露天煤矿生产计划优化.pdf
书书书 收稿日期2 0 1 3- 0 1- 0 4 基金项目国家自然科学基金资助项目( 5 0 9 7 4 0 4 1 ) ;辽宁省自然科学基金资助项目( 2 0 1 1 0 2 0 6 5 , 2 0 1 2 0 2 0 7 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8 期 2 0 1 3年 8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 . 8 A u g . 2 0 1 3 露天煤矿生产计划优化 顾晓薇1,胥孝川1,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 要基于浮锥排除法原理以及柱状煤层模型, 在已知境界中产生地质最优采场序列. 建立动态排序 模型, 以净现值最大为目标函数, 用动态规划方法找出最优开采路径作为最优开采方案, 实现开采顺序、 生产 能力及开采寿命三大要素的同时优化. 将上述方法应用于某露天煤矿得出, 该矿山开采时间为 3 9年, 年生产 能力为1 6 4 9万 t , 不考虑基建投资的生产净现值为3 3 9 9 8亿; 同时给出了每年岩石及表土剥离量和具体的开 采位置, 为矿山生产决策者提供了有力手段. 关 键 词露天煤矿; 地质最优采场; 生产计划优化; 动态规划; 浮锥法 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 8- 1 1 8 4- 0 4 P r o d u c t i o nS c h e d u l eO p t i mi z a t i o ni nO p e n P i t C o a l Mi n e G UX i a o w e i 1,X UX i a o c h u a n1,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 r p .,B e i j i n g 1 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 X UX i a o c h u a n ,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 ef l o a t i n g c o n ee x c l u s i o nm e t h o da n dg e o l o g i c a lm o d e lo fc o a ls e a m, g e o l o g i c a l l yo p t i m u mp u s h b a c k sw e r ep r o d u c e di nak n o w nf i n a l p i t o f c o a l m i n e .Ad y n a m i c s e q u e n c i n gm o d e l w a s e s t a b l i s h e da n dt h eg e o l o g i c a l l yo p t i m u mp u s h b a c k s w e r ei n t r o d u c e di n t o i t ,w i t ht h e m a x i m u mN P V( n e t p r e s e n t v a l u e )a s a t a r g e t f u n c t i o n .T h e nt h e b e s t m i n i n gp a t ho f f i n a l p i tw a sf o u n do u ta sa no p t i m a lm i n i n gs c h e m e ,t h u st h em i n i n gs e q u e n c e ,p r o d u c t i o n c a p a c i t ya n d m i n i n g l i f er e g a r d e d a st h r e ee s s e n t i a lf a c t o r so fp r o d u c t i o n s c h e d u l ew e r e s i m u l t a n e o u s l yo p t i m i z e d .Ac a s es t u d yo na no p e n p i t c o a l m i n es h o w s t h a t t h em i n i n gl i f ei s 3 9 y e a r s ,a n n u a l p r o d u c t i o nc a p a c i t yi s1 6 4 9m i l l i o nt o n sa n dt h eN P V i s3 3 9 9 8b