CN114676468A - 一种金属露天矿最终境界优化方法和系统 - Google Patents

一种金属露天矿最终境界优化方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属露天矿最终境界优化方法和系统。该金属露天矿最终境界优化方法在基于金属露天矿床的地表范围界线和预设帮坡角确定得到几何最大境界之后，通过采用锥体排除法对几何最大境界中的模块进行进一步筛选得到最优境界，能够提高优化精度的同时，减小运算开销，提高优化效率。并且，当复杂地质条件下不同区域、不同方向上的帮坡角发生变化时，通过引入最大几何圈定法圈定境界，大大缩小最终境界优化规模，以能够为矿山生产者快速提供不同市场条件以及开采技术条件下的最终境界设计方案提供理论基础。

Description

一种金属露天矿最终境界优化方法和系统
技术领域
本发明涉及金属露天矿开采技术领域，特别是涉及一种金属露天矿最终境界优化方法和系统。
背景技术
中国当前很多矿山设计单位和矿山企业在露天矿最终境界设计过程中，习惯采用境界剥采比不大于经济合理剥才比原则的传统剖面法，这种方法费时、耗力，特别是遇到复杂矿体条件时传统剖面法误差会很大；中国关于露天矿优化软件的开发研究较少，主要是3Dmine和Dimine在推广应用，其最终境界优化原理是LG图论法，优化结果可以实现理论最优，但是优化结果需要进行第二次手工调整才能满足实际生产，而浮锥排除法这种更加贴近矿山实际生产、便于计算机应用的准优化方法在中国软件中还没有应用；第三，随着精细化优化设计要求的不断提高，露天矿模型离散化越小，运算规模越大，优化结果的时效性受到严重影响。
总体来说，中国露天矿设计采用优化软件的相对较少，主要还是计算机辅助设计的剖面法；另外，中国在露天矿最终境界优化的软件开发方面具有代表性的成果几乎没有，而且在提高优化精度的同时面临运算规模大的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种金属露天矿最终境界优化方法和系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种金属露天矿最终境界优化方法，包括：
获取金属露天矿床的地表范围界线，并构建块状模型；所述块状模型包括多个模块柱；每一所述模块柱包括多个模块；
将位于所述地表范围界线上的模块按预设帮坡角沿地表向下作延伸线，以确定所述延伸线与每一所述模块柱的相交最高点；
根据所述相交最高点确定几何最大境界；
基于所述几何最大境界采用锥体排除法确定最优境界。
优选地，所述将位于所述地表范围界线上的模块按最大帮坡角沿地表向下作延伸线，以确定所述延伸线与每一所述模块柱的相交最高点，具体包括：
将位于所述地表范围界线上的模块的中点按预设帮坡角沿地表向下延伸直至与块状模型中的各模块柱中模块的水平中线相交，得到交点；所述交点即为所述相交最高点。
优选地，所述获取金属露天矿床的地表范围界线，并构建块状模型，具体包括：
在所述金属露天矿床中构建初始模块柱，并获取所述初始模块柱的坐标；
判断所述初始模块柱是否落入所述地表范围界线的平面投影范围内；
当所述初始模块柱落入所述地表范围界线的平面投影范围内时，保留所述初始模块柱；
当所述初始模块柱落在所述地表范围界线的平面投影范围外时，删除所述初始模块柱。
优选地，所述根据所述相交最高点确定几何最大境界，具体包括：
以所述相交最高点为基准，将所述块状模型中位于所述相交最高点以下的模块删除，得到几何最大境界。
优选地，所述基于所述几何最大境界采用锥体排除法确定最优境界，具体包括：
获取预制的锥壳模板；所述锥壳模板为一个锥顶向上、锥壳与水平面间夹角等于所述预设帮坡角的锥体；
将所述锥壳模板的顶点置于所述几何最大境界的最下层的模块的中心点，以框选模块；
确定此时所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量；
根据所述矿石量和所述废石量确定锥体剥采比；
获取开采技术经济参数和预设锥体剥采比，并根据所述开采技术经济参数确定锥体的利润值；
当所述利润值小于等于零或所述锥体剥采比大于等于所述预设锥体剥采比时，将所述锥壳模板框选的模块从所述几何最大境界中删除；
当所述利润值大于零或所述锥体剥采比小于所述预设锥体剥采比时，保留所述锥壳模板框选的模块；
