CN114676952A - 一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法及系统。该方法包括基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，确定几何最大境界；根据几何最大境界，采用锥体排除法，确定优化后的境界；根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本；以生态‑经济综合效益最大为目标，以优化后的境界矿岩量和土地损坏面积为输入数据，以不同区域最终帮坡角为约束条件，构建境界生态化优化模型；根据境界生态化优化模型，采用迭代法确定生态最优境界。本发明提高了确定露天矿境界的准确性以及全面性。

Description

一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法及系统

技术领域

本发明涉及金属露天矿开采技术领域，特别是涉及一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法及系统。

背景技术

露天矿规划的第一步通常是设计最优境界。关于境界设计的算法有很多，例如浮锥法，图论法，改进的图论法和网络流法等。近十年来，境界设计主要集中在两个方面。一是针对不同的实际条件提出不同的优化方法，例如，Frimpong、Asa和Szymansk在最优境界优化中考虑了地质构造、水文和工程地质条件，用人工智能算法求解；Jalali、Ataee-pour和Shahriar考虑境界形态的不确定性，用马尔科夫随机过程求解；Latorre和Golosinski在境界设计中考虑了资金的时间价值。另外就是针对市场价格和资源的不确定性展开了广泛的研究。

随着人们的可持续发展意识的增强，矿业生产承受的压力也日益增大，不仅需要依据经济和工程准则开采，而且需要奉行可持续发展原则。许多国家制定了法律法规，要求对采矿项目进行环境影响评价和土地复垦规划。为了促进对可持续发展问题的关注，一些国家出台了最佳实践指南。学术界也就矿山开采的环境问题进行了大量研究。生命周期评价(LCA)是广泛用于评估采矿、选矿、冶炼和加工等的环境影响的方法之一。在大多数LCA研究中，采矿系统被大大简化，不考虑详细开采方案对环境冲击的影响。Durucan、Korre和Munoz-Melendez建立的LCA模型对采矿系统的考虑更为综合和详细。

对于一个给定矿山，生态冲击显然与矿山设计方案密切相关。就露天矿而言，生态冲击随最优境界的大小、其平均剥采比和开采寿命的变化而变化。然而，从以上简述中可以看出，对最优境界优化问题的研究不考虑环境问题，而对开采环境问题的研究又不考虑具体的矿山设计方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法及系统，提高确定露天矿境界的准确性以及全面性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法，包括：

基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，确定几何最大境界；

根据几何最大境界，采用锥体排除法，确定优化后的境界；

根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本；所述生态足迹包括：排岩场面积、尾矿库面积以及采场面积；所述生态成本包括：总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本；

以生态-经济综合效益最大为目标，以优化后的境界矿岩量和土地损坏面积为输入数据，以不同区域最终帮坡角为约束条件，以生态成本为新增内生变量，构建境界生态化优化模型；单位面积生态成本包括：单位采矿生态成本、单位选矿生态成本以及单位剥岩生态成本；

根据境界生态化优化模型，采用迭代法确定生态最优境界。

可选地，所述根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本，具体包括：

根据优化后的境界确定生态足迹；

根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本。

可选地，所述根据优化后的境界确定生态足迹，具体包括：

利用公式

确定排岩场面积；

利用公式

确定尾矿库面积；

其中，W_i为第i次境界优化得到的境界内岩石剥离量，10⁴t；A_w,i为排岩场面积，hm²；γ_w为岩石在排岩场沉实后的膨胀系数；S_w为排岩场形态系数；ρ_w为岩石平均原地体重，t·m^-3；H_w为排岩场高度，m，A_t,i为第i次境界优化得到的境界所需要的尾矿库面积，hm²；S_t为尾矿库形态系数；ρ_t，i为第i次境界优化得到的境界排放尾矿的比重，t·m^-3，H_t为尾矿库深度，m，Q_t,i为第i次境界优化得到的境界所能产生的尾矿总量。

可选地，所述根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本，具体包括：

利用公式

确定总的直接经济损失；

利用公式

确定外生生态价值损失；

利用公式

确定复垦成本；

利用公式

确定能耗生态成本；

其中，

为外生生态价值损失，

为复垦成本，

为能耗生态成本，c_z，c_ee，c_r，分别表示单位面积征地成本、外生生态价值损失和复垦成本，10⁴元/hm²，m为露天采场消耗的化石能源种类；q_j为单位矿岩采剥量的第j种一次化石能源消耗量，t·t^-1；q_pe为单位矿岩采剥量的电力消耗量，kwh·t^-1；v_j为第j种一次化石能源的单位重量的热值，kcal·kg^-1；η_j为第j种一次化石能源的单位热值的碳排放量，即碳排放系数，t·kcal^-7；α为碳到二氧化碳的转换系数；e_c为每度电标准煤消耗量，kg·kWh^-1；r_c为火力发电占总发电的比例；v_c为单位重量标准煤的热值，kcal·kg^-1；η_c为煤的碳排放系数，t·kcal^-7；c_cp为单位重量二氧化碳捕捉成本，元·t^-1；q_xe为单位入选矿量的电力消耗量，kwh·t^-1，O_i为第i次境界优化得到的境界内矿石量，10⁴t，A_p,i为采场面积，

