CN112214867B - 复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，优化方法包括：构建开采境界模型和外排土场境界模型；构建三维地质模型；确定开采程序方案；确定生产剥采比，编制露天矿剥、采工程进度计划，确定各年度采剥工程位置及工程量；规划采场内各工程位置、各类剥离物的流向流量，优化内、外排土场利用方案；优化剥离、采煤各开采工艺服务范围及工艺系统布置方案；确定最优的开采程序。本发明的优化方法能够较好地将开采境界与开采程序进行同步协同优化，不仅可操作性较强，而且能够显著降低露天矿的剥离开采成本，同时也能够保证剥离物排弃与排土场规划的协调性。

Description

复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法

技术领域

本发明属于露天开采技术领域，具体涉及一种复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法。

背景技术

在露天矿开采境界范围内，煤层发育情况、煤质情况以及覆盖岩石的厚度等，其分布或多或少都是不均匀的。因此，不同开采程序将影响到露天矿逐年煤炭产量、质量和生产剥采比。不同的开采程序还将影响到露天矿的开拓运输系统和采煤剥离运距，进而影响到露天矿的煤岩运输费用和整体经济效果。影响露天矿开采程序的因素很多，其中主要的有以下几个方面：

(1)煤层赋存条件。采矿工业与其他工业相比，有一个显著的特点是开采对象都具有不同的特征。可以说世界上没有赋存条件完全相同的两个露天矿，因此，因地制宜地安排一个露天矿的开采程序是很必要的。

(2)露天矿的空间几何形态，即露天矿场的长度、宽度、深度、高度，以及形状的变化。露天矿场的空间几何形态是由煤层赋存条件和相关技术经济因素决定的。

(3)露天矿开采工艺。露天矿的开采工艺在技术上对露天矿开采程序有一定的要求。一般情况下露天矿开采工艺影响露天矿开采程序。但是，有时由于上述露天矿场的空间形态，比如煤层赋存条件、以及气候条件等，趋向于采用某种合理的露天矿开采程序。这时露天矿开采程序也会影响到露天矿开采工艺的选定。两者是互为联系，相辅相成的。

(4)露天矿开拓运输系统。一般情况下，露天矿开拓运输系统应确保露天矿按一定开采程序发展过程中各个时期的运输通路和最短的运距。但是，设置运输通路的可能性和合理性，以及缩短运距的要求，也会反过来影响露天矿的开采程序。因此，研究和确定露天矿开采程序时，也必然要考虑露天矿的开拓运输系统及其合理性对开采程序的影响。在内排土场的情况下更是如此。

(5)煤质情况。对于开采煤层数较多的露天矿，煤质情况在露天矿场空间范围内变化显著。不同的开采程序也将影响到露天矿逐年采出煤的平均发热量和有害物质含量等指标，从而影响露天矿山的生产配煤环节，进而影响露天矿山的经济效益。

(6)露天矿的生产能力和建设速度的要求，一定程度上也影响露天矿的开采程序。

但是目前的优化方法并不能将以上影响因素进行同步分析，不能将开采境界与开采程序进行同步协同优化。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中优化方法并不能将以上影响因素进行同步分析，不能将开采境界与开采程序进行同步协同优化的技术缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，所述优化方法包括如下步骤：

步骤S1，构建开采境界模型和外排土场到界模型；

步骤S2，构建三维地质模型

步骤S3，确定开采程序方案；

步骤S4，确定生产剥采比，编制露天矿剥、采工程进度计划，确定各年度采剥工程位置及工程量；

步骤S5，规划采场内各工程位置、各类剥离物的流向流量，优化内、外排土场利用方案；

步骤S6，优化剥离、采煤各开采工艺服务范围及工艺系统布置方案；

步骤S7，确定最优的开采程序；

所述步骤S1包括如下步骤：

步骤S101，对采场和排土场进行离散化；

步骤S102，通过降低排土标高与改变内排土场帮坡角的复合优化方式来对内排土场的发展进行动态优化；

步骤S103，将各个采剥阶段、排弃阶段分别简化为一个整体，不考虑台阶细节，采场简化成倾角为工作帮坡角的坡面，排土场简化为倾角为排土场边坡角的坡面，端帮简化为组合坡面；

步骤S104，在计算运输费用时，只考虑各个采剥阶段、排弃阶段的所对应采剥工程体的质心位置，根据采剥阶段和对应排弃阶段质心的位置变化分别计算得到上坡或下坡运距和水平运距；

步骤S105，对内排土场的范围与排弃标高，在进行模型计算时设置一个求解的范围，内排土场的范围在有端帮沿帮外排土场的情况下以沿帮外排土场为界，在端帮没有外排土场的情况下以地表境界作为内排土场的边界；

步骤S106，采场、排土场沿同一方向推进；

所述步骤S105中，内排土场的高度设定为卡车能够达到的最高排弃高度；

所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S201，构建煤层顶板、底板DEM模型；

步骤S202，构建煤层实体模型；

步骤S203，构建煤层块体模型；

步骤S204，构建煤层含煤率模型；

步骤S205，对三维地质模型进行精度校核；

所述步骤S201包括如下步骤：

步骤S2011，处理煤层顶板、底板离散高程点；

步骤S2012，处理断层线；

步骤S2013，对煤层顶板、底板数据进行估值；

步骤S2014，构建煤层顶板、底板DEM模型。

所述步骤S201具体做法为：将步骤S2014中的各个DEM面叠加，然后构建地层顶板与底面之间的侧面三角网，将侧面三角网、顶面与底面三角网缝合，形成空间包络面模型，即构建煤层实体模型；

