铁矿资源采选生产能力产能配置优化研究

【摘要】 合理调控经济区磁铁矿资源开发利用是实现资源优势向经济优势转变，促进区域经济快速发展的需求，在适度的范围内扩大生产规模有助于宽城县县域经济的发展壮大。本文通过对铁矿资源开采生产能力和选矿生产能力配置优化模型的构建，结合实际需求，对宽城长河矿业经济区未来10―20年的铁矿资源开采和选矿生产能力进行了优化配置，并提出了旨在保障该经济区铁矿资源采选生产能力优化配置的保障措施。

【关键词】 采选生产能力 优化配置 保障措施

一、铁矿资源采选生产能力配置优化动因

1、国内外铁矿石供需形势为加快开发利用磁铁矿资源提供发展契机

从我国钢铁工业发展趋势来看，由于我国的铁矿石品位低、大型矿床少，矿石种类复杂，开采难度大，成本高，吨钢铁矿石需求强度要远高于其他发达国家（由于冶炼方式的不同），很难满足当前我国钢铁工业对铁矿石的大量需求。从对全球铁矿石供需形势分析来看，铁矿石依然处于供不应求的局面还将持续。虽然伴随着铁矿石主要供应方BHP、Vale、Rio、FMG扩大产能规模，全球铁矿石供需或将短暂趋于过剩的现状，但由于以中国、印度等为主导的发展中国家新一轮的工业化进程及其全球经济复苏前景必将带动全球钢铁工业的大力发展。同时，由于铁矿石主要供给方高度集中的优势，在未来的相当长的一段时期来看，对于作为冶炼用铁精粉的价格也将处于稳定波动局面。上述客观事实的存在，为赋存超贫钒钛磁铁矿和鞍山式磁铁矿资源的宽城矿业经济区加快开发利用磁铁矿资源提供发展契机，使其成为发展县域经济的重要支撑点。

2、实现资源合理开发利用

矿业经济区的科学发展要遵循矿产资源的适度开发与利用的规律，就依托长河流域的矿业经济区而言，要避免矿区超贫钒钛磁铁矿资源和鞍山式磁铁矿资源的过度开发利用，调控的目的也要使资源的开发利用规模与宽城县县域经济社会的发展相协调，同时，使矿业经济区内的地质环境得到有效保护，通过对超贫钒钛磁铁矿和鞍山式磁铁矿资源矿石生产能力和开发利用规模进行科学合理调控，也是落实全面协调和科学发展观的具体体现。

3、促进县域经济发展

合理调控经济区磁铁矿资源开发利用是实现资源优势向经济优势转变，促进区域经济快速发展的需求。在适度的范围内扩大生产规模有助于宽城县县域经济的发展壮大。

二、铁矿资源选矿生产能力配置优化模型选择

铁矿资源采选生产能力优化模型的建立包括以下三个方面需要考虑，目标函数的确立，优化设计变量、附带约束条件的数学模型。

1、目标函数

根据矿业经济区各集团公司所属各矿山采、选生产情况，2009年处理超贫钒钛磁铁矿石的各选厂以及处理鞍山式磁铁矿石资源的各选厂的选矿能力总体矿业经济区内处理超贫钒钛磁铁矿石的选厂（包括在建，扩建）共28家，2009年产铁精粉362.24万吨，铁精粉平均品位64%～66%，矿业经济区内处理鞍山式磁铁矿铁矿石的选厂共33家，2009年年产铁精粉215.4万吨/年，铁精粉平均品位62%～66%。在遗传算法的过程中将矿山不同矿种选矿能力（吨/年）设为基本的种群个体，利用个体求解适应度，将所有矿山选矿能力的总和确定为适应度，以适应度最大为目标进行进化计算。目标函数在遗传算法中是个重要的控制主角，它强调了问题中最终目标及限制条件的相对重要性，目标函数包括了两个部分即目标部分和惩罚部分。

（1）目标：以下为目标函数F：

maxT（D）=wi■■Dj+s

式中，i表示各矿业集团（i=1，2，…，n）；Dj若代表各矿业集团所属选厂的选矿能力（j=1，2，3，...，n），依次类推。Wi为权重系数，权重的取值根据各因子的重要程度来定义，S为因子取值限制惩罚函数。

（2）惩罚：第二个部分，包括了限制条件是否符合于目标所设定的条件，惩罚函数R在遗传算法中是根据违反限制条件的合适程度来定义，但是需要注意的是若违反限制条件系数S过高，会使设计变的不合理。

