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大冶铁矿-360 m中段接续开采采场回采设备调度优化

2024-11-19 35 上传者：管理员

摘要：大冶铁矿正在进行-270 m中段转至-360 m中段的接续开采工程，由于采切工程滞后，-360 m中段投产初期采场生产能力不足，难以达到4 320 t/d的设计产能，而设备调度优化和工序衔接优化是解决产能不足的重要措施。根据分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法的特点，分析采切、凿岩、装药、爆破通风、出矿等工序的衔接关系，基于大冶铁矿-360 m中段各采场分布、回采工序、回采设备现状，对采场回采设备调度进行优化，并运用遗传算法(Genetic Algorithm, GA)求解出-360 m中段最高效的设备调度计划。结果表明：在设备调度优化(单目标优化)条件下，最短回采总时间为6 336 h,首采采场生产能力达到3 782 t/d;通过进一步优化工序衔接(双目标优化),减少了回采工序时间间隔，提高了设备的使用效率，最小回采总时间缩短为4 250 h,实际工作总时间减少了1 977 h,降幅为27%,首采采场生产能力达到5 189 t/d,综合生产能力超越其目标值的20%,有助于解决大冶铁矿在当前采切滞后的状态下产能不足的问题。

关键词：
分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法
工序衔接
生产接续
设备调度
遗传算法
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大冶铁矿正在进行-270 m中段转至-360 m中段的接续开采工程，-360 m中段开拓工程滞后，导致采切工序滞后，开采初期将面临生产能力下降的情况。为了提高-360 m中段前期生产能力，-360 m中段首采矿块的开采速度有待提高，而工序衔接和设备利用效率是影响产能的重要因素[1]。

采场回采是一个庞大的多设备联合作业系统，回采工序流程包括：凿岩、装药、爆破、通风、搬运、充填等，且各种工序之间存在着关联性和互斥性。每个工序需要匹配相应的设备，涉及的回采装备种类多，不同设备工作效率又存在差异，导致实际回采工序等待时间间隔过长、设备使用效率不高，产能受到限制[2-3]。因此分析不同工序的关联性和互斥性，合理规划设备运行时间，综合考虑工序衔接和设备调度，发挥设备并行作业优势，是减少工序等待时间间隔，提高设备使用效率的关键[4]。

国内外学者对矿山生产调度优化模型的研究较多，其中包括机器配置优化，生产能力优化，短期生产调度优化，采用方法包括随机整数规划法、混合整数规划法、数据分析和机器学习等方法[5-8]。王李管等[9]提出运用混合整数规划法解决采场回采顺序优化问题。PROSPER C等[10]应用数据分析和机器学习法提高了地下开采生产调度的效率。随着计算机技术的发展，开始出现了使用遗传算法、粒子群算法和蚁群算法等智能优化算法进行模型解算的研究[11-15]。李益兵等[16]基于 Logistic混沌改进的遗传算法建立了集团分布式制造资源配置优化模型，实现了生产成本、加工资源、加工效率等多目标调度优化，并求解了该模型的最优解。冯茜等[17]提出了一种基于双目标法的两阶段约束粒子群算法，有效解决了约束单目标优化问题。张明等[18]采用多目标遗传算法，建立了卡车调度多目标优化模型，实现了卡车调度复杂需求下的多目标调度优化。

总体来看，传统矿山生产调度优化问题侧重于改良优化算法从而求解最高设备效率，忽略了采矿方法和工序衔接优化对设备效率的影响。为此，本文综合了矿山的采矿方法、各工序约束关系、设备参数、爆破参数，建立了更为全面的矿山生产调度优化模型，在设备调度优化条件下进一步优化工序衔接，求解回采设备最高使用效率，以满足矿山生产的实际需求。

1、工程概况

大冶铁矿分东、西两个采区，其中-270 m中段至-360 m中段东、西区矿体分布如图1、图2所示。该矿山正在规划-270 m中段转至-360 m中段接续开采，采矿方法选取分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法，2023年7月份开始投产，计划年产能130万t矿石(日产能4 320 t),按照矿山当前的开拓进度无法实现计划产能。因此矿山需要采取措施扩大产能，而提高设备使用效率、优化工序衔接，是提高开采能力的两种重要手段。

