（水利水电工程专业论文）人工骨料的优化生产利用及质量保证体系.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 搿篙鞠嘉砸爷紫搿二髟仁 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：阳砸舄 指导教师签名：坳丫乃 ，日期：j oc d 坪jf 3 如日日期沙p f 加 西华大学硕士学位论文 摘要 砂石料场的规划选择和骨料加工方案是水电工程施工组织设计中的重要环节。料场 选择受到多种条件的制约，影响因素很多；而骨料加工工艺和各环节的生产量也会直接 影响到骨料的供求关系和质量。因此要确定一个好的料场开采方案和骨料加工方案，往 往需要进行大量的设计研究工作。由于研究内容多，条件复杂，人工根本无法完成有关 的规划选择方案，也不可能达到理想的效果。为此，本文运用系统分析方法对砂石料场 的优化选择和骨料的最优加工方案进行了研究。并基于c 程序语言，编写了人工骨料加 工系统的优化程序，为骨料生产进行实时优化调控，帮助决策者选择开采加工方案提供 了科学依据。 本文以已建成的宝珠寺水电站的人工骨料加工系统为例，对料场规划和不同施工时 段对各级骨料的用料需求进行了优化分析，得到了可靠的结果。与不用优化加工方案相 比，经济效益十分显著。本文最后对人工骨料的质量控制问题作了分析。 关键词：人工骨料；料场规划；骨料加工；质量控制 ， 人工骨料的优化生产利用及质量保证体系 a b s t r a c t p l a n n i n gs e l e c t i o no fs a n ds t o c k i n gy a r da n dt h ea g g r e g a t ep r o c e s s i n gp r o g r a ma l e i m p o r t a n tp a r t si nt h ep l a n n i n ga n dt h ec o n s t r u c t i o no fh y d r a u l i c sa n de l e c t r i cp o w e rp r o j e e t t h es e l e c t i o no fs t o c k i n gy a r di sc o n s t r a i n e db ym a n yc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n t f a c t o r s ； h o w e v e r , a g g r e g a t ep r o c e s s i n ga n dp r o d u c t i o no fe a c hl i n kw i l la l s od i r e c t l ya f f e c tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e na g g r e g a t e ss u p p l ya n dd e m a n da n dq u a l i t y t h e r e f o r e ，ag o o dm a t e r i a l m i n i n gp l a na n da na g g r e g a t ep r o c e s s i n gp l a ns h o u l db ed e t e r m i n e d ，w h i c ho f t e nr e q u i r e sa l a r g ea m o u n to fr e s e a r c h d u et ot h el a r g ea m o u n to fr e s e a r c hw o r ka n dt h ec o m p l i c a t e d c o n d i t i o n s ，i ti si m p o s s i b l et oa r t i f i c i a l l yc o m p l e t e l yt h ep l a n n i n gs e l e c t i o ns c h e m ea n di d e a l r e s u l t sc a nn o tb eo b t a i n e d f o rt h i sr e a s o n ，t h i sa r t i c l eu s e st h es y s t e m a t i ca n a l y s i sm e t h o dt o s t u d yt h eo p t i m i z e ds e l e c t i o no ft h es a n d & s t o n eb o r r o wa r e