所述步骤204中的含煤率为：

式中：η——煤层含煤率；

n——煤层层数；

m——夹矸层数；

h_i——第i层煤的厚度；

h_j——第j层夹矸的厚度；

所述步骤205中对矿山实际采出煤量与模型中的煤量数据进行进度对比，其中对比数据为至少四个月的模型计算的采剥量与矿山实际发生的采剥量，精度校准的精度误差﹤3％。

如上所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，作为优选方案，所述步骤S102中的采场-排土场动态优化的约束条件为：采场与排土场各年最下台阶距离不小于50m；

排弃体积应等于剥离量的散体体积；

同一年不管以什么样的方式进行优化，进入到内排土场的剥离物总量是不变的即内排土场的横截面积相等；

内排土场的高度的最小值应不小于平行四边形的高，所述平行四边形的高为内排土场以最大帮坡角发展到距离采场安全距离为50m时所构成的内排土场抽象出的平行四边形的高；

内排土场的最上一个平台的宽度最小值为0，最大值应不大于内排土场以最大帮坡角发展到距离采场安全距离为50m时，所构成的内排土场抽象出的平行四边形的底。

如上所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，作为优选方案，所述步骤S3中的开采程序方案包括纵采转横采和分区纵采。

如上所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，作为优选方案，所述纵采转横采的开采方案包括如下步骤：

步骤S3101，确定露天矿年生产量；

步骤S3102，均衡生产剥采比，降低生产剥采比的波动；

步骤S3103，缩短剥离运距，最大幅度占据开采形成的内排空间；

步骤S3104，降低初期生产剥采比，以降低剥离所产生的运费；

步骤S3105，分区域、分煤层计算含煤系数，为煤岩量精准计算奠定基础；

步骤S3106，布置L型工作线。

如上所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，作为优选方案，所述步骤S4包括如下步骤：

步骤S401，依据露天矿的煤炭售价浮动，确定经济合理剥采比的变化范围，拟定初始境界方案，按照境界剥采比n_k小于或等于经济合理剥采比n_j的原则，圈定初始境界；

步骤S402，构建效益测算模型，确定合理的最小盈利剥采比，从而确定露天矿的生产剥采比；

步骤S403，在圈定的初始境界范围内，按照开采程序进行模拟开采，确定露天矿的生产剥采比；

所述步骤S401中，圈定初始境界时采用边帮线段比法。

如上所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，作为优选方案，所述步骤S5中各类剥离物的流向流量优化包括如下步骤：

步骤S501，内排线性规划模型：

设某阶段有n₁个采掘台阶，每一采掘台阶分为n₂个区段，同时此刻有k₁个内排台阶，每一排土台阶有k₂个区段，用S(I，J，k，L)表示第I采掘台阶第J区段到第k个排土台阶第L区段的运距，用X(I，J，k，L)表示第I采掘台阶第J区段排弃到第k排土台阶第L区段的采掘量，则得：

约束方程：

X(I,J,k,L)≥0

式中：

A(I，J)—为第I采掘台阶、第J区段的剥岩量，m³；

B(k，L)—为第k排土台阶第L区段的排土容积，m³；

求出X(I，J，k，L)，I＝1，2，…，n₁；J＝1，2，…，n₂；K＝1，2，…，k₁；L＝1，2，…，k₂后，就完成了内排时的土岩流向和流量的分配，同时得到这种分配下的总运力(m³—km)以及内排的加权平均运距：

步骤S502，外排线性规划模型：

在内排土场进行流量与流向规划以后，再进行外排流向流量的优化，设共有m个外排土场，则目标函数：

约束条件：

Y(I，J，K)≥0，I＝1，2，…，n₁；J＝1，2，…，n₂；K＝1，2，…m工作量，将排土场所接收的排弃量与运距关系制成固定模式，计算某一时刻的排弃量；

其中Y(I，J，K)—表示I采掘台阶J区段到K排土场的土岩量，m³；

SS(I，J，K)—表示I采掘台阶J块段到K排土场排土重心的运距，km；

C(I，J)—I采掘台阶J块段的外排量，m³；

D_K—第K排土场最大排弃能力，m³/年；

D_K＝min(Q_K，n_K×q)

Q_K—为第K排土场运输干线最大通过能力，m³/年；

n_K—为K排土场当前状态下的排土道路数，条；

q—为每条排土道路的年通过能力，可以通过最大限制车流密度、车道数计算得知，m³/条年；

求出Y(I，J，K)后就完成了对外排进行了流向及流量的优化，同时可求出外排的加权平均运距。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明相比现有技术至少具有如下的技术效果：

1)相比现有技术，本发明的优化方法能够较好地将开采境界与开采程序进行同步协同进行优化，不仅可操作性较强，而且能够显著降低露天矿的剥离开采成本，同时也能够保证剥离物排弃与排土场规划的协调性。