i l l i o nR MB w i t h o u t c a p a c i t yi n v e s t m e n tt a k e ni n t oa c c o u n t .A tt h es a m et i m e ,r o c ka n dt o p s o i la n n u a l s t r i p p i n gv o l u m ea sw e l l a sw o r k i n gf a c ei ne a c hy e a ra r eg i v e no u t ,w h i c hp r o v i d e sp o w e r f u l t o o l s f o r d e c i s i o n m 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 ; g e o l o g i c a l l y o p t i m u m p u s h b a c k s ; p r o d u c t i o n s c h e d u l e o p t i m i z a t i o n ;d y n a m i cp r o g r a m m i n g ;f l o a t i n gc o n em e t h o d 生产能力、 开采顺序以及开采寿命是矿山生 产计划的三大要素. 如何确定三大要素将对矿山 经济效益产生重大影响, 国内外学者对此做了大 量研究. 黄俊歆等用混合整数规划法为求解露天 矿生产计划编制问题提供了一个新的方法[ 1 ]; C a c c e t t a 等的分支 -剪切法, 以扩展优先搜索和 延深优先搜索来获得可能的开采计划, 并建立了 一个基于线性规划的模型, 以近似算法求解[ 2 ]; B l e y 等建立了一个与 C a c c e t t a 模型类似的模型, 但用 不 同 的 方 法 缩 减 变 量 数[ 3 ];此 外 还 有 G e r s h o n 的启发式算法[ 4 ], F y t a s 和 C a l d e r 的仿真 算法[ 5 ], Wr i g h t 的动态规划算法[ 6 ], D a g d e l e n等 的线性规划模型[ 7 ]. 矿山生产计划安排最主要的困难是三大要素 相互影响, 一般的生产计划优化都是以其中某要 素为前提优化其他要素[ 8 ]. 由 Wa n g和 S e v i m给 出的露天矿整体优化方法考虑了这些要素的相互 影响关系[ 9 ], 本文借鉴该方法的基本思想, 在制 定生产计划时, 使用锥顶点向上的正锥体( 传统 锥体, 顶点向下) 进行锥体排除, 以获得地质最优 采场序列, 然后使用动态规划方法获得矿山生产 能力、 开采顺序以及开采寿命, 该方法不把任何一 个要素作为优化其他要素的前提. 1 地质最优开采体序列产生方法 在已知境界中做生产计划必须首先产生一系 列嵌套的地质最优开采体( 后面统一叫做地质最 优采场) , 地质最优采场定义为 在最终境界 P 内, 如果所有体积为 V 、 工作帮坡角不大于 θ 的采 场中, 采场 C 的含煤量最大, 则将其称为对于 V 和 θ 的“ 地质最优采场” . 地质最优采场序列的生成采用浮锥排除法. 构造一个锥面倾角等于工作帮坡角的正锥体( 锥 顶向上) , 将锥顶点置于某一模柱所在煤层中最 低煤层的底板上, 计算锥体的总体积、 原煤量、 剥 离量和剥采比, 如果总体积小于或等于预先设定 的境界增量 Δ V , 则将锥体按照剥采比从大到小的 顺序放入一个锥体数组中, 否则不做任何处理; 将 锥顶点移至下一个模柱, 重复上述处理, 直至考虑 完所有模柱, 就得到一个锥体序列数组. 从该数组 中选出满足锥体联合体总体积接近或者等于境界 增量 Δ V的前 n个锥体, 删除这些锥体, 将受锥体 影响的模柱的底部标高提升到该模柱处锥面最高 的标高处, 得到的一个新的采场体积比上一个采 场小 Δ V . 重复上述方法, 直至得到的新的采场体 积等于或者接近预先设定的最小采场 V m i n, 就得 到了一个满足要求的地质最优采场序列. 2 采场序列动态规划 动态规划是求解多阶段决策问题的有效方 法. 露天开采计划恰好是一个多阶段决策问题 一 个阶段的决策影响其后各阶段的决策. 但动态规 划在开采计划中的应用多限于矿石开采能力和岩 石剥离能力的优化, 没有与决策模型中块的开采 顺序相联系, 即, 动态规划只用于求解每一时段的 开采量, 而没有考虑每一时段在何地开采. 这里给 出一个采、 剥、 选成本不变条件下, 实现矿山开采 寿命、 开采能力及采剥顺序同时优化的动态规划 模型. 动态规划模型的阶段变量定义为开采时间 ( a ) , 用 i 表示, i =1 , 2 , , N , N为采场序列 { C } N中的采场数. 状态变量定义为阶段末的采 场, 用 S i , j表示第 i 阶段的状态 j . 