一种四要素整体优化的露天煤矿开采方法及系统

摘要

本发明涉及一种四要素整体优化的露天煤矿开采方法及系统，该方法包括：获取煤田原煤储量；根据原煤储量计算生产能力和最短开采寿命，从而得到地质最小境界；根据历史最高煤价优化得到地质最大境界；利用锥体排除算法对地质最小境界和地质最大境界进行处理，得到地质最优境界序列；在每一个地质最优境界里对生产能力、开采顺序和开采寿命进行同时优化，得到每一个地质最优境界下的开采计划和NPV；获取所有地质最优境界中NPV最大的境界；将NPV最大的地质最优境界及其开采计划作为最终开采方案。本发明把最终境界、生产能力、开采顺序和开采寿命四大要素同时作为决策变量，实行整体优化，得到全局最优露天煤矿开采方案。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿开采领域，特别是涉及一种四要素整体优化的露天煤矿开采方法及系统。

背景技术

大型露天煤矿的基建投资和生产成本都很高，产品价格受经济周期和产业结构变动的影响也具有较高的不确定性，致使此类项目存在较高的投资风险。因此，如何获得最佳生产方案以便最大限度地提高开采效益并降低投资风险，一直是国内外矿业领域的一个重点研究领域。露天开采是一个复杂系统工程，影响开采效益的要素众多，其中，最终境界、生产能力、采剥顺序、开采寿命这四大要素对露天开采的科学性和总体经济效益有重大影响，也是露天开采优化领域的研究重点。国际上在上个世纪六十年代初就开始了对这些要素的优化研究，1969年在美国召开了第一次该领域的专题学术会议，后来发展为矿业优化领域的权威会议——计算机和优化在矿业的应用(APCOM)，至今已在多个国家举办了36届。APCOM会议上发表论文最多的是上述露天开采要素的优化方法、模型、算法以及相关的地质建模。由此可见露天开采要素的优化在国际矿业界的重要地位。

半个多世纪的研究产生了许多有关露天矿开采要素的优化方法、模型和算法，一些已被国际上著名的矿业软件开发公司纳入它们的矿山设计软件系统，在生产实践中得到广泛应用，为提高露天开采的投资收益做出了重要贡献。然而，露天矿开采要素的优化至今仍是一个尚未很好解决的问题，露天开采的盈利潜力仍未在规划设计上得到有效体现。现行的规划设计理论和方法都是基于一、两个给定要素来分步设计其他要素：如根据最终境界，设计生产能力，根据生产能力编制开采顺序和开采寿命。这样的方法，由于没有考虑要素间的相互作用，即使在每一步都应用了最合适的优化模型，得到的也只能是局部最佳方案，不是全局最佳方案。

本发明方法针对大型露天煤矿，研究最终境界、生产能力、开采寿命、开采顺序四要素的时空动态和整体规划理论和模型。所谓时空动态，就是既考虑资金的时间价值对四要素的影响以及各要素之间的相互作用，体现问题在时间上的动态性；又考虑煤层的空间赋存形态对开采顺序和最终境界的位置与形态在空间的发展路径的影响，体现问题在空间上的动态关联性。所谓整体，是基于最终境界、生产能力、开采寿命、开采顺序这些要素之间的上述相互作用关系，把他们作为一个整体进行优化，不以给定其中任一要素为求解其他要素的前提，得出这些要素的整体最优解。

发明内容

本发明的目的是提供一种四要素整体优化的露天煤矿开采方法及系统，把最终境界、生产能力、开采顺序和开采寿命四大要素同时作为决策变量，实行整体优化，得到全局最优露天煤矿开采方案。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种四要素整体优化的露天煤矿开采方法，包括：