aa n da g g r e g a t ep r o c e s s i n g p r o g r a m a n do nt h eb a s i so fcp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h i sa r t i c l ec o m p i l e st h ea r t i f i c i a l a g g r e g a t ep r o c e s s i n gs y s t e mo p t i m i z a t i o np r o c e d u r e i tp r o v i d e ss c i e n t i f i cp r e d i c t i o nf o r a d m i n i s t r a t i v ep e r s o n n e li ns e l e c t i n gt h es c h e m eo f e x p l o r a t i o na n dp r o c e s s i n g b yt a k i n gt h ec o m p l e t e da r t i f i c i a la g g r e g a t e sp r o d u c t i o ns y s t e mo fb a o z h u s ia se x a m p l e ， r e l i a b l er e s u l t si nt h e a n a l y s i so fa g g r e g a t es t o r a g ep l a n n i n ga n dd e m a n df o ra g g r e g a t e m a t e r i a l sa ta l ll e v e l si nd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n p e r i o d sa r eo b t a i n e d c o m p a r e dw i t ht h e d i f f e r e n to p t i m i z e dp r o c e s s i n gp r o g r a m s ，i th a sv e r ys i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t s f i n a l l y , q u a l i t yc o n t r o lo fa r t i f i c i a la g g r e g a t ei sa n a l y z e d k e yw o r d s ：a r t i f i c i a la g g r e g a t e ；s t o c k i n gy a r dp l a n n i n g ；a g g r e g a t ep r o c e s s i n g ；q u a l i t y c o n t r o l i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘 要。i a b s t r a c t ：i i l 绪论l 1 1 人工骨料的概况l 1 1 1 人工骨料的发展历程l 1 1 2 人工骨料的基本特性1 1 2 我国人工骨料加工技术的发展2 1 2 1 人工骨料加工技术的摸索阶段2 1 2 2 人工骨料加工技术的成熟阶段3 1 2 3 人工骨料加工技术的不断创新及广泛应用阶段4 1 3 人工骨料优化设计概述。4 1 3 1 人工骨料优化生产的必要性4 1 3 2 人工骨料优化生产的国内外发展现状5 1 3 3研究方法7 1 3 4 基本数学优化模型8 1 3 5 数学模型解算方法8 1 4 本文研究的主要内容和方法9 2 人工骨料系统的工艺流程及其特点l o 2 1 人工骨料系统的工艺流程：1 0 2 1 1 料场的开采技术。1 0 2 1 2 破碎加工1 1 2 1 3 破碎加工工艺一1 2 2 1 4 筛分和冲洗1 4 2 1 环境保护一1 4 2 1 6 电气控制15 2 2 工艺布置的特点一1 5 3 最优化原理及方法1 8 3 1最优化方法的发展18 3 1 1 求解最优化问题的常用方法：1 8 3 1 2 全局最优化方面的新发展1 9 3 2 最优化原理及优化模型。2 0 i i i 人工骨料的优化生产利用及质量保证体系 3 2 1 最优化设计的基本概念2 0 3 2 2 优化数学模型2 1 3 3 混合整数规划2 2 4 人工骨料系统优化生产的数学模型2 4 4 1 建模时考虑的主要因素2 4 4 2 优化数学模型的建立2 7 4 2 1 变量及已知量2 7 4 2 2 目标函数2 7 4 2 3 约束条件2 7 4 2 4 优化模型的建立：2 8 4 3 另外两种骨料生产系统的数学模型。