每一阶段 i ( i = 1 , 2 , , N ) 的状态都是从状态 i 到状态 N , 其状态 j ( j = i , i + 1 , , N ) 对应于采场 C j. 由于采场是逐年扩大的, 第 i 阶段的状态 j , S i , j, 只能从第( i - 1 ) 阶段上那些比状态 j 低的状 态( S i - 1 , k, i - 1 ≤k ≤j - 1 ) 转移而来. 令 qi , j( i - 1 , k ) , w i , j( i - 1 , k ) , ui , j( i - 1 , k ) 分别为第 i 年的采 煤量、 岩石剥离量、 四纪层剥离量. 这样一个状态 转移代表从第 i - 1年末到第 i 年末, 采场从 C k 扩展为 C j. 因此, 如果在第 i 年按该状态转移开 采, 假定矿山的销售产品为原煤, 实现的利润 y i , j( i - 1 , k ) 为 y i , j( i - 1 , k )= piqi , j( i - 1 , k )- miqi , j( i - 1 , k )- c iwi , j( i - 1 , k )- biui , j( i - 1 , k )- f i. ( 1 ) 式中 p i, mi, ci, bi, fi分别为第 i 年的原煤销售价 格、 原煤开采可变成本、 岩石剥离可变成本、 四纪 层剥离可变成本、 年固定总成本. 该状态转移对应的第 i 年末的累计净现值 ( 从 时 间 0开 采 到 第 i年 末 的 总 净 现 值) N P V i , j( i - 1 , k ) 为 N P V i , j( i - 1 , k )= N P Vi - 1 , k+ y i , j( i - 1 , k ) ( 1+ d ) i .( 2 ) 式中 N P V i - 1 , k为从 0沿最佳路径到达状态 Si - 1 , k ( 阶段 i - 1的状态 k ) 的最大累计净现值; d为折 现率. 如前所述, S i , j可以从第( i - 1 ) 阶段上那些比状 态 j 低的状态 S i - 1 , k( i - 1 ≤k ≤j - 1 ) 转移而来; 从 不同的状态( k 取不同的值) 转移时, 第 i 年的采、 剥量不同, 当年利润不同, 第 i 年末的累计净现值 也不同. 使年末的累计净现值最大的那个转移是最 佳转移( 动态规划中称为“ 最优决策” ) . 因此, 有 N P V i , j= m a x i - 1 ≤k ≤j - 1 N P V i - 1 , k+ y i , j( i - 1 , k ) ( 1+ d ) {} i . ( 3 ) 式中, N P V i , j为从 0沿最佳路径到达状态 Si , j的最 大累计净现值. 该式即为动态规划中的递归方程. 从第 1阶段的第 1个状态开始, 逐状态、 逐阶 段进行上述计算, 得出从 0点到达每一个状态的 最大 N P V , 并记录每一状态从其前一阶段到当前 状态的最佳状态转移. 由于开采计划必须把境界 内的全部煤岩采出, 所以从对应于最终境界的那 些状态中选择 N P V最大者, 然后从这一状态开始, 逐阶段反向追踪其最佳状态转移对应的前一阶段 的状态, 就得出到达最终境界的最佳路径( 动态规 5811第 8期 顾晓薇等露天煤矿生产计划优化 划中称为“ 最优策略” ) , 即最优开采计划. N P V最 大的状态所在的阶段就是最佳开采寿命. 3 实例应用 对上述产生地质最优采场序列的锥体排除方 法和开采计划优化的动态规划方法进行了编程, 作为 C o a l D e s i g n 软件系统的计划优化模块. 基于 某煤矿床的柱状煤层模型, 并根据相关技术经济 参数产生最终境界, 应用 C o a l D e s i g n对开采计划 进行了优化. 令最小采场的最大剥离量为1 1 0 0 0 1 0 4m3 a - 1 , 采场原煤量增量为 3 5 0 1 0 4t , 回采率为 0 9 6 , 最 大工作帮坡角 1 2 . 运行结果共产生了 1 8 8个地 质最优采场, 各采场的原煤量、 岩石量和表土量如 图 1所示. 应用上述动态规划模型对这一采场序列进行 动态排序, 其中 采煤成本 3 0元t - 1, 剥岩成本 4 5元 t - 1, 剥 土 成 本 1 3 5元m- 3, 原 煤 售 价 2 5 5元 t - 1, 成本上升率0 0 3 , 原煤价格上升率 图 1地质最优采场序列中各采场的煤岩量 F i g 1 Q u a n t i t i e so f c o a l a n dw a s t ei nt h eg e o l o g i c a l l y o p t i mu mp u s h b a c k s 0 0 5 , 年采矿下限1 5 0 0 1 0 4t , 年采矿上限2 0 0 0 1 0 4t , 年折现率为0 0 6 5 . 