CN114881299A - 基于地质-环境对露天煤矿开采计划的优化方法及装置 - Google Patents

基于地质-环境对露天煤矿开采计划的优化方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种基于地质‑环境对露天煤矿开采计划的优化方法及装置，方法包括：利用地质‑环境最优采场序列产生算法，确定最终境界内的地质‑环境最优采场序列{C*}N；若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且采场达到最终境界，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命。本申请的方法，实现了尽量提高露天煤矿生产的纯经济效益和尽量降低对生态环境的冲击的双重目标，进而实现了低碳生态化优化。

Description

基于地质-环境对露天煤矿开采计划的优化方法及装置
技术领域
本申请涉及露天开采技术领域，尤其是涉及到一种基于地质-环境对露天煤矿开采计划的优化方法及装置。
背景技术
露天矿生产过程中不可避免地造成对生态环境的冲击，所产生的冲击量及其随时间的变化与开采计划密切相关。相关技术中，露天矿开采境界的确定均是以经济合理开采比等生产成本为基本准则，来测定最优露天矿开采境界，并未将环境成本像生产成本一样纳入到开采计划之中。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种基于地质-环境对露天煤矿开采计划的优化方法及装置，实现了尽量提高露天煤矿生产的纯经济效益和尽量降低对生态环境的冲击的双重目标，进而实现了低碳生态化优化。
根据本申请的一个方面，提供了一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法，包括：
根据露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N，其中，地质-环境最优采场序列中每一个以最终境界结尾的子序列，即为一个可能的开采计划；
设任一开采计划的开采寿命为n年，第t年的采场对应于地质-环境最优采场序列{C*}N内的第i(t)个地质-环境最优采场C* i(t)，开采计划的地质-环境最优采场序列的子序列为{C*}N＝{C* i(1)，C* i(2)，......，C* i(n)}，其中，i(n)＝N，N为正整数，t≤n；
设t＝1，在地质-环境最优采场序列内，确定原煤量大于或等于预设产能域的下限且与预设产能域的下限最为接近的采场；
利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPV1，其中，采剥量包括以下至少一种：原煤开采量、岩石剥离量和四纪层剥离量；
设t＝t+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t) 的原煤开采量；
若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算采场i(t)+1 的原煤开采量，直至满足预设可行计划条件；
若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
若采场i(t)的原煤开采量大于预设产能域的上限，确定未满足预设可行计划条件，优化终止；
若采场i(t)的原煤开采量位于预设产能域范围内，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，此时若采场未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足预设可行计划条件，若采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，则生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，开采寿命 n＝t；
设t＝n-1，在可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量；
若原煤开采量小于预设产能域的上限，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt；
判断采场是否达到最终境界，若采场未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑t＝t+1的下一采场，直至满足预设可行计划条件；
若采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，生成新的可行开采计划，并根据最大年产量计算基建投资和新的可行开采计划对应的第二净现值和开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
根据可行开采计划对应的第一净现值和新的可行开采计划对应的第二净现值，确定最佳开采计划；
设t＝n-1，返回至利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t)的原煤开采量的步骤，计算第t年的原煤开采量，若原煤开采量大于预设产能域的上限，则设t＝t-1；
判断t是否大于0，若t大于0，返回至在可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t 年的原煤开采量的步骤，直至满足预设可行计划条件；
若t小于或等于0，确定可行开采计划为最佳开采计划，输出输送最佳开采计划。
可选地，根据露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N的步骤，具体包括：
根据露天煤矿的境界区域，确定多个模柱；
获取每个模柱的底面标高、顶面标高和每个模柱沿竖直方向的中心线；
根据底面标高、顶面标高和中心线，确定露天煤矿的最终境界；
根据最终境界和多个模柱，在最终境界内，确定多个锥体；
获取每个锥体的原煤量；
根据每个锥体的原煤量和预设原煤增量，在多个锥体中，确定多个目标锥体；
获取每个目标锥体的原煤量、剥离量和地表损毁面积；
根据每个目标锥体的原煤量、剥离量和地表损毁面积，计算每个目标锥体的指标值，其中，指标值指的是锥体的剥采比加上单位采煤量的地表挖损面积的综合值；
