CN112302657B - 一种露天矿卡车运输外排方法 - Google Patents

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Abstract

一种露天矿卡车运输外排方法，涉及露天矿排土工程领域。包括获取前期数据的步骤，建立外排土场块体模型的步骤，建立0‑1整数规划模型获取外排土场各排弃年份具体堆置形态的步骤，该方法考虑到包括运输费用和占地费用的排弃费用，可保证整个外排期内剥离物排弃总费用最低。同时，传统的卡车运输外排土场设计需要多次计算才能满足排土容量要求，并存在一定的误差，本发明可一次满足排土容量且不存在误差，其外排方法更加的准确和可靠。

Description

一种露天矿卡车运输外排方法
技术领域
本发明涉及露天矿排土工程领域，特别涉及一种露天矿卡车运输外排方法。
背景技术
露天矿排土工程前期无足够内排空间排弃剥离物，需要一定时间的外排期，排弃到规划的外排土场。目前，露天矿外排土场设计通常依据进度计划的内排容量和剥离总量确定外排年份及排弃量，排弃位置设计只是满足了容量要求，例如传统卡车运输外排土场设计确定排弃区域后计算排土体积，小于或大于排弃量，就需要重新确定排弃区域，反复人工调整后才能满足排弃空间要求，该方法费时费力，误差大且排弃费用高。
现有方法无法实现外排土场排弃时间及排弃位置最优，由于外排土场排弃位置只是通过手工设计，没有理论依据，依赖操作者的经验和熟练程度，导致该方法的使用受到限制。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种露天矿卡车运输外排方法。
本发明所采用的技术方案是：一种露天矿卡车运输外排方法，其技术要点是，包括以下步骤：
获取前期数据的步骤，包括根据前期进度计划确定外排年份及考虑松散系数松方量的各年外排量、外排年份采坑出入沟位置、外排土场实体模型、运输单价和占地面积单价；
建立外排土场块体模型的步骤，利用获取的前期数据，建立块体模型，提取块体的质心点数据，由块体三维坐标和块体尺寸计算块体排弃费用为块体编号；
建立0-1整数规划模型，模型编写及求解，获取外排土场各排弃年份具体堆置形态。
上述方案中，所述的块体模型依据外排土场实体模型X、Y、Z三轴范围建立，用外排土场实体模型内部约束建立外排土场块体模型，块体模型平行X、Y轴建立，块体X轴、Y轴方向大小为卡车运输最终平盘宽度，Z轴方向大小为台阶高度。
上述方案中，所述计算块体排弃费用的过程为：把块体模型的各个质心点数据提取出来，根据块体三维坐标区分块体在三轴方向上的位置，定位块体所在台阶位置；同时根据块体三维坐标、块体尺寸及台阶位置计算排弃费用。
上述方案中，所述的计算排弃费用的过程为：根据块体所在台阶位置计算块体质心坐标到本台阶斜坡道水平距离，量取块体本台阶斜坡道到各外排年份采坑出入沟距离；根据运输单价计算块体从采坑出入沟到排弃位置的运输费用，最下块体还要根据块体尺寸和占地面积单价计算占地费用；以外排第1年为基础年，并计算折现后费用；根据运输费用与占地费用求和并折现后的费用确定为排弃费用。
上述方案中，所述的0-1规划模型，其目标函数为：
式中，I为台阶数；J为X轴方向块体数量；K为Y轴方向块体数量；T为时段数，a；Fi,j,k,t为第t时段编号(i,j,k)块体排弃费用；Xi,j,k,t为第t时段编号(i,j,k)块体决策变量，取值0或1。
0-1整数规划模型的目标函数为整个外排阶段排弃费用和最小，约束条件包括决策变量0-1约束、时空顺序约束、排弃量约束及排弃约束，决策变量0-1约束表示块体在哪个外排年份排弃，0表示不排弃，1表示排弃；时空顺序约束表示下部台阶周围块体本年份未排弃，上部台阶块体本年份及以前年份不能排弃；排弃量约束表示每年外排块体体积和等于本年外排量；排弃约束表示块体只能排弃一次或不排弃。