（3）优化设计变量。根据以上目标函数的设定，这里优化设计变量为：

D=YDijY

式中，D同上，Dij表示各集团所属各选厂的选矿能力。

2、约束条件

根据已有资料，目前矿业经济区各集团公司各选厂的基本情况和存在的问题如下。

（l）随着各厂矿生产矿种结构和生产能力的不断变化，各选厂选矿能力和选矿对象在不断发生变化和调整；（2）随着矿山生产的变化，虽然选矿总能力大于矿山生产能力，但选矿生产能力结构不适应矿山生产发展要求；（3）从集团公司各生产区域来看，现有尾矿库供求不平衡；（4）部分选厂生产用水由坑下供给，生产成本较低，有独立的供电系统和厂前回水系统，有些选厂则存在早季缺水，需外购生产用水。

综上所述，矿山选厂能力主要约束条件包括5个方面。供矿约束，结合矿山的资源储量；尾矿库库容约束，考虑挖潜改造扩容后的库容量；选矿用水用电及供电、供（回）水约束；开拓运输系统工程的布置；经济效益最大化。

选厂能力优化，牵扯到多影响因素，考虑所有影响因素不太现实，因此需要掌握一个原则，那就是选择那些对目标、约束函数影响大的影响因素，结合实际，我们选择供矿约束；供水资源约束；尾矿库库容约束，作为三个对其他相关的约束。

第一，供矿约束。供矿约束是影响各选厂选矿能力的最主要限制条件，根据矿山保有资源储量表，对各集团选厂供矿约束如下：

对各集团选厂供矿约束如下：

天宝集团■X1k？燮Q1 京城集团■X2k？燮Q2

剑锋集团■X3k？燮Q3 其他集团公司选厂供矿约束依此类推。式中X同上，k表示各集团所属选厂的具体具体矿石供应矿山，Q为选厂规划后选矿能力。第二，供水资源约束。长河流域总流域面积391.1km2，主要一级支流有民驯河，葫芦峪河，年平均径流量0.73亿m3，流域内多年平均来水量4991万m3，枯水年来水量892万m3，多年平均可供水量为4500万m3，地表水开发潜力十分有限。根据八十年代以来长河矿业经济区地下水的供水量统计分析，多年来地下水平均供水量为1020万m3，现有771眼井。地下水水位数据动态变化，显示地下水多年采补基本平衡。矿业经济区地下水总量上已无更大开发潜力，只能在可开采区域之间进行相互调整。第三，尾矿库库容约束。尾矿库库容约束考虑其扩容后容量或服务年限，对于尾矿库库容约束采用惩罚函数的形式在构建优化模型分析中进行设定。一般原则即服务年限越大则对所服务的选厂选矿能力的约束越小。以上目标函数、优化设计变量、约束条件组成选厂生成能力优化配置数学模型，为了细化，我们分别对处理超贫钒钛磁铁矿石的选厂和处理鞍山式磁铁矿石的选厂进一步用遗传算法软件进行求解。第四，遗传优化求解模型。模型初始数据分别按照处理处理超贫钒钛磁铁矿石的选厂和处理鞍山式磁铁矿石的选厂的现有生产能力分别取值，总计处理超贫钒钛磁铁矿石的选厂的选矿能力在362.64万吨，处理鞍山式磁铁矿石的选厂215.4万吨/年。

参数设定如下：

分别选定Excel窗体内H19和H23字段为目标函数，采用Recipe的方法来进行求解。对于其设定则采原设定值选择，对所有基因染色体设定变量范围，变量范围根据变量的约束条件设定，在本数据库内以任意实数形式表示。

三、铁矿资源开采生产能力配置优化模型选择

铁矿石开采生产能力优化模型不仅考虑理论模型所的结果，还要结合实际现状，予以修正。

1、铁矿石开采生产能力优化理论模型

金属矿山合理生产规模的确定是金属矿山项目开发过程中一项非常重要的决策要素，许多决策要素均以生产规模为中心进行确定。生产规模的大小与矿山企业的经济效益密切相关，因此，在矿山前期规划中做好生产能力优化工作至关重要，金属矿山合理生产规模的确定，涉及地质资源条件、开采技术条件，矿区内外部多种技术条件、经济、环境、社会等因素，是一个复杂的系统工程问题。

泰勒模型虽然并没有完全包括影响金属矿山确定合理生产规模的诸多因素，但作为一个经验公式，用于初步确定矿山生产规模是具有一定的参考与实用价值的。一些学者通过对我国一些矿山的统计分析，提出修正的泰勒模型作为否作为我国矿山初步确定合理服务年限，修正后的泰勒公式为：

