昆阳磷矿数字配矿优化模型与配矿工艺规程

陈鹏能，张电吉，李志国,4，章 鹏，周永生

(1.云南磷化集团有限公司昆阳磷矿，云南 昆明 650600；2.武汉工程大学环境与城市建设学院， 湖北 武汉 430074；3.武汉理工大学， 湖北 武汉 430070；4.国家磷资源大开发利用工程技术研究中心，云南 昆明 650113)

1 昆阳磷矿配矿现状

随着开采的不断深入，昆阳磷矿富矿比例减小，中低品位矿比例增大，须通过合理均衡配矿后才能满足磷酸和高浓度磷复肥等的生产要求[1].为了达到磷矿质量指标，昆阳磷矿针对品位高低及其有害成分不同的磷矿石，仅按目标元素含量进行加权平均互混搭配，供选矿厂加工后销售使用，但是昆阳磷矿大多数的矿石都不能达到磷矿石质量指标，以这种加权平均的配矿方式不能满足生产及其销售的要求.因此，采用数字配矿优化模型合理均衡配矿以实现多目标精细配矿，这不仅能降低原料成本、降低有害杂质的含量、稳定工艺指标，且有利于企业进一步优化生产工艺指标，提高产品质量[2].

2 配矿计算模型及评价

2.1 配矿计算的研究现状

配矿计算方法有多种，其中按照目标矿石的品位与矿石重量可分为简易的理论计算方法，按照工程实例类比可分为验算法，按照目标矿石品位与杂质等各种要求可分为线性规划法.

(1)简易理论计算法.这是一种较为简便的计算方法，可采用两种配比，即是品位配矿比与质量配矿比来计算配矿，这种方法简单，在矿种少，不复杂的矿山配矿中可以采用[3].为了使不同品级的矿石搭配后达到质量指标,必须进行采场质量中和的计算，不同情况可采用不同的计算方法，主要方法有品位配比率计算法(品位搭配法[4])和重量搭配法.

(2)验算法.验算法是结合实际的工程数据，利用操作者丰富的工作经验来实时的调整配矿的相关数量，现在随着计算机的广泛使用，单靠人为及一些数据，不结合计算机的使用，这种验算法已经基本被淘汰了.安阳钢铁公司，利用了计算机Excel的数据强大的处理功能，来指导配矿工作的计划、实施与调整，在配矿上起到了很大的效果[5].综合来说，该方法简单易用，适用于现场配料的配矿工作.

(3)线性规划法.通过各种约束条件如磷矿石的品位与各种杂质的限制，计算目标函数即矿山效益的最大值[3].

2.2 多目标优化配矿方法

在配矿计算的三种方法中，应用最多且最广泛的是线性规划配矿.近年来，随着线性规划在矿业中的应用大幅扩大，能用来解决的问题越来越多, 诸如配矿、运输、分配、采掘进度计划的制定以及资源的规划和合理利用等问题[6].

多目标线性规划配矿方法是在露天矿配矿动态管理系统中, 针对矿山实际情况,使用线性规划制定短期生产质量计划,以利用来配矿[7]；能够处理多品种问题是此方法的最大优点[8].作为运筹学最重要的一个分支，它主要用于有限资源最佳分配问题的研究，在理论上最完善，实际应用也最广泛.在MATLAB软件的支持下，多目标线性规划能得到较好的实施，只需要在满足各种约束条件下，列出利润最大的目标函数，使用MATLAB软件编程，就可得到所需要的计算结果.

综上所述，能总结出多目标线性规划是一种实用、精确合理的计算配矿的方法.

昆阳磷矿生产矿石，其最终的目标是追求更好的矿山经济效益.合理配矿即是要考虑矿石品位与有害杂质的含量，因此可设目标函数如下[3]：

(1)

式(1)中：M为最终矿石的最大销售价值；Cij为第i矿段第j个品级矿石的价格；Xij为第i矿段产出的矿石的第j品级磷矿使用量；m表示有m个矿段，n表示有n个品级范围的矿石.采用线性规划方法同时需要配矿的约束函数.

(1)品位的约束如下：

(2)

(3)

式(3)可转化为：

(4)

(2)有害元素约束条件为：

① MgO约束：

(5)

(6)

式(6)可转化为：

(7)

② 二氧化硅约束：

(8)

(9)

式(9)可转化为：

(10)

(11)

(3)使用量的限制约束：

(15)

式(15)中：Xij为第i矿段第j种品级的可使用矿石总量.

3 配矿优化模型的建立

3.1 分析配矿质量的影响因素

配矿质量的影响因素主要有两种，即品位与配矿方法[9].

品位因素：由于矿山配矿工作主要根据矿石品位进行，若品位不定，会极大地影响配矿的质量.在现场，由于地质采样不能概括每个区域矿石的品位，人为的操作失误，加上个别职工责任心不强等都易导致所获得的矿石地质品位失真；矿山实际出矿品位肯定与地质勘探出的品位有误差等种种因素，都可能导致品位的差异，影响配矿质量.

配矿方法因素：配矿中，简易理论计算法，即品位搭配法和重量搭配法，虽然简单，但是没考虑杂质的影响，相比较线性规划法，其配矿的质量没有线性规划法优越.