本发明的有益效果是：本发明的露天矿卡车运输外排方法，包括获取前期数据的步骤，建立外排土场块体模型的步骤，建立0-1整数规划模型，获取外排土场各排弃年份具体堆置形态的步骤，该方法考虑到包括运输费用和占地费用的排弃费用，可保证整个外排期内剥离物排弃总费用最低。同时，传统的卡车运输外排土场设计需要多次计算才能满足排土容量要求，并存在一定的误差，本发明可一次满足排土容量且不存在误差，其外排方法更加的准确和可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种露天矿卡车运输外排方法流程图。
具体实施方式
使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的露天矿卡车运输外排规划方法以某实例为例，具体步骤如下：
步骤1：前期数据准备。包括前期进度计划确定的外排年份及考虑松散系数松方量的各年外排量，用于确定时段数和各时段排弃量，剥离物开挖后比原始状态体积会增大，松散系数为1.1；外排年份采坑出入沟位置，用于确定各时段运距计算起点；外排土场实体模型，用于约束块体模型；运输单价和占地面积单价，用于与块体运距和计算排弃占地面积费用；外排年份及各年外排量如表1所示。
表1外排年份及各年外排量
运输单价为1km内基础单价4.73元/m3，每增加1km，增加1.67元/m3。占地面积单价为87.4元/m2。
步骤2：外排土场块体模型建立。在3Dmine软件中依据外排土场实体模型X、Y、Z三轴范围建立块体模型，用外排土场实体模型内部约束建立外排土场块体模型。为方便后期块体编号，块体模型平行X、Y轴建立；为方便后期规划模型条件约束编写，块体X、Y轴方向大小为卡车运输最终平盘宽度，设为40，Z轴方向大小为台阶高度，设为15。
步骤3：块体质心点数据提取。把块体模型的各个质心点数据提取出来，共计6074个点，部分块体质心点三维坐标如表2所示。
表2块体质心点三维坐标
根据块体三维坐标区分块体在三轴方向上的位置，定位块体所在台阶位置；同时根据块体三维坐标和块体尺寸进行费用计算。
步骤4：块体排弃费用计算。根据块体所在台阶位置计算块体质心坐标到本台阶斜坡道水平距离，量取块体本台阶斜坡道到各外排年份采坑出入沟距离。根据运输单价计算块体从采坑出入沟到排弃位置的运输费用，最下块体还要根据块体尺寸和占地面积单价计算占地费用。以外排第1年为基础年，考虑折现率，可计算折现后费用，折现率为10％。某块体各外排年份排弃费用见表3。
表3块体各外排年份排弃费用
步骤5：块体编号。根据块体质心点空间位置进行编号，为方便后期规划模型条件约束编写，虚拟一些块体，与实际排弃块体形成长方体。X、Y、Z轴形成60×66×3块体模型。Z轴方向根据质心点Z值从小到大编号，1代表最下台阶。X轴方向根据质心点X值从大到小编号，1代表XY平面最右侧块体。Y轴方向根据质心点Y值从小到大编号，1代表XY平面最下侧块体。块体质心点三维坐标及编号范围见表4。
表4块体质心点三维坐标及编号范围
步骤6：0-1整数规划模型建立。目标函数为整个外排阶段排弃费用和最小。本实施例中的0-1整数规划模型目标函数如下：
式中，I为台阶数(Z轴方向块体数量)；J为X轴方向块体数量；K为Y轴方向块体数量；T为时段数，a；Fi,j,k,t为第t时段编号(i,j,k)块体排弃费用；Xi,j,k,t为第t时段编号(i,j,k)块体决策变量，取值0或1。目标函数求解值为整个外排阶段排弃费用和最小。
(1)时空顺序约束，公式如下：
1)此约束限制正下方临近块体排弃完才能排弃本块体。
式中：τ表示时段，为实现从第1时段到时段τ的求和，又区别于t，所以加入τ，下式相同。
2)此约束限制下一台阶右侧临近块体排弃完才能排弃本块体。左右侧表示X轴方向。
3)此约束限制下一台阶左侧临近块体排弃完才能排弃本块体。
4)此约束限制下一台阶下侧临近块体排弃完才能排弃本块体。上下侧表示Y轴方向。
5)此约束限制下一台阶上侧临近块体排弃完才能排弃本块体。
6)此约束限制下一台阶右下侧临近块体排弃完才能排弃本块体。
7此约束限制下一台阶左下侧临近块体排弃完才能排弃本块体。
8)此约束限制下一台阶右上侧临近块体排弃完才能排弃本块体。
