1、問題的提出
目前，采礦工業(yè)比較發(fā)達的國家露天礦開采的比重約占80%以上，在露天礦的設(shè)備投資中，運輸設(shè)備投資幾乎占50%，有的礦山高達2/3，運輸成本占總成本的比值高達50%左右。
隨著露天礦開采深度的增加，傳統(tǒng)的鐵路運輸和汽車運輸因運距的增大和采場內(nèi)提升定線困難，運輸效率顯著下降，完成相同運量所需用的設(shè)備數(shù)量大大增加，運輸成本也因之明顯提高。間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)以膠帶運輸取代傳統(tǒng)的輪式運輸?shù)奶嵘δ埽辛Φ叵寺短斓V采深和運距增大在經(jīng)濟上的不利影響。
深凹露天礦采用間斷連續(xù)運輸工藝，有60%～70%的礦巖是用間斷連續(xù)工藝輸送到地表的，這樣汽車運輸量大大減少，可使汽車道路等級降低，汽車道路基建費用、維護費用等大大減少。實踐表明，在深凹露天礦應(yīng)用間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)和傳統(tǒng)的間斷工藝相比，運輸成本可降低30%，電耗降低25%，勞動生產(chǎn)率提高50%。由于它具有令人矚目的經(jīng)濟效果，在深凹露天礦擴大間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)應(yīng)用的勢頭正方興未艾。在我國，大孤山鐵礦、東鞍山鐵礦、石人溝鐵礦和南芬鐵礦己應(yīng)用了這種工藝系統(tǒng)。
早期的間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)普遍應(yīng)用固定式轉(zhuǎn)載站。固定式轉(zhuǎn)載站的
破碎機安裝在集運水平以下的地下峒室內(nèi)，開挖峒室、構(gòu)筑基礎(chǔ)等建安工程量大、施工期長，特別是隨著礦山工程的延深，工作面距集運水平越來越遠，汽車運距增大而降低了經(jīng)濟上的優(yōu)勢。
破碎機站是實現(xiàn)間斷一連續(xù)工藝的樞紐。為保持間斷一連續(xù)工藝的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，當?shù)V巖的集運距離增大到某種程度后，把原來的破碎機站移到新址，縮短礦巖集運距離，從而產(chǎn)生了半固定破碎轉(zhuǎn)載站。
半固定式破碎轉(zhuǎn)載站每次搬遷的垂直距離稱為破碎站的移設(shè)步距。移設(shè)步距是根據(jù)汽車運輸成本、膠帶運輸機運輸成本以及攤銷到單位礦巖上的移設(shè)破碎轉(zhuǎn)載站的費用之和最小的原則來確定的。
移設(shè)步距視礦山的具體條件不同而變化，一般取60～90m。國內(nèi)外許多專家曾對此進行了研究，并給出了各自的求解公式。由于這些公式對礦山的具體條件缺乏考慮，因此，如果僅憑一兩個公式計算出來的最優(yōu)移設(shè)步距，在實際生產(chǎn)中都很難實現(xiàn)其最優(yōu)效果。我們對這個問題進行了新的研究。
2、技術(shù)路線
確定間斷一連續(xù)工藝破碎機轉(zhuǎn)載站合理移設(shè)步距，在理論上可抽象為物料集運點優(yōu)化問題，很多人很容易直接聯(lián)想到采用求重心的方法，認為物料重心即是集運最佳位置。這種方法在運輸線路為直線的情況下是有效的，而且能簡便地確定出集運點的準確位置，然而露天礦運輸線路是不規(guī)則的曲線，它隨露天礦開采臺階坡線而彎曲，這樣使得物料各集散點較原來集散點在方向和距離上都有不同程度的偏移，所以理論重心不再是實際重心。又因為線路是不規(guī)則的，所以實際重心也無法直接求得，因此重心法不適用。
本文運用計算機模擬技術(shù)和系統(tǒng)工程優(yōu)化理論，對礦山運輸系統(tǒng)進行整體的模擬，優(yōu)化破碎機轉(zhuǎn)載站的移設(shè)周期和移設(shè)步距。
技術(shù)路線是：根據(jù)進度計劃所確定的各年度礦巖采剝量、集散點位置的的基礎(chǔ)上，構(gòu)建各年度運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用圖論最短路算法求取礦山運輸最小折合運輸功（折合成同種運輸設(shè)備，如汽車的運輸功），來模擬破碎站在各年度不移設(shè)和移設(shè)到各臺階水平的方案，使個方案處于最佳狀態(tài)；利用經(jīng)濟模型計算各移設(shè)方案較同年度不移設(shè)方案的經(jīng)濟贏利，以贏利最多為原則；根據(jù)采場空間位置準備的實際情況，優(yōu)選出最佳方案；再對選定方案進行詳細設(shè)計，輸出工程圖紙和設(shè)計報表。
3、破碎機轉(zhuǎn)載站移設(shè)步距優(yōu)化模擬
3.1礦山運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型
本研究采用了系統(tǒng)工程網(wǎng)絡(luò)分析法，首先必須建立礦山運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，對礦山運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自動拓撲。
由于礦山運輸路線是無向的，所以網(wǎng)絡(luò)圖采用無向圖的模式。