以所述几何最大境界的最下层的模块的中心点为起点，将所述锥壳模板移动一个台阶，并返回“确定此时所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量”，直至遍历完所述块状模型中的所有模块，得到的境界即为最优境界。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的金属露天矿最终境界优化方法，在基于金属露天矿床的地表范围界线和预设帮坡角确定得到几何最大境界之后，通过采用锥体排除法对几何最大境界中的模块进行进一步筛选得到最优境界，能够提高优化精度的同时，减小运算开销，提高优化效率。并且，当复杂地质条件下不同区域、不同方向上的帮坡角发生变化时，通过引入最大几何圈定法圈定境界，大大缩小最终境界优化规模，以能够为矿山生产者快速提供不同市场条件以及开采技术条件下的最终境界设计方案提供理论基础。
此外，对应于上述提供的金属露天矿最终境界优化方法，本发明还提供了一种金属露天矿最终境界优化系统，该系统包括：
块状模型构建模块，用于获取金属露天矿床的地表范围界线，并构建块状模型；所述块状模型包括多个模块柱；每一所述模块柱包括多个模块；
相交最高点确定模块，用于将位于所述地表范围界线上的模块按预设帮坡角沿地表向下作延伸线，以确定所述延伸线与每一所述模块柱的相交最高点；
几何最大境界确定模块，用于根据所述相交最高点确定几何最大境界；
最优境界确定模块，用于基于所述几何最大境界采用锥体排除法确定最优境界。
优选地，所述相交最高点确定模块包括：
相交最高点确定单元，用于将位于所述地表范围界线上的模块的中点按预设帮坡角沿地表向下延伸直至与块状模型中的各模块柱中模块的水平中线相交，得到交点；所述交点即为所述相交最高点。
优选地，所述块状模型构建模块包括：
初始模块柱构建单元，用于在所述金属露天矿床中构建初始模块柱，并获取所述初始模块柱的坐标；
判断单元，用于判断所述初始模块柱是否落入所述地表范围界线的平面投影范围内；
第一模块保留单元，用于当所述初始模块柱落入所述地表范围界线的平面投影范围内时，保留所述初始模块柱；
第一模块删除单元，用于当所述初始模块柱落在所述地表范围界线的平面投影范围外时，删除所述初始模块柱。
优选地，所述几何最大境界确定模块包括：
几何最大境界确定单元，用于以所述相交最高点为基准，将所述块状模型中位于所述相交最高点以下的模块删除，得到几何最大境界。
优选地，所述最优境界确定模块包括：
锥壳模板获取单元，用于获取预制的锥壳模板；所述锥壳模板为一个锥顶向上、锥壳与水平面间夹角等于所述预设帮坡角的锥体；
模块框选单元，用于将所述锥壳模板的顶点置于所述几何最大境界的最下层的模块的中心点，以框选模块；
矿石-废石量确定单元，用于确定所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量；
锥体剥采比确定单元，用于根据所述矿石量和所述废石量确定锥体剥采比；
利润值确定单元，用于获取开采技术经济参数和预设锥体剥采比，并根据所述开采技术经济参数确定锥体的利润值；
第二模块删除单元，用于当所述利润值小于等于零或所述锥体剥采比大于等于所述预设锥体剥采比时，将所述锥壳模板框选的模块从所述几何最大境界中删除；
第二模块保留单元，用于当所述利润值大于零或所述锥体剥采比小于所述预设锥体剥采比时，保留所述锥壳模板框选的模块；
循环单元，用于以所述几何最大境界的最下层的模块的中心点为起点，将所述锥壳模板移动一个台阶，并返回“确定此时所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量”，直至遍历完所述块状模型中的所有模块，得到的境界即为最优境界。
因本发明提供的金属露天矿最终境界优化系统达到的技术效果与上述提供的金属露天矿最终境界优化方法达到的技术效果相同，故在此不再进行赘述。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的金属露天矿最终境界优化方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的几何定界示意图；
图3为本发明实施例提供的几何定界结果示意图；
图4为本发明实施例提供的三维锥体示意图；
图5为本发明实施例提供的锥壳模板示意图；
图6为本发明实施例提供的锥体排除法示意图；
图7为本发明实施例提供的采用椎体排出发进行排除后的第一结果示意图；
图8为本发明实施例提供的采用椎体排出发进行排除后的第二结果示意图；
图9为本发明实施例提供的确定的最优境界示意图；
图10为本发明实施例提供的采用锥体排除法产生最优境界的第一流程框图；
图11为本发明实施例提供的采用锥体排除法产生最优境界的第二流程框图；