3 2 4 3 1 岩滩人工骨料系统3 2 4 3 2 太平驿人工骨料系统3 6 5 程序编制说明及应用实例3 9 5 1程序设计说明_ 3 9 5 2 程序使用说明。4 1 5 2 1需要输入的数据及主要数据单元4 l 5 2 2 输出清单。4 2 5 3 应用实例分析4 3 6 人工骨料的质量控制4 6 6 1 人工砂石料的质量标准。4 6 6 1 1 水工用细骨料( 砂) 质量要求。4 6 6 1 2 水工用粗骨料质量要求。4 7 6 2 岩石性质与机械设备对骨料质量的影响。4 7 6 3 工艺流程对骨料质量的影响4 9 6 4 砂的细度模数对骨料质量的影响5 0 6 5 骨料的含水率对骨料质量的影响5 2 6 6 粗骨料的超逊径对骨料质量的影响。5 2 结论5 3 参考文献：5 4 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况5 7 i v 一 西华大学硕士学位论文 二- 二二- = 二r 二 致 谢：。5 8 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1人工骨料的概况 混凝土中的砂和石子称为骨料，砂为细骨料，石子为粗骨料，它们是混凝土的主要 组成材料，约占混凝土总体积的7 5 左右，起着骨架的作用，决定着建筑物或构筑物的 耐久性和安全性。随着经济和社会的发展，建筑建材业等对砂石骨料的需求越来越多， 传统的天然骨料已经不能满足需要，一方面是由于天然骨料资源是一种地方性资源，在 短时间内是不可再生和长距离运输的；另一方面是由于保护环境的需要，为了追逐暴利， 已经使许多河道千疮百孔，严重影响了生态环境。而人工骨料与天然骨料相比，具有料 源丰富、加工受季节影响小、成品料的粒形及级配好、拌制混凝土有利于温控及减少混 凝土裂缝等优点，所以人工骨料已经成为替代天然骨料的最佳选择，在国内外得到了 广泛应用。 1 1 1 人工骨料的发展历程 我国的人工骨料系统经过5 0 年的研究、探索，在技术、设备、规模上都达到了相 当高的水平。我国水利水电工程建设由于天然骨料的运输距离、运输方式、储量、质量 等往往难以满足要求而较多采用人工骨料，砂石加工技术随之得到了发展。上世纪7 0 年代以前，砂石加工多实际应用于对不满足级配要求的天然骨料的加工，加工系统建设 整体性、系统性不强。如上世纪5 0 年代的四川狮子滩、流溪河等工程施工采用了人工 碎石系统，三门峡、刘家峡、葛洲坝等工程，天然骨料a n t 系统都达到了一定的规模和 水平。6 0 年代贵州猫跳河二级采用锤式破碎机制砂、四川映秀湾采用棒磨机制砂。7 0 年代贵州乌江渡水电站建立的5 0 0 t h 的大型人工骨料系统，以石灰岩为料源，工程全 部采用人工骨料，成为我国人工骨料生产技术发展的里程碑。由于人工砂石料具有不受 洪水条件限制、可以均衡生产、岩种单一、级配调整灵活、对环境影响小等优点，8 0 年代后人工砂石生产在大化、岩滩、东风、天生桥二级、漫湾、五强溪、隔河岩、宝珠 寺、江垭等工程中得到了广泛应用。9 0 年代的二滩、三峡等一批巨型、大型工程的兴建， 使人工骨料加工在规模和技术水平上都达到了新的高度。 1 1 2 人工骨料的基本特性 国家标准建筑用砂( g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 中明确了砂按产源分为天然砂和人工砂 两类。天然砂包括河砂、湖砂、山砂及淡化海砂；人工砂为“经除土处理的机制砂和混 人工骨料的优化生产利用及质量保证体系 合砂的统称 。机制砂是“由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4 7 5 m m 的岩石颗粒， 但不包括软质岩、风化岩的颗粒 。 由于人工砂是用专门的制砂机械生产，如用冲击式破碎机制砂，可以通过进料量、 进料粒径、转速等参数的调整，按工程的需要，人为地较稳定地控制人工砂的质量，故 得到日益广泛的应用，它有如下主要特性【2 j ： 人工砂颗粒是多棱体，级配合理，粒度均匀，通常含有的石粉可以部分改善混 凝土的工作性能。 通常在同一工地，人工砂与碎石是同一种母岩制成，热学性能一致，对大体积 混凝土技术效果尤为显著。 同一生产设备或工艺，机制砂的细度模数和单筛的筛余量成线性关系，对于一 种砂子，先通过试验建立关系式后，只要测定一个单筛的筛余量即可快速求出细度模数。 机制砂中石粉含量的变化是随细度模数变化而发生变化的，细度模数越小，石 粉含量就越高；反之，细度模数越大，石粉含量越低。 