露天开采综合生产成本的优化研究

露天开采综合生产成本的优化研究王聪聪1,2，黄小彬1,2（1.福州大学紫金矿业学院，福建福州350116；2.福州大学爆炸技术研究所，福建福州350116）摘要：为建立具有广泛指导作用的露天开采综合成本优化模型，基于回归分析原理并以爆破块度为决策变量，研究了其与钻孔、爆破、装载、运输、破碎等成本组成的关系，最终确立了以综合成本最优化为目标函数的露天成本优化模型，实现了通过控制块度的分布来优化生产成本的目的。结果表明以爆破块度为量化指标的优化模型可以为现场生产提供良好的指导作用。关键词：露天矿；回归分析；爆破块度；成本优化StudyonOptimizationofComprehensiveProductionCostinOpen-pitMiningWANGCongcong1,2,HUANGXiaobin1,2(1.ZijinMiningCollage,FuzhouUniversity,FuzhouFujian350116China;2.InstituteforExplosiveTechnology,FuzhouUniversity,FuzhouFujian350116China)Abstract:Inordertoestablishacomprehensivecostoptimizationmodelforopen-pitminingwhichhasextensiveguidance,itwasstudiedthattherelationshipbetweentheblastingfragmentationandthecostofdrilling,blasting,loading,transportationandcrushing,whichwasbasingontheregressionanalysisprincipleandtheblastingfragmentationasthedecisionvariablesatthesametime.Theopen-pitcostoptimizationmodelwasestablishedwiththecostoptimizationastheobjectivefunctionfinally,andthepurposeofoptimizingtheproductioncostbycontrollingthedistributionoftheblastingfragmentationwasrealized.Theresultsshowthattheoptimizationmodeloftheburstingmasscouldprovideagoodguideforthefieldproduction.Keywords:open-pit;regressionanalysis;blastingfragmentation;costoptimization引言生产成本的优化一直是矿山生产经营的重点，对露天开采的钻孔、爆破、装载、运输、破碎等环节进行成本优化是降低综合成本的有效途径。目前在露天矿山成本优化方面许多学者开展了广泛的研究：林岳棒[1]通过对炮孔利用率、爆破器材结构等问题的研究，提出了降低爆破成本的有效途径；马建兴等[2]通过对爆破参数、爆破器材、炮孔填塞等的研究，提出了降低炸药消耗量的方法；孙金龙等[3]应用灰色理论建立了矿山生产成本的关联函数，确定了影响露天矿山综合成本的主要影响因素；潘飞亚等[4]提出了露天矿中的垂向反向运输问题，建立了露天矿运输成本的计算优化模型，并得到了良好的应用；胡勇辉等[5]应用BP神经网络原理建立了开采成本的预测与控制模型并进行了现场优化实验；李超亮[6]应用3GSM测量系统对岩体进行了分级，并建立了大块率与露天开采多个生产环节的综合成本优化模型；马建军[7]等应用遗传算法原理建立了以开采成本为目标函数的爆破优化模型；胡乃联等[8]基于例子群算法原理从采掘和运输成本优化出发，建立了露天开采的作业计划模型。前述研究成果帮助人们建立了对露天开采成本优化的初步认识，但仍存在对露天开采的生产环节考虑不够完整、量化指标不够科学等不足，因此本文以福建省某金属露天矿山为例，以爆破平均块度为量化指标，对露天开采的钻孔、爆破、装载、运输、破碎等环节的综合成本优化进行研究。1综合成本优化模型的建立矿山成本优化模型就是在矿山一定的生产条件和技术参数下求得最优解的数学系统。为了更大范围上对生产成本进行优化，这里将生产过程分为钻孔、爆破、装载、运输、破碎，令总成本为C，钻孔成本为Cd、爆破成本为Cb、装载成本为CL、运输的成本为Ch、破碎成本为Ccr，则矿山总成本即目标函数可表示为：crhLbdCCCCCMinC（1）在露天矿的生产过程中，钻孔爆破是第一道工序，也是对整个生产过程都有影响的工序，较好的钻孔爆破效果意味着更高效率的装载和运输，破碎的能耗也会更低，因此选用爆破效果作为优化模型的决策变量是比较合适的。2爆破效果评价方法的选择在实际的生产中，爆破效果往往包括块度分布、根底率、前后冲量、爆堆形状、爆破尺寸、飞石距离、延米爆破量、噪声、毒气[8]等因素，但在建立成本优化模型的过程中，上述爆破效果因素在量化中比较困难，同时一些因素对成本的影响并不明显，为了研究的方便，笔者选取爆破块度作为爆破效果的评价方法。3各生产环节成本优化模型3.1钻孔成本钻孔成本一般包括钻机的动力消耗，钻机的折损费用，人员的工资等，这些是钻孔成本的直接输出，在实际的生产操作中，钻孔成本也会受一些因素其他的影响，主要包括钻孔设备的选型、工作人员的技术水平、钻孔参数等。研究中的露天矿台阶普通生产钻孔时主要的能源消耗是电力的消耗，则钻孔成本即为在每吨矿石上消耗的钻孔的成本，可采用如下关系式进行计算：HSLICCIdr（2）式中，I——每米钻孔耗电量，kw·h；CI——电费单价，元/kw·h；L——孔深，m；H——台阶高，m；S——孔网面积，m2；γ——矿岩容重，t/m3。