图12为本发明提供的金属露天矿最终境界优化系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属露天矿最终境界优化方法和系统，能够提高优化精度的同时，减小运算开销，提高优化效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的金属露天矿最终境界优化方法，包括：
步骤100：获取金属露天矿床的地表范围界线，并构建块状模型。块状模型包括多个模块柱。每一模块柱包括多个模块。块状模型的构建过程为：
在金属露天矿床中构建初始模块柱，并获取初始模块柱的坐标。
判断初始模块柱是否落入地表范围界线的平面投影范围内。
当初始模块柱落入地表范围界线的平面投影范围内时，保留初始模块柱。
当初始模块柱落在地表范围界线的平面投影范围外时，删除初始模块柱。
步骤101：将位于地表范围界线上的模块按预设帮坡角沿地表向下作延伸线，以确定延伸线与每一模块柱的相交最高点。具体的，将位于地表范围界线上的模块的中点按预设帮坡角沿地表向下延伸直至与块状模型中的各模块柱中模块的水平中线相交，得到交点。交点即为相交最高点。
步骤102：根据相交最高点确定几何最大境界。具体的，以相交最高点为基准，将块状模型中位于相交最高点以下的模块删除，得到几何最大境界。
步骤103：基于几何最大境界采用锥体排除法确定最优境界。该步骤具体包括：
获取预制的锥壳模板。锥壳模板为一个锥顶向上、锥壳与水平面间夹角等于预设帮坡角的锥体。
将锥壳模板的顶点置于几何最大境界的最下层的模块的中心点，以框选模块。
确定此时锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量。
根据矿石量和废石量确定锥体剥采比。
获取开采技术经济参数和预设锥体剥采比，并根据开采技术经济参数确定锥体的利润值。
当利润值小于等于零或锥体剥采比大于等于预设锥体剥采比时，将锥壳模板框选的模块从几何最大境界中删除。
当利润值大于零或锥体剥采比小于预设锥体剥采比时，保留锥壳模板框选的模块。
以几何最大境界的最下层的模块的中心点为起点，将锥壳模板移动一个台阶，并返回“确定此时锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量”，直至遍历完块状模型中的所有模块，得到的境界即为最优境界。
下面提供一个具体实施例，对上述提供的金属露天矿最终境界优化方法的具体实施过程进行说明。
本发明主要是基于块状模型优化露天矿境界，而在优化过程中，模型范围不仅影响到优化结果的准确性，同时还影响到计算机的运行速度和需要的存储空间。在绝大多数情况下，为了不遗漏最佳境界，块状模型覆盖的范围要比可能的最大境界大，有些情况下，受地理条件限制(河流、道路等)以及地表构筑物(受保护文物古迹等)影响，存在一个地表范围约束界线，最优境界只可能产生在该范围内。即使矿区不存在这些约束，一般也会根据矿体赋存条件确定一个合理的模型范围，使之既足够覆盖可能的最大境界，又不至于太大。因此，在任何情况下，都可事先圈定一个地表范围界线，而最佳境界不会超越这一界线。由于受露天矿最终帮坡角的约束，这一界线范围内的一部分模块也是不可能开采的，去掉受地表范围线和帮坡角约束而不需要考虑的模块后，剩余的部分是在几何上可能的最大境界，称为“几何最大境界”。找出这样一个几何最大境界的过程即为几何定界。
根据地表范围约束线和最终帮坡角所求出的几何最大境界，其模块数是整个块状模型中模块总数的一部分(一般只占1/3-1/2)，这对于提高后续优化算法的运算速率，降低对存储空间的要求，有很大作用。
在三维空间，地表范围约束线的平面投影可能为任意形状，而且地表地形不会是平坦的。下面求几何最大境界的算法适用于任何情况，基本思路是：从位于地表界线上的所有模块按最大帮坡角向下作延伸线，找出地表界限范围内每一个模块柱与这些延伸线交点的最高者，模块柱上位于最高交点上方的模块落入几何最大境界之内。位于最高交点下方的模块被排除在几何最大境界之外，如图2所示。
基于上述提供的理论基础，几何最大境界的确定过程为：
取模型中最高层某角上的模块序号坐标为(0,0,0)，沿x，y，z方向分别记为(i,j,k)(k向下增加)。ns为位于地表界线上的模块数，l为这些模块的序号(l＝1，2…ns)，第l个模块的实际坐标为(Xl,Yl,Zl)。令Nc为块状模型中模块柱总数，m为模块柱序号，(Xm,Ym,Zmk)为第m个模块柱上第k个模块的实际坐标，Zmn为模块柱m的中线与位于地表界线上的所有模块按最大帮坡角向下所作延伸线的交点中，位置最高的z坐标。
