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安庆铜矿尾砂胶结充填灰砂配比的遗传优化设计
2011-07-27
为了降低充填成本,安庆铜矿尾砂胶结充填体在不同的高度采用了不同的灰砂比。因此,安庆铜矿 充填体灰砂比的优化是一个十分复杂的非线性组合优化问题。对此,在安庆铜矿原尾砂胶结充填灰砂比设计的基 础上,采用遗传算法成功地完成了对原尾砂胶结充填灰砂比的优化,并取得了满意的效果。
Series No. 301  金 属 矿 山 总 第 301 期   2001年 第 7 期 July 2001 METAL MINE 安 庆 铜 矿 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 配 比 的 遗 传 优 化 设 计 周 科 平古 德 生 (中 南 大 学 ) 摘 要 为 了 降 低 充 填 成 本 ,安 庆 铜 矿 尾 砂 胶 结 充 填 体 在 不 同 的 高 度 采 用 了 不 同 的 灰 砂 比 。 因 此 ,安 庆 铜 矿 充 填 体 灰 砂 比 的 优 化 是 一 个 十 分 复 杂 的 非 线 性 组 合 优 化 问 题 。 对 此 ,在 安 庆 铜 矿 原 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 比 设 计 的 基 础 上 ,采 用 遗 传 算 法 成 功 地 完 成 了 对 原 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 比 的 优 化 ,并 取 得 了 满 意 的 效 果 。 关 键 词 遗 传 算 法 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 配 比 Genetic Optimization Design of the Cement2sand Ratio of Tailings Consolidated Filling in Anqing Copper Mine Zhou Keping Gu Desheng ( Central South University) Abstract   To reduce the filling cost ,various cement2sand ratios are used at different heights for the tailings consoli2 dated filling body in Anqing Copper Mine. Therefore ,the optimization of the cement2sand ratio of the filling body of An2 qing Copper Mine is a very complex problem of nonlinear combined optimization. On the basis of the original designed ce2 ment2sand ratio of Anqing Copper Mine ,the optimization was successfully made using genetic arithmetic with satistactory results. Keywords   Genetic arithmetic ,Tailings consolidated filling ,Cement2sand ratio   安 庆 铜 矿 矿 房 矿 柱 均 采 用 120 m 高 阶 段 大 直 径 灰 砂 配 比 的 设 计 依 据 。 通 过 采 用 有 限 元 进 行 分 析 , 充 填 体 的 应 力 分 布 如 图 1 所 示 。 由 图 1 可 知 ,胶 结 充 填 体 内 最 小 主 应 力 一 般 为 0102~ 0156 MPa ,最 大 值 为 0196 MPa (中 腰 部 ) ;最 大 主 应 力 仅 为 0131 ~ 1188 MPa ,最 大 值 达 311 MPa(中 腰 部 ) 。 这 说 明 在 充 填 体 配 比 设 计 时 中 腰 部 充 填 体 强 度 要 高 。 