3.2 数字配矿优化模型

实现磷矿效益是磷矿企业的首要目标，决定着企业的成败.为了提高企业的整体效益，企业在将自产的矿石进行深加工的同时，其下游的产业会与自产的矿石质量有密切的关系，为了保证下游产品的质量，必须在考虑主要产品的同时，考虑其他的一些要求.

昆阳磷矿的下游生产工艺主要为湿法磷酸工艺，因此在制定矿石有害元素的影响目标时主要考虑的是酸法工艺[10].

因此，昆阳磷矿配矿时按照其P2O5的品位以及各种杂质的限制性要求，制定出相应的配矿次序，昆阳磷矿的目标实现次序如图1[11]所示.

图1 目标实现次序图Fig.1 taiget sequence diagram

因此，建立数字配矿优化模型如下：

Z=c1x1+c2x2+…+cmxm

j=1，2，…，m

约束条件为：

a11x1+a12x2+…+a1mxm≥b1

a21x1+a22x2+…+a2mxm≤b2

…

an-1,1x1+an-1,2x2+…+an-1,mxm≤bn-1

an,1x1+an,2x2+…+an,mxm≤bm

xj≥0j=1,2,…,m

aij≥0bi≥0i=1,2,…,n

其中，Z表示最大配矿的配矿量；cj表示各个配矿点的矿石总量；xj为所用的矿石占预配矿的比值；aij为各种对应第i种约束条件中，第j种矿对应的第i中物质的含量；bi为各种约束条件给定的指标.

在配矿过程中，各矿石的品位，数量以及杂质的含量通过化验数据获取.基于以上约束条件，利用MATLAB线性规划软件便能实现配矿的最优化，以达到最佳的经济效果.

4 优化配矿工艺规程

(1)优化品位管理.不同作业位置品位常有较大的差异，若根据爆区所有炮孔品位来计算该爆区平均品位，这种方法的不精确性只会误导配矿工作[9].

为了达到更高的配矿要求，须在地质平均品位基础上，将爆区断面取样化验和爆区供矿量计算结果标识在现场爆堆上[12]，以提供更精确的作业位置，现场作业人员可据此直观地分辨出作业地点和范围.

(2)优化产量管理.配矿人员可根据各平盘供矿量和品位确定各平盘的适时供矿量[13]，因为70%的供矿任务由矿石堆场承担，所以对配矿整体质量的影响最大.由于矿石堆场可以进行首次配矿，因此，应最大发挥矿石堆场的首次配矿作用.

① 堆场配矿原则.采场首次配矿的配矿量可自由控制，配矿较为主动灵活，而二次配矿情况就被动受限了.因此矿石堆场配矿应立足于矿石堆场的矿石品位相对稳定，遵循“首次配矿为主，二次配矿为辅”的原则，以矿石堆场二次配矿为辅助手段，来调整供矿品位，达到配矿的目的.

② 企业所属矿山基本情况、各矿矿石堆场吞吐量及矿石品位的确定.掌握各堆场吞吐量及品位是选择合理均衡配矿工艺的依据，据此，在单座矿山配矿不能达到目标的情况下，可以考虑多做矿山多目标规划综合配矿，以满足更高的矿石配矿要求.

(3)优化现场的管理与监督.

① 强化对配矿工作的领导与管理.明确责任及主管部门，实行专人负责制.

② 强化配矿点的地质动态监察，细化现场管理.

③ 加大考核力度，维护配矿指令的严肃性.

5 结 语

a. 合理均衡配矿可降低后续生产成本，提高资源的利用率，并能保持供矿品位的稳定性.

b. 数字配矿优化模型及解算技术能够实现多元目标的配矿要求.

c. 多目标优化配矿新理论与新技术，将给矿山企业带来更大的经济效益.

参考文献：

[1] 向洋良,郭云.昆阳磷矿擦洗原矿性质[J].武汉工程大学学报，2011,33(2):103-105.

[2] 孙成斌.配矿对过磷酸钙生产的影响[J].化工矿物与加工，2000(6):10-12.

[3] 李军.烧结配矿专家系统的研究[D].长沙：中南大学,2004.

[4] 林启太.混合配矿模拟技术研究[J].江西建材.1998(3):39-43.

[5] 高丙演.用Excel作烧结配料计算[J].烧结球团，2001，26 (1): 32-33.

[6] 李克庆, 黄凤吟, 吴大卫. 矿仓优化配矿专家决策支持系统[J].北京科技大学学报,1995(6):503-505.

[7] 文超,顾清华,冯居易.基于GIS的露天矿配矿管理系统研究[J].黄金科学技术，2009,17(2):58-62.

[8] 范晓慧，王海东.烧结过程数学模型与人工智能[M]. 长沙：中南大学出版社，2002.

[9] 马英.露天配矿工作浅析[J].有色金属，2008,24(5):13-15.

[10] 葛英勇,张元龙,李红强，等.深度氧化脂肪酸MG-2浮选胶磷矿的性能及机理[J].武汉理工大学学报，2011,33(6):111-115.

[11] 肖建华.开磷集团生产配矿技术研究[D].贵州:贵州大学,2009.

[12] 谭光虹.晋宁磷矿排土场及露天采空区地质灾害的治理[J].武汉工程大学学报，2011(3):104-106.

[13] 孙兆刚,褚义景.铁矿石资源节能减排科技支撑倡导和管理机制[J].武汉理工大学学报，2010,32(4):117-120.