对矿山现场资料进行可得钻孔成本与平均块度的关系表如表1。表1现场统计的钻孔成本和爆破成本Table1Statisticsofdrillingandblastingcosts组数平均块度/cm钻孔成本/元t-1平均块度/cm初次爆破成本/元t-1116.490.202215.161.8049232.740.171613.582.0583322.610.180316.491.6337415.160.212119.151.4981538.70.172824.980.9335628.960.171625.220.9047724.980.172240.870.5335815.160.200638.830.598911.940.257130.640.65641028.520.172226.160.88581126.160.176228.520.78021230.640.169832.470.60971313.580.233630.740.52691419.10.189317.111.64141521.260.181924.350.88691638.830.168613.671.85811719.150.184628.960.68691825.220.177113.422.29821940.870.167930.10.72482032.470.170921.261.0581根据表1中数据对钻孔成本与平均块度进行数据拟合可得图1。图1平均块度与钻孔成本关系Fig.1Relationshipbetweenblastingfragmentationanddrillingcost由图1可知随着爆破产生的平均块度的不断升高，所要求的钻孔成本不断降低，对图1进行回归分析可得钻孔成本Cdr与平均块度x的关系为：x.-.Cdr226613501493671（3）3.2爆破成本露天矿的爆破分为初次爆破和二次爆破，爆破成本主要包括炸药消耗、爆破器材的消耗、人工费用等，除了这些固定费用以外，爆破成本也受爆破设计的优劣、装药结构的优劣、技术人员的水平、炸药和爆破器材的选型、是否分区爆破等因素影响。与钻孔成本类似，根据矿山初次爆破的情况，初次爆破成本包括炸药消耗、爆破器材消耗等，此外还受爆破参数的影响，可用下式表示：HSmkqkC21b1（4）式中，H——阶段高，m；S——孔网面积，m2；γ——矿岩容重，t/m3；k1——炸药单价，元/kg；k2——爆破器材单价；m——单孔爆破器材消耗量；q——炸药单耗，kg/m3；对现场生产资料进行统计可得初次爆破成本与平均块度的关系表如表1，对数据进行拟合可得初次爆破与平均块度的关系图如图2。图2平均块度与初次爆破成本关系Fig.2Relationshipbetweenblastingfragmentationandinitialblastingcost由图2可知，随着爆破产生的平均块度的不断增大，所要求的初次爆破成本不断降低，对图2进行回归分析可得初次爆破成本Cb1与平均块度x的关系为：38605833.x.Cb（5）矿山中二次爆破采用液压锤进行，费用约为7.69元/t，即Db2Y.C697（6）式中，YD指大块率。同时根据矿山块度分布的统计规律，可得大块率和平均块度的关系为1.579x.YD00060，则有爆破成本和平均块度关系式如下：3860004614058335791.x.x.C.b（7）3.3装载成本装载成本一般包括装载机的购置能本、动力消耗、装载机的折损维修费用和人员的工资等，同时也受爆堆的形状、根底的平整度、爆破块度的分布、装载机的选型、人员的技术水平等因素影响等。矿山的装载环节主要采用装载机完成，能源的消耗主要是油料消耗，此外装载机的维修费用和辅助油料的消耗也是装载成本的重要组成部分。其中，维修费用和辅助油料的消耗主要为一段时间内的费用总和再平均到单车的单位成本中计算而得，在研究中，以一个月为检查的周期来计算此部分的费用。经过资料统计可得装载成本与平均块度的关系表如表2。表2：现场统计的装载成本和破碎成本Table2Statisticsofloadingandcrushingcosts组号平均块度/cm装载成本/元t-1平均块度/cm破碎成本/元t-1125.220.723422.610.87226.160.794832.471.02313.670.609340.871.19411.940.618213.420.56524.350.772524.350.89628.520.843532.741.1725.430.864416.490.65813.420.628830.101.1924.980.819230.741.091040.871.060419.100.751138.831.054425.220.921228.960.851113.670.591332.470.859425.430.911415.160.614338.701.141519.150.726519.150.761622.610.796721.260.91738.700.963726.160.951830.740.812830.641.071930.100.816428.961.082030.640.854328.521.01对表2中数据进行拟合可绘制平均块度与装载成本的关系图如图3。图3平均块度与装载成本关系Fig.3Relationshipbetweenblastingfragmentationandloadingcost由图3可知，平均块度与装载成本的关系规律与钻孔和爆破不同，随着平均块度的升高，装载成不也不断升高。对上图进行回归分析可得装载成本CL与平均块度x关系模型为：0.018xLe.C4920（8）3.4运输成本运输成本一般包括运输工具的购置成本、动力消耗、运输工具的磨损修理费用和人工费用等，此外还受道路状况、运输距离、生产组织、矿岩的块度分布、车辆选型、工人技术水平等因素影响。矿山在计算运