塑 性 屈 服 区 分 布 在 底 板 中 部 以 下 5~ 10 m 的 范 围 内 ,同 时 考 虑 到 下 部 矿 体 的 回 采 ,因 此 ,底 板 胶 结 充 填 体 的 强 度 也 要 求 要 高 。 深 孔 采 矿 法 回 采 ,第 一 步 骤 回 采 矿 房 ,矿 房 采 用 尾 砂 胶 结 充 填 ;第 二 步 骤 回 采 矿 柱 ,矿 柱 采 用 分 级 尾 砂 充 填 。 矿 柱 分 上 、下 两 个 采 场 连 续 回 采 ,回 采 阶 段 高 度 1 20 m。 矿 柱 回 采 时 ,两 侧 均 为 胶 结 充 填 体 ,每 侧 充 2 填 体 的 暴 露 面 积 达 5 000~ 6 000 m 。 因 此 ,矿 房 尾 砂 胶 结 充 填 的 灰 砂 比 是 否 合 理 不 仅 影 响 采 矿 成 本 ,而 且 直 接 影 响 到 120 m 高 的 矿 柱 的 安 全 回 采 。 为 了 降 低 充 填 成 本 ,设 计 在 不 同 的 充 填 高 度 采 用 不 同 的 灰 砂 比 ,这 给 灰 砂 比 的 优 化 带 来 了 一 定 的 难 度 , 除 了 包 含 传 统 意 义 上 的 优 化 问 题 外 ,还 包 含 一 个 组 合 优 化 问 题 ,采 用 传 统 的 方 法 无 法 解 决 这 一 问 题 。 本 文 首 次 把 遗 传 算 法 用 于 尾 砂 胶 结 充 填 体 灰 砂 比 的 优 化 设 计 ,进 一 步 拓 宽 了 遗 传 算 法 在 矿 业 工 程 中 的 应 用 范 围 。 112 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 配 比 设 计 根 据 矿 柱 回 采 工 艺 技 术 和 矿 柱 回 采 时 两 侧 充 填 体 的 应 力 分 布 ,矿 房 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 配 比 设 计 时 考 虑 了 如 下 因 素 : ( 1) 矿 柱 回 采 时 ,两 侧 胶 结 充 填 体 在 不 同 高 度 作 用 应 力 各 不 相 同 ,在 高 应 力 区 所 对 应 的 位 置 适 当 1 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 配 比 的 设 计 11   灰 砂 配 比 设 计 依 据 安 庆 铜 矿 尾 砂 胶 结 充 填 的 首 要 目 的 是 必 须 满 足 提 高 灰 砂 配 比 。 ( 2) 矿 柱 破 顶 爆 破 时 ,对 两 侧 充 填 体 的 拉 伸 破 1 尾 砂 胶 结 充 填 体 自 立 高 度 达 到 120 m ,因 此 ,矿 房 回 采 后 ,两 侧 充 填 体 的 受 力 情 况 应 作 为 矿 房 胶 结 充 填 周 科 平 ,中 南 大 学 资 源 环 境 与 建 筑 工 程 学 院 ,博 士 生 ,410083 湖 南 省 长 沙 市 岳 麓 山 。 分 11 分 总 第 301 期 金 属 矿 山 2001 年 第 7 期 2 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 配 比 的 优 化 11   基 本 参 数 2 根 据 实 验 室 测 试 ,不 同 灰 砂 配 比 的 试 块 抗 压 强 度 和 单 位 体 积 充 填 的 水 泥 消 耗 量 分 别 见 表 2 和 表 3。 表 2 不 同 灰 砂 配 比 试 块 平 均 抗 压 强 度 灰 砂 配 比 1∶4 1∶6 1∶8 1∶10 1∶12 1∶15 抗 压 强 度 / MPa 3. 94 2. 47 2. 23 1. 29 0. 53 0. 44 表 3 不 同 灰 砂 配 比 充 填 体 单 位 水 泥 用 量 灰 砂 配 比 1∶4 1∶6 1∶8 1∶10 1∶12 1∶15 试 块 干 容 重 3) 2 (kg分m - / 167. 6 2 170. 5 2 172. 4 2 176. 0 2 178. 2 2 183. 4 单 位 水 泥 用 量 4 33. 