考虑±20%波动范围，则有：Qa=0.65Q■■（1±0.2）式中： Qjg表示矿床的工业储量（百万t），Qa表示矿山生产规模，泰勒模型实际上提出了矿山地质资源储量、矿山合理生产规模及矿山经济寿命之间的匹配关系。因为该公式简便易用，在矿山设计和估算矿山生产规模时具有一定的价值。

而矿山地质资源储量、矿山生产规模与其服务年限的关系可用下表达式：

Tp=■

式中：Tp表示矿山合理服务年限（a），K=1.3-1.5为储量备用系数，地下矿K=1.3-1.5，露天矿K=1.1-1.3，其它符号意义同上。

2、修正参数

为了使模型能够准确反映矿业经济区实际矿石生产能力现状，须考虑实际各集团公司采选过程中的选矿比，对泰勒模型予以修正。各集团公司选矿比如表1、表2所示。

四、优化结果与分析

1、铁矿石开采生产能力优化结果分析

（1）亮甲台超贫钒钛磁铁矿开采生产能力优化。本次矿业经济区铁矿资源规划涉及位于矿业经济区的亮甲台共6个超贫钒钛磁铁矿矿带，8个矿体；2009年矿石实际生产能力为780万吨。

依据生产能力综合优化理论模型，结合实际选冶需求，8个矿体的开采矿石生产能力达到2702万吨/年，其中亮甲台Ⅰ-1矿体、Ⅰ-2矿体、Ⅰ-3矿体、Ⅱ矿体、Ⅲ矿体、Ⅳ矿体合理开采矿石生产能力为1036万吨/年，东川Ⅰ矿体合理开采矿石生产能力为40万吨/年，合理铁矿石生产能力为1076万吨/年，生产服务年限平均17年。

（2）孤山子超贫钒钛磁铁矿开采生产能力优化。孤山子超贫钒钛磁铁矿矿体，2009年孤山子超贫钒钛磁铁矿矿石实际生产能力为2930万吨。结合实际选冶需求，剑锋集团所属超贫钒钛磁铁矿采区、泰丰集团所属超贫钒钛磁铁矿采区、宽安矿业所属超贫钒钛磁铁矿采区、京城集团所属超贫钒钛磁铁矿采区、恒泰集团所属超贫钒钛磁铁矿采区2009年开采矿石量分别为670万吨/年、630万吨/年、60万吨/年、1200万吨/年、250万吨/年，依据生产能力综合优化理论模型，合理生产能力应为2740万吨/年，平均生产服务年限为20年。

（3）鞍山式磁铁矿石开采能力优化。矿业经济区内除超贫钒钛磁铁矿床铁矿带外还存在沉积变质磁铁石英岩型矿床，矿石自然类型主要为磁铁石英岩型，工业类型属“鞍山式磁铁矿”，矿石品位（TFe）29%～35.17%之间，具有工业价值的矿体161条。2010年鞍山式磁铁矿石实际开采能力为453万吨。矿业经济区鞍山式磁铁矿开采，依据资源储量，规划期10年内，每年开采产矿石量可达到619万吨/年。依据生产能力综合优化理论模型，并考虑实际生产能力现状，尾矿库资源、可供水资源条件约束，到2015年，鞍山式磁铁矿石开采合理生产能力达到592万吨，2015―2020年，宽丰集团的唐家庄矿业公司、娄台子矿业公司、双洞子矿业公司、兆丰集团上院矿业公司、福林矿业公司进一步做好深部勘查工作的基础上，2020年鞍山式磁铁矿石开采能力维持在592万吨/年。合理服务年限22年。

2、铁矿资源选矿生产能力优化

（1）超贫钒钛磁铁矿选矿生产能力优化。基于选厂生成能力优化配置数学模型，综合考虑资源赋存状况、技术设备更新能力、水资源及尾矿库配置能力，考虑矿业经济区矿业集团所属各选厂相继扩大产能，在天宝矿业新建一产能为80万吨/年的选厂，京城矿业集团新建一产能为100万吨/年的选厂这一实际，长河矿业经济区处理超贫钒钛磁铁矿石的产能总规模可达到864.5万吨/年。远期（2015―2020年），考虑资源赋存条件、尾矿库资源利用条件等因素，考虑天宝集团、京城集团、恒泰集团所属部分选厂进一步扩大选矿生产能力，新建两家年处理超贫钒钛磁铁矿石60万吨/年和100万吨/年铁精粉的选厂，可以保障长河矿业经济区到2020年时处理超贫钒钛磁铁矿石的选厂生产能力达到年产铁精粉1244.5万吨/年。

