金属矿露天开采设计要素与设备配置整体优化方法与模型研究

Major open pit mining design elements (final pit, production rates, and mining sequence) and the fleet configurations of major mining equipment (shovels, trucks, and drills) are the two most important aspects of a complete production plan, and have substantial impacts on the total economic gain of an open pit operation. However, the optimization of the major design elements and the optimization of the major equipment fleet configurations are, up to date, treated separately: On one hand, equipment fleet configuration is missing in optimizing the major design elements and the real cost cash flows are simplified into unit mining and stripping costs; on the other hand, the optimization of equipment fleet configurations is based on a given mining schedule. Separate optimization cannot optimize the entire production plan: Results obtained from the design element optimization is no longer optimal for the actually adopted equipment fleet configurations and the associated discrete and non-linear cost cash flows. In this project, open pit metal mining is considered, and the two important aspects are treated as an integrated system. By first solving the open pit scheduling problem for discrete and non-linear cost cash flows, a new optimization method will be proposed and mathematical models developed that can bring simultaneous solutions to both the mining design elements and the mining equipment fleet configurations. The results from this study will be made applicable in real life cases through algorithm and software development.

境界、生产能力、开采顺序等露天开采设计要素与电铲、卡车、钻机等主体开采设备的配置，是露天矿整体生产方案中最重要的两个方面，对露天开采的总体经济效益有巨大影响。但迄今为止，对开采设计要素的优化和设备配置的优化是分离的：一方面，在开采设计要素的优化中不考虑具体的设备配置，而是把实际成本流简化为单位采剥成本进行优化；另一方面，设备配置的研究都是以既定的开采计划为前提。这两方面的分别优化不能得到整体上最佳的生产方案：设计要素优化结果对于后来选定的设备配置及其伴随的具有离散性和非线性的成本现金流而言，不再是最佳的。本项目以金属露天矿为研究对象，把开采设计要素与主体设备配置作为一个整体，从解决离散、非线性现金流条件下的露天开采计划的优化入手，提出整体优化方法并建立优化模型，解决露天开采优化领域这一难点问题，实现理论和方法上的突破；并通过建立算法体系和开发软件，使研究成果具有实际应用价值。

迄今为止，露天矿的开采方案设计与设备配置是分步进行的：先设计出开采方案（主要包括最终境界、开采规模、开采计划、开采寿命等），而后针对既得方案配置开采设备。分步进行开采方案优化与设备配置就存在一个环形矛盾：没有开采方案无法进行开采设备配置；而没有设备配置方案就无法得到与之相关的成本数据进行开采方案优化。打破上述环形矛盾环并充分考虑成本的非线性和离散特征，实现开采方案与设备配置的整体优化，是本项目解决的问题。.首先，系统研究了设备的经济寿命和单台设备的次序更新策略问题。建立了优化单台设备次序更新策略的动态规划模型及其求解算法。.然后，建立了作业量计划与设备配置同时优化的一般数学模型。提出了求解这一模型的“临近域离散搜索算法”。这一算法可以单独用于优化给定矿石年产量条件下露天矿的剥离量计划和采剥设备配置计划。.其次，通过把生产能力、开采顺序和开采寿命综合表述为每年末的开采体所组成的序列，提出了实现开采计划要素整体优化的地质最优开采体动态排序法。这部分研究成果可以单独用于给定境界的开采计划要素和设备配置优化。.最后，提出了把境界寻优域缩小为一个有限的地质最优境界序列，据此实现最终境界与开采计划要素和设备配置整体优化的优化方法。.本项目针对露天开采设计计划要素与设备配置的整体优化，提出了一套较完整的优化方法、模型和算法体系，并用Borland C++开发了优化软件。应用该软件，不仅可以在新矿山的可行性研究和设计阶段对开采方案进行优化研究，为确定最终方案提供科学的决策依据，而且可以在矿山生产过程中，随着生产探矿和矿体揭露提供越来越准确的矿体地质信息，随着设备运营和其他相关技术经济参数数据的不断积累，以及市场条件的变化，定期或不定期地对未来开采方案进行滚动优化研究，及时修正已有方案，最大限度地降低风险、提高矿山的经济效益。.虽然本项目的研究是针对金属露天矿，具体的优化模型和算法都是针对金属露天矿的开采工艺特点而建立，但提出的基本优化原理也可应用于其他矿物的露天矿山。