第1步：确定位于地表范围界线上的所有模块，读入这些模块的中心坐标值。
第2步：令模块柱序号m＝1，Zmn＝-1×1030。
第3步：判别模块m是否落在允许计划空间内，实际上就是判断(Xm，Ym)是否落在地表范围界线的平面投影范围内，如果是，继续下一步，否则，把这一模块柱上的模块全部排除，转到第10步。
第4步：l＝1，(即地表范围界线上第一个模块)。
第5步：计算从地表范围界线上第l个模块的中心，以该处的最大帮坡角为倾角作延伸线，计算该线与模块柱m中线的交点的z坐标Zml：
Zml＝Zl-[(Xl-Xm)2+(Yl-Ym)2]0.5tanβ (1)
第6步：如果Zml>Zmn，令Zmn＝Zml，否则Zmn不变。
第7步：l＝l+1(取地表范围界线下一个模块)。如果l≤ns，返回第5步，否则继续下一步。
第8步：将模块柱m上所有满足Zmk<Zmn(k＝1,2,3…nm。nm为模块柱m上的模块总数)的模块从块状模型中删除(对于模块柱m中Zmn所在模块，只删除低于Zmn的部分)，剩余的模块即为该模块柱落入几何最大境界内的模块。
第9步：保存坐标(Xm,Ym,Zmn)。
第10步：m＝m+1(即取下一个模块柱)，重置Zmn＝-1×1030，如果m≤Nc，返回第3步，否则计算结束。
在一个剖面上，按照上述方法得到的几何最大境界如图3所示。在几何最大境界内的下部的若干个台阶有可能没有矿，图3中标高Lmin以下根本没有矿体，可以把境界的这部分(DEC)去掉。这个境界对该矿床来说是可能的最大境界，比它大的境界没有任何考虑价值。
基于上述得到的几何最大境界，采用锥体排除法确定最优境界。在采用锥体排除法确定最优境界之前需要预制得到合适的锥壳模块。基于此，本发明构建锥壳模板的构思如下：
排除不盈利的部分，不能单独考查单个模块，因为把某个(或某些)不盈利的模块排除后形成的帮坡角会出现大于最大帮坡角的情况。所以必须构造一个锥尖向上、锥壳与水平面的夹角等于最大允许帮坡角的锥体，以锥体为单位进行排除，才能不破坏帮坡角的约束。如果落入锥体的模块的总盈利为负，就把锥体中的所有模块排除，否则，不排除任何模块。如果每移动一次锥体，现时构造锥体并计算落入锥体内的模块，对于一个具有数万个模块柱的模型，计算量会很大。预先构造一个锥体的侧面模板(简称“锥壳模板”)，可以大大提高算法的运算效率。
图4所示是一个三维锥体。假设根据岩层稳定性研究，把矿床的设计范围在4个方向上分为4个具有不同帮坡角的扇区，并确定了各扇区的最大帮坡角。那么锥体的锥壳在4个扇区内的倾角也不同，分别等于矿床在相反方向扇区的帮坡角。锥壳模板是一个二维方块模型，如图5所示。模板的模块在X、Y方向上的边长等于块状模型中模柱在水平面上相应方向的边长。模板的中心模块(图5中标有“0”的模块)对应于锥体的顶点，称为“锥顶模块”。每一模块的属性是锥体侧面(锥壳)在该模块中心处相对于锥体顶点的垂直高度，顶点的标高为0。由于顶点是锥体的最高点，所以每一模块的相对标高均为负值。每一模块的相对标高根据其所在方位的帮坡角计算。如图5所示，假设帮坡角在四个方位区I、II、III、IV上的帮坡角分别为45°、48°、50°、51°。如果模块的边长为25m，那么标有i的那个模块的中心到锥体顶点的水平距离为279.508m，简单的三角计算可知，在模块i的中心处，锥壳的相对标高为-279.508m。依据锥壳在各个方位区的倾角，可以计算出模板上每一模块的锥壳相对标高。这样一个锥壳模板可以存在一个二维数组中。
有了预制的锥壳模板，确定落入顶点在某一模柱处锥体内的那些模块就变得十分简单。假设把锥壳模板的顶点置于块状模型中的一个模块中心，该模块中心的标高为Zv，块状模型中任一模柱i处的锥壳的相对标高zi可以直接从锥壳模板数组中读取(zi为负值或0)，那么模柱i处锥壳的实际标高Zi为：Zi＝Zv+zi，该模块柱上模块的顶面标高小于等于Zi的模块都落入这一锥体内，底面标高大于等于Zi的模块均在锥体之外，顶面标高大于Zi且底面标高小于Zi的模块有一部分落入锥体内。
基于上述构建得到的锥壳模板，本实施例中，采用锥体排除法确定最优境界的过程具体如下：
(1)依据给定的各个方位的帮坡角，建立足能够覆盖X-Y水平面上品位模型范围的锥壳模板。把锥壳模板的锥顶模块置于品位模型的最底层某一模块柱i上落入当前境界的最低模块处，如图6所示。模块柱落入境界的最低模块是该柱向上数第一个中心标高高于该处境界标高的模块。
