露天煤矿最终境界优化实用算法.pdf
书书书 收稿日期2 0 1 2- 1 1- 0 2 基金项目国家自然科学基金资助项目( 5 0 9 7 4 0 4 1 ) ;教育部博士点基金资助项目( 0 0 4 2 1 2 0 0 4 0 ) ;辽宁省自然科学基金资助项目 ( 2 0 1 1 0 2 0 6 5 ) ;教育部新世纪人才支持计划项目( N C E T- 1 1- 0 0 7 3 ) . 作者简介胥孝川( 1 9 8 6- ) 男, 四川绵阳人, 东北大学博士研究生;顾晓薇( 1 9 7 1- ) 女, 辽宁凤城人, 东北大学教授, 博士生导师; 王 青( 1 9 6 2- ) 男, 内蒙古兴和人, 东北大学教授, 博士生导师. 第3 4 卷第5 期 2 0 1 3年 5月 东北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) J o u r n a l o f N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c e ) V o l . 3 4 , N o . 5 Ma y 2 0 1 3 露天煤矿最终境界优化实用算法 胥孝川1,顾晓薇,王 青1,郑友毅2 ( 1 . 东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 ;2 . 中国煤炭科工集团有限公司,北京 1 0 0 0 1 3 ) 摘 要基于开采总利润最大的准则, 设计了开采境界优化的“ 正锥体排除法” 算法体系, 包括最大境界 的圈定, 锥壳模板构建和锥体排除算法. 该算法可以方便地处理不同方向和区域具有不同帮坡角的情况. 把这 一算法体系应用于建立的柱状煤层模型, 根据矿山生产能力、 煤矿地质条件、 当前煤矿开采成本以及煤矿售 价, 进行优化, 得出了在给定煤层赋存条件和技术经济条件下境界的最佳大小和形态, 以及采剥量. 为矿山生 产决策者提供了设计依据, 具有重要的参考价值. 关 键 词露天煤矿; 境界优化; 锥体排除法; 锥体模板; 最终境界 中图分类号T D2 1 6 文献标志码A 文章编号1 0 0 5- 3 0 2 6 ( 2 0 1 3 ) 0 5- 0 7 1 5- 0 4 A P r a c t i c a lA l g o r i t h m f o rF i n a l P i tO p t i mi z a t i o ni nO p e n P i t C o a l Mi n e s X UX i a o c h u a n 1,G UX i a o w e i1,W A N GQ i n g1,Z H E N GY o u y i2 ( 1 .S c h o o l o f R e s o u r c e s &C i v i l E n g i n e e r i n g ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g1 1 0 8 1 9 ,C h i n a ; 2 .C h i n aC o a l T e c h n o l o g y&E n g i n e e r i n gG r o u pC o . ,B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ,C h i n a .C o r r e s p o n d i n ga u t h o r G U X i a o w e i ,E m a i l 4 9 3 2 1 2 7 5 5 @q q . c o m) A b s t r a c t B a s e do nt h e p r i n c i p l e o f p r o f i t m a x i m i z a t i o n ,t h e u p r i g h t c o n e a l g o r i t h mw a s d e s i g n e d t oo p t i m i z eu l t i m a t eb o u n d a r yo fo p e n p i tc o a lm i n e .T h ea l g o r i t h m i st od e l i m i t a t el a r g e s t b o u n d a r y ,t oc o n s t r u c tc o n es h e l lt e m p l a t ea n dt oe x c l u d ec o n e s .I tc o u l de a s i l yi n c o r p o r a t e d i f f e r e n tf i n a l s l o p ea n g l e si nd i