图1 东区矿体分布

图2 西区矿体分布

根据由东到西，隔一采一原则对矿块进行编号，采场垂直矿体走向布置，采场长度为矿体厚度，其中矿房宽度15 m, 矿块高度90 m, 将每个采场矿体按照矿界线划分为若干个回采单元(每个回采单元为一次爆破矿石量),每个回采单元高15 m、宽15 m、厚3.6 m(每个单元矿石量3 191 t),各采场回采单元数、矿石量如图3所示。

图3 采场划分

2、回采工序流程

大冶铁矿-360 m中段采矿方法选取分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法，回采工序由前往后依次为采切、凿岩、装药、爆破通风、出矿5个流程。上述各步骤在时间上是依次进行的，即采切必须超前于凿岩，凿岩必须超前于装药。正常生产阶段，待采矿块采切完全结束后，再进行分段凿岩和分段出矿。而在接续开采阶段，由于开拓工作和采准工程滞后，难以按预期进行凿岩，可在保证安全的前提下，完成待采矿块首采分段的采切工作后提前对首采分段进行凿岩，尽快形成采切凿岩并举的状态，以加快后续装药、爆破通风、出矿的循环作业效率，缩短生产周期，提高生产效率。正常生产和接续生产回采中各个流程随时间的推进进度如图4所示。

图4 回采进度

凿岩、装药、爆破通风、出矿流程按照分段自上而下、从内向外退采的原则进行作业，每次爆破两排炮孔，各上分段崩落的矿石落至下部最低分段出矿进路，由最下层的铲运机经装矿巷道将出矿进路中的矿石搬运至溜井，多次循环该流程直至采场回采完毕，如图5所示。

图5 分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法

3、大冶铁矿设备调度优化

3.1 参数计算

矿山回采工序主要包括凿岩、装药、爆破通风和出矿4个工序，对应的开采装备分别是凿岩台车(2台)、装药车(1台)、通风扇(2台)和铲运机(8台)。根据大冶铁矿主要设备工作资料，各工序开采单台装备台效的基础参数见表1,相关凿岩爆破参数见表2。

表1 各工序设备台效

表2 凿岩爆破参数

根据以上参数，计算得出单个回采单元凿岩时间为22 h, 装药车装药时间为1 h、人工装药时间根据生产经验确定为7 h, 通风时间根据生产经验确定为1 h, 出矿平均时间为84 h。

为了平衡东、西区采矿进度，根据矿量分布进行初始设备分配。初始条件下东、西区各分配1台凿岩台车、1台装药车(东区为人工装药)和1台通风扇。由于每个采场可容纳2台铲运机同时工作，因此将8台铲运机分配为4组出矿队(每队2台铲运机)。计算得到东、西区采场各个工序所需时间见表3。

表3 采场各工序所需时间

3.2 关键工序调度约束

大冶铁矿-360 m中段开采的回采工序环节和开采装备作业特点，符合车间作业(Job Shop)调度问题，可以运用遗传算法对最优解进行搜索，得到该中段生产接续和设备调度最佳方案。

该问题可以描述为：n个回采工作队同时回采a个采场，每个采场的矿量为Gj[j=1, 2, 3,…,n],各工序可用装备台数为Mp[p=1, 2, 3,…,n],各个工序环节中单个装备作业时间为Tp[p=1, 2, 3,…,n]。

利用现有的回采设备，在满足回采工序流程的情况下，使得整体工序排布最紧凑，从而得到最小完工时间，其主目标函数f为：

f=min(Cmax) (1)

式中，min(Cmax)表示设备调度优化最小完工时间。

ETjp≤STj(p+1)(2)

式(2)表示当前工序结束才能开始下一道工序，其中，j表示采场序号，p表示工序序号，ST表示工序开始时间，ET表示工序结束时间。

ETjp=STjp+Tjp(3)

式中：ETjp表示第j个采场第p道工序结束时间，等于开始时间与施工时间之和；STjp表示第j个采场第p道工序开始时间；Tjp表示第j个采场第p道工序进行的时间。

NTjp=STj(p+1)-ETjp(4)