（2）优化鞍山式铁矿选矿生产能力。考虑鞍山式磁铁矿资源赋存条件和可采条件，让部分选厂如：龙源所属龙泉选厂、福林公司所属福林选厂等达到设计生产规模，使得2015年处理鞍山式磁铁矿石的选厂规模达到年产铁精粉256.8万吨/年，远期（2015―2020年），在逐步做好深部地质详查工作的基础上，到2020年，处理鞍山式磁铁矿石的选厂规模维持年产铁精粉256.8万吨/年。

五、铁矿资源采选生产能力产能配置优化保障措施

1、优化超贫钒钛磁铁矿的采选生产能力保障措施

（1）优化超贫钒钛磁铁矿开采能力。对隶属矿业经济区的超贫钒钛磁铁矿体，矿山应采用自上而下台阶式开采，矿山最终产品为磁铁矿石原矿，块度不大于350mm。在充分利用现有生产设施的基础上，增加或更新生产设备，主要考虑使用容量大的电铲设备，同时结合该矿矿区范围大，矿体形成独立采场多，开采剥离量大等实际情况来确定各矿体的开采先后顺序。在原有形成独立采场的基础上，增加采区作业面，增加采场数量，建立多套独立的生产系统。

（2）优化超贫钒钛磁铁矿资源选矿技术。矿业经济区内超贫钒钛磁铁矿除含TFe之外，还含有一定数量TiO2、V2O5，通过测试分析以及多种方法选矿试验，证明经济区内原矿磁性铁为中细颗粒较易选，钛不易回收，磷通过浮选可得到磷精矿，但由于原矿中含有一些碳酸盐矿物，在浮选的过程中，碳酸盐矿物和磷灰石在一起，使得磷精矿品位并未显著增加，故推荐只回收铁的选矿流程，即：原矿-干式预选抛尾（弱磁）-粗磨-湿式弱磁选-细磨-湿式弱磁选-铁精矿的选别流程。该流程实现了提前抛尾具有节水、电、低成本、低污染的优点。

（3）开展超贫钒钛磁铁矿矿床的地质详查工作。矿业经济区的超贫钒钛磁铁矿矿床分布于亮甲台和孤山子。由于矿床属岩浆晚期分异形成，岩浆结晶分异的不同，造成磁铁矿含量的变化，为进一步提高矿业经济区资源规模经济效率，在查明孤山子超贫钒钛磁铁矿成矿地质条件及资源潜力现状基础上，规划期应进一步加大勘探详查力度，加密各种采样工程，采用边采边探的方法，加强地质工作投入，加强岩体相带的划分及矿化富集规律等方面的综合性研究工作，加强孤山子超贫钒钛磁铁矿床的深部勘查，力争找到大而富的铁矿体。

2、优化鞍山式磁铁矿资源的采选生产能力保障措施

（1）优化鞍山式磁铁矿资源开采生产能力。对赋存于矿业经济区内鞍山式磁铁矿体，普遍采用的采矿方式为斜井―竖井―平硐联合开拓方式，用分段空场法辅以浅孔留矿法进行采矿。（2）科学布置地下开拓工程，开拓巷道布置的合理与否，将直接影响今后漏斗的布置和矿石是否能大量采出。因此，在加强地质工作的基础上，获取第一手基础资料用于指导开拓工程。（3）科学合理布置探矿工程。在探采结合的原则下，对变化大，现有巷道和原地质钻孔没有控制到或揭露不准确的矿段，根据情况，适当地多安排一些探矿工程，力争提前为开拓巷道确定合理的位置。（4）适当增补一些采准工程，尽量回收滞留在采场内的矿石。（5）对于采矿中途赋存条件发生变化的矿体，及时改进回采工艺，确保矿石回采率。

3、优化鞍山式磁铁矿资源选矿技术

针对鞍山式磁铁矿石特点，选厂采用“三级破碎，二段磨矿，三次磁选加磁团聚重选”工艺流程，并增加聚环式尾矿回收机，以降低尾矿的品位，浓缩磁选的粗精矿进行两段磨矿，磨矿细度为-200目占60%，仍采用CTB1024型湿式磁选机（磁场强度1450奥斯特）进行二次磁选，得出粗精矿再返回高频细筛进行两段分级，筛下产品进入磁团聚重选（采用φ2500型磁团聚磁选机进行重选）。

4、开展鞍山式磁铁矿深部地质详查工作

在基本查明了矿区赋存于中―下太古界迁西群上亚群拉马沟组地层的沉积变质磁铁石英岩型矿床的地质及构造条件、矿体数量、矿体形态、产状、规模和空间分布以及开采技术条件现状的基础上，规划期内应以边采边探原则，加强布置深部控制矿体的探采详查工程，进一步查清鞍山式磁铁矿资源远景储量，为矿山合理规划开发、管理提供地质和储量依据。

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