5 310. 1 241. 4 197. 8 167. 6 136. 5 (kg分m - 3 ) / 2 12   遗 传 算 法 的 程 序 设 计 根 据 上 述 遗 传 算 法 的 基 本 步 骤 , 利 用 美 国 图 1 胶 结 充 填 体 应 力 分 布 1 - 凿 岩 硐 室 ;2 - 高 应 力 集 中 区 ;3 - 拉 应 力 区 ;4 - 塑 性 区 坏 作 用 较 严 重 。 此 外 破 顶 厚 度 较 大 ,爆 破 矿 石 的 膨 胀 和 移 动 对 两 侧 充 填 体 将 产 生 极 大 的 横 向 压 力 ,充 填 体 易 发 生 挤 压 变 形 。 为 此 在 靠 近 上 、下 部 采 场 凿 岩 硐 室 位 置 适 当 提 高 灰 砂 配 比 。 PAL ISADE 公 司 开 发 的 遗 传 算 法 优 化 工 具 箱 ( Toolkit for Optimization Using Genetic Algorithms) 开 发 了 遗 传 算 法 优 化 配 比 的 程 序 。 遗 传 算 法 优 化 工 具 箱 是 一 个 专 门 用 来 为 用 户 应 用 遗 传 算 法 开 发 适 合 于 不 同 遗 传 编 码 的 工 具 ,由 于 其 内 嵌 在 Microsoft 公 司 著 名 的 电 子 表 格 软 件 Excel 97 中 ,所 以 用 户 可 以 通 过 Excel 97 中 的 VBA 开 发 出 将 自 然 进 化 机 制 延 伸 至 商 业 和 科 学 应 用 的 具 有 独 特 风 格 的 应 用 程 序 。 程 序 运 行 的 基 本 步 骤 是 ,用 户 首 先 启 动 制 表 软 件 Excel 97 中 的 一 个 系 统 模 型 ,然 后 从 菜 单 中 调 用 用 户 自 己 开 发 的 应 用 软 件 ,当 用 户 在 对 话 框 中 输 入 一 些 必 要 的 信 息 后 ,程 序 便 开 始 工 作 ,对 成 千 上 万 种 方 案 进 行 自 动 估 算 直 到 找 到 一 个 最 优 方 案 为 止 。 213 应 用 实 例 ( 3) 根 据 相 似 材 料 模 型 试 验 ,沿 采 场 高 度 不 同 强 度 的 胶 结 充 填 体 交 错 布 置 ,使 之 形 成 较 多 水 平 分 层 有 利 于 充 填 体 整 体 稳 定 性 ,为 此 在 充 填 体 相 同 的 应 力 分 布 高 度 上 采 用 不 同 的 灰 砂 配 比 进 行 充 填 。 ( 4) 为 有 利 于 - 385 m 底 台 回 采 ,靠 近 - 385 m 水 平 采 用 较 高 的 灰 砂 配 比 充 填 。 # # # 综 合 考 虑 上 述 因 素 ,1 矿 柱 两 侧 的 1 、3 矿 房 充 填 配 比 设 计 如 表 1 所 示 。 # # 表 11 、3 矿 房 尾 砂 胶 结 充 填 配 比 设 计 # # 1 矿 房 3 矿 房 标 高 / m 配 比 标 高 / m 配 比 表 1 所 示 的 矿 房 尾 砂 胶 结 充 填 的 配 比 设 计 方 案 可 以 用 表 4 来 表 示 ,遗 传 算 法 的 优 化 目 标 就 是 在 满 足 一 定 的 生 产 要 求 的 前 提 下 ,通 过 对 不 同 配 比 充 填 高 度 的 优 化 ,减 少 水 泥 的 消 耗 量 ,最 终 达 到 降 低 充 填 成 本 的 目 的 。 以 表 4 中 的 数 据 为 基 础 ,用 遗 传 算 法 来 对 配 比 的 组 合 进 行 优 化 ,在 优 化 过 程 中 ,配 比 、单 位 水 泥 消 耗 量 以 及 强 度 采 用 顺 序 (order) 算 子 ,充 填 高 度 采 用 (recipe) 算 子 。 群 体 规 模 为 50 ,交 换 概 率 为 015 ,突 变 概 率 为 0105。 把 设 计 中 的 一 些 相 关 要 求 作 为 优 化 的 约 束 条 件 ,经 过 2 045 次 运 行 后 ,得 到 的 优 化 结 果 如 表 5 所 示 。 - - - - - - - - - 280~ - 276 290~ - 280 320~ - 290 333~ - 320 339~ - 333 351~ - 339 377~ - 351 381~ - 377 385~ - 381 1∶4 1∶8 - 280~ - 276 - 288~ - 280 - 304~ - 288 - 310~ - 304 - 330~ - 310 - 334~ - 330 - 340~ - 334 - 350~ - 340 - 366~ - 350 1∶4 1∶8 1∶12 1∶10 1∶4 1∶10 1∶8 1∶10 1∶8 1∶8 1∶12 1∶8 1∶4 1∶8 1∶4 1∶10 1∶8 - - - 372~ - 366 379~ - 372 385~ - 379 1∶10 1∶4 分 12 分   周 科 平 等 :安 庆 铜 矿 尾 砂 胶 结 充 填 灰 砂 配 比 的 遗 传 优 化 设 计 2001 年 第 7 期 表 4 矿 房 尾 砂 胶 结 充 填 的 配 比 设 计 方 案 配 比 1∶4 1∶6 1∶8 1∶12 1∶8 1∶4 1∶10 1∶12 1∶15 1∶8 1∶4 合 计 单 位 水 泥 用 量 - 3 ) 433. 5 310. 1 241. 4 167. 6 241. 4 433. 5 198. 7 167. 6 136. 5 241. 4 433. 5 / (kg分m 强 度 要 求 / MPa 3. 94 2. 47 0 2. 23 4. 00 600 0. 53 26. 00 600 2. 23 12. 00 600 3. 94 6. 00 600 1. 29 12. 00 600 0. 53 30. 00 600 0. 44 0. 00 600 0 2. 23 10. 00 600 3. 94 4. 00 600 充 填 高 度 / m 采 场 面 积 / m 充 填 体 积 / m 水 泥 用 量 / t 4. 00 600 108 2 3 600 0 2 400 1 040. 4 2 400 15 600 7 200 3 600 7 200 18 000 6 000 2 400 64 800 0 579. 36 2 614. 56 1 738. 08 1 560. 6 1 430. 64 3 016. 8 0 1 448. 4 1 040. 4 14 469. 24 表 5 矿 房 尾 砂 胶 结 充 填 的 配 比 优 化 结 果 配 比 1∶4 1∶6 1∶8 1∶12 1∶10 1∶4 1∶8 1∶15 1∶8 1∶12 1∶4 合 计 单 位 水 泥 用 量 - 3 ) 433. 5 310. 1 241. 4 167. 6 198. 7 433. 5 241. 4 136. 5 241. 4 167. 6 433. 5 / (kg分m 强 度 要 求 / MPa 3. 94 2. 47 0 2. 23 4. 00 600 0. 53 28. 00 600 1. 29 12. 00 600 3. 94 6. 00 600 2. 23 8. 00 600 0. 44 32. 00 600 2. 23 0. 00 600 0 0. 53 10. 00 600 3. 94 4. 00 600 充 填 高 度 / m 采 场 面 积 / m 充 填 体 积 / m 水 泥 用 量 / t 4. 00 600 108. 00 64 800 2 3 600 0 2 400 1 040. 4 2 400 16 800 7 200 3 600 4 800 19 200 6 000 2 400 0 579. 36 2 815. 68 1 430. 64 1 560. 6 1 158. 72 2 620. 8 0 1 005. 6 1 040. 4 13 252. 2   由 表 5 可 以 看 出 ,优 化 后 的 充 填 方 案 完 全 能 够 参 考 文 献 满 足 生 产 对 充 填 体 的 要 求 ,但 是 优 化 后 的 充 填 方 案 1 2 3 4 肖 专 文 ,等 1 遗 传 算 法 与 神 经 网 络 协 同 求 解 采 矿 工 程 中 的 优 化 问 题 1 中 国 矿 业 ,1998(1) :78~ 84 节 省 水 泥 1 217104 t 。 