式中，NTjp表示第j个采场第p道工序与下一道工序的时间间隔。

矿山回采工序应当满足以下约束：

(1) 初始时刻所有采场均可开采，无开采顺序之分；

(2) 每个采场同时只有一个工作队进行作业，一个工作队可以服务不同采场；

(3) 同一采场每个工序依次进行，不能重复，且只有在上一个工序结束之后才能进行下一个工序；

(4) 同一时刻一台设备只能服务一个采场的一道工序；

(5) 各工序一旦开始则不能中断，中途不可以更换设备，不考虑设备故障和维修；

(6) 设备的转移、维修、保养所消耗的时间均计入设备利用系数之中。

将上述约束条件代入遗传算法，按照以下步骤进行求解，遗传算法逻辑流程如图6所示。

步骤一：根据采场的人员、设备、开采工序等调度参数随机进行编码，设置种群规模实现种群初始化；

步骤二：计算种群适应度并对其进行评估，选取适应度大的个体并保留至新种群；

步骤三：在新种群中随机选取两个个体交换基因序列，扩大种群的多样性；

步骤四：按照一定概率选择染色体的两个片段并进行互换，产生变异种群；

步骤五：判断是否达到最大迭代次数，若达到则终止计算，若未达到则进入步骤二。

图6 遗传算法流程

4、优化结果分析

采用Matlab软件平台编写程序，解算约100次循环后，结果已经趋于稳定，实现回采工序总时间最短。设备调度优化(单目标优化)后的求解结果如图7所示，出矿甘特图如图8所示，图中数字表示相应的采场编号。

图7 设备调度优化回采结果

图8 设备调度优化条件下的出矿甘特图

由模拟结果可知，设备调度优化后得到最短回采总时间为6 336 h, 按照设备利用效率系数0.8计算，实际工作总时间为7 290 h(304 d),日产能为3 782 t, 该结果难以满足矿山生产需求。从出矿甘特图可以看出，出矿工作衔接较为松散，出矿设备在工作时产生大量时间间隔。

为了进一步缩短工序时间间隔，以提高生产效率，对回采流程的工序衔接进行优化，可以提前规划凿岩作业，尽快进入采切凿岩并举的状态。按照矿山当前的采切进度，最快可以在-360 m中段投产之前提前6个月开展凿岩工作。进一步优化工序衔接(双目标优化)得到的提前1至6个月进行凿岩作业的最短回采总时间如图9所示，提前6个月凿岩作业优化后的出矿甘特图如图10所示，图中数字表示相应的采场编号。

图9 提前不同凿岩时间的回采时间趋势

随着凿岩工作的提前，总回采时间呈现下降趋势，当凿岩作业提前6个月时，回采总时间为4 250 h, 按照设备利用效率系数0.8计算，实际回采总时间为5 313 h(221 d),相比较于不进行工序衔接调度优化，整体回采总时间减少了1 977 h(82 d),降幅为27%。从图10可以看出，若提前6个月进行凿岩作业后，出矿工作衔接较为紧密，出矿设备在工作时时间间隔短。

图10 提前6个月凿岩作业的出矿甘特图

日产能的优化结果如图11所示，可以看出随着凿岩工作时间的提前，日产能优化值呈现加速上升趋势，在提前5个月时日产能就已经超过目标值(4 320 t/d),在提前6个月时达到日产能5 189 t, 比目标日产能提高了20%。

图11 不同凿岩时间下的日产能变化曲线

综合以上分析，合理优化工序衔接，可以降低出矿的时间间隔，使得各工序衔接更为紧密，提高了设备的使用效率。且随着凿岩工作进一步提前，这种效率会加速上升，日产能增幅更大。考虑到矿山目前的采切、凿岩进度，推荐提前6个月进行凿岩工作。

5、结论

(1) 根据分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法的特点，结合不同工序、设备参数，建立了大冶铁矿设备调度优化模型。结果表明，在不优化工序衔接的条件下，最短回采总时间为6 336 h。

(2) 优化工序衔接，提前进行凿岩作业，尽快形成采切凿岩并举状态，可以减少出矿的时间间隔，提高设备的使用效率。优化工序衔接(双目标优化)后，最小回采总时间缩短为4 250 h, 相比较于不进行工序衔接优化，回采总时间减少了1 977 h, 降幅为27%,整体日产能相较于计划产能提升了20%。

(3) 在生产接续阶段，由于采切滞后，使得开采前期采场内难以形成较为完整的通风条件，回采巷道多为独头通风，可能会引发安全问题，因此在采准凿岩并举阶段需注意采场通风。

参考文献:

[1]闫忠军,宫锐,姜洪波.浅谈矿山新老系统接续开采及优化调整措施[J].有色矿冶,2021,37(3):15-18.

[2]林昭云,刘仕强,李贤功.露天矿生产和运输设备管理研究进展[J].矿业研究与开发,2022,42(12):192-199.

[3]侯杰,李国清,修国林,等.金属地下矿山深部转产过程中的产能接续优化[J].工程科学学报,2023,45(5):693-700.