2)提高了重车下行的安全性，满载率能够控制在80％，汽车爬坡角度由8％下降到6％。

3)可将卡车运距降低至4.32km，每年节约运输成本约7577.7万元，有助于尽快回收投资支出。

4)可以对排土场发展进行优化设计，从而确保剥离和排弃在时间、空间和量的匹配。

5)通过对至少四个月的连续采剥量校核计算，构模型误差范围控制在3％以内，能够确保三维地质模型的应用精度。

附图说明

图1为本发明实施例的采场工作线大于排土场工作线的示意图；

图2为图1的主视图；

图3为本发明实施例的采场工作线等于排土场工作线的示意图；

图4为图3的主视图；

图5为本发明实施例的采场工作线小于排土场工作线的示意图；

图6为图5的主视图；

图7为简化后所建立的采场-排土场模型示意图；

图8中(a)为地层层面DEM示意图，(b)为地层面DEM边界示意图；

图9中(c)为地层侧面TIN示意图，(d)为地层DEM缝合后的实体模型示意图。

图中：1、内排土场；2、采场；3、内排土场质心；4、剥离物质心；5、第一煤层；6、第n煤层。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1～9所示，本发明提供了一种复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，其中，图1～7中：

β为内排土场帮坡角，°；

α为采场帮坡角，°；

l_c为采场推进距离，m；

l_p为内排土场推进距离，m；

m₁为采场内排土场发展前内排追踪距离，m；

m₂为采场内排土场发展后内排追踪距离，m；

h为内排土场高度，m；

L_c为采场平均工作线长度，m；

L_p为排土场平均工作线长度，m。

优化方法包括如下步骤：

步骤S1，构建开采境界模型和外排土场到界模型，由于实际的排土场设计非常复杂，包括最高排弃高度、外排土场境界、各个台阶的高度及工作平盘宽度和排土场边坡角度等内容，其中采场中的台阶又纵跨第一煤层5、第二煤层、第三煤层、第n煤层6，完整地描述、分析及解决排土场设计、规划涉及到的所有问题，成本大且难以实现，因此有必要对排土场设计规划问题进行简化，如图7所示，为简化后所建立的采场-内排土场模型。对排土场设计简化如下：

①由于只为了研究内排土场1与采场2规律的变化，不需要细化到每一个台阶(水平)。排土规划将各个采剥阶段、排弃阶段分别简化为一个整体，不考虑台阶细节。采场简化成倾角为工作帮坡角的坡面，排土场简化为倾角为排土场边坡角的坡面，端帮也简化为组合坡面。

②在计算运输费用时，只考虑各个采剥阶段的剥离物质心4和排弃阶段的内排土场质心3位置。根据采剥阶段和对应排弃阶段质心的位置变化分别计算得到上坡(或下坡)运距和水平运距。

③内排土场1的范围与排弃标高，在进行模型计算设置一个求解的范围。内排土场1的范围在有端帮沿帮外排土场的情况下以沿帮外排土场为界，在端帮没有外排土场的情况下以地表境界作为内排土场1的边界。内排土场1的高度设定为一个较高的高度，如设定为卡车能够达到的最高排弃高度。

④采场与排土场沿同一方向推进。

其中步骤S1包括如下步骤：

步骤S101，内排土场1在发展的过程中，由于境界的不规则导致采场工作线长度与排土场的工作线长度不相等，在采煤量一定的情况下，会造成采场的推进度与排土场的推进度不匹配的情况。采场与排土场工作线长度的不相等造成三种采场与排土场位置关系：

①如图1所示，采场工作线＞排土场工作线，即L_c＞L_p；

②如图3所示，采场工作线＝排土场工作线，即L_c＝L_p；

③如图5所示，采场工作线＜排土场工作线，即＜L_c＜L_p。

为了解决上面出现的这种问题，以及由于开采方式的变化造成排土场空间的不匹配的现象，通过降低排土标高与改变内排土场帮坡角的复合优化方式来对内排土场的发展进行动态优化，其中采场-排土场动态优化的约束条件为：

保证采场能够推出去，排土场能够跟进，同时排土场不滑坡；

理想条件下，排土场收容体积应等于剥离量的散体体积；

同一年不管以什么样的方式进行优化，进入到内排土场1的剥离物总量是不变的即内排土场的横截面积相等；

内排土场1的高度最小值应不小于内排土场1以最大帮坡角发展到距离采场安全距离为50m时，所构成的内排土场1抽象出的平行四边形的高；

内排土场1的最上一个平台的宽度最小值为0，最大值应不大于内排土场1以最大帮坡角发展到距离采场安全距离为50m时，所构成的内排土场1抽象出的平行四边形的底。

步骤S102，将各个采剥阶段、排弃阶段分别简化为一个整体，不考虑台阶细节，采场2简化成倾角为工作帮坡角的坡面，排土场简化为倾角为排土场边坡角的坡面，端帮简化为组合坡面。

步骤S103，在计算运输费用时，只考虑各个采剥阶段、排弃阶段的所对应采剥工程体的质心位置，根据采剥阶段和对应排弃阶段质心的位置变化分别计算得到上坡或下坡运距和水平运距。

