1、問題的提出
    目前，采礦工業比較發達的國家露天礦開采的比重約占80%以上，在露天礦的設備投資中，運輸設備投資幾乎占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，傳統的鐵路運輸和汽車運輸因運距的增大和采場內提升定線困難，運輸效率顯著下降，完成相同運量所需用的設備數量大大增加，運輸成本也因之明顯提高。間斷一連續工藝系統以膠帶運輸取代傳統的輪式運輸的提升功能，有力地消除了露天礦采深和運距增大在經濟上的不利影響。
    深凹露天礦采用間斷連續運輸工藝，有60%～70%的礦巖是用間斷連續工藝輸送到地表的，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，在深凹露天礦應用間斷一連續工藝系統和傳統的間斷工藝相比，運輸成本可降低30%，電耗降低25%，勞動生產率提高50%。由于它具有令人矚目的經濟效果，在深凹露天礦擴大間斷一連續工藝系統應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用了這種工藝系統。
    早期的間斷一連續工藝系統普遍應用固定式轉載站。固定式轉載站的破碎機安裝在集運水平以下的地下峒室內，開挖峒室、構筑基礎等建安工程量大、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濟上的優勢。
    破碎機站是實現間斷一連續工藝的樞紐。為保持間斷一連續工藝的技術經濟優勢，當礦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，從而產生了半固定破碎轉載站。
    半固定式破碎轉載站每次搬遷的垂直距離稱為破碎站的移設步距。移設步距是根據汽車運輸成本、膠帶運輸機運輸成本以及攤銷到單位礦巖上的移設破碎轉載站的費用之和最小的原則來確定的。
    移設步距視礦山的具體條件不同而變化，一般取60～90m。國內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移設步距，在實際生產中都很難實現其最優效果。我們對這個問題進行了新的研究。
2、技術路線
    確定間斷一連續工藝破碎機轉載站合理移設步距，在理論上可抽象為物料集運點優化問題，很多人很容易直接聯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和系統工程優化理論，對礦山運輸系統進行整體的模擬，優化破碎機轉載站的移設周期和移設步距。
    技術路線是：根據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上，構建各年度運輸系統網絡模型，利用圖論最短路算法求取礦山運輸最小折合運輸功（折合成同種運輸設備，如汽車的運輸功），來模擬破碎站在各年度不移設和移設到各臺階水平的方案，使個方案處于最佳狀態；利用經濟模型計算各移設方案較同年度不移設方案的經濟贏利，以贏利最多為原則；根據采場空間位置準備的實際情況，優選出最佳方案；再對選定方案進行詳細設計，輸出工程圖紙和設計報表。
3、破碎機轉載站移設步距優化模擬
3.1礦山運輸系統網絡模型
    本研究采用了系統工程網絡分析法，首先必須建立礦山運輸系統網絡模型，對礦山運輸系統網絡自動拓撲。
    由于礦山運輸路線是無向的，所以網絡圖采用無向圖的模式。
    網絡圖由若干頂點和邊組成，頂點用“標號”來區分，邊的屬性用“權”來表示。我們把礦巖集散點、斜坡道中點、轉載站看作圖的頂點，連接所有能溝通線路的頂點，用運距或折合運距給權賦值。該網絡圖是建立在礦山特定空間環境上的，為了給三維可視設計組織空間數據，因此我們在建立網絡拓撲關系時，還要反映礦山不同時期臺階空間位置發展的情況。網絡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據，再對礦山空間進行空間信息分布處理、幾何分析、空間定位／轉換，實現礦山空間數據特征描述、空間比較，最終完成復雜的礦山高維數理動態解析建模過程。
3.2礦山運輸系統經濟模型
    經濟模型是考慮破碎機轉載站移設的基礎條件，在此模型中主要考慮以下幾個內容：
    (l)移站設備投資折舊：破碎機、膠帶機投資折舊；
    (2)移設費、建安工程費；
    (3)由于使用膠帶機，減少汽車數量節約投資；
    (4)汽車和膠帶機運費；
    (5)由于原方案和移設方案礦巖都要經過原站，因此經濟模型內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，我們把所有運輸設備都折合成同種設備（如汽車），考慮一個設備折合系數，這時的運輸功稱作折合運輸功。
3.4  系統模擬
    解算系統的最小折合運輸功，可以采用最短路法。在運籌學中，解算最短路的方法很多，常用的有線性規劃、動態規劃和圖論網絡分析法。
    動態規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尋找，它首先必須把系統劃分為若干階段，前后階段是不可逆的過程。由于礦山運輸網絡中，頂點與頂點間的無向性，決定了不能劃分階段，因此不采用動態規劃法。線性規劃是解決最短路的通用方法，但結算過程變量太多，通過一次次迭代，最后求出最短路，算法復雜費時。
    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絡的最短路，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模擬提供最佳算法。
    整個最短路求解過程構成了系統模擬的主過程，可以模擬出礦山運輸系統各種移設方案的全過程，并計算出各方案的贏利指標。
3.5系統模擬三維可視化
    系統模擬三維可視化是建立一個三維的、動態的、可視化的景觀，來代替二維圖形。它需要構建一個集成化的數據庫，重點解決數據庫的邏輯關系，這個數據庫能管理矢量數據、數字高程模型。建造多種層次、細節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的場景，形象直觀地展現本系統各中方案的外觀、結構和功能。
3.6選取合理方案
    根據模擬出的各移設方案贏利指標，以贏利最大為原則，考慮礦山該年度該臺階能否準備出設站空間的情況，優選出一個最合理的移設方案，確定在哪一年度、哪個水平進行移設。這時，移設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設計最終方案
    根據選定方案的年度和移設步距，在該年度的計劃圖上相應臺階選擇合理位置。由于破碎機站及膠帶機運輸線路都設在靠幫非工作幫上，因此需要調整進度計劃，為新站址和布置膠帶機運輸線路準備空間。
    重新構造該方案的運輸網絡拓撲模型，計算方案經濟指標，最后進行技術經濟評價，完成整個系統優化。
4、結論
    間斷一連續工藝系統，在我國金屬露天礦中的應用還處在發展完善時期，效果并不十分理想。現在研究該系統中處于樞紐地位的破碎機轉載站移設優化問題，采用現代技術手段，探索其內在聯系及其規律，不僅具有典型和普遍的理論價值，而且在實際生產活動中有著很高的經濟意義。
    本文成果應用于大孤山鐵礦東西端井二期工程，取得良好的效果。


相關礦山機械設備：
1、圓錐破碎機
2、雷蒙磨粉機
3、顎式破碎機