了研究，并給出了各自的求解公式。由于這些公式對礦山的具體條件缺乏考慮，因此，如果僅憑一兩個(gè)公式計(jì)算出來的最優(yōu)移設(shè)步距，在實(shí)際生產(chǎn)中都很難實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)效果。我們對這個(gè)問題進(jìn)行了新的研究。
2、技術(shù)路線
確定間斷一連續(xù)工藝破碎機(jī)轉(zhuǎn)載站合理移設(shè)步距，在理論上可抽象為物料集運(yùn)點(diǎn)優(yōu)化問題，很多人很容易直接聯(lián)想到采用求重心的方法，認(rèn)為物料重心即是集運(yùn)最佳位置。這種方法在運(yùn)輸線路為直線的情況下是有效的，而且能簡便地確定出集運(yùn)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，然而露天礦運(yùn)輸線路是不規(guī)則的曲線，它隨露天礦開采臺階坡線而彎曲，這樣使得物料各集散點(diǎn)較原來集散點(diǎn)在方向和距離上都有不同程度的偏移，所以理論重心不再是實(shí)際重心。又因?yàn)榫�路是不規(guī)則的，所以實(shí)際重心也無法直接求得，因此重心法不適用。
本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和系統(tǒng)工程優(yōu)化理論，對礦山運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行整體的模擬，優(yōu)化破碎機(jī)轉(zhuǎn)載站的移設(shè)周期和移設(shè)步距。
技術(shù)路線是：根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃所確定的各年度礦巖采剝量、集散點(diǎn)位置的的基礎(chǔ)上，構(gòu)建各年度運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用圖論最短路算法求取礦山運(yùn)輸最小折合運(yùn)輸功（折合成同種運(yùn)輸設(shè)備，如汽車的運(yùn)輸功），來模擬破碎站在各年度不移設(shè)和移設(shè)到各臺階水平的方案，使個(gè)方案處于最佳狀態(tài)；利用經(jīng)濟(jì)模型計(jì)算各移設(shè)方案較同年度不移設(shè)方案的經(jīng)濟(jì)贏利，以贏利最多為原則；根據(jù)采場空間位置準(zhǔn)備的實(shí)際情況，優(yōu)選出最佳方案；再對選定方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，輸出工程圖紙和設(shè)計(jì)報(bào)表。
3、破碎機(jī)轉(zhuǎn)載站移設(shè)步距優(yōu)化模擬
3.1礦山運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型
本研究采用了系統(tǒng)工程網(wǎng)絡(luò)分析法，首先必須建立礦山運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，對礦山運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)拓?fù)洹?br />
由于礦山運(yùn)輸路線是無向的，所以網(wǎng)絡(luò)圖采用無向圖的模式。
網(wǎng)絡(luò)圖由若干頂點(diǎn)和邊組成，頂點(diǎn)用“標(biāo)號”來區(qū)分，邊的屬性用“權(quán)”來表示。我們把礦巖集散點(diǎn)、斜坡道中點(diǎn)、轉(zhuǎn)載站看作圖的頂點(diǎn)，連接所有能溝通線路的頂點(diǎn)，用運(yùn)距或折合運(yùn)距給權(quán)賦值。該網(wǎng)絡(luò)圖是建立在礦山特定空間環(huán)境上的，為了給三維可視設(shè)計(jì)組織空間數(shù)據(jù)，因此我們在建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系時(shí)，還要反映礦山不同時(shí)期臺階空間位置發(fā)展的情況。網(wǎng)絡(luò)頂點(diǎn)位置需要采用礦山真實(shí)坐標(biāo)，首先提取礦山采掘進(jìn)度計(jì)劃每年度年末圖的數(shù)據(jù)，再對礦山空間進(jìn)行空間信息分布處理、幾何分析、空間定位／轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)礦山空間數(shù)據(jù)特征描述、空間比較，最終完成復(fù)雜的礦山高維數(shù)理動(dòng)態(tài)解析建模過程。
3.2礦山運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模型
經(jīng)濟(jì)模型是考慮破碎機(jī)轉(zhuǎn)載站移設(shè)的基礎(chǔ)條件，在此模型中主要考慮以下幾個(gè)內(nèi)容：
(l)移站設(shè)備投資折舊：破碎機(jī)、膠帶機(jī)投資折舊；
(2)移設(shè)費(fèi)、建安工程費(fèi)；
(3)由于使用膠帶機(jī)，減少汽車數(shù)量節(jié)約投資；
(4)汽車和膠帶機(jī)運(yùn)費(fèi)；
