地下策略优化
背景技术
通常,采矿工程师采用特定场域约定和历史实践来确定顶柱/子平面以及支柱/回采工作面的位置。概括而言,回采是从地下矿井提取矿石的过程。这留下了开放的空间,这就是所谓的“回采工作面”。支柱是未触及的开采材料。顶柱是出于安全性和稳定性的原因,在露天回采工作面的底部和地下矿井的第一水平面之间以及在地下矿井中的不同水平面的回采工作面之间留下的矿石的支柱,以确保足够的支撑/安全性。特定场域约定通常对子平面/顶柱以及回采工作面/支柱采用固定的高度/宽度的策略。固定高度/宽度的策略的示例是将所有子平面设置为30米高以及将所有顶柱设置为5米高。
发明内容
在实施例中,计算机实现的方法包括,在处理器中,将存储在存储器中的矿体固体模型切片成水平片和垂直片,并且从所述水平片和垂直片获得与矿体的回采块和支柱块相对应的信息,所述回采块和支柱块与所述水平片和垂直片的特定片相对应。
回采块和支柱块的所获得的信息可以包括相应的回采块或支柱块的体积、质量、等级或金属含量。
在实施例中,所述方法可以进一步包括:基于高度和宽度的约束,选择形成通过矿体的最佳路径的给定水平片和给定垂直片,并且向用户呈现所述最佳路径。选择形成最佳路径的所述给定水平片和给定垂直片可以包括考虑岩土地质参数、矿体位点约定以及设备工作参数。向所述用户呈现最佳路径包括向所述用户呈现所述片的3D表示或呈现示出了被选择用于最佳路径的所述片的电子表格。
选择形成最佳路径的给定水平片和给定垂直片可以进一步包括通过以下步骤创建和求解表示多个连续切片的集合的加权有向图:(i)创建用于开始位置的第一顶点,所述开始位置与所述连续切片的第一切片之前的固定支柱相对应,(ii)创建用于结束位置的第二顶点,所述结束位置与连续切片的最后切片之后的固定支柱相对应,(iii)对于满足高度/宽度约束的给定的集合以允许支柱的连续切片的每一个子组,创建相对应的顶点,(iv)对于(i)到(iii)的所创建的顶点,如果给定高度/宽度约束的集合,允许回采工作面的空间的间隔可以放置在由两个顶点表示的切片之间,则将两个顶点由边连接,(v)将边的方向设置成远离第一顶点并且朝向第二顶点,(vi)对于每一条边,通过组合由边的相对应的源顶点表示的切片的值或者组合由边的相对应的目的顶点表示的切片的值来设置边的权重,(vii)对于(i)到(vi)的加权有向图,确定从第一顶点到第二顶点的最短路径。所述最短路径可以是设计所述矿体中的回采工作面和支柱的最佳路径。最佳路径是使矿井的价值最大化的图的解决方案,其中,矿井的价值可以基于以下因素,包括但不限于:矿井的经济价值、从矿井中回收的金属的量等。所述因素可以由例如工程师或系统的用户来设置。
在实施例中,矿体模型表示待开采的形状的边界。所述矿体模型可以是三角形网格。
在实施例中,计算机实现的系统可以包括被配置为将在存储器中存储的矿体固体模型切片成水平片和垂直片的切片模块。所述系统可以进一步包括被配置为从切片的水平片和垂直片获得与矿体的回采块和支柱块相对应的信息的分析模块,所述回采块和支柱块与所述水平片和垂直片的特定片相对应。
在实施例中,非暂时性计算机可读介质被配置为存储用于分析矿体固体模型的指令。当由处理器加载和执行所述指令时,使所述处理器将存储存储器中的矿体固体模型切片成水平片和垂直片,并且从所切片的水平片和垂直片获得与矿体的回采块和支柱块相对应的信息,所述回采块和支柱块与所述水平片和垂直片的特定片相对应。
虽然操作研究被应用于采矿,但是没有操作研究方法能够解决选定顶柱/子平面和支柱/回采工作面的最佳位置的具体问题。通常,采矿工程师可以改变支柱高度/宽度参数而不会过度地危及安全性,并且可以改变子平面/回采工作面的高度/宽度参数而不会过度地危及设备工作参数。遵守固定的高度/宽度特定场域约定排除了可能给出优越的经济结果同时遵守岩土和操作约束的替代配置的考虑。即使采矿工程师选择考虑可以从中选择最佳配置的一些替代的配置,但是执行详尽的评估来交付最佳配置也是不太可能的。这样的非详尽的评估策略并不经常产生将所开采材料的价值最大化的最佳配置。