云 庆 夏 ,等 1 矿 石 品 位 优 化 的 遗 传 算 法 1 金 属 矿 山 ,1997 (5) :13 3 结 论 (1) 本 文 首 次 把 遗 传 算 法 应 用 于 尾 砂 胶 结 充 填 ~ 16 吴 洪 词 1 遗 传 算 法 在 露 天 矿 开 采 设 计 中 的 应 用 1 金 属 矿 山 ,1997 3) :1~ 的 灰 砂 配 比 的 优 化 设 计 中 ,应 用 的 结 果 表 明 ,遗 传 算 法 是 一 种 高 效 率 的 优 化 算 法 ,往 往 能 够 收 到 良 好 的 效 果 。 ( 4 王 战 权 ,等 1 遗 传 规 划 和 瓦 斯 突 出 强 度 的 预 测 1 中 国 矿 业 ,1999 (1) :80~ 85 ( 2) 用 遗 传 算 法 解 决 实 际 问 题 时 ,其 关 键 之 处 5   张 纪 会 ,等 1 模 拟 进 化 算 法 研 究 进 展 1 系 统 工 程 与 电 子 技 术 998 (2) 云 庆 夏 ,等 1 遗 传 算 法 和 遗 传 规 划 及 其 在 矿 业 中 的 应 用 1 中 国 矿 ,1997(2) :62~ 66 , 1 在 于 找 到 合 适 的 编 码 方 案 来 表 示 问 题 的 实 质 ,这 也 是 用 遗 传 算 法 解 决 问 题 的 难 点 之 所 在 。 遗 传 算 法 在 采 矿 工 程 中 的 应 用 前 景 十 分 广 阔 ,随 着 时 间 的 推 移 , 它 将 在 解 决 采 矿 工 程 当 中 的 一 些 难 点 问 题 中 发 挥 重 要 的 作 用 。 6 7 业 李 爱 兵 ,等 1 安 庆 铜 矿 高 阶 段 回 采 充 填 体 - 矿 体 - 岩 体 稳 定 性 的 有 限 元 分 析 1 矿 业 研 究 与 开 发 ,2000(1) (收 稿 日 期 2001204208) ( 上 接 第 4 页 ) 很 多 经 验 ,并 建 有 立 式 砂 仓 、贮 砂 池 和 充 填 管 道 等 设 施 ,我 省 苍 山 、禹 村 两 地 也 建 有 高 水 速 凝 固 化 材 料 厂 ,山 东 招 远 金 矿 、莱 钢 马 庄 铁 矿 采 用 该 技 术 已 有 成 功 经 验 ,为 应 用 高 水 速 凝 固 化 充 填 工 艺 提 供 了 便 利 条 件 和 基 础 ,使 该 项 技 术 的 推 广 更 为 有 利 和 可 行 。 我 省 部 分 冶 金 矿 山 采 用 充 填 采 矿 法 所 面 临 的 难 题 及 影 响 生 产 的 不 利 因 素 ,改 用 高 水 速 凝 固 化 充 填 社 会 效 益 ,为 解 决 矿 山 废 渣 的 综 合 利 用 、提 高 矿 山 最 终 经 济 效 益 找 到 了 一 条 出 路 。 (3) 高 水 速 凝 固 化 充 填 工 艺 有 着 全 尾 砂 不 分 级 、不 脱 水 直 接 全 部 利 用 ,充 填 料 浆 浓 度 可 变 范 围 大 、输 送 距 离 远 、生 产 率 高 ,充 填 体 凝 固 速 度 快 ,早 期 强 度 高 ,后 期 强 度 稳 定 ,充 填 采 场 内 不 需 平 场 、脱 水 和 排 水 ,减 少 井 下 作 业 环 节 、改 善 井 下 作 业 环 境 等 特 点 。 应 用 高 水 固 化 材 料 做 胶 结 材 料 工 艺 简 单 ,设 备 全 部 国 产 化 ,投 资 费 用 低 ,经 营 费 用 低 。 特 别 是 利 用 立 式 砂 仓 搅 拌 站 ,在 操 作 和 计 量 上 能 实 现 自 动 控 制 和 监 测 。 工 艺 都 能 得 到 圆 满 的 解 决 ,无 论 从 工 艺 上 、设 备 上 、 经 验 上 和 经 济 效 果 上 比 较 ,该 工 艺 的 应 用 技 术 水 平 和 经 济 效 果 显 著 ,是 解 决 尾 矿 综 合 利 用 ,彻 底 处 理 尾 矿 库 污 染 的 有 效 方 法 。 (收 稿 日 期 2001203223) ( 4) 我 省 部 分 冶 金 矿 山 在 胶 结 充 填 方 面 已 取 得 分 13 分
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