(5)由于原方案和移設(shè)方案礦巖都要經(jīng)過原站，因此經(jīng)濟(jì)模型內(nèi)容只比較到原站位置，以后運(yùn)營費(fèi)認(rèn)為相等，破碎費(fèi)也不參加比較。礦山運(yùn)輸僅用最小運(yùn)輸功來作為目標(biāo)函數(shù)是不合適的。運(yùn)輸功最小，并不意味著運(yùn)營費(fèi)最小，因此，我們把所有運(yùn)輸設(shè)備都折合成同種設(shè)備（如汽車），考慮一個(gè)設(shè)備折合系數(shù)，這時(shí)的運(yùn)輸功稱作折合運(yùn)輸功。
3.4 系統(tǒng)模擬
解算系統(tǒng)的最小折合運(yùn)輸功，可以采用最短路法。在運(yùn)籌學(xué)中，解算最短路的方法很多，常用的有線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃和圖論網(wǎng)絡(luò)分析法。
動(dòng)態(tài)規(guī)劃求最短路是采用多階段進(jìn)行決策，由終點(diǎn)逐階段向始點(diǎn)方向?qū)ふ遥紫缺仨毎严到y(tǒng)劃分為若干階段，前后階段是不可逆的過程。由于礦山運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中，頂點(diǎn)與頂點(diǎn)間的無向性，決定了不能劃分階段，因此不采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。線性規(guī)劃是解決最短路的通用方法，但結(jié)算過程變量太多，通過一次次迭代，最后求出最短路，算法復(fù)雜費(fèi)時(shí)。
我們采用圖論中無向圖最短路Dij kstra法求解，該方法不僅能求出網(wǎng)絡(luò)的最短路，同時(shí)可以采用反向追蹤法，求出各礦巖集散點(diǎn)的運(yùn)輸路徑，從而可以為我們的系統(tǒng)模擬提供最佳算法。
整個(gè)最短路求解過程構(gòu)成了系統(tǒng)模擬的主過程，可以模擬出礦山運(yùn)輸系統(tǒng)各種移設(shè)方案的全過程，并計(jì)算出各方案的贏利指標(biāo)。
3.5系統(tǒng)模擬三維可視化
系統(tǒng)模擬三維可視化是建立一個(gè)三維的、動(dòng)態(tài)的、可視化的景觀，來代替二維圖形。它需要構(gòu)建一個(gè)集成化的數(shù)據(jù)庫，重點(diǎn)解決數(shù)據(jù)庫的邏輯關(guān)系，這個(gè)數(shù)據(jù)庫能管理矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型。建造多種層次、細(xì)節(jié)豐富的三維虛擬礦山模型，可以選擇任一角度，觀看每個(gè)方案任一范圍內(nèi)的場景，形象直觀地展現(xiàn)本系統(tǒng)各中方案的外觀、結(jié)構(gòu)和功能。
3.6選取合理方案
根據(jù)模擬出的各移設(shè)方案贏利指標(biāo)，以贏利最大為原則，考慮礦山該年度該臺階能否準(zhǔn)備出設(shè)站空間的情況，優(yōu)選出一個(gè)最合理的移設(shè)方案，確定在哪一年度、哪個(gè)水平進(jìn)行移設(shè)。這時(shí)，移設(shè)步距等于原破碎站所處水平標(biāo)高減去選取方案臺階水平標(biāo)高。
3.7設(shè)計(jì)最終方案
根據(jù)選定方案的年度和移設(shè)步距，在該年度的計(jì)劃圖上相應(yīng)臺階選擇合理位置。由于破碎機(jī)站及膠帶機(jī)運(yùn)輸線路都設(shè)在靠幫非工作幫上，因此需要調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃，為新站址和布置膠帶機(jī)運(yùn)輸線路準(zhǔn)備空間。
重新構(gòu)造該方案的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停?jì)算方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，最后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)，完成整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化。
4、結(jié)論
間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)，在我國金屬露天礦中的應(yīng)用還處在發(fā)展完善時(shí)期，效果并不十分理想。現(xiàn)在研究該系統(tǒng)中處于樞紐地位的破碎機(jī)轉(zhuǎn)載站移設(shè)優(yōu)化問題，采用現(xiàn)代技術(shù)手段，探索其內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律，不僅具有典型和普遍的理論價(jià)值，而且在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中有著很高的經(jīng)濟(jì)意義。
本文成果應(yīng)用于大孤山鐵礦東西端井二期工程，取得良好的效果。
相關(guān)礦山機(jī)械設(shè)備：
1、
圓錐破碎機(jī)
2、
雷蒙磨粉機(jī)
3、
顎式破碎機(jī)
