采矿模拟技术在伊敏露天矿中的应用

贾祝广;杨志勇

【摘 要】采矿设计是矿山生产的依据和指导纲领,决定了矿山的生产模式和经济效益.利用三维仿真技术、云计算技术、采矿设计等采矿模拟技术,可以通过三维仿真技术,动态演化采矿设计方案,从而直观的判断设计的优劣,使得设计人员对采矿设计有个客观的评价,从而修改设计缺陷,达到最优. 【期刊名称】《露天采矿技术》 【年(卷),期】2015(000)002 【总页数】4页(P13-15,18)

【关键词】露天矿;采矿计划;三维模型;模拟;优化 【作 者】贾祝广;杨志勇

【作者单位】华能伊敏煤电有限责任公司,内蒙古呼伦贝尔021134;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺113122 【正文语种】中 文 【中图分类】TD672

华能伊敏煤电公司露天矿在信息化、现代化建设上一直走在国内露天矿的前列，注重将科学研究到现场实际应用的成果转化，推动了国内露天矿科技发展的历程。从1997内露天矿电铲——卡车自动化调度系统的成功应用，到管理信息系统、地质模型系统、测量验收系统、采矿设计系统、采煤模拟系统、决策分析系统等，先后围绕数字矿山为核心，建立了13个子应用系统，基本涵盖了伊敏露天矿从生产、

经营、管理各个环节，提高伊敏露天矿的整体科技水平，取得了良好的经济效益和社会效益。但由于这些系统逐年陆续实施，相互之间既有联系又相对独立，没有实现资源共享与应用，露天矿的整体效率未能充分发挥。

华能伊敏煤电公司露天矿为了将各个系统进行资源整合与利用，在国内较早提出数字矿山建设设想，与煤科集团沈阳研究院有限公司联合启动数字矿山建设项目，并于2009年系统研制成功，通过煤炭工业协会组织的验收，整体技术水平处于国际先列。伊敏露天矿数字矿山建设，提出了企业的流程再造和资源整合的模式，提高企业的技术水平、管理水平，增强企业的竞争力，取得显著的经济效益、管理效益和社会效益[1]。

采矿设计是矿山生产的依据和指导纲领，决定了矿山的生产模式和经济效益。但采矿计划设计只是从宏观上完成了矿山工程时空发展、开拓运输系统布置、设备能力核算等，难以从细节上统筹考虑各方面的因素影响。利用采矿设计模拟技术，将采矿工艺的各环节编制成界面友好、交互性强的可视化采矿设计模拟系统，可方便地分析和考虑方方面面的因素，检验设计结果。采矿计划系统与生产过程模拟技术相结合，常规设计由采矿计划系统完成，设计结果通过生产过程模拟系统进行检验，及时有效地发现设计各种不协调因素，进而调整设计方案，使设计更加优化合理。因此，采矿模拟是数字矿山的重要组成部分。

露天矿生产计划通常分为长期计划（年计划）、中期计划（月计划）、短期计划（周计划）和日常作业计划4种[2]。没有长期计划的指导，短期计划就会没有远见，出现所谓的短期行为，造成采剥失调，损害矿山的总体经济效益。为了保证矿山长期生产目标的实现，短期开采计划与长期开采计划之间应出现尽可能小的偏差。 采矿生产过程模拟系统是为采矿工程技术人员提供完成生产过程模拟一个系统工具、手段。按系统工作流程分，系统功能由：开采条块划分、生产过程模拟运算、生产过程模拟显示、模拟结果统计分析构成。其主要工作内容如下：

1）根据长远规划（年设计），采用0-1整数规划法分阶段优化确定短期生产计划（各月生产计划）。在实现过程中重点考虑各月的采剥计划产量和煤质、条带发展先后顺序、最小工作平盘宽度、重点工程等。

2）根据采剥产量和排土空间，采用线性规划法优化物流和运距，在实现过程中重点考虑采剥工程量、内外排空间、运距等限制因素。

3）模拟结果的可视化演示。在三维环境下进行采煤、剥离、排土之间的时空发展演示。

4）模拟结果分析及与计划对比。 2.1 开采条块划分

对采矿计划按照要求进行基础信息编辑，对设计推进区域，进行块段划分，对每个推进块段进行赋值（煤、岩、排土量，平均厚度等），以此作为基础进行模拟运算，分为采剥块段划分、内排块段划分和外排块段划分。 2.2 生产过程模拟运算 2.2.1 0-1整数规划原理

针对露天矿开采过程的特点，短期生产计划优化模拟采用0-1整数规划[3]方法进行。其基本原理如下：

1）将每个台阶分成若干个平行开采的条带，每个条带分成若干块段；台阶、条带和块段均按开采顺序由小到大排序。每个条块具有以下属性：①Mijk：i台阶j条带k块段煤量；②Rijk：i台阶j条带k块段岩量；③Aijk：i台阶j条带k块段灰分；④Qijk：i台阶j条带k块段发热量。