附图说明
根据下面本发明的示例实施例的更具体的描述将使得上述内容变得显而易见,正如在附图中说明的,在所述附图中相似的附图标记在不同的视图中指代相同的部分。附图未必按照比例绘制,而是将重点放在示出本发明的实施例上。
图1是示出了本发明的示例实施例的高级框图。
图2是示出了用于确定顶柱/子平面的边界位置的优化结果的表格。
图3是示出了显示边界单元网格的用户界面窗口的图,所述边界单元网格表示待开采的矿体。
图4是示出了显示块模型的用户界面窗口的图,所述块模型用于表示矿体内的矿物等级的空间分布。
图5是示出了在用户界面窗口中显示的切片的边界单元网格的图。
图6是示出了在用户界面窗口中显示的切片的矿体的示例的图。
图7是示出了由本发明的示例实施例采用的过程的流程图。
图8示出了可以实施本发明的实施例的计算机网络或类似的数字处理环境。
图9是在图8的计算机系统中的计算机(例如,客户端处理器/设备或服务器计算机)的示例内部结构的图。
具体实施方式
下面是本发明的示例实施例的描述。
当使用这些场域的具体约定时,采矿工程师应当考虑各种因素。采矿工程师考虑的一个因素是最小顶柱高度和支柱厚度的岩土约束。岩土工程师通过进行岩土研究来建立岩土约束,以确保周围的岩石的足够的强度以及子平面和回采工作面的后续挖掘。岩土约束有助于保持稳定的地面条件。第二个因素是最小子平面高度和回采工作面厚度(例如,沿着矿体走向)。最小子平面高度和回采工作面厚度被选定为符合支柱的高度/厚度并且适合所选定的开采设备的操作特性。
设计工程师可以利用本发明的实施例来设计地下矿回采工作面,例如,对于分段空场采矿法和大直径深孔采矿法,并且针对操作研究,例如,通过从在其他应用程序中的一系列不同的顶柱/子平面和支柱/回采工作面配置的范围中确定最佳结果。
本发明的实施例可以协助分段空场采矿法和大直径深孔采矿法确定垂直方向上的顶柱和子平面之间的边界以及沿着矿体走向的支柱和回采工作面之间的边界的位置。本发明的实施例可以确定受实际开采约束的这样的位置,所述实际开采约束例如(i)在垂直方向上的顶柱的最小和最大厚度,(ii)在垂直方向上的子平面的最小和最大厚度,(ⅲ)沿着矿体走向的支柱的最小和最大厚度,以及(iv)沿着矿体走向的回采工作面的最小和最大厚度。约束的其他示例有:子平面的最小和最大高度、子平面之间的顶柱的最小和最大高度、以及在第一子平面之前或最后子平面之前不需要支柱。基于对开采废料的成本、开采矿石的成本、开采矿石的回收(例如,以百分比表示)、处理矿石的成本、在选矿过程期间矿石的回收(例如,以百分比表示)、和/或从选矿过程中回收的金属所获得的收益的估计,确定这样的位置允许将开采材料的价值最大化。
确定顶柱/子平面和支柱/回采工作面边界的最佳位置的目前的方法受至少三个问题阻碍。首先,目前的方法只可以评估单个情形或少数情形,并且在少数被评估的情形中选择最好的情形。这些目前的方法是不彻底的并且产生没有将开采材料的价值最大化的配置,除非碰巧它分析的是最佳解决方案,并且通常产生开采材料的非最佳值。目前的方法没有考虑所有可能的配置,因为这个过程是计算密集型并且费时的,很少的采矿工程师具有承担优化研究的技能和经验,并且不存在合适的软件工具用于简化提供了完成优化研究所需的数据的计算。
实用的矿井几何图形可以被离散为出于优化方便的单元。方便的单元可以是确定顶柱/子平面的最佳位置的薄水平切片和/或垂直于矿体走向的、确定支柱/回采工作面的最佳位置的薄垂直切片。对方便的单元的评估可以确定废料的质量和矿石的质量、矿石的金属含量、考虑到开采的矿石和废料的成本后每一个切片的价值、开采回收系数、处理成本,处理回收率、回收的金属的收益以及切片的经济价值的最终值。可以通过从所有可能的组合中选择最佳的配置,以将结果配置的价值最大化,来使用这些离散的切片找到支柱/开采块边界的最佳位置。