f f e r e n td i r e c t i o n sa n dz o n e s .A c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o n , g e o l o g i c a l c o n d i t i o n ,m i n i n gc o s t a n dc o a l p r i c e ,t h ea l g o r i t h m w a su s e do nt h ec o l u m n a r c o a l s e a m m o d e lt oo p t i m i z eb o u n d a r y .U n d e rt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fc o a ls e a m,i n c l u d i n g t e c h n i c a l a n de c o n o m i cc o n d i t i o n s ,t h eo p t i m u ms i z ea n ds h a p eo f b o u n d a r ya s w e l l a s s t r i p p i n g q u a n t i t yw a s o b t a i n e d .T h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s p r o v i d eg r e a t r e f e r e n c ef o r t h ep o l i c ym a k e r s . K e yw o r d s o p e n p i tc o a lm i n e ;b o u n d a r yo p t i m i z a t i o n ;c o n ee x c l u s i v em e t h o d ;c o n es h e l l t e m p l a t e ;u l t i m a t eb o u n d a r y 露天矿开采中, 最终境界是露天开采的一大要 素, 是露天矿山生产经营决策的重要依据. 合理境 界的确定, 需要统筹考虑矿山资源状况、 开采技术 条件、 矿产品销售价格、 矿石开采及处理成本等多 种复杂因素对开采设计方案总体效果的影响, 其目 的是使整个矿产开采所获得的经济效益最优[ 1 ]. 由于最终开采境界对露天矿总经济效益将产 生重大影响, 露天开采境界优化从 2 0世纪 6 0年 代起就成为了一个被广泛研究的课题, 浮锥法和 图论法是具有代表性的算法[ 2 - 5 ]. 最终境界的优 化方法很多, 习惯上分为两大类 一类是准优化方 法, K i m将储量参数化也归为此类[ 6 ]; 一类是具 有严格数学逻辑的优化方法. 本文以开采总利润 最大为准则, 设计了开采境界优化的“ 正锥体排 除法” ( 相对于一般锥顶向下的浮锥法, 能够有效 地控制锥体的重叠) 算法体系, 包括最大境界的 圈定, 锥壳模板构建和锥体排除算法[ 7 - 9 ]. 把这一 算法体系应用于建立的柱状煤层模型, 得到最优 境界[ 1 0 ]. 锥体排除法的基本思路是从一个可能的 最大境界开始, 逐层“ 剥去” 境界外围那些不赢利 ( 利润小于或等于零) 的部分, 直到在境界外围找 不到不赢利的部分为止, 剩余部分就是总利润最 大的部分. 1 最大境界的圈定方法 最终境界的优化是基于一个最大境界开始 的. 最大境界是一个矿床可能开采的最大范围 ( 先不管是否赢利或赢利多少) . 最大境界的底部 标高位于最低煤层底板上最低点的标高, 最大境 界在地表的范围可以根据勘探范围和具有开采权 的土地范围圈定, 或是根据各种因素圈定的最大 可能开采范围. 然后在位于地表开采范围线上的 模柱上, 构造一个锥面倾角等于最终帮坡角( 根 据岩体稳定性等确定) 的锥体, 遍历地表界线上 的所有模柱, 如果一个模柱的底部标高等于或者 大于该模柱锥面的标高, 什么也不做; 如果模柱的 底部标高小于该模柱处锥面的标高, 把该模柱的 底部标高提升到该模柱处锥面的标高. 图 1为一 个以二维柱状模型图表示的最大境界圈定方法. 图 1 剖面上求最大境界的算法示意图 F i g 1 I l l u s t r a t i o no f t h ea l g o r i t h mf o r o b t a i n i n gt h el a r g e s t p o s s i b l ep i t o nac r o s s s e c t i o n 2 锥体模板的构建 在最大境界的圈定过程中, 运算时间主要花 费在比较模柱底部标高和锥体的锥面标高上. 如 果锥体每移动一次, 计算所有模柱处锥面的标高, 对于较大矿山的矿床模型一般具有数万个模柱, 计算量会很大. 