为总的直接经济损失。

一种考虑生态环境的露天矿境界优化系统，包括：

几何最大境界确定模块，用于基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，确定几何最大境界；

优化后的境界确定模块，用于根据几何最大境界，采用锥体排除法，确定优化后的境界；

生态足迹和生态成本确定模块，用于根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本；所述生态足迹包括：排岩场面积、尾矿库面积以及采场面积；所述生态成本包括：总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本；

境界生态化优化模型构建模块，用于以生态-经济综合效益最大为目标，以优化后的境界矿岩量和土地损坏面积为输入数据，以不同区域最终帮坡角为约束条件，构建境界生态化优化模型；单位面积生态成本包括：单位采矿生态成本、单位选矿生态成本以及单位剥岩生态成本；

生态最优境界确定模块，用于根据境界生态化优化模型，采用迭代法确定生态最优境界。

可选地，所述生态足迹和生态成本确定模块具体包括：

生态足迹确定单元，用于根据优化后的境界确定生态足迹；

生态成本确定单元，用于根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本。

可选地，所述生态足迹确定单元具体包括：

排岩场面积确定子单元，用于利用公式

确定排岩场面积；

尾矿库面积确定子单元，用于利用公式

确定尾矿库面积；

其中，W_i为第i次境界优化得到的境界内岩石剥离量，10⁴t；A_w,i为排岩场面积，hm²；γ_w为岩石在排岩场沉实后的膨胀系数；S_w为排岩场形态系数；ρ_w为岩石平均原地体重，t·m^-3；H_w为排岩场高度，m，A_t,i为第i次境界优化得到的境界所需要的尾矿库面积，hm²；S_t为尾矿库形态系数；ρ_t，i为第i次境界优化得到的境界排放尾矿的比重，t·m^-3，H_t为尾矿库深度，m，Q_t,i为第i次境界优化得到的境界所能产生的尾矿总量。

可选地，生态成本确定单元具体包括：

总的直接经济损失确定子单元，用于利用公式

确定总的直接经济损失；

外生生态价值损失确定子单元，用于利用公式

确定外生生态价值损失；

复垦成本确定子单元，用于利用公式

确定复垦成本；

能耗生态成本确定子单元，用于利用公式

确定能耗生态成本；

其中，

为外生生态价值损失，

为复垦成本，

为能耗生态成本，c_z，c_ee，c_r，分别表示单位面积征地成本、外生生态价值损失和复垦成本，10⁴元/hm²，m为露天采场消耗的化石能源种类；q_j为单位矿岩采剥量的第j种一次化石能源消耗量，t·t^-1；q_pe为单位矿岩采剥量的电力消耗量，kwh·t^-1；v_j为第j种一次化石能源的单位重量的热值，kcal·kg^-1；η_j为第j种一次化石能源的单位热值的碳排放量，即碳排放系数，t·kcal^-7；α为碳到二氧化碳的转换系数；e_c为每度电标准煤消耗量，kg·kWh^-1；r_c为火力发电占总发电的比例；v_c为单位重量标准煤的热值，kcal·kg^-1；η_c为煤的碳排放系数，t·kcal^-7；c_cp为单位重量二氧化碳捕捉成本，元·t^-1；q_xe为单位入选矿量的电力消耗量，kwh·t^-1，O_i为第i次境界优化得到的境界内矿石量，10⁴t，A_p,i为采场面积，

为总的直接经济损失。

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：

本发明所提供的一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法及系统，基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，确定几何最大境界；根据几何最大境界，采用锥体排除法，确定优化后的境界；根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本；以生态-经济效益最大为目标，以优化后的境界矿岩量和土地损坏面积为变量，以不同区域最终帮坡角为约束条件，以生态成本为新增内生变量，构建境界生态化优化模型；量化金属矿露天开采的生态成本，并将生态成本纳入到境界优化算法之中，以揭示生态成本对境界优化结果的影响。

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为本发明所提供的一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法流程示意图；