1 2 我国人工骨料加工技术的发展 随着我国水利水电工程建设实践中人工骨料越来越多的使用，通过消化、吸收国际 先进的人工骨料加工技术，并与国内丰富的砂石生产实践经验相结合，我国的人工骨料 加工技术得到了长足发展，不同岩石类型、不同加工工艺、各种类型加工设备、不同系 统布置方式的应用，以及结合社会环境保护意识的增强、对工程建设环境保护要求的日 益严格而采取的各种环境保护措施，深刻的体现着骨料加工技术的发展和进步。 1 2 1人工骨料加工技术的摸索阶段 我国的人工骨料应用最早开始于上世纪6 0 年代初建设的贵州猫跳河水电站，采用 性能落后的锤式破碎机生产人工砂，且规模较小。6 5 年映秀湾工程建成了生产能力为 1 6 0 t h 的人工骨料系统，自此拉开了我国人工骨料技术研究、应用的序幕。当时，人工 骨料在国内的生产及应用还处于一片空白，如何进行人工骨料系统的工艺流程设计、设 备选型及如何提高产品质量和降低生产成本等，都是要在实践中探索的问题，人工骨料 技术的研究进入了一个漫长的探索阶段，这一阶段一直延续至上世纪8 0 年代末。在此 期间，大型的人工砂石系统主要有乌江渡、漫湾及五强溪砂石系统等。 乌江渡右岸砂石系统设计生产能力5 0 0 t h ，加工原料为石灰岩，共生产成品骨料 4 2 0 余万m 3 。乌江渡开创了国内全部采用人工砂石料作为混凝土骨料修建大型水电站的 先河，为在缺乏天然砂石料地区修建水电站提供了经验。漫湾砂石系统，以灰绿色流纹 岩为料源，毛料处理能力5 0 0t h ，总计生产成品骨料2 8 0 余万m 3 。五强溪砂石系统是 2 西华大学硕士学位论文 截至当时国内最大的人工砂石系统，设计生产能力1 1 5 0 t h ，后经过增容改造，实际综 合加工能力达1 2 0 0 t h ，共计生产成品料5 8 5 万m 3 。 这一时期，经过近2 0 年的探索，人工砂石技术虽然取得了一定的成就，但还很不 成熟，尤其是系统设计仍然存在着许多缺陷，如工艺设计上采用了单一不变的模式：旋 回式破碎机作粗碎；中、细碎主要采用圆锥破碎机；棒磨机湿式制砂等，成品料级配调 节能力不强。另一方面，经过这一时期的生产实践，进行了多方面的尝试，逐步解决了 实际中遇到的很多技术难题，如花岗岩、石英岩等高s i 0 2 含量岩石对设备的超常磨损 的研究等，为我国更大规模地应用人工砂石料奠定了技术基础，积累了经验。 1 2 2 人工骨料加工技术的成熟阶段 进入9 0 年代以后，水电开发的步伐加快，二滩、小浪底、万家寨、大朝山、三峡 等一批特大型水电工程的相继开工建设，为人工砂石技术的成熟提供了千载难逢的机 遇。尤其是二滩、小浪底工程，主体工程均采用国际招标，外商的直接参与，带来了包 括人工砂石技术在内的许多国际先进的设备及技术，这对于我国人工砂石技术的成熟起 到了积极的促进作用。一 二滩砂石系统加工规模为1 0 0 0 t h ( 实际生产能力达1 2 0 0 t h ) ，设备先进配套， 设计布局合理，其多级破碎+ 制砂的多重闭路循环工艺及依据地形布置的地下竖井式骨 料储仓，使人耳目一新。特别是系统布置采用了地面、地下、空间立体式的布置，成品 骨料全部储存于山体中开挖的竖井之中，不但解决了场地狭小的难题，而且利用骨料自 身重力完成了骨料的垂直运输，无干扰，最经济，同时利于骨料的保温及混凝土温控。 小浪底工程连地砂石系统，设计处理能力7 0 0 t h ( 后经增容达1 0 0 0 t h ) ，料源 为石英砂岩河卵石，s i 0 2 平均含量为7 6 ，最高抗压强度达3 5 1m p a ，是截止目前国 内已建工程砂石料加工原料中最坚硬的，对加工设备的磨蚀严重。但由于系统采用了国 际著名厂商专门针对小浪底这种坚硬河卵石设计的破磨设备，针对不同的粒度采用不同 的破碎设备进行多级破碎，并采用任意循环的灵活生产工艺，不但保证了系统的正常运 行，并且创造了高峰期平均月运行时间5 9 5 h 的全国最高记录。 万家寨人工砂石系统是我国西北地区的第一座大型人工砂石系统，设计处理能力 8 0 0 t h 。该系统针对人工砂含粉量高、含水量大，易板结、冻结、廊道卸料口上方起拱 等问题，采取用推土机配合送料、合理安排各卸料口的卸料次序及卸料时间等措施，取 得了较好的效果，为我国在严寒地区进行人工砂石系统的生产、管理提供了宝贵经验。 三峡古树岭及下岸溪人工砂石系统，分别采用基坑开挖及下岸溪料场开采的花岗岩 为原料。古树岭人工碎石系统处理能力2 6 5 0 t h ，下岸溪人工砂生产系统处理能力 3 人工骨料的优化生产利用及质量保证体系 2 4 0 0 t h 。三峡人工砂石系统不仅规模巨大，而且其设计吸取了我国3 0 余年人工砂石技 术的经验，大量引进了国际上先进的加工设备，利用h p 圆锥破碎机作细碎，并创新地 采用了棒磨机与b a r m a c 联合制砂的生产工艺，代表了当时我国人工砂石系统设计的最 高水平。