基于上述技术经济参数对产生的地质最优采 场进行动态规划, 得到如表 1所示的生产计划, 该 生产计划给出了年采剥量、 矿山开采寿命, 以及开 采顺序. 年采煤量除了第 1年以及最后两年有点 波动外, 其他年份的采煤量都恒定在 1 6 4 9 1 0 4t 左右. 由于篇幅限制, 这里只列出前 5年和最后 5年的生产计划. 表 1 开采计划优化结果 T a b l e1 R e s u l t so f mi n i n gs c h e d u l eo p t i mi z a t i o n 开采时间/ a开采原煤量 1 0 - 4/ t 岩石剥离量 1 0 - 4/ m3 四纪剥离量 1 0 - 4/ m3 年末采场在序列中的序号 11 0 2 8 9 21 5 3 2 2 87 7 0 2 6 31 21 6 4 9 8 33 4 0 7 1 87 8 1 4 2 56 31 6 4 9 9 74 0 2 9 0 15 1 5 1 7 71 1 41 6 4 9 9 25 5 9 2 4 25 0 9 5 1 91 6 51 6 4 9 9 66 0 7 7 1 24 4 8 5 6 42 1 3 51 6 4 9 8 36 4 2 4 5 21 4 2 2 4 01 7 1 3 61 6 4 9 8 45 3 5 7 2 11 0 9 6 4 41 7 6 3 71 7 7 2 5 74 6 1 1 9 31 5 3 5 0 91 8 1 3 81 7 6 1 2 05 0 6 2 8 20 0 01 8 7 3 93 3 0 0 01 1 4 4 7 80 0 01 8 8 合计6 2 6 3 6 1 72 2 5 5 1 3 8 81 0 4 0 1 4 9 4 总净现值( 不计基建投资和固定费用) 1 0 - 4/ 元 3 3 9 9 8 0 2 图2 给出了第 1年、 第 1 0年、 第 2 0年及第 3 9 年的采场三维实体图形. 从图中可以看出该方案的 开采顺序为 从境界右侧中央开始( 该位置煤层埋 深较浅) , 先向西南方向推进, 然后推进方向逐渐转 向正北, 进而转向东北, 直到最终境界被采完. 由于优化数学模型不可能考虑实际生产中需 要考虑的全部因素, 这样的开采顺序是纯经济优 化的结果. 如果考虑道路布置、 内排条件、 工作线 长度等因素, 这样的开采顺序也许不是最佳的, 有 的年份甚至是不可行的, 但这并不意味着优化没 有价值, 优化结果为最终形成“ 最佳的可行方案” 提供了非常有价值的参考. 如果没有优化, 设计出 的方案只是“ 可行方案” , 也许与“ 最佳的可行方 案” 相比, 项目的投资回报率有较大的差别. 6811东北大学学报( 自然科学版) 第 3 4卷 图 2 计划采场 3 D实体变化模型 F i g 2 T h e3 Ds o l i dmo d e l c h a n g i n gw i t ht i me ( a ) 第 1年;( b ) 第 1 0年;( c ) 第 2 0年;( c ) 第 3 9年. 4 结 语 本文根据地质最优采场定义给出了在已知境 界中产生地质最优采场序列的正锥体排除方法; 考虑到露天开采计划实际上是一个多阶段决策问 题, 建立了地质最优采场动态排序的动态规划模 型. 基于此模型实现了生产能力、 开采顺序及开采 寿命三大要素的同时优化. 实例应用表明优化结 果为最终形成“ 最佳的可行方案” 提供了非常有 价值的参考, 同时可以根据当前技术经济条件以 及未来经济技术的发展预测制定多个生产计划方 案, 为生产决策者提供有力的手段. 参考文献 [ 1 ] 黄俊歆, 郭小先, 王李管, 等. 一种新的用于编制露天矿生产 计划开采模型[ J ] . 中南大学学报 自然科学版, 2 0 1 1 , 4 2 ( 9 ) 2 8 1 9- 2 8 2 4 . ( H u a n gJ u n x i n , G u oX i a o x i a n , Wa n gL i g u a n , e ta l . A n o v e l m i n i n gm o d e l f o r o p e n p i t m i n ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n g [ J ] .J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t h U n i v e r s i t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , 2 0 1 1 , 4 2 ( 9 ) 2 8 1 9- 2 8 2 4 . ) [ 2 ] C a c c e t t aLS , H i l l P . A na p p l i c a t i o no f b r a n c ha n dc u t t oo p e n p i tm i n es c h e d u l i n g [ J ] . J o u r n a lo fG l o b a lO p t i m i z a t i o n , 2 0 0 3 , 2 7 ( 2 ) 3 4 9- 3 6 5 . [ 3 ] B l e yA , B o l a n dN , F r i c k e C , e t a l . As t r e n g t h e n e df o r m u l a t i o n a n dc u t t i n gp l a n e s f o r t h e o p e np i t m i n e p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g p r o b l e m [ J ] . C o m p u t e r s&O p e r a t i o n sR e s e a r c h , 2 0 1 0 , 3 7 ( 9 ) 1 6 4 1- 1 6 4 7 . [ 4 ] G e r s h o nM E . A no p e n p i tp r o d u c t i o ns c h e d u l e r a l g o r i t h m a n di m p l e m e n t a t i o n [ J ] . A I MET r a n s a c t i o n s , 1 9 8 7 , 2 8 2 7 9 3- 7 9 6 . [ 5 ] F y t a s K , C a l d e r PN . Ac o m p u t e r i z e dm o d e l o f o p e n p i t s h o r t a n d l o n g r a n g e p r o d u c t i o n s c h e d u l i n g[C] / / T h e 1 9 t h A p p l i c a t i o no fC o m p u t e r& Ma t h e m a t i c si n t h e Mi n e r a l I n d u s t r i e s . N e wY o r k A I ME , 1 9 8 6 1 0 9- 1 1 9 . [ 6 ] Wr i g h t EA .D y n a m i c p r o g r a m m i n g i n o p e n p i tm i n i n g s e q u e n c i n g ac a s es t u d y[ C] / / T h e2 1 t h A p p l i c a t i o n o f C o m p u t e r& Ma t h e m a t i c si nt h eMi n e r a lI n d u s t r i e s .N e w Y o r k A I ME , 1 9 8 9 4 1 5- 4 2 1 . [ 7 ] D a g d e l e nK , J o h n s o nTB . O p t i m u mo p e n p i t m i n e p r o d u c t i o n s c h e d u l i n gb yL a g r a n g i a np a r a m e t e r i z a t i o n[ C ] / / T h e1 9 t h A p p l i c a t i o no fC o m p u t e r& Ma t h e m a t i c si n t h e Mi n e r a l I n d u s t r i e s . N e wY o r k A I ME , 1 9 8 6 1 2 7- 1 3 9 . [ 8 ] Wa n gQ . O p e n p i t p r o d u c t i o np l a n n i n gt h r o u g hp i t g e n e r a t i o n a n d p i ts e q u e n c i n g[D] .C a r b o n d a l e S o u t h e r n I l l i n o i s U n i v e r s i t y , 1 9 9 2 . [ 9 ] Wa n gQ , S e v i mH . A l t e r n a t i v e t op a r a m e t e r i z a t i o ni n f i n d i n ga s e r i e s o fm a x i m u m m e t a l p i t sf o rp r o d u c t i o np l a n n i n g [ J ] . Mi n i n gE n g i n e e r , 1 9 9 5 , 2 9 8 ( 2 ) 1 7 8- 1 8 2 . 7811第 8期 顾晓薇等露天煤矿生产计划优化