9)此约束限制下一台阶左上侧临近块体排弃完才能排弃本块体。
(2)排弃量约束，公式如下：
此约束限制各时段排弃量，保证完成各时段排弃计划。
式中，Vi,j,k为编号(i,j,k)块体体积；Vt为t时段排弃量。
(3)排弃约束，公式如下：
此约束限制每个块体最多只能排弃一次或不排弃。
步骤7：模型求解。根据规划模型在Lingo软件中进行集合段、数据段和目标约束段的编写。集合段编写4个基本集合，其中台阶(Z轴)集合有3个元素，X轴集合有60个元素，Y轴集合有66个元素，时段集合有3个元素。由基本集合组合成派生集合，台阶集合、X轴集合、Y轴集合和时段集合生成3×60×66×3的4维派生集合(表示决策变量和块体排弃费用)；台阶集合、X轴集合和Y轴集合生成3×60×66的3维派生集合(表示块体体积，为减小运算基数，块体体积表示为0或1)。数据段赋值台阶数为3，X轴方向块体数量为60，Y轴方向块体数量为66。目标约束段分时段编写时空顺序约束、排弃量约束(为减小运算基数，排弃量约束转化为块体数量约束)、排弃约束，定义0-1决策变量，编写目标函数，赋值块体排弃费用及块体体积(虚拟块体赋值为0)。运行模型，得到最优解为108118.8万元和决策变量0或1的赋值。各时段排弃块体数量见表5。
表5各时段排弃块体数量
步骤8：模拟外排土场时空发展。根据决策变量0或1的赋值，赋值为1的块体即为本年份排弃块体，把质心点数据导入3Dmine软件就可以模拟外排土场各排弃年份具体堆置形态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种露天矿卡车运输外排方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取前期数据的步骤，包括根据前期进度计划确定外排年份及考虑松散系数松方量的各年外排量、外排年份采坑出入沟位置、外排土场实体模型、运输单价和占地面积单价；
建立外排土场块体模型的步骤，利用获取的前期数据，建立块体模型，提取块体的质心点数据，由块体三维坐标和块体尺寸计算块体排弃费用，为块体编号；所述的块体模型依据外排土场实体模型X、Y、Z三轴范围建立，用外排土场实体模型内部约束建立外排土场块体模型，块体模型平行X、Y轴建立，块体X轴、Y轴方向大小为卡车运输最终平盘宽度，Z轴方向大小为台阶高度；
建立0-1整数规划模型，模型编写及求解，获取外排土场各排弃年份具体堆置形态；所述的0-1整数规划模型，其目标函数为：
；
式中，I为台阶数；J为X轴方向块体数量；K为Y轴方向块体数量；T为时段数，a；F i,j,k,t 为第t时段编号（i,j,k）块体排弃费用；X i,j,k,t 为第t时段编号（i,j,k）块体决策变量，取值0或1；
0-1整数规划模型的目标函数为整个外排阶段排弃费用和最小，约束条件包括决策变量0-1约束、时空顺序约束、排弃量约束及排弃约束，决策变量0-1约束表示块体在哪个外排年份排弃，0表示不排弃，1表示排弃；时空顺序约束表示下部台阶周围块体本年份未排弃，上部台阶块体本年份及以前年份不能排弃；排弃量约束表示每年外排块体体积和等于本年外排量；排弃约束表示块体只能排弃一次或不排弃。
2. 如权利要求1所述的露天矿卡车运输外排方法，其特征在于, 所述计算块体排弃费用的过程为：把块体模型的各个质心点数据提取出来，根据块体三维坐标区分块体在三轴方向上的位置，定位块体所在台阶位置；同时根据块体三维坐标、块体尺寸及台阶位置计算排弃费用。
3.如权利要求2所述的露天矿卡车运输外排方法，其特征在于，所述的计算排弃费用的过程为：根据块体所在台阶位置计算块体质心坐标到本台阶斜坡道水平距离，量取块体本台阶斜坡道到各外排年份采坑出入沟距离；根据运输单价计算块体从采坑出入沟到排弃位置的运输费用，最下块体还要根据块体尺寸和占地面积单价计算占地费用；以外排第1年为基础年，并计算折现后费用；根据运输费用与占地费用求和并折现后的费用确定为排弃费用。
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