步骤S104，对内排土场1的范围与排弃标高，在进行模型计算时设置一个求解的范围，内排土场1的范围在有端帮沿帮外排土场的情况下以沿帮外排土场为界，在端帮没有外排土场的情况下以地表境界作为内排土场1的边界；

步骤S105，采场2、排土场沿同一方向推进。

优选的，步骤S104中，内排土场1的高度设定为卡车能够达到的最高排弃高度。

步骤S2，构建三维地形地质模型，步骤S2包括如下步骤：

步骤S201，构建煤层顶板、底板DEM模型。

步骤201包括如下步骤：

步骤S2011，处理煤层顶板、底板离散高程点，煤层顶、底板离散高程点主要根据地质勘探钻孔所穿过的煤层，分别提取各煤层顶、底板在各钻孔的位置与高程信息，然后将其展入煤层顶、底板离散高程点平面图。

步骤S2012，由于地质钻孔还是单点的数据采集方式，断层信息采集不完成，无法进行连续建模，因此，需要从勘探线剖面图中提取并补充部分断层数据。可利用勘探线剖面图，采用空间序列断面法连接形成断煤交线。

空间序列断面法首先将原始的二维勘探线剖面图进行三维化、空间旋转后归位至勘探线位置，形成三维空间断面。将矿体各勘探线的剖面线，利用图纸空间复位技术，即通过三维旋转形成空间剖面，将其平移、调整标高后放入到与其对应的勘探线位置的三维空间，形成空间序列断面，然后断面空间位置依次连接各剖面图中断层与煤层顶底板交点，形成断层与煤层顶底板相交的三维断煤交线。

步骤S2013，对煤层顶板、底板数据进行估值，由于露天矿煤层分布范围广、尺度大，在地质勘探阶段获取的原始数据仅仅是对三维地质数据场的有限采样，具有明显的离散性、稀疏性。为了建立煤层三维地质模型，研究煤层地质数据的空间分布规律或者实现对未知区域的预测、推断，需要采用地质统计学方法根据已知的煤层顶底板勘探数据来估计未知区域的空间数据，即进行煤层顶、底板数据估值，本发明采用克里金法将以空间点坐标x_u，x_v，x_w为自变量的随机场z(x_u,x_v,x_w)＝z(x)称为区域化变量。克里金估值方法是主要用来分析处理区域化变量的一种插值方法，是从区域化变量的结构性和随机性出发，在有限区域内对区域化变量进行无偏、最优估计的一种方法。

步骤S2014，构建煤层顶板、底板DEM模型，基于各煤层建模边界线、煤层顶底板离散高程点数据以及断煤交线，以建模边界线与断层线为约束线，进行约束Delaunay三角剖分，构建煤层顶底板DEM，步骤S201具体做法为：将步骤S2014中的各个DEM面叠加，然后构建地层顶板与底面之间的侧面三角网，将侧面三角网、顶面与底面三角网缝合，形成空间包络面模型，再进行固化，然后即构建煤层实体模型。

步骤S202，构建煤层实体模型，露天矿三维地质建模的关键问题就是地质实体模型的构建。实体模型可以较好地描述矿山不规则地质体的形态以及空间位置，其可视化效果好，可以对其进行任意角度观察，并且实体模型可以自动积分并计算体积，可以任意角度切制剖面，大大提高了采矿工程设计的质量与速度。

建立各地层层面DEM模型后，将DEM面叠加在一起，然后构建地层顶面与底面之间的侧面三角网，将侧面三角网、顶面与底面三角网“缝合”，形成空间包络面模型，即可构建地层实体模型，如图8和图9所示，为地层层面DEM缝合构建实体模型示意图。

步骤S203，构建煤层块体模型；

步骤S204，构建煤层含煤率模型，煤层中的含煤率是指在某一煤层中煤的纯厚度与该煤层中煤矸总厚度的比值以百分数形式表示，计算公式如(1)所示：

式中：η——煤层含煤率；

n——煤层层数；

m——夹矸层数；

h_i——第i层煤的厚度；

h_j——第j层夹矸的厚度。

步骤S205，对三维地质模型进行精度校核，步骤S205中对矿山实际采出煤量与模型中的煤量数据进行比较，其中比较数据为至少四个月的煤的模型量与矿山每月实际发生量的数据，精度校准的精度误差﹤3％。

步骤S3，确定开采程序方案，其中两个方案包括纵采转横采和分区纵采，纵采转横采的开采方案包括如下步骤：

步骤S3101，确定露天矿年生产量，在确定露天矿年生产量时，包括年生产量与备采煤量。

步骤S3102，均衡生产剥采比，降低生产剥采比的波动，尽量保证生产剥采比波动较小，考虑逐年生产剥采比情况以及开采境界内的剩余可采储量和剥离量，尽量贴近均衡生产剥采比。