预先构造一个足够大的锥体的侧 面模板( 简称“ 锥壳模板” ) , 可以大大提高算法的 运算效率. 图 2 a 是一个三维锥体, 图 2 b 是它的模板. 三 维锥壳在 X- Y方向上的投影被离散为边长等于 柱状煤层模型中模柱在水平面上相应方向的边 长; 模板的中心模块( 图 2 b 中标有“ 0 ” 的模块) 对 应于锥体的顶点, 称为“ 锥顶模块” . 每一模块的 属性是锥体侧面( 锥壳) 在该模块中心处相对于 锥体顶点的垂直高度, 顶点的标高为 0 . 该锥体是 正锥体, 顶点是锥体的最高点, 所以每一模块的相 对标高均为负值. 每一模块的相对标高根据其所 在方位的帮坡角计算. 如图所示, 假设在Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ这 4个方位区上的帮坡角分别为 2 5 , 2 4 , 2 2 , 2 3 . 如果模块的边长为 2 5m, 那么标有 i 的 那个 模 块 的 中 心 到 锥 体 顶 点 的 水 平 距 离 为 2 7 9 5 0 8m, 简单的三角计算可知, 在模块 i 的中 心处, 锥壳的相对标高为 - 1 3 0 3 3 7m. 按照这种 方法, 依据锥壳在各个方位区的倾角, 可以计算出 模板上每一模块的锥壳相对标高. 这样一个锥壳 模板可以存在一个二维数组中. 图 2 三维锥体及其锥壳模板 F i g 2 T h r e ed i me n s i o n a l c o n ea n dc o n i c a l s h e l l t e mp l a t e ( a ) 三维锥体;( b ) 维壳模. 617东北大学学报( 自然科学版) 第 3 4卷 3 境界优化的锥体排除算法 境界优化就是求总利润最大的开采境界. 依 据地表最大开采范围和预先确定的帮坡角圈定出 最大境界后, 就可剥去境界外围所有不赢利的部 分, 得到总利润最大的开采境界. 首先以一个 2 D剖面为例说明境界优化算法 的基本逻辑. 剖面上的最大境界如图 3所示, 以该 境界为初始境界, 以锥体为单元, 从境界外围排除 那些不赢利的锥体, 基本步骤如下 1 )考虑最下面的煤层( 煤层 2 ) , 把锥体的顶 点置于一个模柱的该煤层底板( 图中, 锥体的顶 点被置于模柱 1 5处的煤层 2底板) . 2 )计算锥体的煤岩量, 即锥体与当前境界重 合部分( 图中用斜线充填的部分) 的煤量、 岩石量 和第四纪层量, 并根据锥体的煤、 岩量以及成本、 价格、 回采率等经济技术参数计算锥体利润, 假设 为该锥体开采的利润. 3 )如果锥体利润等于或小于 0 , 该锥体为非 赢利锥体, 将其从当前境界排除. 排除的方法是, 把受锥体影响的所有模柱( 底部标高低于锥壳标 高的那些模柱) 的底部标高提升到相应模柱处的 锥壳标高; 如果锥体利润大于 0 , 该锥体为赢利锥 体, 不做任何处理. 图 3中所示锥体不含任何煤, 其利润一定为负, 所以将它排除. 4 )把锥体的顶点置于下一个模柱处的煤层 2的底板( 如图 3中所示的模柱 1 4 ) , 重复上述 2 ) 和 3 ) ; 如此循环执行, 直到锥体遍历煤层 2涉及 的所有模柱, 将利润小于 0的锥体部分都去掉, 同 时修改模柱底部标高. 5 )向上走一个煤层( 本例中, 即考虑煤层 1 ) , 把锥体的顶点依次置于该煤层底板上所有模 柱处, 重复 1 )~ 4 ) , 排除锥体顶点位于该煤层底 板的那些非赢利锥体. 6 )考虑完所有煤层后, 最后考虑地表. 即把 锥体的顶点依次置于所有模柱处的地表标高( 即 模柱顶部) , 从境界中排除那些非赢利锥体. 至 此, 完成了一轮锥体扫描和排除. 7 )由于某些锥体之间有重叠部分, 所以完成 了一轮锥体排除后, 可能在得到的境界外围还存 在非赢利锥体. 所以, 需要以完成了一轮锥体排除 后的境界为初始境界, 再次从最低煤层开始( 即 重复上述 1 )~ 6 ) ) , 进行新的一轮锥体排除. 如此 循环执行, 直到在一轮中不存在非负锥体, 算法结 束, 得到的境界为最优境界. 在上述锥体排除过程中, 之所以把锥体顶点依 次置于各煤层的底板, 是由于在近水平煤层的煤矿 设计中, 一个部位的境界底( 俗称“ 坑底” ) 沿某个煤 层的底板设计, 而不设计在两个煤层之间. 这样做的 理由不难想象 如果一个部位的境界底位于两煤层 之间( 例如, 位于图1 中煤层1 与煤层2 之间的某个 位置) , 这样的境界肯定不如把该部位的境界底提升 到其上面的煤层的底板好( 图3 中煤层1 的底板) . 