本发明的实施例的优点是考虑更宽范围的替代物,而不是仅基于特定场域约定来评估一个或少数的替代物。本发明的实施例的另一个优点是,对于高度/宽度约束的给定集合,考虑到成本、回收以及收益参数集,使顶柱/子平面支柱/回采工作面的配置最大化。本发明的实施例的另一个优点是更快地计算出最佳结果。
本发明(例如,由Dassult Systèmes GEOVIA Inc.提供的Surpac回采切片机产品)的基于计算机的功能将矿体固体模型(例如,表示待开采的整体形状的边界的三角型网格)切片成多个水平片和垂直片,并且使用相关联的块模型(例如,描绘了矿物等级的空间变型的体元状的模型)来评估水平片和垂直片中的每一个,以获得回采块和支柱块的体积、质量、等级和金属含量。将用于支柱高度/厚度的岩土参数和用于子平面/回采工作面的高度/宽度因素的本地约定用于采用分段空场采矿法和大直径深孔采矿法类型的地下矿井的配置中。因此,回采切片机功能可以因此创建由边界单元网格表示的实际开采形状的薄切片,并且使用相关联的块模型来评估这些薄切片中的每一片以获得薄切片的经济价值。薄切片的经济价值的集合可以与一些类型的电子表格分析一起使用,以确定子平面/回采工作面边界的最佳位置。使用所述的数据集合,可以使用高度/宽度作为约束来计算最大的经济价值。
在实施例中,薄切片可以全部具有相同的厚度。采矿工程师定义了矿体(例如,固体),以满足在多个子平面回采操作期间作为将要开采的形状的最小开采宽度标准。每一个切片由位置“Z-from”和“Z-to”来定义。位置“Z-from”和“Z-to”共同定义了切片的厚度。每一个切片包括关于它的体积和矿石质量、废料和废料的矿石等级的信息。
图1是示出了本发明的示例实施例的高级框图100。用户102采用用户设备104(例如,使用回采切片系统)输入关于开采位置112和相对应的矿井114的信息。矿井114可以与矿体相对应,并且因此可以被建模为矿体模型。所述信息可以包括开采约束106、成本信息108和矿石产量信息110。所述信息还可以包括要被开采的固体。所述固体可以使用固体建模工具(例如,Surpac或GEMS,二者都是由Dassult Systèmes GEOVIA Inc.提供的)来创建。该固体的几何结构满足某些特性,例如,最小宽度。固体模型还可以包括矿石和废料二者。
输入信息还可以包括填充了矿物等级、比重和岩石类型的块模型,以限定和量化要被开采的材料。输入信息还可以包括开采矿石的成本、开采废料的成本、处理矿石的成本、植被恢复的因素以及回收金属的收益。输入信息还可以包括影响切片价值计算的其他因素。这些成本和其他参数可以被定义为常数值,或者可以通过使用海拔、岩石类型或用于定义空间变型的其他手段,将不同的值分配给块模型中不同的块,来在进行空间上的变化。
用户设备104基于所输入的信息来确定矿井114的最佳回采工作面和支柱配置。在一个实施例中,用户设备104可以基于该信息来构建加权有向图(例如,有向图),其中,加权有向图表示矿井114的水平切片和垂直切片。然后用户设备104可以通过加权有向图来确定最短路径。通过加权有向图的最短路径表示子平面/顶柱或回采工作面/支柱的最佳配置。
图2是示出了用于相比于在列标题“固定高度(20/5)”中的20米子平面高度和5米顶柱高度的固定高度约定,利用列标题“优化结果”中的最佳配置来确定顶柱/子平面的边界位置的优化结果的表格200。示出为概述和标签的SUB-LEVEL的单元的连续组被聚合成子平面,并且示出为概述和标签的PILLAR的单元的连续组被聚合成顶柱。例如,在最佳结果中,具有从0到15的Z-From值的切片被分组为第一子平面,具有从21到38的Z-From值的切片被分组为第二子平面,具有从16到20的Z-From值的切片被分组为第一支柱,并且具有从39到42的值的切片被分组为第二支柱。然而,在固定高度的分析中,具有从0到19的Z-From值的切片在第一子平面,具有从25到42的Z-From值的切片被分组为第二子平面,并且具有从20到24的Z-From值的切片被分组为第一支柱。