系统至今经过9 年的运行，满足了工程连续2 1 个月浇筑强度大于4 0 万m 3 的 高强度用料要求，并多次刷新了砂石料生产供应的世界记录。 上世纪9 0 年代，是我国由计划经济向市场经济转轨的关键时期，水电建设市场的 业主负责制、招标投标制、建设监理制、合同管理制的推行和我国改革开放的全面深入， 促进了水电施工技术的飞速发展，我国的人工砂石技术正是依托这些举世瞩目的工程取 得了前所未有的成就，并日益发展成熟。 1 2 3 人工骨料加工技术的不断创新及广泛应用阶段 进入2 1 世纪，百色、龙滩、小湾、构皮滩、溪落渡等特大型水电站陆续开工，标 志着我国的水电建设进入了有史以来的鼎盛时期。而这些工程无- - n 夕f 地均采用人工砂 石料作为混凝土骨料，以3 0 多年的生产实践和取得的技术成果为基础，我国的人工砂 石技术由此进入了快速创新的时代并得以广泛的应用。国际先进技术与我国丰富实践经 验的有机结合，使我国的人工砂石技术达到了、甚至在有些方面创造了世界一流水平。 1 3 人工骨料优化设计概述 砂石料场的规划选择和骨料加工方案是水电工程施工组织设计中的重要环节。工程 造价在很大程度上取决于骨料成本，而骨料成本又取决于料场选择及相应的加工方案的 优劣。因此要确定一个好的料场开采方案和骨料加工方案是十分重要的，这对保证骨料 加工质量，降低生产成本具有更大的现实意义。 1 3 1人工骨料优化生产的必要性 现今，大多数的水电工程都是用混凝土作为建筑材料。对于大中型工程，需要的混 凝土方量更是惊人。因此对构成混凝土骨架的砂石骨料自然有较大的需求，同时对骨料 的质量指标( 诸如级配、超逊径、含水率、细度模数等) 也有较严格的要求。这就形成 了混凝土坝施工现场庞大的骨料加工系统和质量管理体系，从而使得砂石骨料的加工费 用占混凝土成本的相当大的份额。又由于砂石骨料的质量直接影响混凝土的质量，所以 砂石骨料的生产将最终影响混凝土的质量和造价。 有资料表明，砂石料的总成本占混凝土坝体造价的百分之十五左右，可见降低每方 混凝土的砂石料的成本对降低坝体造价；节省投资非常关键，因此，如何对砂石加工系 统进行科学的管理，如何根据砂石骨料的质量要求和各级配骨料的数量要求合理组织生 4 西华大学硕士学位论文 产，这在施工过程管理中将是很值得研究的内容。随着对这一问题的研究不断深入，必 然会产生巨大的经济效益和社会效益。 1 3 2 人工骨料优化生产的国内外发展现状 砂石料场的规划选择和骨料加工方案是水电工程施工组织设计中的重要环节。料场 选择要受到产地位置、自然条件、骨料级配、储量、质量以及开采、运输条件和加工设 备等诸多因素限制，同时又须满足工程的骨料数量、质量、级配及生产强度等要求，并 要求成品骨料成本较低【1 1 1 。而骨料加工工艺和各环节的生产量也会直接影响到骨料的供 求关系和质量。因此需要一个较为准确的计算方法在施工中修改与调整料源。基于以上 几点，需要一个适合水电站工程人工骨料优化设计的方法。 系统分析方法在水利水电工程中的应用，在我国尚处于起步阶段，国内最早使用优 化分析方法进行料场优选的是武汉水利电力大学，他们当时对紧水摊工程砂石料场的规 划进行了优化研究，采用线性规划的数学模型，其目标函数是使生产骨料的总成本最低。 使用该方法简单直观，可以为工程部门提供开采方案的优化指标。但只适用于天然料场 的优化规划，并且对料场的基建费和加工厂的基建费未列入目标函数中考虑。清华大学 在承担二滩砂石料场优选中增加考虑了料场的基建费和筛分破碎加工企业的基建费，这 些费用的大小取决于生产规模，且为某种固定的常数，要么发生，要么不发生，而这些 基建费用在料场的选择工作中又起着十分重要的作用。考虑了基建费就必然导致料场使 用上的相对集中，料场的集中开发有利于生产管理，从而使优选工作更符合实际。故在 二滩水电工程天然料场优选研究工作中，使用了混合整数规划方法，显然，用混合整数 规划方法建立目标函数反映的问题更全面，也更符合实际。 其后，葛洲坝工程局的一些同志也采用线性规划理论对葛洲坝二期工程各时段骨料 的开采作了优化，但很不完善。更不能在砂石系统运行过程中，实时地优化控制生产。 近年来，还有一些_ 工程局和设计部门对天然骨料系统的优化研究比较多，而对人工 骨料的开采利用研究得比较少，也不很全面。因此，本文着重研究了人工骨料的合理开 采和利用问题。采用混合整数规划原理建立总成本最少的费用目标函数，使生产出的各 级骨料既满足工程的用料要求，又达到经济节约的目的。 现在为了适应现代化的科学管理模式，加强实时调度和监督功能，促进工人生产积 极性，提高企业的经济效益，保障生产系统正常、可靠运行，提高劳动生产率，减轻现 场操作工人的劳动强度，更进一步提高系统生产自动化程度，使企业达到一流的现代化 管理水平，人工骨料生产系统实现了现代化，利用p l c 控制生产，并在p l c 的基础上 增设了工业计算机分布式控制系统，同时采用了具有高科技含量的电视监控管理系统。 