(2)确定当前境界中落入锥体的整模块和非整模块，计算锥体的矿石量和废石量，它们的比为锥体剥采比，记为Rj。或者根据当前技术经济参数计算锥体的利润值，记为Pj。如果Rj≥Rb(Rb为给定的经济合理剥采比，即预设剥采比)，或者Pj≤0(即锥体不盈利)，把锥体从当前境界中排除，即把境界中受锥体影响的所有模块柱的底部标高提升到锥壳标高。否则，什么也不做。从图6可以看出，该锥体不包含任何矿石(锥体剥采比无穷大，利润小于零)，排除后缩小境界变为当前境界，如图7所示。
(3)把锥壳模板的锥顶模块同水平移动，置于品位模型的下一个模块柱，再次计算锥体内的矿岩量以及锥体剥采比Rj(或者锥体利润值，Pj)。如果Rj>Rb，或者Pj<0，把锥体从当前境界中排除，即把境界中受锥体影响的所有模块柱的底部标高提升到锥壳标高。否则，什么也不做。如图7所示，置于模块柱9落入境界的最低模块上的锥体内全为矿石模块，保留该模块(即什么也不做)，然后再将锥体沿同水平移动到下一个模块柱，当分别考虑完模块柱10和11后，图8所示的境界变为图9所示的境界。
如此移动锥壳模板，每移动一次，计算锥体剥采比或者锥体利润值，排除锥体剥采比大于经济合理剥采比的锥体或者锥体利润值小于零的锥体，直到遍历同水平所有模块柱。
(4)锥壳模板的锥顶模块向上移动一层，即从下数第二层开始，重复上述锥体移动、评价和排除过程，排除所有锥体剥采比大于经济合理剥采比的锥体或者锥体利润值小于零的锥体。
逐层从下向上逐层重复上述过程，直到完成以最高一层模块为锥体顶点的锥体评价与排除。就完成了一次扫描，得到一个新的境界，即当前境界。然后，再从当前境界的最低模块层开始，逐模块、逐层向上，进行下一次扫描。这种扫描重复若干次，直到在一次扫描中未发现任何需要排除的锥体，就得到了最佳境界，如图9所示。
下面基于具体的算法过程对上述提供的采用锥体排除法确定最优境界的具体过程进行说明。
第1步：预制锥壳模板，以锥顶点为原点(0,0,0)，构建一个相对坐标系，锥壳上的每一个模块在这个坐标系中的位置以其在(x,y,z)方向上距离锥顶点的模块数表示，分别记为(i,j,u),u向下增加。模块在(x,y,z)方向上的长度为(ax,ay,az)。确定当前境界总层数，记为L，从下往上排序，即最下层记为1，则最高层记为L。经济合理剥采比为Rb。
第2步：记第l层有模块的模块柱集合为Ml(即l层中，模块柱底部标高低于当前l层水平标高的所有模块柱)。l＝1(即从境界中下数第一层开始)。
第3步：ml＝1(即取l层中有模块的第一个模柱)。
第4步：计算锥体内的矿岩量。
(1)将锥顶置于第ml个模柱第l层的模块上，令锥顶所在模块的实际坐标为(Xm,Ym,Zml)。
(2)取mij＝1(即取相对于ml模柱，模块序号为(i,j)的模块柱)。
(3)从几何定界过程中保存的所有模块柱的底部标高值Zmn中，取出x，y坐标为(Xm+iax，Ym+jax)所对应的Zmn坐标值，即相对于锥顶点所在模块柱ml，模块序号为(i,j)的模块柱mij底部标高值，并令Zml(i,j)＝Zmn。
(4)令模块柱mij所对应的锥壳模板上模块的相对标高为Zij(Zdm)，则模柱mij所对应的锥壳模块绝对标高为：
Zm(i,j)＝Zij(zdm)+Zml (2)
判断，如果Zm(i,j)>Zml(i,j)，则进行下一步，否则转入步骤(7)。
(5)确定锥体内模块
①计算锥壳与模柱中线交点到交点所在模块(后面均叫做锥面交点模块)下边框的距离H，令锥面交点模块中心标高为Zmk(i,j)，则：
H＝Zm(i,j)-(Zmk(i,j)-0.5az) (3)
②计算模柱中线与境界线的交点到交点所在模块(后面均叫做境界线交点模块)上边框的距离H’：
H'＝0.5az+Zmb(i,j)-Zml(i,j) (4)
式中：Zmb(i,j)为模块柱mij底部模块(即境界线交点模块)的中心标高。
③计算模块柱mij中，模块完全在锥体内的块数(即层数，注意：不包括两个交点所在模块)，记为k：
k＝(Zm(i,j)-Zml(i,j)-H-H')/az (5)
④计算中线与锥面相交点所在模块层序号，记为k′：
k'＝mb(i,j)+k+1 (6)
式中：mb(i,j)为模块柱mij的最低层序号。
(6)计算锥体内各模柱矿石量Oij和岩石量Wij
①当K<0时(即两个交点位于同一个模块中)，判断如果gk'(i,j)＞g边(gk'(i,j)为锥面交点模块地质品位。g边为在给定技术经济条件下的边界品位)，表示该模块为矿石，矿石量计算式为：
O(i,j)＝(Zm(i,j)-Zml(i,j))·ax·ay·ρk'(i,j) (7)
否则，该模块为岩石，岩石量计算式为：
W(i,j)＝(Zm(i,j)-Zml(i,j))·ax·ay·ρk'(i,j) (8)