步骤S3103，缩短剥离运距，最大幅度占据横采形成的内排空间，横采形成的内排空间应尽可能占据，即采剥工程与内排土场发展相协调，以实现真正意义的缩短剥离运距。

步骤S3104，降低初期生产剥采比，以降低剥离所产生的运费；

步骤S3105，分区域、分煤层考虑含煤系数、挥发分、硫份等煤质参数，为煤岩量精确计算、精细配煤奠定基础；

为煤岩量准确计算奠定基础；

步骤S3106，布置L型工作线。

步骤S4，确定生产剥采比，编制露天矿剥、采工程进度计划，确定各年度采剥工程位置及工程量，步骤S4包括如下步骤：

步骤S401，依据露天矿的煤炭售价浮动，确定经济合理剥采比的变化范围，拟定初始境界方案，按照境界剥采比n_k小于或等于经济合理剥采比n_j的原则，圈定初始境界。

步骤S402，构建效益测算模型，确定合理的最小盈利剥采比，从而确定露天矿的生产剥采比。

步骤S403，在圈定的初始境界范围内，按照开采程序进行模拟开采，确定露天矿的生产剥采比。

优选的，步骤S401中，圈定初始境界时采用边帮线段比法。

运输工作是露天矿整个生产工艺过程中的一个重要环节，露天矿运输成本占全部生产成本的50％以上，控制运输成本对提高露天矿经济效益具有重要意义。合理规划剥离物流量流向来减少运输费用是降低露天矿生产成本的重要技术手段之一。

本发明根据首采区各年度的开拓运输系统拓扑网络图，结合相应的采掘点、排卸点计划工程量，以矿岩采、排平衡，总运输功耗最小为目标，采用线性规划算法对各采掘点到各排卸点的剥离物流向、流量进行优化计算，合理安排各采掘点到各排卸点间剥离物的流向及流量。现将剥离物流向、流量优化模型分析如下：采用线性规划方法，研究采掘块段的剥离物有多少量应排往哪个排土场的哪个排土区段，具体包括步骤S5和步骤S6：

步骤S5，规划采场2内各工程位置、各类剥离物的流向流量，优化内、外排土场利用方案；步骤S5中各类剥离物的流向流量优化包括如下步骤：

步骤S501，内排线性规划模型：

设某阶段有n₁个采掘台阶，每一采掘台阶分为n₂个区段，同时此刻有k₁个内排台阶，每一排土台阶有k₂个区段，用S(I，J，k，L)表示第I采掘台阶第J区段到第k个排土台阶第L区段的运距，用X(I，J，k，L)表示第I采掘台阶第J区段排弃到第k排土台阶第L区段的采掘量，则得：

约束方程：

式中：

A(I，I)—为第I采掘台阶、第J区段的剥岩量，m³；

B(k，L)—为第k排土台阶第L区段的排土容积，m³；

求出X(I，J，k，L)，I＝1，2，…，n₁；J＝1，2，…，n₂；k＝1，2，…，k₁；L＝1，2，…，k₂后，就完成了内排时的土岩流向和流量的分配，同时得到这种分配下的总运力(m³—km)以及内排的加权平均运距：

步骤S502，外排线性规划模型：

在内排土场1进行流量与流向规划以后，再进行外排流向流量的优化，设共有m个外排土场，则目标函数：

约束条件：

Y(I，J，K)≥0，I＝1，2，…，n₁；J＝1，2，…，n₂；K＝1，2，…m工作量，将排土场所接收的排弃量与运距关系制成固定模式，计算某一时刻的排弃量；

其中(6)、(7)、(8)中：

Y(I，J，K)—表示I采掘台阶J区段到k排土场的土岩量，m³；

SS(I，J，K)—表示I采掘台阶J块段到K排土场排土重心的运距，km；

C(I，J)—I采掘台阶J块段的外排量，m³；

D_K—第K排土场最大排弃能力，m³/年；

D_K＝min(Q_K，n_K×q) (10)

Q_K—为第K排土场运输干线最大通过能力，m³/年；

n_K—为K排土场当前状态下的排土道路数，条；

q—为每条排土道路的年通过能力，可以通过最大限制车流密度、车道数计算得知，m³/条年；这样求出Y(I，J，K)后就完成了对外排进行了流向及流量的优化，同时可求出外排的加权平均运距。

除此之外，本发明还可以优化排弃位置：由流向流量模型得出各排土平盘上应容纳的排弃量，该量往往小于初始计划中预定范围内的容量，因此需对此进行合理分配，形成一个较为优化的排弃位置，最后得出优化后的排弃位置。根据优化排弃位置得出的重心位置及运距重新修正排弃的运输线路及总排弃运距，编制年度设计中的排土计划。

通过本发明可以反复多次地进行多方案比较，从而找到较为合适的排弃位置，实现土岩流向流量的优化。

步骤S6，优化剥离、采煤各开采工艺服务范围及工艺系统布置方案；

步骤S7，确定最优的开采程序。

实施例2

霍林河煤田位于内蒙古自治区霍林郭勒市和扎鲁特旗境内，为地质储量119.2亿t的2号煤，又称老年褐煤，平均发热量3100千卡/千克。煤田由北向南划分为北部普查区，沙尔呼热区、二露天区、西南部详查区四个勘探区。霍林河煤田一号露天矿南北长10km，东西宽3.4km，批准采矿地表面积34.0013km²，开采深度由864m至432m标高。地理坐标为：东经119°08′～119°46′，北纬45°10′～119°40′。