图2为具体实施例的流程示意图；

图3为本发明所提供的一种考虑生态环境的露天矿境界优化系统结构示意图。

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考虑生态环境的露天矿境界优化方法及系统，提高确定露天矿境界的准确性以及全面性。

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。

图1为本发明所提供的一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法流程示意图，如图2所示，本发明所提供的一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法，包括：

S101，基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，确定几何最大境界；即确定几何最大境界是为了减少境界内不必要的模块，提高后续优化算法的运输速度，降低对存储空间的需求量。

S102，根据几何最大境界，采用锥体排除法，确定优化后的境界；

S103，根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本；所述生态足迹包括：排岩场面积、尾矿库面积以及采场面积；所述生态成本包括：总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本；

S103具体包括：

根据优化后的境界确定生态足迹；

根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本。

所述根据优化后的境界确定生态足迹，具体包括：

利用公式

确定排岩场面积；

利用公式

确定尾矿库面积；

其中，W_i为第i次境界优化得到的境界内岩石剥离量，10⁴t；A_w,i为排岩场面积，hm²；γ_w为岩石在排岩场沉实后的膨胀系数；S_w为排岩场形态系数；ρ_w为岩石平均原地体重，t·m^-3；H_w为排岩场高度，m，A_t,i为第i次境界优化得到的境界所需要的尾矿库面积，hm²；S_t为尾矿库形态系数；ρ_t，i为第i次境界优化得到的境界排放尾矿的比重，t·m^-3，H_t为尾矿库深度，m，Q_t,i为第i次境界优化得到的境界所能产生的尾矿总量。

所述根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本，具体包括：

利用公式

确定总的直接经济损失；

利用公式

确定外生生态价值损失；

利用公式

确定复垦成本；

利用公式

确定能耗生态成本；

其中，

为外生生态价值损失，

为复垦成本，

为能耗生态成本，c_z，c_ee，c_r，分别表示单位面积征地成本、外生生态价值损失和复垦成本，10⁴元/hm²，m为露天采场消耗的化石能源种类；q_j为单位矿岩采剥量的第j种一次化石能源消耗量，t·t^-1；q_pe为单位矿岩采剥量的电力消耗量，kwh·t^-1；v_j为第j种一次化石能源的单位重量的热值，kcal·kg^-1；η_j为第j种一次化石能源的单位热值的碳排放量，即碳排放系数，t·kcal^-7；α为碳到二氧化碳的转换系数；e_c为每度电标准煤消耗量，kg·kWh^-1；r_c为火力发电占总发电的比例；v_c为单位重量标准煤的热值，kcal·kg^-1；η_c为煤的碳排放系数，t·kcal^-7；c_cp为单位重量二氧化碳捕捉成本，元·t^-1；q_xe为单位入选矿量的电力消耗量，kwh·t^-1，O_i为第i次境界优化得到的境界内矿石量，10⁴t，A_p,i为采场面积，

为总的直接经济损失。

以矿山生产活动(采矿、剥岩、选矿)为生态成本的产生诱因，根据采矿工艺特点以及生态成本分类，找出造成每项生态成本的直接矿山生产活动，把矿山生态成本归结到每采一吨矿石、剥离一吨岩石和选一吨矿石所产生的生态成本。

确定的过程具体为：

(1)直接经济损失的分配

直接经济损失主要发生在露天采场、排土场、尾矿库以及其他占用的土地(矿山专用道路、选矿厂、办公区和专用设施及场地等)。露天采场造成的直接经济损失总额为：

式中：C_PZ为露天采场的直接经济损失，10⁴元；C_Z为总的直接经济损失，10⁴元；A_p为采场面积，hm²；A_d为土地损毁总面积(露天采场、排土场和尾矿库以及道路设施等占地面积之和)，hm²。

露天采场的直接经济损失是由于矿石的采出以及岩石的剥离造成的采场损毁土地的产值以及其附属价值的损失。在采场中，相同重量的矿石和岩石，由于容重不一样，其各自在采场中所占的范围大小(体积)也就不一样，所以这里将露天采场的直接经济损失按照矿岩体积比例分配到单位采矿和剥岩成本上：

式中：c_pzo为露天采场的直接经济损失分摊到单位采出矿石的生态成本，元·t^-1；c_pzw为露天采场的直接经济损失分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1；O为采场中的矿石开采量，10⁴t；W为采场中的岩石剥离量，10⁴t。

排土场造成的直接经济损失总额为：

式中：C_WZ为排土场的直接经济损失，10⁴元；A_w为排土场压占的土地面积，hm²。

排土场的直接经济损失是由于排土场的直接占地造成被征地的产值以及其附属价值的损失。排土场是为了处理剥离的岩石而建立，所以这里将排土场的直接经济损失全部分配到单位岩石剥离量上：