式中：ρk'(i,j)为矿岩容重。
②当k≥0：
a.判断，如果gk'(i,j)＞g边(即锥面交点模块为矿石)，矿石量计算式为：
Ok'(i,j)＝H·ax·ay·ρk'(i,j) (9)
否则，岩石量计算式为：
Wk'(i,j)＝H·ax·ay·ρk'(i,j) (10)
b.令mb(i,j)＜d＜k'，即取锥面交点模块以下层序号为d的某一完整模块(称d模块)，判断，如果gd(i,j)＞g边(即d模块为矿石，gd(i,j)表示d模块的地质品位)，则模块柱mij在锥体内所有为矿石的完整模块累积矿量计算式为：
Figure BDA0003406128040000131
否则，模块柱mij在锥体内所有为岩石的完整模块累积岩石量计算式为：
Figure BDA0003406128040000132
c.判断，如果gb(i,j)＞g边(即底部境界线交点模块为矿石，gb(i,j)表示境界线交点模块的地质品位)，计算式为：
Ob(i,j)＝H'·ax·ay·ρb(i,j) (13)
否则计算式为：
Wb(i,j)＝H'·ax·ay·ρb(i,j) (14)
d.计算模柱mi,j中位于锥体内部分的矿石量和岩石量：
Oij＝Ok'(i,j)+Od(i,j)+Ob(i,j) (15)
Wij＝Wk'(i,j)+Wd(i,j)+Wb(i,j) (16)
(7)取下一个模块柱(即取锥顶点位于第ml个模柱第l层模块上的锥壳模板中，下一个模块(i’,j’)对应的模块柱，并令i＝i’，j＝j’)，令：
mij＝mij+1 (17)
(8)判断，如果mij＜N(当前境界内的模块柱数)，返回(3)。否则进行下一步。
(9)将锥内各模块柱矿石量和岩石量相加
Figure BDA0003406128040000141
式中：Oml为锥体顶点位于模块柱ml上第l层的锥体内矿石总量。Wml为锥体顶点位于模块柱ml上第l层的锥体内岩石总量。
第5步：计算锥体剥采比或者利润值，这里以锥体剥采比为例。
Rj＝Oml/Wml (19)
如果Rj＞Rb(经济合理剥采比)或者利润值Pj<0，则删除锥内凡是模块柱mij中Z＜Zm(i,j)的区域(即将境界线上提到模块柱中线与锥面相交的点上)，保存坐标(Xm+iax,Ym+jax,Zm(i,j))并更新(Xm+iax,Ym+jax,Zmn(i,j))。否则，什么也不做直接进入下一步。
第6步：ml＝ml+1(即取l层下一个模柱)，检验如果ml>Ml，则l层所有的模块已扫描完，继续下一步，否则返回(1)。
第7步：令l＝l+1(锥体向上移动一层)。
第8步：如果l＜L，返回第3步。否则表示已经考虑完模型中所有的模块层，转入下一步。
第9步：至此，完成了一轮扫描与锥体排除，更新境界内的模块层数L。如果本轮扫描中至少有一个非盈利锥体被排除，则返回第1步。否则，说明当前境界外围不再存在非盈利锥体，这时得到的境界即为最优境界。算法结束。
考虑到浮锥排除法固有的锥体联合体影响，为了尽可能获得较为精确的最终境界，在优化最终境界的过程中，设置了几个优化等级。比如级别1表示锥体在沿柱体向上移动过程中，每上升一层，移动高度为为一个台阶高度。级别2表示锥体在沿柱体向上移动过程中，每上升一层，移动高度为为半个台阶高度。级别3表示锥体在沿柱体向上移动过程中，每上升一层，移动高度为为1/4个台阶高度。当然设置的级别越高，计算量会呈指数增加，花费大量的时间。
在上述第5步中，当利润增量为零时的境界剥采比称为经济合理剥采比：
Figure BDA0003406128040000151
式中：p为精矿售价，元·t-1。rx为选矿回收率。ro为矿石回采率。rr为废石混入率。go为原矿品位。gr为废石品位。cw为单位岩石剥离成本，元·t-1。co为单位矿石开采成本，元·t-1。cx为单位选矿成本，元·t-1。gx为精矿品位。
根据公式(20)可以看出，经济合理剥采比的获得只与当前技术经济参数有关，与境界的大小和几何形状没有关系，也不涉及到任何与生态环境有关的问题。
锥体内矿岩利润值计算为：
Figure BDA0003406128040000152
式中：Oml为顶点位于模块柱m上第l层的锥体，包含的矿石量，104t。Wml为顶点位于模块柱m上第l层的锥体，包含的岩石量，104t。g为锥体内矿石平均地质品位，可以根据锥体内每个矿石模块的地质品位乘以模块的容重，就可得到锥体内每个矿石模块的金属量，把这些金属量相加再除以锥体总的矿石量，就得到锥体内矿石平均地质品位。
基于上述描述，本发明锥体排除法产生最优境界的具体实施过程如图10和图11所示。