尽管图2没有示出,但是使用这些先前确定的子平面中的每一个,沿着矿体的走向发生了相似的聚合,以确定沿着走向的最佳配置。优化模块执行优化通过选择具有最小组合值的切片来描述满足规定的支柱高度/宽度约束的布置,以确定在图2中示出的最佳配置。
将优化模块的结果与使用固定高度子平面(20米)和支柱(5米)的替换的配置进行比较示出,通过子平面和支柱的最佳位置开采的材料在价值上提高了大约14%。
图2的示例示出了子平面边界的已确定的最佳位置,然而,本发明的实施例还可以确定回采工作面边界的最佳位置。回采切片机可以确定相邻切片的集合的最佳配置,以将开采和处理的材料的价值最大化。回采切片机可以确定切片路径的最佳位置无论切片的方向是水平的、垂直的或位于任何其他方向,只要切片相对于彼此是平行的并且彼此直接相邻。对于采矿工程师而言的实际好处是,优化的研究将采矿工程师引导至使价值最大化的回采工作面或子平面配置,并且引导用于开采和移除矿石和废料的下降和入口平巷的位置。
对于一组连续的切片,最佳配置的潜在解决方案在数学上,通过由具有特定方向和权重的边连接的顶点的图来表示。这种加权有向图具有六个条件。第一,存在用于起始位置的顶点,这类似于在第一切片之前的固定支柱。第二,存在用于结束位置的顶点,这类似于在最后切片之后的固定支柱。第三,存在用于满足高度/宽度约束以允许支柱的切片的每个连续的子组的顶点。第四,如果两个顶点满足高度/宽度约束,以允许相对应的支柱之间的间隔,则所述两个顶点通过边连接。第五,边的方向远离起始位置顶点并且朝向结束位置顶点。第六,边的权重或者是由每个边的源顶点表示的切片的组合值,或者是由每个边的目的顶点表示的切片的组合值。因此,边的权重可以通过组合由每个边的源顶点表示的切片的值或者通过组合由每个边的目的顶点表示的切片的值来创建。
优化模块采用加权有向图通过沿着有向边经由一系列顶点寻找连接开始位置顶点到结束位置顶点的最短路径,以便使组合的边的权重最小化,来确定最佳解决方案。在实施例中,当所有边的权重为正时,可以采用Dijkstra的最短路径搜索,并且当边的权重中的任何为负时,可以采用Bellman-Ford最短路径搜索。本文中所描述的实施例不限于Dijkstra或Bellman-Ford的最短路径搜索,但可以使用任何合适的最短路径搜索算法。形成最终路径的顶点与具有最小组合值的一组选择的切片相对应,所述最小组合值描述了满足规定的高度/宽度约束的支柱的布置,这将开采材料的价值最大化。
为了对优化模块分析进行初始化,用户定义了一些输入。首先,用户定义了用于确定最佳开采/支柱边界的固体(例如,矿体)。用户进一步输入用于切片的开始平面(水平、垂直或其他/倾斜的)和每一个切片的厚度。用户进一步输入块模型和用于确定每一个切片的值的属性。所述属性可以包括(i)比重属性,(ii)岩石类型(例如,材料种类)属性,(ⅲ)指示废料的岩石标记属性/标志,其中所有其他岩石类型将被认为是矿石,以及(ⅳ)金属等级属性。用户进一步输入特性以计算切片的值,包括(i)每单元质量的废料开采成本,(ⅱ)每单元质量的矿石开采成本,(ⅲ)每单元质量的矿石处理成本,(ⅳ)每单元金属质量的收益,(v)矿石开采回收率以及(vi)选矿回收率。可以在块模型中存储这些特性,这允许在计算切片价值中的更大的灵活性。