式中：c_wzw为排土场直接经济损失分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1。

尾矿库造成的直接经济损失总额为：

式中：C_TZ为尾矿库的直接经济损失，10⁴元；A_t为尾矿库占用的土地面积，hm²。

尾矿库的直接经济损失是由于尾矿库的直接占地造成被征地的产值以及其附属价值的损失。尾矿库是为处理选矿厂排放的尾矿而建立的，如果没有选矿厂(即矿山的产品是原矿)也就没有尾矿，所以这里将尾矿库的直接经济损失全部分配到单位入选矿量上：

式中：c_tzx为尾矿库直接经济损失分摊到单位入选矿的生态成本，元·t^-1。

矿山专用道路、选矿厂、办公区和专用设施及场地等(其他土地占用)造成的直接经济损失总额为：

式中：C_AZ为其他土地占用的直接经济损失，10⁴元；A_a为其他土地占用面积，即前面提到的其他直接足迹，hm²。

其他土地占用的直接经济损失是可以根据其服务对象进行分配，比如选矿厂占地是为选矿服务，采场通往排土场的道路是为排弃剥离的岩石服务，采场通往选矿厂的道路是为采出的矿石进行下一步处理服务，办公大楼是为整个矿山服务(包括采矿、剥岩和选矿)。所以根据其他足迹的服务对象，可以将其面积表示为：

A_a＝a_o+a_w+a_x (9)

式中：a_o表示为采出的矿石服务的其他土地占用面积，hm²；a_w表示为剥离的岩石服务的其他土地占用面积，hm²；a_x表示为入选的矿石服务的其他土地占用面积，hm²。

这样，其他土地占用的直接经济损失在单位采矿、剥岩和选矿上的分配为：

式中：c_azo是服务于采出矿石的其他土地占用所产生的直接经济损失分摊到单位采出矿石的生态成本，元·t^-1；c_azw是服务于剥离岩石的其他土地占用所产生的直接经济损失分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1；c_azx是服务于入选矿石的其他土地占用所产生的直接经济损失分摊到单位入选矿的生态成本，元·t^-1。

(2)外生生态价值损失的分配

外生生态价值损失主要发生在露天采场、排土场、尾矿库以及其他占用的土地(矿山专用道路、选矿厂、办公区和专用设施及场地等)。

露天采场造成的外生生态价值损失总额为：

式中：C_PE为露天采场的外生生态价值损失，10⁴元；C_E为总的外生生态价值损失，10⁴元。

露天采场的外生生态价值损失是由于矿石及岩石的采出对生态环境的破坏造成的。所以这里将露天采场的外生生态价值损失按照矿岩体积比例分配到单位采剥量上：

式中：c_peo为露天采场外生生态价值损失分摊到单位采出矿石开采的生态成本，元·t^-1；c_pew为露天采场外生生态价值损失分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1。

排土场造成外生生态价值损失总额为：

式中：C_WE为排土场的外生生态价值损失，10⁴元。

排土场的外生生态价值损失是由于排土场直接占地破坏生态环境造成的。排土场是为了处理剥离的岩石而建立，所以这里将排土场的外生生态价值损失分配到单位岩石剥离量上：

式中：c_wew为排土场外生生态价值损失分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1。

尾矿库造成的外生生态价值损失总额为：

式中：C_TE为尾矿库的外生生态价值损失，10⁴元。

尾矿库的外生生态价值损失是由于尾矿库的直接占地破坏生态环境造成的。尾矿库是为处理选矿厂排放的尾矿而建立的，没有选矿厂，矿山销售的就是原矿，就不会产生尾矿，所以这里将尾矿库的外生生态价值损失分配到单位入选矿量上：

式中：c_tex为尾矿库外生生态价值损失分摊到单位入选矿的生态成本，元·t^-1。

其他土地占用(矿山专用道路、选矿厂、办公区和专用设施及场地等)所造成的外生生态价值损失总额为：

同样，对于其他土地占用所产生的外生生态价值损失的分配，按照其服务对象进行考虑，则其他土地占用的外生生态价值损失在单位采矿、剥岩和选矿上的分配为：

式中：c_aeo是服务于采出矿石的其他土地占用所产生的外生生态价值损失分摊到单位采出矿石的生态成本，元·t^-1；c_aew是服务于剥离岩石的其他土地占用所产生的外生生态价值损失分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1；c_aex是服务于入选矿石的其他土地占用所产生的外生生态价值损失分摊到单位选矿的生态成本，元·t^-1。