基于上述内容，本发明相较于现有技术还具有以下优点：
1、本发明能够针对不同市场行情和开采技术条件变化，快速做出多套设计方案，而且技术准确，特别是针对赋存条件复杂的矿体，优势更为明显。
2、为满足实际生产需要进行二次手工调整情况，本发明采用的是更加贴近露天矿生产实际的浮锥排除法，其中为辅助优化设计而构建的锥体壳可以在任意方位满足露天矿生产实际。
3、本发明引入最大几何圈定法达到缩小模型规模以提高运算效率的目的。
此外，对应于上述提供的金属露天矿最终境界优化方法，本发明还提供了一种金属露天矿最终境界优化系统，如图12所示，该系统包括：
块状模型构建模块1，用于获取金属露天矿床的地表范围界线，并构建块状模型；所述块状模型包括多个模块柱；每一所述模块柱包括多个模块；
相交最高点确定模块2，用于将位于所述地表范围界线上的模块按预设帮坡角沿地表向下作延伸线，以确定所述延伸线与每一所述模块柱的相交最高点；
几何最大境界确定模块3，用于根据所述相交最高点确定几何最大境界；
最优境界确定模块4，用于基于所述几何最大境界采用锥体排除法确定最优境界。
作为本发明的一个实施例，上述提供的相交最高点确定模块2可以包括：
相交最高点确定单元，用于将位于所述地表范围界线上的模块的中点按预设帮坡角沿地表向下延伸直至与块状模型中的各模块柱中模块的水平中线相交，得到交点；所述交点即为所述相交最高点。
作为本发明的另一个实施例，上述提供的块状模型构建模块1可以包括：
初始模块柱构建单元，用于在所述金属露天矿床中构建初始模块柱，并获取所述初始模块柱的坐标；
判断单元，用于判断所述初始模块柱是否落入所述地表范围界线的平面投影范围内；
第一模块保留单元，用于当所述初始模块柱落入所述地表范围界线的平面投影范围内时，保留所述初始模块柱；
第一模块删除单元，用于当所述初始模块柱落在所述地表范围界线的平面投影范围外时，删除所述初始模块柱。
作为本发明的再一个实施例，上述提供的几何最大境界确定模块3可以包括：
几何最大境界确定单元，用于以所述相交最高点为基准，将所述块状模型中位于所述相交最高点以下的模块删除，得到几何最大境界。
作为本发明的又一个实施例，上述提供的最优境界确定模块4可以包括：
锥壳模板获取单元，用于获取预制的锥壳模板；所述锥壳模板为一个锥顶向上、锥壳与水平面间夹角等于所述预设帮坡角的锥体；
模块框选单元，用于将所述锥壳模板的顶点置于所述几何最大境界的最下层的模块的中心点，以框选模块；
矿石-废石量确定单元，用于确定所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量；
锥体剥采比确定单元，用于根据所述矿石量和所述废石量确定锥体剥采比；
利润值确定单元，用于获取开采技术经济参数和预设锥体剥采比，并根据所述开采技术经济参数确定锥体的利润值；
第二模块删除单元，用于当所述利润值小于等于零或所述锥体剥采比大于等于所述预设锥体剥采比时，将所述锥壳模板框选的模块从所述几何最大境界中删除；
第二模块保留单元，用于当所述利润值大于零或所述锥体剥采比小于所述预设锥体剥采比时，保留所述锥壳模板框选的模块；
循环单元，用于以所述几何最大境界的最下层的模块的中心点为起点，将所述锥壳模板移动一个台阶，并返回“确定此时所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量”，直至遍历完所述块状模型中的所有模块，得到的境界即为最优境界。
上述提供的金属露天矿最终境界优化系统可以是计算机中的处理器，各模块对应的实施步骤以软件程序的形式植入在这一处理器中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种金属露天矿最终境界优化方法，其特征在于，包括：
获取金属露天矿床的地表范围界线，并构建块状模型；所述块状模型包括多个模块柱；每一所述模块柱包括多个模块；
将位于所述地表范围界线上的模块按预设帮坡角沿地表向下作延伸线，以确定所述延伸线与每一所述模块柱的相交最高点；
根据所述相交最高点确定几何最大境界；
基于所述几何最大境界采用锥体排除法确定最优境界。
2.根据权利要求1所述的金属露天矿最终境界优化方法，其特征在于，所述将位于所述地表范围界线上的模块按最大帮坡角沿地表向下作延伸线，以确定所述延伸线与每一所述模块柱的相交最高点，具体包括：
将位于所述地表范围界线上的模块的中点按预设帮坡角沿地表向下延伸直至与块状模型中的各模块柱中模块的水平中线相交，得到交点；所述交点即为所述相交最高点。