优化模块输出表格/电子表格,包括:(i)对于每一个切片,切片距开始平面的“Z-from”和“Z-to”距离,(ii)对于每一个切片,切片的特性、比重、金属等级、金属含量、矿石和废料质量以及切片值,(iii)对于每一个开采块和支柱块,具有“从”和“到”距离的切片的开采和支柱的配置的聚合配置,(iv)聚合金属含量和每一个开采块和支柱块的值以及(v)表示开采块和支柱块的若干固体。
在可以开采所有切片的最好的情况下,针对每一个切片增加值产生了潜在的最大值。然而,约束限制了由某些长度(例如,支柱的最小和最大高度)分隔的某些长度(例如,子平面的最小和最大高度)之间的开采。通过选择利用具有满足约束的最小组合支柱值的相邻切片形成的支柱,剩余的切片确定了满足约束并且具有最大值的子平面。
系统创建了加权有向图,所述加权有向图是由具有特定的方向和权重的边连接的顶点组成的图。满足支柱约束的相邻切片的每一个允许的支柱表示具有两个“虚拟”顶点的顶点:“开始”顶点和“结束”顶点。系统根据从开始切片的距离来对“支柱”顶点排序。然后,系统可以创建从“开始”顶点到满足子平面约束的每一个“支柱”顶点的边,边的权重是该支柱的价值。类似地,每一个“支柱”顶点可以被连接到其他“支柱”顶点并且最终连接到“结束”顶点。因此,系统会创建所有潜在的允许路径以连接“开始”顶点到“结束”顶点,这是因为“支柱”顶点在开始时已被排序。然后,系统可以通过所述图找到最短路径以获得最佳解决方案。所述最佳解决方案是遍历曲线图时具有最小累加权重(例如,值)的顶点(例如,支柱)的集合。系统可以找到对于图的一个最佳解决方案或多个、非唯一的最佳解决方案。
图3是示出了用户界面窗口304的图300,所述用户界面窗口304示出了表示待开采的矿体(例如,图1的矿井114)的边界单元网格302。待开采的矿体是优化模块以及有关矿体的信息的输入。如上所述,待开采的矿体可以由用户在3D建模软件中进行建模。
图4是示出了用户界面窗口304的图400,所述用户界面窗口304示出了用于表示矿体内的矿物等级的空间分布的块模型402。块模型还可以包括用于确定每一个切片的值的属性。属性可以包括比重、岩石类型、指示废料的岩石标记、以及金属等级属性。每一个块可以进一步与海拔相关联。与块相关联的属性可以是用于定义块的特殊变型的手段。在块模型402中的每一个块的颜色/阴影表示该块的属性。例如,阴影可以表示块的合成值,或由用户输入的具体属性。采矿工程师可以切换用户界面窗口304的视图,以突出块模型402的不同属性或组合属性。
图5是在用户界面窗口304中显示的切片的边界单元网格502的图500。系统将图3的边界单元网格302切片成沿着走向或沿着所有切片的任何共同方位的薄切片。边界单元网格的每一个多边形区域都表示一个切片。在本发明的实施例中,系统沿着走向方向将切片添加到矿体的网格上。系统还可以添加从浅到深的阴影等级,每一个切片沿着梯度具有不同的阴影。在实施例中,阴影等级可以表示切片的位置(例如,海拔、水平位置)。在图5的示例中,阴影表示在x轴上的位置,其中沿着阴影梯度的更浅阴影的切片例如503具有最低x轴位置,并且沿着阴影梯度的更深阴影的切片例如504具有最高x轴位置。
图6是示出了在用户界面窗口304中显示的切片矿体602的示例的图600。切片矿体602被创建作为本发明的实施例的结果。切片矿体602被切片成子平面606a-606g和在子平面606a-606f(例如,示出为黄色条纹)之间具有顶柱的回采工作面、以及在回采工作面之间的支柱608a-608h(示出为棕色条纹)。对于给定的输入约束、成本和收益,所创建的子平面606a-606g和支柱608a-608h给出了最佳经济配置。
顶柱/子平面和支柱/回采工作面的最佳配置表示待开采的几何形状。该几何形状被切片成薄水平切片。回采切片机使用矿物等级的空间分布的相关联的体元表示以及将材料类型分类为废料和矿石的一个或多个类型的分类,来评估每一个水平切片。优化模块使用针对废料和矿石开采成本、开采回收率、处理费用、处理回收率和游离金属的收益的估计,来评估每一个水平切片,以获得该切片的经济价值。进一步定义了顶柱和子平面的最小厚度和最大厚度的约束。