5 人工骨料的优化生产利用及质量保证体系 砂石骨料的生产在发达国家已实现了工厂化，其管理水平与工业现代管理水平比较 接近。由于采用计算机管理，在某些生产环节使用电子遥控、电视监控、使得对管理需 求的人员大为减少，工作强度极大降低，技术知识密集程度更为提高，特别是软件在这 一领域开发应用，使现代科技理论进一步渗透到砂石骨料生产过程，在管理现代化方 面，正发生日新月异的变化。 砂石骨料管理除了对质量进行控制外，最重要的一个因素就是将骨料的数量要求纳 入同一范畴进行研究，其主要是为了满足混凝土浇筑生产的连续性所必需的骨料数量要 求。国外，早在1 9 6 1 年a s c e 的j b f i t t e r 【4 】和l r s h a f f e r 【4 】就提出了采用线性规划 来寻求骨料的优化配比，以降低成品单价。其模型如下： 口i x ，= b i ( 1 1 ) x 0 ；j = 1 ，2 ，n f u n c t i o n ：m i nf = c ，x j j = l 为了求解上述问题，可将模型分解成下述两个问题来求解，他们解集的交就是原模 型的解： m i nf = c j x j j = l 嘞x 饥 ( 1 2 ) ( 2 ) m i nf = q x j( 1 3 ) j = l x ，b t 由于此模型的约束条件为等式约束，即骨料需求量与生产量相等，显然这会造成 求解困难或者得到的解并非真正的最优目标函数或最优解，这是不能令人满意的。 到了1 9 6 4 年，d o n a l dl n e u m a n n a m ( a s c e ) 5 1 又把模型向前推进了一步： o b j e c t f u n c t i o n ：m i n z = y ； ( 1 4 ) j f l 6 西华大学硕士学位论文 xj0 f 。1 ，2 ，? 。，托；_ ，21 ，2 ，k 7 此模型采用最小最二乘数求解，目标函数仅考虑了骨料弃料最少，而没有考虑综合 费用问题，也是不全面的。 一 1 9 8 3 年s a n gm l e e 和d a v i dl o l s o n 又对沥青材料的配比建立了一个多目标规划 模型，并考虑了每个目标的优先权重，其目标函数时寻求满足骨料供应在一定变化范围 内，其级配的剩余量和不足量的绝对差最小，并对每种骨料给以不同的全重和优先度。 1 9 8 5 年s a i d m e o s a ( m a s c e ) 1 9 】和e m r e k c a n ( a m a s c e ) p 】提出了骨料组合 的二次规划模型，同年，作者又对模型作出了改进，将它改为费用和骨料要求离差同时 考虑的多目标规划，从而较好地解决了骨料的配比问题。 从以上骨料优化配比模型可以看出，浙西模型的研究大多限于理论研究，由于模型 的复杂性及不实用性，很难在实际工程中应用，目前，尚未找到一份资料说明将这些模 型在计算机上实施，用以骨料生产过程进行控制。 针对这一现状，结合我国大坝施工中人工骨料生产的实际情况，利用混合整数规划 对施工工程中骨料生产进行实时优化调控，不仅能帮助决策者选择合理的料源，同时也 为决策者提供了最优的开采运输加工方案。这样既满足了生产系统的综合要求，也使生 产骨料的总成本降至最低。 1 3 3 研究方法， 确定开采量、运输量、弃料量以及骨料开采加工破碎的主要工艺流程后，运用系统 分析方法对料场进行优化选择，可以在比较广的范围内寻求较优的方案，得到多种经济 指标，对各种制约因素给出定量的分析意见，为方案比较和决策提供丰富信息。 系统分析方法是指把要解决的问题作为一个系统，对系统要素进行综合分析，找出 解决问题的可行方案的咨询方法。兰德公司认为，系统分析是一种研究方略，它能在不 确定的情况下，确定问题的本质和起因，明确咨询目标，找出各种可行方案，并通过一 定标准对这些方案进行比较，帮助决策者在复杂的问题和环境中作出科学抉择【1 2 叫3 1 。 系统分析是咨询研究的最基本的方法，我们可以把一个复杂的咨询项目看成为系统 工程，通过系统目标分析、系统要素分析、系统环境分析、系统资源分析和系统管理分 y = y o x 钉 旷 = 么 。川。芦 六戬 人工骨料的优化生产利用及质量保证体系 析，可以准确地诊断问题，深刻地揭示问题起因，有效地提出解决方案和满足客户的需 求【1 1 12 1 。 ， 一国内外不少水电工程在建设中运用系统分析的方法综合分析施工中各种因素对总 的施工体系的影响程度，寻求定量比较的数学模式，选择最优施工组织方案，在提高效 率，缩短工期，节约投资等方面均取得了良好的效果。系统工程理论中的线性规划、动 态规划、混合整数规划、非线性规划，计算机模拟和网络技术等是常常采用得方法。 