获取煤田原煤储量；

根据所述原煤储量计算生产能力和最短开采寿命，从而得到地质最小境界；

根据历史最高煤价优化得到地质最大境界；

利用锥体排除算法对所述地质最小境界和地质最大境界进行处理，得到地质最优境界序列，所述地质最优境界序列中包括多个地质最优境界；

在每一个地质最优境界里对生产能力、开采顺序和开采寿命进行同时优化，得到每一个地质最优境界下的开采计划和NPV；

获取所有地质最优境界中NPV最大的境界；

将NPV最大的地质最优境界及其开采计划作为最终开采方案。

可选的，所述锥体排除算法是基于煤层柱状模型和煤田地表标高模型。

可选的，所述锥体排除算法中锥体的移动过程是：把锥体顶点沿每一个所述煤层柱状模型中心线自下而上移动。

可选的，所述锥体顶点的移动方式为依次移动到所述煤层柱状模型中心线处的煤层底板和地表。

可选的，所述锥体顶点的移动方式为从所述煤层柱状模型的底面标高算起，每次上移一个步长。

可选的，根据地质最大境界、帮坡角、煤量增量和剥离量确定所述多个地质最优境界。

一种四要素整体优化的露天煤矿开采系统，包括：

原煤储量获取模块，用于获取煤田原煤储量；

地质最小境界确定模块，用于根据所述原煤储量计算生产能力和最短开采寿命，从而得到地质最小境界；

地质最大境界确定模块，用于根据历史最高煤价优化得到地质最大境界；

锥体排除算法模块，用于利用锥体排除算法对所述地质最小境界和地质最大境界进行处理，得到地质最优境界序列，所述地质最优境界序列中包括多个地质最优境界；

优化模块，用于在每一个地质最优境界里对生产能力、开采顺序和开采寿命进行同时优化，得到每一个地质最优境界下的开采计划和NPV；

最大NPV获取模块，用于获取所有地质最优境界中NPV最大的境界；

开采方案确定模块，用于将NPV最大的地质最优境界及其开采计划作为最终开采方案。

可选的，所述锥体排除算法是基于煤层柱状模型和煤田地表标高模型。

可选的，所述锥体排除算法中锥体的移动过程是：把锥体顶点沿每一个所述煤层柱状模型中心线自下而上移动。

可选的，所述锥体顶点的移动方式包括两种：一种是依次移动到所述煤层柱状模型中心线处的煤层底板和地表；另一种是从所述煤层柱状模型的底面标高算起，每次上移一个步长。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明把最终境界、生产能力、开采顺序和开采寿命四大要素同时作为决策变量，实行整体优化，得到全局最优露天煤矿开采方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明四要素整体优化的露天煤矿开采方法的流程图；

图2为本发明锥体排除法中锥体顶点位于煤层柱状模型底板和地表的示意图；

图3为本发明锥体排除法中锥体顶点沿煤层柱状模型等距上移的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种四要素整体优化的露天煤矿开采方法及系统，把最终境界、生产能力、开采顺序和开采寿命四大要素同时作为决策变量，实行整体优化，得到全局最优露天煤矿开采方案。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

1.技术要点说明：

露天煤矿开采方案的主体由四个要素组成：最终境界、生产能力(即每年的采煤量和剥离量)、开采顺序(即每年的采剥区域)和开采寿命。其中，后三个要素组成开采计划。在以往的开采方案优化中，最终境界和开采计划是分步优化的：先优化最终境界，然后在最终境界内优化开采计划。由于四大要素不是相互独立的，而是相互作用的，所以分步优化不能得到全局最优开采方案。对于先优化出的最终境界，只能说不考虑开采计划时它是最优的；对于给定境界所优化出的开采计划，也只能说对于这一个境界是最优的。很可能存在(我们的研究表明，在绝大多数情况下，一定存在)另外一个最终境界与开采计划的组合，其总净现值(NPV)大于分步优化的结果。因此，必须把四大要素同时作为决策变量，实行整体优化，才能得到全局最优开采方案。

该项技术基于“地质最优境界”的概念，首先产生一个“地质最优境界序列”，把序列中的地质最优境界作为候选境界，而后在每一个地质最优境界中对开采计划三要素(生产能力、开采顺序和开采寿命)进行整体优化，得出每一地质最优境界的最佳开采计划和NPV，NPV最大的那个地质最优境界及其最佳开采计划就是整体最佳开采方案。这样就成功解决了开采方案四大要素的整体优化问题。

该项技术包括一套完整的数学模型、算法、数据结构，以及据此开发的软件系统，具有很强的实用性，可以满足大型露天煤矿的开采方案整体优化需要。

定义：如果一个煤量为Q、帮坡角不大于境界最大允许帮坡角{β}的境界，其剥离量在所有煤量为Q、帮坡角不大于{β}的境界中是最小的，那么，称该境界为对于Q和{β}的“地质最优境界”，记为J*(Q,{β})，简记为J*。在煤田的不同方位或区域，边坡的稳定性可能不同，允许的最大境界帮坡角也可能不同，{β}是由不同方位或区域的最大允许帮坡角组成的数组。

