金属矿山生态化设计优化理论与方法研究

金属矿业在近代工业文明的进程中可谓居功至伟，但它对生态环境的破坏给人类带来巨大冲击。我国金属矿山颇多，金属矿开采已成为各行业中最严重的污染源和灾害源之一。矿山设计优化理论和方法一直以经济效益和生产效率为目标，结果往往是造成更大的生态环境冲击。.本项目基于金属矿产生产系统的资源代谢、生态足迹理论和采矿学等，开展交叉研究；从"源头减量"视角出发，紧紧结合金属矿床开采系统及其生产工艺过程，开展矿床开采的生态压力度量、开采工艺与生态压力的耦合关系、生态压力的成本化、生态化设计优化理论和方法等关键问题的研究，革新矿山设计理念，逐步构建生态化设计优化原理和方法体系。目前，金属矿山生态化设计在国内外几乎还是空白，本项目具有前沿性和开拓性，其成果不但有重要学术价值，而且对金属矿山节能、减排、降耗，推进金属矿业的可持续发展具有重大现实意义。

矿产资源对于我国的工业化和城镇化发展可谓居功至伟。然而，矿产开采（尤其是露天开采）损毁大面积的土地及其承载的生态系统，使之丧失为我们提供各种生态服务的功能，并造成环境污染。迄今为止，国内外矿山项目评价和开采方案设计都是以经济效益作为决策的主要标准，而经济效益的计算只考虑投资和正常的生产经营成本，开采造成的生态功能丧失被看作“外部效应”不加考虑。应对生态环境问题的主要途径也一直是“末端治理”，如土地复垦和生态恢复。虽然为了降低环境风险，许多国家都对采矿项目设置了环境评价的前置条件，但环境评价并不反作用于具体的开采方案。显然，不同的开采方案对生态环境的冲击程度是不同的，在开采方案的设计阶段就考虑最大限度地降低生态冲击，是更应该提倡的“源头减量”途径。.本项目在国内外第一次提出生态成本内生化的矿山设计思想，即在矿山开采方案的设计和评价中纳入生态成本，寻求经济与生态总效益最大的开采方案。为此，针对金属矿露天开采，基于生态足迹方法，开展了矿山生态压力与生态成本量化研究和生态成本内生化的矿山开采方案优化方法研究，形成了一套具有实用价值的理论、模型与算法体系。模型可以用于估算一个矿山的生态成本总额或单位矿量的生态成本，更有意义的应用是用于比较不同开采方案的生态成本。.对露天开采的总体经济效益影响最大的设计要素包括：最终境界、每年的矿石开采量和废石剥离量（即生产能力）、每年采矿和剥岩位置（即开采顺序）。本研究就这些要素的生态成本内生化优化建立了一个完整的模型和算法体系---境界优化的锥体排除迭代算法、境界和生产计划整体优化模型与算法。.基于研发的模型和算法体系，开发了软件系统。应用这一软件系统和南芬矿的地质和技术经济数据，进行了实例应用研究。结果表明，生态成本对最终境界和生产计划均有重要影响：生态成本使以总盈利最大为设计准则的最终境界缩小了40%以上，总盈利降低了25%；以NPV最大作为境界和开采计划方案的设计准则时，最终境界缩小了40%，NPV降低了22%。因此，在矿山开采方案设计中考虑生态成本具有现实意义。实例应用证实了本研究中提出的生态成本内生化设计思想是可以实现的，所建立的优化设计模型与算法体系具有实际应用价值。.本项目的执行，培养硕士研究生11名、博士生1名；已发表相关论文18篇，专注1部；2011年参加在澳大利亚召开的第35届“国际计算机与优化在矿业应用会议”。