網(wǎng)絡(luò)圖由若干頂點和邊組成，頂點用“標號”來區(qū)分，邊的屬性用“權(quán)”來表示。我們把礦巖集散點、斜坡道中點、轉(zhuǎn)載站看作圖的頂點，連接所有能溝通線路的頂點，用運距或折合運距給權(quán)賦值。該網(wǎng)絡(luò)圖是建立在礦山特定空間環(huán)境上的，為了給三維可視設(shè)計組織空間數(shù)據(jù)，因此我們在建立網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系時，還要反映礦山不同時期臺階空間位置發(fā)展的情況。網(wǎng)絡(luò)頂點位置需要采用礦山真實坐標，首先提取礦山采掘進度計劃每年度年末圖的數(shù)據(jù)，再對礦山空間進行空間信息分布處理、幾何分析、空間定位／轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)礦山空間數(shù)據(jù)特征描述、空間比較，最終完成復(fù)雜的礦山高維數(shù)理動態(tài)解析建模過程。
3.2礦山運輸系統(tǒng)經(jīng)濟模型
經(jīng)濟模型是考慮破碎機轉(zhuǎn)載站移設(shè)的基礎(chǔ)條件，在此模型中主要考慮以下幾個內(nèi)容：
(l)移站設(shè)備投資折舊：破碎機、膠帶機投資折舊；
(2)移設(shè)費、建安工程費；
(3)由于使用膠帶機，減少汽車數(shù)量節(jié)約投資；
(4)汽車和膠帶機運費；
(5)由于原方案和移設(shè)方案礦巖都要經(jīng)過原站，因此經(jīng)濟模型內(nèi)容只比較到原站位置，以后運營費認為相等，破碎費也不參加比較。礦山運輸僅用最小運輸功來作為目標函數(shù)是不合適的。運輸功最小，并不意味著運營費最小，因此，我們把所有運輸設(shè)備都折合成同種設(shè)備（如汽車），考慮一個設(shè)備折合系數(shù)，這時的運輸功稱作折合運輸功。
3.4 系統(tǒng)模擬
解算系統(tǒng)的最小折合運輸功，可以采用最短路法。在運籌學(xué)中，解算最短路的方法很多，常用的有線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和圖論網(wǎng)絡(luò)分析法。
動態(tài)規(guī)劃求最短路是采用多階段進行決策，由終點逐階段向始點方向?qū)ふ遥紫缺仨毎严到y(tǒng)劃分為若干階段，前后階段是不可逆的過程。由于礦山運輸網(wǎng)絡(luò)中，頂點與頂點間的無向性，決定了不能劃分階段，因此不采用動態(tài)規(guī)劃法。線性規(guī)劃是解決最短路的通用方法，但結(jié)算過程變量太多，通過一次次迭代，最后求出最短路，算法復(fù)雜費時。
我們采用圖論中無向圖最短路Dij kstra法求解，該方法不僅能求出網(wǎng)絡(luò)的最短路，同時可以采用反向追蹤法，求出各礦巖集散點的運輸路徑，從而可以為我們的系統(tǒng)模擬提供最佳算法。
整個最短路求解過程構(gòu)成了系統(tǒng)模擬的主過程，可以模擬出礦山運輸系統(tǒng)各種移設(shè)方案的全過程，并計算出各方案的贏利指標。
3.5系統(tǒng)模擬三維可視化
系統(tǒng)模擬三維可視化是建立一個三維的、動態(tài)的、可視化的景觀，來代替二維圖形。它需要構(gòu)建一個集成化的數(shù)據(jù)庫，重點解決數(shù)據(jù)庫的邏輯關(guān)系，這個數(shù)據(jù)庫能管理矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型。建造多種層次、細節(jié)豐富的三維虛擬礦山模型，可以選擇任一角度，觀看每個方案任一范圍內(nèi)的場景，形象直觀地展現(xiàn)本系統(tǒng)各中方案的外觀、結(jié)構(gòu)和功能。
3.6選取合理方案
根據(jù)模擬出的各移設(shè)方案贏利指標，以贏利最大為原則，考慮礦山該年度該臺階能否準備出設(shè)站空間的情況，優(yōu)選出一個最合理的移設(shè)方案，確定在哪一年度、哪個水平進行移設(shè)。這時，移設(shè)步距等于原破碎站所處水平標高減去選取方案臺階水平標高。
3.7設(shè)計最終方案
根據(jù)選定方案的年度和移設(shè)步距，在該年度的計劃圖上相應(yīng)臺階選擇合理位置。由于破碎機站及膠帶機運輸線路都設(shè)在靠幫非工作幫上，因此需要調(diào)整進度計劃，為新站址和布置膠帶機運輸線路準備空間。
重新構(gòu)造該方案的運輸網(wǎng)絡(luò)拓撲模型，計算方案經(jīng)濟指標，最后進行技術(shù)經(jīng)濟評價，完成整個系統(tǒng)優(yōu)化。
4、結(jié)論
間斷一連續(xù)工藝系統(tǒng)，在我國金屬露天礦中的應(yīng)用還處在發(fā)展完善時期，效果并不十分理想。現(xiàn)在研究該系統(tǒng)中處于樞紐地位的破碎機轉(zhuǎn)載站移設(shè)優(yōu)化問題，采用現(xiàn)代技術(shù)手段，探索其內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律，不僅具有典型和普遍的理論價值，而且在實際生產(chǎn)活動中有著很高的經(jīng)濟意義。
本文成果應(yīng)用于大孤山鐵礦東西端井二期工程，取得良好的效果。
相關(guān)礦山機械設(shè)備：
1、
圓錐破碎機
2、
雷蒙磨粉機
3、
顎式破碎機
