露天煤礦最終境界與開采計劃優(yōu)化方法及其應用.pdf

1、最終境界和長期開采計劃是露天煤礦設計方案的兩個最重要的組成部分，對礦山的整體開采效益有重大影響。因此，最終境界和長期開采計劃的優(yōu)化一直是過去半個世紀以來國際礦業(yè)系統(tǒng)工程領域的熱點研究課題。
　　本文在系統(tǒng)分析國內(nèi)外在該領域的已有研究成果的基礎上，針對近水平煤層的賦存特點，給出并證明了“從地質最優(yōu)采場序列中求得最優(yōu)開采計劃”的定理，建立了優(yōu)化數(shù)學模型;從礦床地質模型的建立到最終境界和長期開采計劃的優(yōu)化，設計了一整套算法;通過軟件開發(fā)

2、，使本文的理論、方法和模型得以實現(xiàn)。
　　針對露天開采的煤礦床多呈近水平層狀分布的特點，建立了便于計算機處理和應用的規(guī)則柱狀煤層礦床模型。在算法和數(shù)據(jù)結構上充分考慮建模中處理實際地質條件的能力以及煤田探礦數(shù)據(jù)的特點，可以方便地處理斷層、煤層邊界控制、聚集效應等實際問題，具有運算效率高和實用性強的特點。
　　優(yōu)化境界和開采計劃需要建立地表標高模型。本文提出了一種能夠很好處理各種地表特征的、基于等高線的地表標高模型建立方法，設計

3、了相應的建模算法。
　　基于建立的柱狀煤層礦床模型和地表標高模型，以開采總利潤最大為目標函數(shù)，采用“錐體排除法”優(yōu)化露天煤礦開采境界。該方法首先產(chǎn)生一個可能的最大境界，然后從最大境界開始，通過錐體掃描循環(huán)，把不盈利或剝采比大于經(jīng)濟合理剝采比的錐體排除，直到在一次掃描中找不到這樣的錐體為止，就得到了最優(yōu)境界。該方法應用簡單、運行速度高，可以方便地處理不同方向（或不同區(qū)域）具有不同幫坡角的實際情況;通過把錐殼頂點依次置于各煤層底板的椎

4、體排除掃描，較好地處理了椎體重疊對優(yōu)化結果的不利影響，而且符合近水平煤層條件下境界坑底盡可能沿煤層底板設計的實際要求。針對這一優(yōu)化方法，設計了最大境界的圈定算法、錐體排除算法、錐體模板構建算法，以及相應的數(shù)據(jù)結構。
　　露天煤礦開采計劃在本文的定義中，包括開采順序（即每年開采的位置和形態(tài)）、生產(chǎn)能力（即每年的采煤量、四紀層和硬巖的剝離量）和開采壽命三大方面?，F(xiàn)有的開采計劃優(yōu)化方法一般是在給定生產(chǎn)能力（也就給定了開采壽命）的條件下，

5、尋解最佳的開采順序。然而，開采順序和生產(chǎn)能力不是相互獨立的，給定其一進行優(yōu)化得出的是局部最優(yōu)解，需要同時優(yōu)化才能得到全局最優(yōu)解。
　　本文針對露天煤礦，給出并證明了“從地質最優(yōu)到經(jīng)濟最優(yōu)”的開采計劃優(yōu)化定理，即經(jīng)濟上最優(yōu)的開采計劃中每年末的采場（包括位置、形態(tài)和大?。┧M成的采場序列，一定是地質最優(yōu)采場序列的一個子序列。對于一個給定總體積V的“地質最優(yōu)采場”是滿足工作幫坡角約束條件下，所有總體積為V的采場中含煤量最大的那個采場。根

6、據(jù)這一定理，首先在最終境界中依據(jù)工作幫坡角產(chǎn)生一個地質最優(yōu)采場序列，然后對該序列進行動態(tài)排序，求出使總凈現(xiàn)值(NPV)最大的子序列，即最優(yōu)開采計劃。這樣求得的開采計劃同時包括了最優(yōu)開采順序、生產(chǎn)能力和開采壽命?；谶@一優(yōu)化方法，建立了對地質最優(yōu)采場序列進行動態(tài)排序的一般模型和動態(tài)規(guī)劃模型，設計了地質最優(yōu)采場序列產(chǎn)生算法和該序列的動態(tài)排序算法。
　　基于本文的理論、模型和算法體系，開發(fā)了CoalDesign軟件系統(tǒng)。利用某煤礦床的實