图 3 以柱状模型表达的最大境界 F i g 3 T h el a r g e s t p o s s i b l ep i t e x p r e s s e di nt h ef o r mo f c o l u mnmo d e l 4 境界优化算法应用实例 对上述境界优化算法进行了编程, 作为 C o a l D e s i g n 软件系统的境界优化模块. 针对某煤矿 床建立柱状煤层模型, 应用 C o a l D e s i g n对柱状煤 层模型进行境界优化. 优化中用到的技术经济参 数的取值为 原煤开采成本 3 0元t - 1; 第四纪层 剥离成本 2 6元m- 3; 岩石剥离成本4 5元 m- 3; 回采率 9 6 %; 原煤价格 3 0 0元 t - 1. 由地质部门提 供的各煤层的容重为( 单位 t m- 3) Ⅰ煤 1 2 9 ; Ⅱ煤 1 3 1 ; Ⅲ煤 1 2 8 ; Ⅳ煤 1 2 8 ; Ⅴ煤 1 3 1 ; Ⅵ煤 1 3 0 ; Ⅶ煤 1 2 9 ; Ⅷ煤 1 2 9 . 境界最大帮坡角在所 有方位上均为 2 5 . 基于以上参数进行优化得到的三维实体透视 显示和最优境界等高线如图 4所示. 从图中可以 看出, 境界坑底随煤层的倾斜向北西向倾斜, 境界 从南东到北西逐渐变深; 断层引起的煤层错动对 717第 5期 胥孝川等露天煤矿最终境界优化实用算法 境界的影响清晰可见. 这些都证明优化算法具有 合理性和实用性. 图 4 最优境界 3 D透视图和等高线 F i g 4 3 Dp e r s p e c t i v ed i s p l a yo f t h eo p t i mu m p i t a n dc o n t o u r ma p ( a ) 3 D透视图;( b ) 等高线图. 从图 4可以看出, 由于煤层底板不规整, 境界 坑底有很多小范围起伏, 需要进行平滑处理. 应用 C o a l D e s i g n 的图形编辑功能, 依据开采中允许的 坑底坡度及其变化程度, 参照煤层底板等高线, 可 以对境界坑底等高线进行处理, 使境界坑底符合 生产要求. 最优境界内各层煤、 第四纪层和岩石的开采 量如表 1所示, 原煤总量 6 7 9 2 5 5 1 0 4t , 四纪层 1 1 2 5 6 4 5 1 0 4m3, 岩石总量2 5 3 5 7 0 1 1 04m3, 平均剥采比 5 3 9 0m 3 t - 1, 境界总体积4 1 8 0 0 4 8 1 0 4m3. 按照前述经济参数, 该境界的总利润 ( 不计基本建设投资) 为 4 0 0 2 5 5 3 5万元. 表 1 最优境界主要开采量参数 T a b l e1 Ma i nq u a n t i t i e so f t h eo p t i mu mp i t 煤层 原煤量 1 0 4t 纯煤量 1 0 4t 层间剥离量 1 0 4m3 层间剥采比 m 3 t - 1 Ⅰ9 9 4 39 5 8 11 6 7 9 8 8 51 6 8 9 5 2 Ⅱ1 5 6 1 21 5 0 1 11 4 6 2 6 29 3 6 9 Ⅲ5 3 1 3 1 2 5 0 7 2 2 11 6 4 6 7 0 93 0 9 9 Ⅳ4 6 7 0 04 1 4 1 54 1 2 6 30 8 8 4 Ⅴ2 7 5 4 42 3 8 3 77 4 4 4 32 7 0 3 Ⅵ4 2 6 2 83 8 1 0 94 3 4 9 71 0 2 0 Ⅶ5 1 0 33 6 9 52 6 4 7 95 1 8 8 Ⅷ4 1 34 1 32 8 0 76 8 0 3 合计6 7 9 2 5 5 6 3 9 2 8 1 当然, 优化结果并不是最终设计, 还需要划分 台阶, 形成台阶坡顶线和坡底线, 并在边帮上加入 运输道路. 优化的意义在于 优化结果给出了在给 定煤层赋存条件和技术经济条件下境界的最佳大 小和形态, 同时可以根据不同的技术经济条件进 行快速优化, 得出多个优化方案, 为形成最终设计 提供了有重要价值的参考. 5 结 论 1 )本文基于柱状煤层模型, 以露天煤矿开采 总利润最大为准则, 提出了开采境界优化的“ 锥 体排除法” , 并把这一算法应用于建立的柱状煤 层模型, 对算法进行检验. 得出采用预制的锥壳模 板使用锥体排除法进一步优化最大开采境界, 可 以方便地处理帮坡角的变化, 使设计结果更符合 实际, 大大提高算法的运算效率. 2 )根据建立的最终境界圈定算法结合 C o a l D e s i g n 软件, 优化结果给出了在给定煤层赋 存条件和技术经济条件下境界的最佳大小和形 态, 以及采剥量, 同时还可以根据不同的技术经济 参数进行多方案优化比较, 为矿山生产决策者提 供了设计依据, 具有重要的参考价值. 参考文献 [ 1 ] C r a w f o r dJ T , H u s t r u l i dW A . 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