霍林河南露天矿位于沙尔呼热镇，开发建设于1981年9月1日，设计规模年产300万t，于1984年9月1日移交生产，1992年9月3日二期700万t年产规模移交生产，1999年12月将原一号露天矿调整为一号露天南露天矿和一号露天北露天矿。2008年末形成1500万t生产规模，2015年5月通过国家煤矿安监总局核定能力1800万t/a。

基于本发明的优化方法在霍林河南露天煤矿进行具体实施时，针对三维地质模型精度校核，通过每月模型的采剥量和矿山实际采剥量的对比计算，得到连续四个月的模型精度误差分别为0.29％(6月)、2.8％(7月)、6％(8月)、0.28％(9月)，满足精度误差容许范围(3％)。因此，所构建的三维地质模型精准可靠，可用于后续开采境界圈定、开采程序优化、破碎站移设方案制定提供精准可靠的模型支撑。

此外，霍林河南露天矿开采境界圈定步骤如下：

(1)依据霍林河南露天矿现阶段煤炭售价浮动，确定经济合理剥采比变化范围，拟定初始境界方案，按照境界剥采比n_k小于或等于经济合理剥采比n_j的原则，采用边帮线段比法圈定初始境界；

(2)构建效益测算模型，确定合理的最小盈利剥采比，从而确定霍林河南露天矿的境界剥采比。

(3)在圈定的初始境界范围内，按照开采程序进行模拟开采，确定霍林河南露天矿的生产剥采比。

依据n_k境界剥采比不大于n_j经济合理剥采比的原则，综合考虑采场边坡稳定性计算结果和开采参数，圈定开采境界。按照满足边坡稳定要求的采场最终帮坡角东帮为20°，南、西、北端帮为26°；卡车内排土场最终帮坡角为16°。

排土场容量需求分析方面：

(1)霍林河南露天矿境界内可采可采煤层9层，可采煤量为48358万t，剥离量为163751万m³，平均剥采比为3.39m³/t。

(2)霍林河南露天矿西排土场总计剩余15241万m³，其中包括2号排土机在西排土场剩余排弃容量约为2497万m³，在2020年排土空间急剧释放后，直至2024年内排空间能满足剥离量需求。

开采程序方面：

(1)南露天矿和北矿三采区的累计年产量规模为2200万t，备采煤量不少于750万t；考虑到南矿的核准能力为1800万t/a，确定北矿三采区年产量不低于400万t，备采煤量约250万t。

(2)尽量保证生产剥采比波动较小，考虑近几年的逐年生产剥采比情况以及开采境界内的剩余可采储量和剥离量，以平均剥采比3.4m³/t作为均衡生产剥采比，尽量贴近该值。

(3)横采形成的内排空间应尽可能占据，即采剥工程与内排土场发展相协调，以实现真正意义的缩短剥离运距；

(4)尽量减少北矿三采区初期生产剥采比，以降低剥离运费。

(5)尽快减少采坑数量，加快南坑横采推进速度，同时考虑北坑距南内排近，加快北坑降深与推进度。

(6)应分区域、分煤层考虑含煤系数，为煤岩量准确计算奠定基础。

纵采转横采开采程序方案方面：

本方案为纵采转横采开采程序方案，最终目标是实现一个完全的横采区进行开采。从开采现状到实现完全横采需要一段时期进行过渡，称为过渡期。在此时期内从南采区继续由南向北推进，直至回收南采区全部资源。北采区与配采区按照L型工作线布置，既向西推进又向北推进，直至两个采区合并为一个采区并形成完全横采的工作线。

北采区之前已存在南北向的纵采工作线，本横采方案的最终设计目的是实现完全横采，故在原有纵采工作线条件下形成东西走向的横采工作线，由南向北推进。北采区工作线按“L”型布置，直至完全实现横采。

分区纵采开采程序方案方面：

基于霍林河南露天矿开采现状、产量需求、境界内可采煤量、平均剥采比、剥离运距等因素，降低剥采比、强化内排、缩短运距，优化采剥与排土时空关系及各采区协调开采。南采区现已形成横采工作线，继续进行横采内排，南采区的水平推进度按所需内排空间和一号排土机排土跟进速度确定。北采区和配采区仍由现在的纵采继续向西推进。加快北采底部到界速度，尽快实现内排，在二号岩破重新移设前，北采区向深部延深；为了保持一定的剥采比，配采向西推进。三采区在现在工作线长度的基础上，纵向向西推进直到西部境界，再过渡到向北进行横向推进。

纵采转横采剥离物流量流向规划方面，即每年的剥采规划为：

2018年剥离物流量流量规划：2018年计划生产煤量2203万t，计划剥离量7489万m³，剥采比为3.39m³/t。2018年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，三采区内排土场，西二卡车排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2019年剥离物流量流向规划：2019年计划生产煤量2199万t，计划剥离量7557万m³，剥采比为3.44m³/t。2019年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场、三采区内排土场、西二卡车排土场、西四卡车外排土场、一号排土机排土场、二号排土机排土场。

2020年剥离物流量流向规划：2020年计划生产煤量2207万t，计划剥离量8808万m³，剥采比为3.66m³/t。2020年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，三采区内排土场，西二卡车排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2021年剥离物流量流向规划：

