离子型稀土是我国重要的战略性矿产资源,长期以来得到了政府相关部门的高度重视。目前离子型稀土矿山的过度开采造成矿集区内资源的浪费,部分矿山后备储量不足,矿区环境污染缺乏必要的治理,资源开发与环境保护的矛盾日益突出。离子型稀土矿集区开采过程中,不仅要考虑国家现行稀土开采总量控制政策,同时也要考虑矿山企业的实际生产状况和环境影响。将环境成本纳入到离子型稀土矿集区开采次序优化过程中,有利于矿集区内各矿山的合理规划、高效开采及环境保护。本文以离子型稀土矿集区为研究对象,综合运用文献归纳、调查研究、数理分析、数学规划、数值计算、比较分析等方法,系统探讨了考虑环境成本的离子型稀土矿集区开采次序优化,为矿集区制定合理的开采方案提供科学依据,主要研究内容和结论如下。 第一,分析了离子型稀土矿集区开采次序优化模型的核心变量。现有研究大多从单一矿山整体境界优化和矿石品位的空间分布等层面规划矿山开采顺序,鲜有研究关注到大型矿集区开采次序规划中的主要影响因素。本文基于环境价值理论、资源配置理论、系统优化理论及可持续发展理论,从政策与市场、资源与工艺、环境与成本方面讨论了开采次序优化模型的核心变量。研究结果表明:(1)国家出台的开采总量控制政策效应明显,长期以来持续影响离子型稀土矿开采量,稀土矿产品的市场供需与价格关系到矿集区经济效益;(2)资源储量和赋存条件等决定了矿山的生产规模、服务年限和矿产品产量,原地浸矿技术是目前主要推广的离子型稀土矿开采工艺,提高采选综合回收率能在资源储量有限的前提下获得更高产量;(3)离子型稀土矿集区开采的环境污染主要有水污染、土壤污染及生态破坏,开采期间的生产成本和环境成本会影响矿集区开采决策。 第二,测算了离子型稀土矿集区开采环境成本。根据离子型稀土矿开采的环境影响类型和环境治理措施,基于环境治理成本法建立离子型稀土矿集区开采的水污染治理成本测算模型、土地复垦成本测算模型和植被养护成本测算模型。以L矿集区为案例,应用模型进行了环境成本测算。具体测算结果为:(1)矿集区平均生产1吨稀土氧化物(REO)所需的水污染治理成本为3.5619万元,生产规模越大,水污染治理费用越高;(2)矿集区平均生产1吨稀土氧化物(REO)所需的土地复垦成本为0.0177万元,占用土地面积越大,治理面积越大,土地复垦成本越高;(3)矿集区平均生产1吨稀土氧化物(REO)所需的植被养护成本为0.0162万元,矿山复垦栽种的植被面积越大,植被养护成本越高;(4)整个矿集区开采寿命期间的环境成本的支出总体呈下降趋势,其中水污染治理的环境成本所占的比重最大,修复期间的环境成本远低于开采生产期的环境成本。 第三,开展了基于经济效益的离子型稀土矿集区开采次序单目标优化研究。采用矿集区利润净现值(NPV)作为衡量矿集区开采的经济效益指标,在生产条件、资源条件、开采规模等约束条件下,构建了基于经济效益的离子型稀土矿集区开采次序单目标优化模型,应用优化模型对L矿集区开采次序进行优化。研究结果表明:(1)选取蚁群算法(ACO)和遗传算法(GA)对矿集区开采次序优化模型进行求解,从运行时间和运行结果分析得出GA算法的寻优性能显著优于ACO算法;(2)采用GA算法求得矿集区最大利润净现值为76973.31万元,对应的开采次序决策变量值为[2,4,5,8,9,1,6,3,7,10,11];(3)开采次序优化方案与现有开采方案比较,优化方案的利润净现值高于现有方案的利润净现值。 第四,开展了考虑环境成本的离子型稀土矿集区开采次序多目标优化研究。依据矿集区地质环境状况及环境恢复治理方案,以矿集区利润净现值(NPV)及环境成本净现值(C_E)为目标函数建立了考虑环境成本的离子型稀土矿集区开采次序优化模型,应用多目标优化模型对L矿集区的开采次序进行优化。研究结果表明:(1)分别选取NSGAII、NSGAIII、IBEA和MOEA/D四个算法进行对比,从解的分布、HV值和运行时间分析得出IBEA算法的优越性更高;(2)采用IBEA算法求解多目标问题得到了30组的最优解集,不同的NPV值对应不同的C_E值,随着NPV值的增大,C_E值也会相应增加,二者存在线性相关性;(3)考虑目标重要性建立开采次序综合优化模型,利用加权法分别赋予两个目标函数权重,采用GA算法求最优解对应的开采次序决策变量值为[2,5,8,4,1,9,6,7,3,10,11]。 综上所述,本文从环境成本视角为离子型稀土矿集区开采次序优化提供了一个系统的分析框架,不仅在理论层面探讨了离子型稀土矿集区开采环境成本测算及考虑环境成本的开采次序优化理论与方法,构建了环境成本测算模型和开采次序优化模型,而且在实践层面应用模型得到离子型稀土矿集区开采环境成本测算结果和开采次序优化方案,为实现离子型稀土资源的绿色科学开采提供决策依据,也为其他大型矿集区开采次序优化提供实践借鉴。