(3)复垦成本分配

复垦成本主要发生在露天采场、排土场和尾矿库以及其他占用的土地(矿山专用道路、选矿厂、办公区和专用设施及场地等)。露天采场造成的复垦成本总额为：

式中：C_PR为露天采场总的复垦费用，10⁴元；C_R为总的复垦成本，10⁴元。

露天采场的复垦费用是为了恢复采场破坏的生态环境而进行复垦所需的成本。露天采场是由于矿石及岩石的采出造成的，所以这里将露天采场的复垦成本按矿岩体积比例分配到单位采剥量上：

式中：c_pro为露天采场复垦成本分摊到单位采出矿石的生态成本，元·t^-1；c_prw为露天采场复垦成本分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1。

排土场造成的复垦成本总额为：

式中：C_WR为排土场的复垦费用，10⁴元。

排土场的复垦费用是为了恢复排土场破坏的生态环境而进行复垦所需的成本。排土场是为了处理剥离的岩石而建立，所以这里将排土场的复垦成本分配到单位岩石剥离量上：

式中：c_wrw为排土场复垦成本分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1。

尾矿库造成的复垦成本总额为：

式中：C_TR为尾矿库的复垦费用，10⁴元。

尾矿库的复垦费用是为了恢复尾矿库破坏的生态环境而进行复垦所需的成本。尾矿库是为处理选矿厂排放的尾矿而建立的，没有选矿厂，矿山销售的就是原矿，就不会产生尾矿，所以这里将尾矿库的复垦成本分配到单位入选矿量上：

式中：c_trx为尾矿库复垦成本分摊到单位入选矿石的生态成本，元·t^-1。

恢复“其他占用土地”生态功能所需要的复垦费用为：

把恢复“其他占用土地”生态功能所需要的复垦费分配到单位采矿、剥岩和选矿上：

式中：c_aro是服务于采出矿石的其他土地占用所需要的复垦费用分摊到单位采出矿石的生态成本，元·t^-1；c_arw是服务于剥离岩石的其他土地占用所需要的复垦费用分摊到单位剥离岩石的生态成本，元·t^-1；c_arx是服务于入选矿石的其他土地占用所需要的复垦费用分摊到单位选矿的生态成本，元·t^-1。

(4)能耗生态成本分配

能耗生态成本主要发生在露天采场和选矿厂。能耗生态成本的产生主要源于露天采场一次化石能源消耗以及露天采场和选矿厂的电力消耗。如果知道单位采剥量的一次化石能源消耗量、耗电量以及单位入选矿量的电力消耗，就可根据第i年的采剥量和入选矿量计算出第i年的一次化石能源消耗量q_ji、采场的耗电量q_pei和选矿厂耗电量q_xei。一般来说，对于一个规模一定的矿山来说，单位矿岩采剥消耗的一次化石能源量和电量，以及单位选矿量的电力消耗量，是可以估计的。所以，根据碳捕捉法计算单位采矿、剥岩和选矿的能耗生态成本为：

式中：m为露天采场消耗的化石能源种类；q_j为单位矿岩采剥量的第j种一次化石能源消耗量，t·t^-1；q_pe为单位矿岩采剥量的电力消耗量，kwh·t^-1；v_j为第j种一次化石能源的单位重量的热值，kcal·kg^-1；η_j为第j种一次化石能源的单位热值的碳排放量(即碳排放系数)，t·kcal^-7；α为碳到二氧化碳的转换系数；e_c为每度电标准煤消耗量，kg·kWh^-1；r_c为火力发电占总发电的比例；v_c为单位重量标准煤的热值，kcal·kg^-1；η_c为煤的碳排放系数，t·kcal^-7；c_cp为单位重量二氧化碳捕捉成本，元·t^-1；q_xe为单位入选矿量的电力消耗量，kwh·t^-1。

(5)单位采剥选生态成本

将上述生态成本分配进行归类整理，即将由同一采矿工序(采矿、剥岩和选矿)引起的不同环境成本合在一起得：

单位采出矿石的生态成本：c_o′＝c_pzo+c_azo+c_peo+c_aeo+c_pro+c_aro+c_pco；

单位剥离岩石的生态成本：c′_w＝c_pzw+c_azw+c_wzw+c_pew+c_wew+c_aew+c_prw+c_wrw+c_arw+c_pcw；

单位入选矿石的生态成本：c_x′＝c_tzx+c_azx+c_tex+c_aex+c_trx+c_arx+c_xcx。

(6)生态成本内生化的境界优化算法

在最优境界圈定之前，境界矿岩量是未知的，所以矿山的生态足迹是未知的，而生态成本模型是建立在生态足迹已知的前提上的；再则，得到的境界如果没有考虑生态成本，那么这样的境界只能算是经济上最优，而不能算是生态上最优。鉴于境界与生态成本相互作用的关系，生态成本内生化境界优化需要基于境界优化算法进行迭代运算。