2021年计划生产煤量2198万吨，计划产生剥离量7491万m³，剥采比为3.41m³/t。2021年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，三采区内排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2022年剥离物流量流向规划：2022年计划生产煤量2216万t，计划产生剥离量7339万m³，剥采比为3.31m³/t。2022年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，三采区内排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2023年剥离物流量流向规划：2023年计划生产煤量2210万t，计划剥离量7363万m³，剥采比为3.33m³/t。2023年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，三采区内排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2024年剥离物流量流向规划：2024年计划生产煤量2200万t，计划产生剥离量7387万m³，剥采比为3.35m³/t。2024年所使使用的排土场分别为南内排卡车排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

分区纵采剥离物流量流向规划：

2018年剥离物流量流向规划：2018年计划生产煤量2192万t，计划剥离量7475万m³，剥采比为3.41t/m³。2018年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，三采区内排土场，西二卡车排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2019年剥离物流量流向规划：2019年计划生产煤量2196.73万t，计划剥离量7517万m³，剥采比为3.38t/m³。2019年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场、三采区内排土场、西二卡车排土场、西四卡车外排土场、中内排土场、一号排土机排土场、二号排土机排土场。

2020年剥离物流量流向规划：2020年计划生产煤量2202.24万t，计划剥离量7413万m³，剥采比为3.37t/m³。2020年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场、三采区内排土场、一号排土机排土场、二号排土机排土场。

2021年剥离物流量流向规划：2021年计划生产煤量2203.07万t，计划产生剥离量7469万m³，剥采比为3.37t/m³。2021年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2022年剥离物流量流向规划：2022年计划生产煤量2205.61万t，计划产生剥离量7479.56万m³，剥采比为3.39t/m³。2022年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，三采区内排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2023年剥离物流量流向规划：2023年计划生产煤量2223.10万t，计划剥离量7548.84万m³，剥采比为3.40t/m³。2023年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，三采区内排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

2024年剥离物流量流向规划：2024年计划生产煤量2207万t，计划产生剥离量7460万m³，剥采比为3.38t/m³。2024年所使用的排土场分别为南内排卡车排土场，一号排土机排土场，二号排土机排土场。

综上所述，本发明在霍林河南露天煤矿实施时，(1)采用带有约束条件的Delaunay三角网(CD-TIN)构建了霍林河南露天矿三维地质面模型、三维地质实体及块体模型、满足矿山工程发展状态及几何约束关系的模拟开采模型；通过2017年6月～9月的连续采剥量校核计算，所构模型误差范围控制在3％以内，确保了三维地质模型的应用精度。(2)针对霍林河南露天矿倾斜多煤层复杂地质构造，统计出霍林河南露天矿的钻孔含煤率点，利用克里金插值法对全区各煤层含煤率点进行空间内插，将估值后含煤率点与块体进行匹配赋值，构建基于体元的含煤率属性的三维块体模型，用于煤量的精准计算。(3)圈定了霍林河南露天矿的开采境界，对剩余地质储量进行了计算，可采煤量为48358万t，剥离量为163751万m³，平均剥采比为3.39m³/t。相比现有技术，本发明的优化方法能够较好地将开采境界与开采程序进行同步协同进行优化，不仅可操作性较强，而且能够显著降低露天矿的剥离开采成本，同时也能够保证剥离物排弃与排土场规划的协调性。本发明通过模型计算出来的采剥量和实际的采出进行了对比，并且是几个月的连续对比，确保模型和实际是相符的，所以本发明中的模型是可信的，以此为基础，可以进行工程位置推演。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，其特征在于，所述优化方法包括如下步骤：

步骤S1，构建开采境界模型和外排土场到界模型；

步骤S2，构建三维地质模型

步骤S3，确定开采程序方案；

步骤S4，确定生产剥采比，编制露天矿剥、采工程进度计划，确定各年度采剥工程位置及工程量；

步骤S5，规划采场内各工程位置、各类剥离物的流向流量，优化内、外排土场利用方案；

步骤S6，优化剥离、采煤各开采工艺服务范围及工艺系统布置方案；

步骤S7，确定最优的开采程序；

所述步骤S1包括如下步骤：

步骤S101，对采场和排土场进行离散化；

步骤S102，通过降低排土标高与改变内排土场帮坡角的复合优化方式来对内排土场的发展进行动态优化；

步骤S103，将各个采剥阶段、排弃阶段分别简化为一个整体，不考虑台阶细节，采场简化成倾角为工作帮坡角的坡面，排土场简化为倾角为排土场边坡角的坡面，端帮简化为组合坡面；

步骤S104，在计算运输费用时，只考虑各个采剥阶段、排弃阶段的所对应采剥工程体的质心位置，根据采剥阶段和对应排弃阶段质心的位置变化分别计算得到上坡或下坡运距和水平运距；

步骤S105，对内排土场的范围与排弃标高，在进行模型计算时设置一个求解的范围，内排土场的范围在有端帮沿帮外排土场的情况下以沿帮外排土场为界，在端帮没有外排土场的情况下以地表境界作为内排土场的边界；