该定义的作用是：第一，根据该定义，可以产生很多个地质最优境界，即下文提到的“地质最优境界序列”，四大要素之一的最终境界就是这些地质最优境界里面的一个；第二，针对这些所有的地质最优境界，都要产生“地质最优开采体”序列，然后进行动态排序和优化。

2.开采方案四要素整体优化算法

(1)地质最优境界序列产生算法

为了产生地质最优境界序列，我们设计了基于煤层柱状模型和煤田地表标高模型的锥体排除算法。该算法具有能够处理变帮坡角、境界增量可控、产生的序列中不存在“缺口”、运算效率高等优点。

假设拟产生的地质最优境界序列中最小境界J

首先应用“最终境界优化算法”对于一个很高的煤价优化出一个境界，由于煤价很高，最佳最终境界不可能超越该境界，所以把该境界作为序列中的最大境界J

锥体排除法的基本思路是：从最大境界J

在排除过程中，由于要保证境界帮坡角不大于给定的最大允许帮坡角{β}，所以必须以锥体为单位进行排除，锥体的锥顶向上且锥壳在各个方位的倾角等于帮坡角数组{β}中相反方位的帮坡角。

锥体的移动过程是：把锥体顶点沿每一模柱中心线自下而上移动，有两种移动方式：一是依次移动到模柱中心线处的煤层底板和地表；二是从模柱的底面标高算起，每次上移一个步长(其值由用户指定，一般为台阶高度或更小)，这样做的目的是为了避免出现缺口问题。

令：m为煤层总数，煤层至上而下顺序编号，最上面的煤层为煤层1，最下面的煤层为煤层m；N

地质最优境界序列的产生算法如下：

第1步：应用“最终境界优化算法”，对于一个很高的煤价优化出一个境界，该境界是拟产生的地质最优境界序列中的最大境界。

第2步：以最大境界为当前境界。把煤层柱状模型在该境界范围内的每一模柱的底面标高设置为该模柱处的境界标高，顶面标高设置为该模柱处的地表标高；把境界范围外的每一模柱的底面和顶面标高都设置为该模柱处的地表标高。境界标高以及地表标高的作用是起到约束最大境界的范围，便于在后续锥体移动的时候定位。

第3步：置模柱序数k＝1，即取第一个模柱为当前模柱。

第4步：如果模柱k的底面标高与顶面标高相等，说明该模柱在当前境界之外，转到第12步；否则，继续下一步。

[说明：第5步～第8步是沿着同一模柱把锥体顶点从低到高依次置于每一煤层的底板和地表，如图2所示。]

第5步：置煤层序数i＝m，即取最低煤层。其中，最低煤层根据煤层的赋存特点有关系，煤层基本上都是近水平赋存，因此，一般来说，最低煤层底板以下的部分几乎都是岩石，不值得开采，因此从最低煤层底板开始移动锥体。这个就是后续优化研究过程中的底部境界。

第6步：分两种情形：

(a)如果i>0，分两种情况处理：

①如果煤层i在模柱k处不存在，转到第8步；

②如果煤层i在模柱k处存在，把锥体顶点置于模柱k中心线处煤层i的底板，执行第7步。

(b)如果i＝0，把锥体顶点置于模柱k中心线处的地表，执行第7步。

第6步的作用是：锥体的移动只会在煤层中移动，i是判断锥体所在位置以上是否还有煤层，如果没有，也就是i＝0，这个时候，锥体只需要直接移动到地表就行，也就是文中说的，移动到模柱k中心线处的地表。

上述方法的介绍是在讲总共有m个煤层，而这一步是在介绍在这m个煤层中移动的时候，当接近地表时，应该怎么处理。

第7步：计算锥体与当前境界重叠部分的煤量Q

如果令锥体在某个模块柱K的中线交点的坐标为z

q

那么，所有位于该锥体内的煤量为：

剥离物的容重为σ，则该模块柱在锥体内的剥离量为：

w

那么，所有位于该锥体内的剥离量为：

第8步：置i＝i－1，即向上走一个煤层。如果i≥0，回到第6步；如果i<0，说明已经考虑了沿模柱k处的所有煤层及地表，执行下一步。

[说明：第9步～第11步是沿着同一模柱把锥体顶点从低到高依次上移一个高度步长h，如图3所示。]