令i为境界优化次数，i＝1表示第一次境界优化(即不考虑生态成本的境界优化)，c_o、c_w、c_x分别为不考虑生态成本时的单位采矿、剥岩、选矿成本；第i次境界优化得到的单位采矿生态成本为c'_o,i，单位选矿生态成本为c'_x,i，单位剥岩生态成本为c'_w,i；用

分别表示第i次迭代中加入生态成本后的单位采矿、剥岩和选矿单位成本。

S104，以生态-经济综合效益最大为目标，以优化后的境界矿岩量和土地损坏面积为输入数据，以不同区域最终帮坡角为约束条件，构建境界生态化优化模型；单位面积生态成本包括：单位采矿生态成本、单位选矿生态成本以及单位剥岩生态成本；

S105，根据境界生态化优化模型，采用迭代法确定生态最优境界。

如图2所示，S105具体包括：

第1步：基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，圈定几何最大境界。

第2步：令i＝1，

第3步：以

和

为成本参数，应用锥体排除法对境界进行优化，得境界P_i。

第4步：计算境界P_i的生态足迹和生态成本。

其中采场直接足迹可以通过优化结果图形进行量取(A_p,i)，排土场和尾矿库的足迹根据第i个境界的采剥量以及相关参数估算。

排岩场足迹的估算式为：

式中：W_i为第i次境界优化得到的境界内岩石剥离量，10⁴t；A_w,i为排岩场面积，hm²；γ_w为岩石在排岩场沉实后的膨胀系数；S_w为排岩场形态系数；ρ_w为岩石平均原地体重，t·m^-3；H_w为排岩场高度，m。

尾矿库足迹用下面两式计算：

尾矿量为：

式中：Q_t,i为第i次境界优化得到的境界所能产生的尾矿总量，10⁴t；O_i为第i次境界优化得到的境界内矿石量，10⁴t；g_o,i为第i次境界优化得到的境界内矿石平均品位；r_x为选矿金属回收率；g_t,i为第i次境界优化得到的境界排放尾矿平均品位。

尾矿库面积为

式中：A_t,i为第i次境界优化得到的境界所需要的尾矿库面积，hm²；S_t为尾矿库形态系数；ρ_t为第i次境界优化得到的境界排放尾矿的比重，t·m^-3；

H_t为尾矿库深度，m。

基于计算得到的生态足迹，计算总的直接经济损失

复垦成本

外生生态价值损失

能耗生态成本

式中：c_z，c_ee，c_r，分别表示单位面积征地成本、外生生态价值损失和复垦成本，10⁴元/hm²。

第5步：生态成本分摊。对总的生态成本按照生态成本分配原则进行分摊(具体分摊原则见前面公式)，得到单位采矿生态成本c'_o,i，单位选矿生态成本c'_x,i，单位剥岩生态成本c'_w,i。

第6步：计算考虑生态成本的单位采矿成本

单位选矿成本

单位剥岩成本

第7步：如果c_o+c'_o,i，c_x+c'_x,i，c_w+c'_w,i与上一次迭代中计算的结果相同或者接近，或者采剥量差额小于收敛变化量ΔQ，算法收敛，迭代结束，得到考虑生态成本的最优境界。否则执行下一步。

第8步：令i＝i+1，返回第3步。

图3为本发明所提供的一种考虑生态环境的露天矿境界优化系统结构示意图，如图3所示，本发明所提供的一种考虑生态环境的露天矿境界优化系统，包括：

几何最大境界确定模块301，用于基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，确定几何最大境界；

优化后的境界确定模块302，用于根据几何最大境界，采用锥体排除法，确定优化后的境界；

生态足迹和生态成本确定模块303，用于根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本；所述生态足迹包括：排岩场面积、尾矿库面积以及采场面积；所述生态成本包括：总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本；

境界生态化优化模型构建模块304，用于以生态-经济综合效益最大为目标，以优化后的境界矿岩量和土地损坏面积为输入数据，以不同区域最终帮坡角为约束条件，构建境界生态化优化模型；单位面积生态成本包括：单位采矿生态成本、单位选矿生态成本以及单位剥岩生态成本；