2）同时假设开采过程具有以下约束：①露天矿分区域进行开采（或排土），每个区域各台阶开采（排土）的条带平行，推进方向相同，据此把伊敏露天矿分成主采区（东南帮）、副采区（南帮）、内排、外排4个区域；②同台阶各开采条带具有逻辑顺序性：前1条带j未采完，后1条带j+1不能开采；③同条带各块段具

有逻辑顺序性：前1块段k未采完，后1块段k+1不能开采；④上下台阶之间具有超前性约束：上台阶i与下台阶i+1开采（或排土）条带之间的距离不能小于最小平盘宽度，底部内排台阶与采矿台阶的安全距离采用同样方法处理；⑤上下台阶之间具有滞后性约束：上台阶i与下台阶i+1开采（或排土）条带之间距离不能大于太大的距离。 2.2.2 0-1整数规划模型

根据以上条块划分和约束特征，设Xijk为变量，表示i台阶j条带k块段某时期是否开采（或排土），其结果取2个值：1表示开采（或排土），0表示不开采（或排土）。建立了以下0-1整数规划模型（以采剥为例）： 1）目标函数。

式中：np为条带开采台阶数量；ni为第i台阶条带数；nj为第j条带块段数。 2）产量约束（煤量约束）。令M1和M2分别表示煤量开采目标的下限与上限，则有：

式中：nc为开采台阶数量；M1为煤量开采目标的下限；M2为煤量开采目标的上限。

3）质量约束。令A1和A2分别表示灰分目标的下限与上限，则有： 式中：A1为煤质目标的下限；A2为煤质目标的上限。 4）条带顺序性约束。 5）块段顺序性约束。 6）超前性约束。 7）滞后性约束。 8）重点工程约束。

式中：K1为重点工程量下限；K2为重点工程量上限。 9）台阶不开采约束。

2.3 生产过程模拟显示

生产过程模拟计算结果，可以产生每日每月的采剥块段，据此可以在三维环境中，分月、日进行采、剥、排时空位发展动态显示。生产过程模拟显示分为二维显示和三维显示[4]2种方式。

图1中为采矿模拟过程在三维环境下动态按照月份推进过程显示（红色为显示已开采部分，随着时间的推移，逐步推进）。 2.4 模拟结果统计输出

系统模拟计算按照采煤、剥离进行约束，按照各采煤台阶、剥离台阶、排土台阶进行约束，按照电铲、卡车能力约束，按照采剥时空关系约束，按照配煤指标约束等进行各种约束条件关联计算，最终形成相应的统计结果输出，包括采煤量、剥离量、排土量、剥采比、发热量、含灰率等指标。根据模拟计算结果，形成统计报表[5]。 1）生产过程可视化模拟，以动态、直观的三维仿真模拟采、剥、排时空位发展动态显示[6]；模拟计算为计算机软件后台处理，为了直观的将模拟过程展示给有关技术人员，专门开发了三维动态模拟显示模块，将系统运输的过程、进度以三维形式直观的展示出来，便于采矿设计人员随时了解每个月的设计执行情况，该月设计的优劣，各种条件变化对设计的影响等，为采矿设计人员进行设计的调整提供了技术支持。

2）模拟运算统计结果形成了各种统计报表。采矿模拟分为动态模拟展示和结果输出2部分，模拟结果输出可以为采矿设计人员给出该设计方案的预期目标，辅助采矿设计人员判断是否实现了其设计目的，给出直接的数据进行定量分析，为采矿方案调整提供了数据支持。

3）模拟结果与道路网结合，采用线性规划方法进行运距运量优化。

系统已经在华能伊敏露天矿生产设计中使用，取得了以下成果：①模拟运算结果准确，误差范围较小，基本符合采矿计划的实际；②生产过程可视化模拟，三维动态

模拟演绎采、剥、排时空位发展过程；③模拟统计结果形成了丰富的统计报表，最大限度的满足了用户的需求。

经过华能伊敏露天矿的实际应用，证明该系统取得了预期的目标，具有实际的应用价值，具有普遍推广的意义。

【相关文献】

［1］杨志勇.露天矿数字矿山建设思路探讨［J］.露天采矿技术，2012（1）.

［2］吴会江，李建祥.露天矿生产计划的现状、问题与对策［J］.金属矿山，2005（4）. ［3］吴哲辉，曹立明，蒋昌俊.算法设计与分析［M］.北京：煤炭工业出版社，1992.

［4］胡金星，吴立新，杨可明，等.三维地学模拟体视化技术应用研究［J］.煤炭学报，1999，24（4）：345-348.

［5］王侠.基于Surpac的露天采矿计划优化设计系统及应用研究［D］．阜新：辽宁工程技术大学，2006.

［6］煤炭科学研究总院沈阳研究院．伊敏露天矿数字矿山建设研究报告［R］.抚顺：煤炭科学研究总院沈阳研究院，2009.