1 3 4 基本数学优化模型 优化模型【1 4 1 是个不等式约束条件下的线性规划问题。其函数是骨料加工总费用最 低，即： m i n d ：yd ，x ， ( 1 1 ) _ i = l 其约束条件【1 4 】： ( 1 ) i 种加工方案生产的种骨料的数量大于等于需求_ ，种骨料储存、运算量，即： f jc x f ) ( 么+ 占庐， _ ，= 1 ，2 ，5 ( 1 2 ) i = l ( 2 ) z 种加工方案生产的骨料数量非负数，即： x ；0江1 ，2 ，n( 1 3 ) 式中：d ，一f 种：j n - r 方案生产的骨料单价元m 3 ； f 一加工方案的序号江1 ，2 ，n ； x ；一f 种加工方案加工骨料的数量； 墨一储运，种骨料的损失影响系数； ( x ，) 一f 种加工方案生产的种骨料的数量； 彳，b ，一种骨料的需求量及销售量； 1 。3 5 数学模型解算方法 数学模型建立后，需要选用一个合适的解算方法。分枝限界法 1 2 , 1 5 1 是利用计算机解 整数规划及混合整数规划的常用方法。其基本步骤包括松弛、分枝、隐去。所谓松弛即 先不考虑整变量的整数约束，使原问题转化为一个线性规划问题求解。当松弛以后问题 的解不满足整数约束时，则在已取得的最优解附近取整，产生分枝，进行寻优的搜索。 理论上应将所有整变量可能取值的分枝搜索遍才可得到问题的最优解，但在实际问题中 由于整变量的个数很多，取值的范围又广，分枝数目往往很大，就是利用计算机也难以 西华大学硕士学位论文 逐个枚举。故必须建立隐去( 剪枝) 的法则，当某一分枝的松弛问题无解时，则可隐去该 分枝以下的所有分枝，是第1 个隐支法则。某分枝不可行时，隐去其外侧的所有分枝是 第2 个隐去法则。采用隐去法可大大缩减分枝的数目，缩小寻优搜索的范围，加快寻优 计算的速度。 ? 1 4 本文研究的主要内容和方法 本文以系统工程理论为基础，以优化方法为手段，对人工骨料优化生产与利用进行 了研究，并基于c 程序语言，编写了人工骨料加工系统的优化程序，并用工程实例对程 序进行了验证。 9 人工骨料的优化生产利用及质量保证体系 2人工骨料系统的工艺流程及其特点 2 1人工骨料系统的工艺流程 人工砂石系统主要有以下几个环节组成：毛料开采及运输，粗碎加工，中细碎加工， 制砂加工、筛分与冲洗等【1 7 】。近年来，我国水利水电工程人工砂石加工技术得到了迅速 的发展，料场开采充分结合料场地形地质条件选择合理的开采运输方案，各种先进爆破 技术的有效应用成功地解决了料场岩石块度控制、高边坡稳定等技术问题；砂石加工一 方面采用了大量的高性能破碎加工设备，这些设备破碎比大、处理能力高、产品粒形好； 另一方面又采用了改进筛分效率、改进成品料质量、有利环境保护的设备，提高了工作 效率。既达到了提高成品质量的目的，又显著地降低了生产成本，系统工艺流程也相对 简化；废水废渣处理借鉴了城市和矿山废水废渣处理的经验，取得了良好的社会经济效 益。取得了一系列的科研成果，为我国水利水电工程建设作出了重大贡献。 2 1 1料场的开采技术 ( 1 ) 开采方案 通常情况下，料场都采取梯段作业，开采方案中需根据料场地形地质条件和拟采用 的开挖设备类型和型号确定梯段高度、边坡坡比、马道宽度、支护防护形式等。料场运 输方案常考虑公路运输、竖( 斜) 井运输等形式。公路运输要求地形和场地条件适合布 置公路，一般运输线路长，生产运行期需投入的装运设备多，但生产管理简单，地质风 险小，易于稳定生产。竖( 斜) 井运输要求地质条件适合布置竖( 斜) 井，可减小运距， 需投入的装运设备少，但应充分考虑竖( 斜) 井及相连接的平洞的防护措施和出现坍塌 或石渣堵塞的处理措施，考虑爆破作业对其稳定的影响，必要时需降低爆破规模，生产 管理复杂，地质风险大。公路运输和竖( 斜) 井运输大多可根据应用条件作选择，工程 采用何种形式，需根据具体情况结合系统后续作业进行技术经济比较。国内已建和在建 的工程中两种方式都有成功应用。 ( 2 ) 爆破作业 料场爆破作业主要有：毛料的大面积爆破作业，常采用钻孔爆破作业形式，但为 了大规模生产，有时采用洞室爆破作业。为降低单响药量、从而降低地震波、空气冲击 波等常采用排间( 孔间) 微差梯段爆破作业；边坡处理爆破作业，常采用预裂爆破( 大 面积、大孔径) 、光面爆破( 局部、小孔径) 等爆破作业形式，以降低对永久( 临时) 边坡的影响，利于边坡的安全稳定；工作面( 路面) 平整作业，常采用手风钻钻孔爆 破修罄。 1 0 西华大学硕士学位论文 爆破施工中，孔径选择、炸药类型选择、孔网参数设计、爆破网络设计等在水利水 电工程作业中都已比较成熟。为控制爆破效果，降低生产成本，梯段空气柱间隔装药和 不耦装药等技术得到了广泛应用；为保证爆破作业的安全性i 非电雷管等材料得到了广 泛应用。 ( 3 ) 边坡处理 边坡坡面施工前常在开挖范围外设顶部截排水沟，预裂爆破及小范围的光面爆破已 成为料场边坡开挖中保持岩面平整、减小对基岩影响，从而利于边坡安全稳定的常用措 施。聚能爆破等新爆破工艺因效果好、成本低等优势在预裂爆破中不断得到应用。高边 坡设置马道( 含安全、清扫马道) 。坡面上局部松动体采用机械或人工除撬，根据地质 情况确定土质边坡的植草、喷植、岩质边坡的锚索、锚筋桩、锚杆、( 挂网) 喷混凝土、 浆砌石或混凝土回填等防护措施的应用。 j 2 1 2 破碎加工。、 破碎加工是人工砂石生产中最关键的一环，破碎的原理有挤压( 层压) 、扭曲( 剪 切) 、冲击( 打击、撞击) 、研磨等多种力的作用或组合作用形式。破碎工艺的选择和 破碎设备的选型与配置对人工砂石料系统的成败起着决定性的作用。采用粗碎、中碎、 细碎三段破碎，根据设备加工情况和骨料的需求情况，有的破碎环节形成闭路循环加工， 用于调整砂石料级配。 一 。 ， ： ( 1 ) 粗碎加工 粗碎用于处理料场开采出来的毛料。广泛应用于粗碎的设备有旋回破碎机、反击式 破碎机、颚式破碎机等，移动式破碎机也有较少应用。旋回破碎机的优点是适用各种岩 石类型，无需振动给料机给料，处理能力大，允许进料粒径大，破碎料粒径分布均匀粒 形好，设备运行平稳可靠等。缺点是土建工程量大，机体高大、重量大，设备构造复杂， 检修复杂、检修周期长，一般需配备起重设备配合检修，总体投资大等。反击式破碎机 结构简单、重量轻，设备投资较少，而破碎机的破碎比较大、产品粒形好，反击式破碎 机使用时一般配备振动给料机筛分给料，避免物料过破碎，但易卡料；锤头、衬板磨损 大：生产中断频率高，稳定性可靠性差；一般只适用于中硬以下岩石的加工。颚式破碎 机的优点是设备结构简单、外型尺寸小，运行可靠、排料口调整方便，维修方便，土建 工程量小，颚式破碎机运行一般配置振动给料机筛分给料，避免物料过破碎，但易卡料， 生产稳定性可靠性差，处理能力较小，破碎产品粒形较差。移动式破碎站集破碎、筛分 于一体，具有移动灵活、无需设备基础、安装工期短等优点，目前国际上有粗碎、中碎、 细碎等各种型号规格的移动式破碎站，一般价格昂贵，加上对应用条件的要求较高。移 人工骨料的优化生产利用及质量保证体系 动式破碎站目前仅在市政、交通等工程应用较多。但随着砂石加工技术多样性的进一步 发展，移动式破碎机仍将在水利水电工程中得到应用和发展，尤其是在一些工期要求紧、 规模较小的小型水利水电工程中更具发展优势。 ( 2 ) 中、细碎加工 中细碎加工设备常选用反击式破碎机、圆锥破碎机等，较少情况下也有采用颚式破 碎机生产制砂原料。圆锥破碎机根据工作原理分有偏心式和惯性式破碎机，前者应用较 广泛，根据液压缸数量分有单缸和多缸圆锥破碎机，后者应用较多。圆锥破碎机处理能 力高，破碎比大，产品粒度均匀，适合于坚硬岩石破碎，但设备体积大、重量大，衬板 消耗量大，设备价格高。 一 ( 3 ) 制砂加工 常用制砂加工设备有冲击式破碎机、棒磨机，工程应用中还有超细碎圆锥破碎机， 如旋盘制砂机和h p 圆锥破碎机。其它破碎设备如锤式破碎机等在制砂工艺中的应用已较 为少见。棒磨机最为常用，设备结构简单、操作方便、工作可靠，但机体庞大、重量大。 冲击式破碎机体积小、重量小，根据腔型常分为石打石、石打铁两类，石打石常用于硬 岩制砂、石打铁常用于软岩制砂，石打铁产粉率高于石打石腔型。 2 1 3 破碎加工工艺 ( 1 ) 破碎 一般来讲，破碎工艺有如下几种形式： 路生产，细碎采用闭路生产；c 粗碎开路， 循环负荷，土建量小，设备配置相对较少， a 粗碎和中碎开路生产；b 粗碎和中碎开 中细碎均闭路生产。第一种工艺的优点是无 缺点是生产控制困难；第二种工艺的优点是 循环负荷轻，缺点是系统布置较为复杂，生产控制较为困难；第三种工艺的优点是系统 生产控制简单，中细碎协调作业可满足工程建设各个时期不同级配骨料的生产要求，系 统布置灵活，缺点是系统土建量大、设备配置相对较多，部分物料需返回筛分破碎，循 环负荷高。工程具体采用何种破碎工艺，须结合系统规模、岩石类型、施工布置、设备 选型和辅助设施等进行统筹考虑，作全面技术经济比较后确定。 西华大学硕士学位论文 粗碎 ( a ) 粗碎 ( b ) 图2 1 破碎工艺 f i g u r e2 if r a g m e n t a t i o np r o c e s st e c h n o l o g y ( 2 ) 制砂 制砂因其重要性和复杂性，是目前国内水利水电工程砂石加工技术投入研究较多的 环节，工程实践中常采用的破碎工艺形式有：a 冲击式破碎机加棒磨机联合制砂；b 棒 磨机单独制砂；c 冲击式破碎机物料不分级单独制砂；d 冲击式破碎机物料分级制砂 等。第一种工艺自三峡下岸溪首次应用并获得成功后，目前应用最为广泛，技术最为成 熟，也因二种设备的产品相互