生态最优境界确定模块305，用于根据境界生态化优化模型，采用迭代法确定生态最优境界。

生态足迹和生态成本确定模块303具体包括：

生态足迹确定单元，用于根据优化后的境界确定生态足迹；

生态成本确定单元，用于根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本。

所述生态足迹确定单元具体包括：

排岩场面积确定子单元，用于利用公式

确定排岩场面积；

尾矿库面积确定子单元，用于利用公式

确定尾矿库面积；

其中，W_i为第i次境界优化得到的境界内岩石剥离量，10⁴t；A_w,i为排岩场面积，hm²；γ_w为岩石在排岩场沉实后的膨胀系数；S_w为排岩场形态系数；ρ_w为岩石平均原地体重，t·m^-3；H_w为排岩场高度，m，A_t,i为第i次境界优化得到的境界所需要的尾矿库面积，hm²；S_t为尾矿库形态系数；ρ_t，i为第i次境界优化得到的境界排放尾矿的比重，t·m^-3，H_t为尾矿库深度，m，Q_t,i为第i次境界优化得到的境界所能产生的尾矿总量。

生态成本确定单元具体包括：

总的直接经济损失确定子单元，用于利用公式

确定总的直接经济损失；

外生生态价值损失确定子单元，用于利用公式

确定外生生态价值损失；

复垦成本确定子单元，用于利用公式

确定复垦成本；

能耗生态成本确定子单元，用于利用公式

确定能耗生态成本；

其中，

为外生生态价值损失，

为复垦成本，

为能耗生态成本，c_z，c_ee，c_r，分别表示单位面积征地成本、外生生态价值损失和复垦成本，10⁴元/hm²，m为露天采场消耗的化石能源种类；q_j为单位矿岩采剥量的第j种一次化石能源消耗量，t·t^-1；q_pe为单位矿岩采剥量的电力消耗量，kwh·t^-1；v_j为第j种一次化石能源的单位重量的热值，kcal·kg^-1；η_j为第j种一次化石能源的单位热值的碳排放量，即碳排放系数，t·kcal^-7；α为碳到二氧化碳的转换系数；e_c为每度电标准煤消耗量，kg·kWh^-1；r_c为火力发电占总发电的比例；v_c为单位重量标准煤的热值，kcal·kg^-1；η_c为煤的碳排放系数，t·kcal^-7；c_cp为单位重量二氧化碳捕捉成本，元·t^-1；q_xe为单位入选矿量的电力消耗量，kwh·t^-1，O_i为第i次境界优化得到的境界内矿石量，10⁴t，A_p,i为采场面积，

为总的直接经济损失。

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 (8)

1.一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法，其特征在于，包括：

基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，确定几何最大境界；

根据几何最大境界，采用锥体排除法，确定优化后的境界；

根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本；所述生态足迹包括：排岩场面积、尾矿库面积以及采场面积；所述生态成本包括：总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本；

以生态-经济综合效益最大为目标，以优化后的境界矿岩量和土地损坏面积为输入数据，以不同区域最终帮坡角为约束条件，构建境界生态化优化模型；单位面积生态成本包括：单位采矿生态成本、单位选矿生态成本以及单位剥岩生态成本；

根据境界生态化优化模型，采用迭代法确定生态最优境界。

2.根据权利要求1所述的一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法，其特征在于，所述根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本，具体包括：

根据优化后的境界确定生态足迹；

根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本。

3.根据权利要求2所述的一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法，其特征在于，所述根据优化后的境界确定生态足迹，具体包括：

利用公式

确定排岩场面积；

利用公式

确定尾矿库面积；

其中，W_i为第i次境界优化得到的境界内岩石剥离量，10⁴t；A_w,i为排岩场面积，hm²；γ_w为岩石在排岩场沉实后的膨胀系数；S_w为排岩场形态系数；ρ_w为岩石平均原地体重，t·m^-3；H_w为排岩场高度，m，A_t,i为第i次境界优化得到的境界所需要的尾矿库面积，hm²；S_t为尾矿库形态系数；ρ_t，i为第i次境界优化得到的境界排放尾矿的比重，t·m^-3，H_t为尾矿库深度，m，Q_t,i为第i次境界优化得到的境界所能产生的尾矿总量。

4.根据权利要求3所述的一种考虑生态环境的露天矿境界优化方法，其特征在于，所述根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本，具体包括：