步骤S106，采场、排土场沿同一方向推进；

所述步骤S105中，内排土场的高度设定为卡车能够达到的最高排弃高度；

所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S201，构建煤层顶板、底板DEM模型；

步骤S202，构建煤层实体模型；

步骤S203，构建煤层块体模型；

步骤S204，构建煤层含煤率模型；

步骤S205，对三维地质模型进行精度校核；

所述步骤S201包括如下步骤：

步骤S2011，处理煤层顶板、底板离散高程点；

步骤S2012，处理断层线；

步骤S2013，对煤层顶板、底板数据进行估值；

步骤S2014，构建煤层顶板、底板DEM模型；

所述步骤S201具体做法为：将步骤S2014中的各个DEM面叠加，然后构建地层顶板与底面之间的侧面三角网，将侧面三角网、顶面与底面三角网缝合，形成空间包络面模型，即构建煤层实体模型；

所述步骤204中的含煤率为：

式中：η——煤层含煤率；

n——煤层层数；

m——夹矸层数；

h_i——第i层煤的厚度；

h_j——第j层夹矸的厚度；

所述步骤205中对矿山实际采出煤量与模型中的煤量数据进行进度对比，其中对比数据为至少四个月的模型计算的采剥量与矿山实际发生的采剥量，精度校准的精度误差﹤3％。

2.如权利要求1所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，其特征在于，所述步骤S102中的采场-排土场动态优化的约束条件为：采场与排土场各年最下台阶距离不小于50m；

排弃体积应等于剥离量的散体体积；

同一年不管以什么样的方式进行优化，进入到内排土场的剥离物总量是不变的即内排土场的横截面积相等；

内排土场的高度的最小值应不小于平行四边形的高，所述平行四边形的高为内排土场以最大帮坡角发展到距离采场安全距离为50m时所构成的内排土场抽象出的平行四边形的高；

内排土场的最上一个平台的宽度最小值为0，最大值应不大于内排土场以最大帮坡角发展到距离采场安全距离为50m时，所构成的内排土场抽象出的平行四边形的底。

3.如权利要求1所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，其特征在于，所述步骤S3中的开采程序方案包括纵采转横采和分区纵采。

4.如权利要求3所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，其特征在于，所述纵采转横采的开采方案包括如下步骤：

步骤S3101，确定露天矿年生产量；

步骤S3102，均衡生产剥采比，降低生产剥采比的波动；

步骤S3103，缩短剥离运距，最大幅度占据开采形成的内排空间；

步骤S3104，降低初期生产剥采比，以降低剥离所产生的运费；

步骤S3105，分区域、分煤层计算含煤系数，为煤岩量精准计算奠定基础；

步骤S3106，布置L型工作线。

5.如权利要求1所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：

步骤S401，依据露天矿的煤炭售价浮动，确定经济合理剥采比的变化范围，拟定初始境界方案，按照境界剥采比n_k小于或等于经济合理剥采比n_j的原则，圈定初始境界；

步骤S402，构建效益测算模型，确定合理的最小盈利剥采比，从而确定露天矿的生产剥采比；

步骤S403，在圈定的初始境界范围内，按照开采程序进行模拟开采，确定露天矿的生产剥采比；

所述步骤S401中，圈定初始境界时采用边帮线段比法。

6.如权利要求1所述复杂煤层条件下露天矿开采境界与开采程序协同优化方法，其特征在于，所述步骤S5中各类剥离物的流向流量优化包括如下步骤：

步骤S501，内排线性规划模型：

设某阶段有n₁个采掘台阶，每一采掘台阶分为n₂个区段，同时此刻有k1个内排台阶，每一排土台阶有k₂个区段，用S(I，J，k，L)表示第I采掘台阶第J区段到第k个排土台阶第L区段的运距，用X(I，J，k，L)表示第I采掘台阶第J区段排弃到第k排土台阶第L区段的采掘量，则得：

约束方程：

X(I，J，k，L)≥0

式中：

A(I，J)-为第I采掘台阶、第J区段的剥岩量，m³；

B(k，L)-为第k排土台阶第L区段的排土容积，m³；

求出X(I，J，k，L)，I＝1，2，...，n₁；J＝1，2，...，n₂；k＝1，2，...，k₁；L＝1，2，...，k₂后，就完成了内排时的土岩流向和流量的分配，同时得到这种分配下的总运力(m³-km)以及内排的加权平均运距：

步骤S502，外排线性规划模型：

在内排土场进行流量与流向规划以后，再进行外排流向流量的优化，设共有m个外排土场，则目标函数：

约束条件：

Y(I，J，K)≥0，I＝1，2，…，n₁；J＝1，2，…，n₂；K＝1，2，…m工作量，将排土场所接收的排弃量与运距关系制成固定模式，计算某一时刻的排弃量；

其中Y(I，J，K)-表示I采掘台阶J区段到K排土场的土岩量，m³；

SS(I，J，K)-表示I采掘台阶J块段到K排土场排土重心的运距，km；

C(I，J)—I采掘台阶J块段的外排量，m³；

D_K-第K排土场最大排弃能力，m³/年；

D_K＝min(Q_K，n_K×q)

Q_K—为第K排土场运输干线最大通过能力，m³/年；

n_K-为K排土场当前状态下的排土道路数，条；

q—为每条排土道路的年通过能力，可以通过最大限制车流密度、车道数计算得知，m³/条年；

求出Y(I，J，K)后就完成了对外排进行了流向及流量的优化，同时可求出外排的加权平均运距。