根据指标值，确定多个目标采场；
根据多个目标采场，生成地质-环境最优采场序列。
可选地，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt的步骤，具体包括：
获取第t年的原煤量、岩石量和四纪层量，以及第t-1年的原煤量、岩石量和四纪层量；
根据第t年的原煤量、岩石量和四纪层量和第t-1年的原煤量、岩石量和四纪层量，计算第t年的原煤开采量、岩石剥离量、四纪层剥离量；
利用环境冲击量化模型，计算第t年的土地挖损面积、排场压占土地面积、矸石堆压占土地面积、表土场压占土地面积和地面生产设施占用土地面积；
根据土地挖损面积、排场压占土地面积、矸石堆压占土地面积、表土场压占土地面积和地面生产设施占用土地面积，确定第t年的土地损毁面积；
根据土地损毁面积，利用环境成本量化模型，计算第t年的土地生态系统损坏环境成本；
计算第t年的温室气体排放量；
根据温室气体排放量，确定第t年的温室气体排放环境成本；
根据土地生态系统损毁环境成本和温室气体排放环境成本，确定第t年的综合环境成本；
计算第t年的净现值NPVt。
可选地，根据土地损毁面积，利用环境成本量化模型，计算第t年的土地生态系统损坏环境成本的步骤，具体包括：
利用环境成本量化模型，计算第t年的土地生态系统的生态价值，其中，土地生态系统的生态价值包括以下至少一种：生物质生产价值、土壤固碳价值、植物固碳价值、释氧价值、空气净化价值、土壤保持价值、水源涵养价值和养分循环价值；
获取第t年的完成复垦作业的土地面积、第(t-1)年的完成复垦并恢复生态生产力的土地面积以及第(t-1)年的土地损毁面积；
第t年的土地生态系统损毁环境成本为：
Cland,t＝(At-AR,t-1)(zCplant+zO2+zair+zsoil+zH2O+zneut)+(At-At-1)(zyield+zCsoil)+Ar, tCrec；
其中，At为第t年末的土地损毁面积；AR,t-1为第(t-1)年末已累计完成复垦并恢复生态生产力的土地面积、Ar,t为第t年内完成复垦作业的土地面积；At-1为第(t-1)年末累计土地损毁面积；zCplant、zO2、zair、zsoil、zH2O和zneut分别为单位面积土地一年的植物固碳价值、释氧价值、空气净化价值、土壤保持价值、水源涵养价值和养分循环价值；zyield和zCsoil分别为单位面积土地的征地价格和土壤固碳价值；Crec为单位面积土地的复垦和养护成本。
可选地，根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命的步骤，具体包括：
根据最大年产量qm-max，确定基建投资I(qm-max)；
当t＝n时，根据第t年的净现值NPVt和基建投资，计算可行开采计划的第一净现值为：NPV＝NPVn-I(qm-max)；
其中，NPVn为第t年的净现值；I(qm-max)为露天煤矿的基建投资。
可选地，根据可行开采计划对应的第一净现值和新的可行开采计划对应的第二净现值，确定最佳开采计划的步骤，具体包括：
将第一净现值与第二净现值进行比较；
若第二净现值大于第一净现值，将第二净现值对应的新的可行开采计划替换掉可行开采计划，即将新的开采计划作为最佳开采计划；
若第二净现值小于或等于第一净现值，可行开采计划保持不变，将第一净现值对应的可行开采计划作为最佳开采计划。
可选地，各项环境成本包括以下至少一项：生物质生产价值成本、土壤固碳价值成本、植物固碳价值成本、释氧价值成本、空气净化价值成本、土壤保持价值成本、水源涵养价值成本、养分循环价值成本和复垦养护成本。
根据本申请的另一方面，提供了一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化装置，包括：
生成模块，用于根据露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N，其中，地质-环境最优采场序列中每一个以最终境界结尾的子序列，即为一个可能的开采计划；
设置模块，用于设任一开采计划的开采寿命为n年，第t年的采场对应于地质-环境最优采场序列{C*}N内的第i(t)个地质-环境最优采场C* i(t)，开采计划的地质-环境最优采场序列的子序列为{C*}N＝{C* i(1)，C* i(2)，......，C* i(n)}，其中， i(n)＝N，N为正整数，t≤n；
设置模块，还用于设t＝1；
确定模块，用于在地质-环境最优采场序列内，确定原煤量大于或等于预设产能域的下限且与预设产能域的下限最为接近的采场；
计算模块，用于利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPV1，其中，采剥量包括以下至少一种：原煤开采量、岩石剥离量和四纪层剥离量；
设置模块，还用于设t＝t+1；
计算模块，还用于利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t 年采场i(t)的原煤开采量；
优化模块，用于若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足预设可行计划条件；
优化模块，还用于若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
确定模块，还用于若采场i(t)的原煤开采量大于预设产能域的上限，确定未满足预设可行计划条件，停止优化；
优化模块，还用于若采场i(t)的原煤开采量位于预设产能域范围内，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，此时若采场未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算采场 i(t)+1的原煤开采量，直至满足预设可行计划条件，若采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，则生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
设置模块，还用于设t＝n-1；
计算模块，还用于在可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量；