利用公式

确定总的直接经济损失；

利用公式

确定外生生态价值损失；

利用公式

确定复垦成本；

利用公式

确定能耗生态成本；

其中，

为外生生态价值损失，

为复垦成本，

为能耗生态成本，c_z，c_ee，c_r，分别表示单位面积征地成本、外生生态价值损失和复垦成本，10⁴元/hm²，m为露天采场消耗的化石能源种类；q_j为单位矿岩采剥量的第j种一次化石能源消耗量，t·t^-1；q_pe为单位矿岩采剥量的电力消耗量，kwh·t^-1；v_j为第j种一次化石能源的单位重量的热值，kcal·kg^-1；η_j为第j种一次化石能源的单位热值的碳排放量，即碳排放系数，t·kcal^-7；α为碳到二氧化碳的转换系数；e_c为每度电标准煤消耗量，kg·kWh^-1；r_c为火力发电占总发电的比例；v_c为单位重量标准煤的热值，kcal·kg^-1；η_c为煤的碳排放系数，t·kcal^-7；c_cp为单位重量二氧化碳捕捉成本，元·t^-1；q_xe为单位入选矿量的电力消耗量，kwh·t^-1，O_i为第i次境界优化得到的境界内矿石量，10⁴t，A_p,i为采场面积，

为总的直接经济损失。

5.一种考虑生态环境的露天矿境界优化系统，其特征在于，包括：

几何最大境界确定模块，用于基于开采权限以及矿区岩体稳定性，确定地表最大开采范围和不同区域最终帮坡角，确定几何最大境界；

优化后的境界确定模块，用于根据几何最大境界，采用锥体排除法，确定优化后的境界；

生态足迹和生态成本确定模块，用于根据优化后的境界确定生态足迹和生态成本；所述生态足迹包括：排岩场面积、尾矿库面积以及采场面积；所述生态成本包括：总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本；

境界生态化优化模型构建模块，用于以生态-经济综合效益最大为目标，以优化后的境界矿岩量和土地损坏面积为输入数据，以不同区域最终帮坡角为约束条件，构建境界生态化优化模型；单位面积生态成本包括：单位采矿生态成本、单位选矿生态成本以及单位剥岩生态成本；

生态最优境界确定模块，用于根据境界生态化优化模型，采用迭代法确定生态最优境界。

6.根据权利要求5所述的一种考虑生态环境的露天矿境界优化系统，其特征在于，所述生态足迹和生态成本确定模块具体包括：

生态足迹确定单元，用于根据优化后的境界确定生态足迹；

生态成本确定单元，用于根据所述生态足迹确定总的直接经济损失、复垦成本、外生生态价值损失以及能耗生态成本。

7.根据权利要求6所述的一种考虑生态环境的露天矿境界优化系统，其特征在于，所述生态足迹确定单元具体包括：

排岩场面积确定子单元，用于利用公式

确定排岩场面积；

尾矿库面积确定子单元，用于利用公式

确定尾矿库面积；

其中，W_i为第i次境界优化得到的境界内岩石剥离量，10⁴t；A_w,i为排岩场面积，hm²；γ_w为岩石在排岩场沉实后的膨胀系数；S_w为排岩场形态系数；ρ_w为岩石平均原地体重，t·m^-3；H_w为排岩场高度，m，A_t,i为第i次境界优化得到的境界所需要的尾矿库面积，hm²；S_t为尾矿库形态系数；ρ_t，i为第i次境界优化得到的境界排放尾矿的比重，t·m^-3，H_t为尾矿库深度，m，Q_t,i为第i次境界优化得到的境界所能产生的尾矿总量。

8.根据权利要求7所述的一种考虑生态环境的露天矿境界优化系统，其特征在于，生态成本确定单元具体包括：

总的直接经济损失确定子单元，用于利用公式

确定总的直接经济损失；

外生生态价值损失确定子单元，用于利用公式

确定外生生态价值损失；

复垦成本确定子单元，用于利用公式

确定复垦成本；

能耗生态成本确定子单元，用于利用公式

确定能耗生态成本；

其中，

为外生生态价值损失，

为复垦成本，

为能耗生态成本，c_z，c_ee，c_r，分别表示单位面积征地成本、外生生态价值损失和复垦成本，10⁴元/hm²，m为露天采场消耗的化石能源种类；q_j为单位矿岩采剥量的第j种一次化石能源消耗量，t·t^-1；q_pe为单位矿岩采剥量的电力消耗量，kwh·t^-1；v_j为第j种一次化石能源的单位重量的热值，kcal·kg^-1；η_j为第j种一次化石能源的单位热值的碳排放量，即碳排放系数，t·kcal^-7；α为碳到二氧化碳的转换系数；e_c为每度电标准煤消耗量，kg·kWh^-1；r_c为火力发电占总发电的比例；v_c为单位重量标准煤的热值，kcal·kg^-1；η_c为煤的碳排放系数，t·kcal^-7；c_cp为单位重量二氧化碳捕捉成本，元·t^-1；q_xe为单位入选矿量的电力消耗量，kwh·t^-1，O_i为第i次境界优化得到的境界内矿石量，10⁴t，A_p,i为采场面积，

为总的直接经济损失。

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