3.根据权利要求1所述的金属露天矿最终境界优化方法，其特征在于，所述获取金属露天矿床的地表范围界线，并构建块状模型，具体包括：
在所述金属露天矿床中构建初始模块柱，并获取所述初始模块柱的坐标；
判断所述初始模块柱是否落入所述地表范围界线的平面投影范围内；
当所述初始模块柱落入所述地表范围界线的平面投影范围内时，保留所述初始模块柱；
当所述初始模块柱落在所述地表范围界线的平面投影范围外时，删除所述初始模块柱。
4.根据权利要求1所述的金属露天矿最终境界优化方法，其特征在于，所述根据所述相交最高点确定几何最大境界，具体包括：
以所述相交最高点为基准，将所述块状模型中位于所述相交最高点以下的模块删除，得到几何最大境界。
5.根据权利要求1所述的金属露天矿最终境界优化方法，其特征在于，所述基于所述几何最大境界采用锥体排除法确定最优境界，具体包括：
获取预制的锥壳模板；所述锥壳模板为一个锥顶向上、锥壳与水平面间夹角等于所述预设帮坡角的锥体；
将所述锥壳模板的顶点置于所述几何最大境界的最下层的模块的中心点，以框选模块；
确定此时所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量；
根据所述矿石量和所述废石量确定锥体剥采比；
获取开采技术经济参数和预设锥体剥采比，并根据所述开采技术经济参数确定锥体的利润值；
当所述利润值小于等于零或所述锥体剥采比大于等于所述预设锥体剥采比时，将所述锥壳模板框选的模块从所述几何最大境界中删除；
当所述利润值大于零或所述锥体剥采比小于所述预设锥体剥采比时，保留所述锥壳模板框选的模块；
以所述几何最大境界的最下层的模块的中心点为起点，将所述锥壳模板移动一个台阶，并返回“确定此时所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量”，直至遍历完所述块状模型中的所有模块，得到的境界即为最优境界。
6.一种金属露天矿最终境界优化系统，其特征在于，包括：
块状模型构建模块，用于获取金属露天矿床的地表范围界线，并构建块状模型；所述块状模型包括多个模块柱；每一所述模块柱包括多个模块；
相交最高点确定模块，用于将位于所述地表范围界线上的模块按预设帮坡角沿地表向下作延伸线，以确定所述延伸线与每一所述模块柱的相交最高点；
几何最大境界确定模块，用于根据所述相交最高点确定几何最大境界；
最优境界确定模块，用于基于所述几何最大境界采用锥体排除法确定最优境界。
7.根据权利要求6所述的金属露天矿最终境界优化系统，其特征在于，所述相交最高点确定模块包括：
相交最高点确定单元，用于将位于所述地表范围界线上的模块的中点按预设帮坡角沿地表向下延伸直至与块状模型中的各模块柱中模块的水平中线相交，得到交点；所述交点即为所述相交最高点。
8.根据权利要求6所述的金属露天矿最终境界优化系统，其特征在于，所述块状模型构建模块包括：
初始模块柱构建单元，用于在所述金属露天矿床中构建初始模块柱，并获取所述初始模块柱的坐标；
判断单元，用于判断所述初始模块柱是否落入所述地表范围界线的平面投影范围内；
第一模块保留单元，用于当所述初始模块柱落入所述地表范围界线的平面投影范围内时，保留所述初始模块柱；
第一模块删除单元，用于当所述初始模块柱落在所述地表范围界线的平面投影范围外时，删除所述初始模块柱。
9.根据权利要求6所述的金属露天矿最终境界优化系统，其特征在于，所述几何最大境界确定模块包括：
几何最大境界确定单元，用于以所述相交最高点为基准，将所述块状模型中位于所述相交最高点以下的模块删除，得到几何最大境界。
10.根据权利要求6所述的金属露天矿最终境界优化系统，其特征在于，所述最优境界确定模块包括：
锥壳模板获取单元，用于获取预制的锥壳模板；所述锥壳模板为一个锥顶向上、锥壳与水平面间夹角等于所述预设帮坡角的锥体；
模块框选单元，用于将所述锥壳模板的顶点置于所述几何最大境界的最下层的模块的中心点，以框选模块；
矿石-废石量确定单元，用于确定所述锥壳模板框选的模块的矿石量和废石量；
锥体剥采比确定单元，用于根据所述矿石量和所述废石量确定锥体剥采比；
利润值确定单元，用于获取开采技术经济参数和预设锥体剥采比，并根据所述开采技术经济参数确定锥体的利润值；
第二模块删除单元，用于当所述利润值小于等于零或所述锥体剥采比大于等于所述预设锥体剥采比时，将所述锥壳模板框选的模块从所述几何最大境界中删除；
第二模块保留单元，用于当所述利润值大于零或所述锥体剥采比小于所述预设锥体剥采比时，保留所述锥壳模板框选的模块；
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