可以通过采用优化方法(例如,最短路径)或图形优化(例如,Dijkstra的最短路径搜索或Bellman-Ford搜索)来确定顶柱/子平面边界的位置,使得聚合成支柱的切片的值被最小化或聚合成子平面的切片的值被最大化,从而执行对经济价值进行优化。所得的子平面然后在垂直于矿体走向的平面上被切片成薄的垂直的或接近垂直的切片。使用矿物等级的空间分布的相关联的体元表示以及将材料类型分类为废料和一个或多个矿石类型的分类,来评估这些薄切片中的每一个。优化模块确定了支柱/回采工作面边界的位置,使得聚合到回采工作面中的切片的值被最大化。在子平面的每一个中的支柱的位置允许支柱垂直地延伸通过所有子平面,以满足岩土考虑。
图7是示出了由本发明的示例实施例采用的过程的流程图700。该过程将矿体分成片(702)。该过程获得了与矿体的回采块和支柱块相对应的信息(704)。然后,该过程基于高度和宽度的约束,选择形成了通过矿体的最佳路径的给定的片(706)。该过程向用户呈现了该最佳路径(708)。该过程可以作为电子表格、3D-表示等向用户呈现最佳路径。
图8示出了可以实施本发明的实施例的计算机网络或类似的数字处理环境。
客户端计算机/设备50和服务器计算机60提供了执行应用程序等的处理、存储和输入/输出设备。客户端计算机/设备50还可以通过通信网络70链接到其他计算设备,所述其他计算设备包括其他客户端设备/进程50和服务器计算机60。通信网络70可以是远程接入网络、全球网络(例如,因特网)、计算机的全世界的集合、局域网或广域网、以及目前使用相应的协议(TCP/IP、等)与彼此通信的网关的部分。其他电子设备/计算机网络架构是合适的。
图9是图8的计算机系统中的计算机(例如,客户端处理器/设备50或服务器计算机60)的示例内部结构的图。每一个计算机50、60包含系统总线79,其中,总线是用于在计算机或处理系统的部件之间传输数据的硬件线路的集合。系统总线79本质上是连接使得信息能够在各元件之间传送的计算机系统的不同元件(例如,处理器、磁盘存储、存储器、输入/输出端口、网络端口等)的共享管道。附连到系统总线79的是I/O设备接口82,所述I/O设备接口82用于将各种输入和输出设备(例如,键盘、鼠标、显示器、打印机、扬声器等)连接到计算机50和60。网络接口86允许计算机连接到附连到网络(例如,图8的网络70)的各种其他设备。存储器90提供了用于实施本发明的实施例的计算机软件指令92和数据94(例如,上面详述的优化模块代码)的易失性存储装置。磁盘存储装置95提供了用于实施本发明的实施例的计算机软件指令92和数据94的非易失性存储装置。中央处理器单元84也附连到系统总线79并且提供对计算机指令的执行。磁盘存储装置95或存储器90可以提供用于数据库的存储装置。数据库的实施例可以包括SQL数据库、文本文件、或数据的其他组织的集合。
在一个实施例中,处理器例程92和数据94是计算机程序产品(通常引用为92),包括提供了用于本发明系统的软件指令的至少一部分的非暂时性计算机可读介质,例如,可移动存储介质(例如一个或多个DVD-ROM、CD-ROM、软盘、磁带等)。计算机程序产品92可以由如本领域中公知的任何合适的软件安装过程来安装。在另一个实施例中,该软件指令的至少一部分还可以通过电缆通信和/或无线连接来下载。
本文所引用的所有专利、公开的申请和参考文献的教导,通过引用使其全部条款并入本文。
虽然已经参考了本发明的示例实施例特别地示出和描述了本发明,但是本领域的技术人员将理解的是,可以在不偏离由所附的权利要求涵盖的本发明的范围内,做出形式和细节上的各种变化。