第9步：把锥体顶点置于模柱k中心线上标高为z＝z

第10步：计算锥体与当前境界重叠部分的煤量与剥离量(岩石量+四纪层量)。如果锥体煤量q

第11步：置z＝z+h，也就是将锥体沿着模块柱从z的位置向上移动h高度。如果z≤z

第12步：置k＝k+1，即考虑煤层柱状模型中的下一个模柱。如果k≤N

第13步：完成了一轮锥体扫描和锥体参数计算，得到一个按剥采比从大到小排序的锥体数组，其中的每一个元素记录了一个锥体的顶点坐标、煤量和剥采比。找出锥体数组中前l个锥体的联合体(联合体中，锥体之间的重叠部分只计一次)，其煤量不大于所设定的相邻境界之间的煤量增量ΔQ的1.1倍，且最接近于ΔQ。

其中，联合体的确定过程为：

首先，这个锥体是按照剥采比从大到小依次排列在数组中的，比如，这个锥体数组中，排第一的锥体，剥采比最大，但是第一个锥体，它的煤量远小于我们设置的增量ΔQ，那么，我们就继续看排在这锥体数组中的第2个锥体，如果第1个和第2个锥体里面的煤量加起来还小于增量ΔQ，那就继续看这锥体数组中的第3个锥体，如果这三个锥体的煤量加起来还小于ΔQ，那就继续依次看锥体数组中后面的锥体，直到某个锥体m，这前m个主体加起来的量最接近ΔQ。

第14步：把联合体中的l个锥体从当前境界中排除。排除一个锥体，就是把当前境界中那些底面标高低于锥壳标高的模柱的底面标高，提升到相应模柱中心线处的锥壳标高，如果该处的锥壳标高大于地表标高，就提升到地表标高。把这l个锥体排除后的新境界就是比当前境界的煤量小大约ΔQ的地质最优境界，记录这一新境界，并把这一新境界作为当前境界。

第15步：如果当前境界的煤量大于拟产生的地质最优境界序列中最小境界J

第16步：把产生的所有境界从小到大排序，就得到了所求的地质最优境界序列。算法结束。

(2)开采方案四要素整体优化算法

用上述算法产生了地质最优境界序列{J*}

对于每一个地质最优境界，应用“地质最优采场序列产生算法”和“开采计划整体优化的移动产能域算法”，对开采计划三要素进行整体优化，得出每个境界的最佳开采计划及其NPV。从所有N个地质最优境界中选出NPV最大者，该境界与其最佳开采计划一起组成了最佳整体开采方案，从而实现了开采方案四大要素的整体优化。

综上所述，四要素整体优化的露天煤矿开采方法的流程如下，如图1所示：

第1步：读入煤层柱状模型和煤田地表标高模型，以及相关技术经济参数。根据煤田原煤储量，估计一个合理年煤生产能力和一个可能的最短开采寿命，据此设置适当的最小境界J

其中，Q

第2步：应用上述“地质最优境界序列产生算法”，产生地质最优境界序列{J*}N。

第3步：置境界序数i＝1，即当前境界J

第4步：在地质最优境界J

第5步：应用“开采计划整体优化的移动产能域算法”，对开采计划三要素进行整体优化，得出境界Ji*的最佳开采计划及其NPV

其中，具体优化过程为：

设定一个足够宽的原煤年生产能力优化范围[q

第6步：如果NPV

第7步：置i＝i+1，如果i≤N，回到第4步；否则，执行下一步。

第8步：输出所记录的最优开采方案，算法结束。

基于上述方法，本发明还公开了一种四要素整体优化的露天煤矿开采系统，包括：

原煤储量获取模块，用于获取煤田原煤储量。

最小境界优化模块，用于根据所述原煤储量得到地质优化最小境界。

煤价获取模块，用于获取历史最高煤价。

最大境界优化模块，用于采用最终境界优化算法对所述煤价进行优化，得到地质优化最大境界。

地质优化境界序列确定模块，用于利用锥体排除算法对所述地质优化最小境界和地质优化最大境界进行处理，得到地质优化境界序列，所述地质优化境界序列中包括多个地质优化境界。

开采计划和NPV确定模块，用于在每一个地质优化境界条件下对生产能力、开采顺序和开采寿命进行同时优化，得到每一个地质优化境界下的开采计划和NPV。

NPV最大值获取模块，用于获取NPV最大值。

开采方案确定模块，用于将所述NPV最大值对应的地质优化境界及开采计划作为最终开采方案。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。