计算模块，还用于若原煤开采量小于预设产能域的上限，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt；
判断模块，用于判断采场是否达到最终境界；
优化模块，还用于若采场未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑t＝t+1的下一采场，直至满足预设可行计划条件；
生成模块，用于若采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，生成新的可行开采计划，并根据最大年产量计算基建投资和新的可行开采计划对应的第二净现值和开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
确定模块，还用于根据可行开采计划对应的第一净现值和新的可行开采计划对应的第二净现值，确定最佳开采计划；
设置模块，还用于设t＝n-1；
优化模块，还用于返回至利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t)的原煤开采量的步骤，计算第t年的原煤开采量，若原煤开采量大于预设产能域的上限，则设t＝t-1；
判断模块，还用于判断t是否大于0；
优化模块，还用于若t大于0，返回至在可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量的步骤，直至满足预设可行计划条件；
输出模块，用于若t小于或等于0，输出最佳开采计划。
根据本申请又一个方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法。
根据本申请再一个方面，提供了一种电子设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法。
借由上述技术方案，首先在最终境界内产生一个地质-环境最优采场序列，该序列的任何一个以最终境界结尾的子序列，构成一个可能的开采计划方案，而最优计划方案必然是序列的以最终境界结尾的子序列之一。其后，基于预设的产能域内求环境成本内生化的最佳开采计划的算法，求得经济与环境的综合净现值最大的最优计划方案，使得构建的最优开采计划方案，实现了达到了尽量提高露天煤矿生产的纯经济效益和尽量降低对生态环境的冲击的双重目标，实现了低碳生态化优化。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了本申请实施例提供的一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法的流程示意图；
图2示出了本申请实施例提供的一种在最终境界内产生地质-环境最优采场序列的剖面示意图；
图3示出了本申请实施例提供的一种地质-环境最优采场序列的结构示意图；
图4示出了本申请实施例提供的一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化装置的示意框图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本实施例中提供了一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法，如图1所示，该方法包括：
步骤101，根据露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N；
步骤102，设任一开采计划的开采寿命为n年，第t年的采场对应于地质 -环境最优采场序列{C*}N内的第i(t)个地质-环境最优采场C* i(t)，开采计划的地质-环境最优采场序列的子序列为{C*}N＝{C* i(1)，C* i(2)，......，C* i(n)}；
步骤103，设t＝1，在地质-环境最优采场序列内，确定原煤量大于或等于预设产能域的下限且与预设产能域的下限最为接近的采场；
步骤104，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPV1；
步骤105，设t＝t+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第 t年采场i(t)的原煤开采量；
步骤106，若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足预设可行计划条件；
步骤107，若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命；
步骤108，若采场i(t)的原煤开采量大于预设产能域的上限，确定未满足预设可行计划条件，优化终止；
步骤109，若采场i(t)的原煤开采量位于预设产能域范围内，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，此时若采场未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足预设可行计划条件，若采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，则生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命；
步骤110，设t＝n-1，在可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量；
步骤111，若原煤开采量小于预设产能域的上限，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt；
步骤112，判断采场是否达到最终境界，若采场未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑t＝t+1的下一采场，直至满足预设可行计划条件；
步骤113，若采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，生成新的可行开采计划，并根据最大年产量计算基建投资和新的可行开采计划对应的第二净现值和开采寿命；
步骤114，根据可行开采计划对应的第一净现值和新的可行开采计划对应的第二净现值，确定最佳开采计划；
步骤115，设t＝n-1，返回至利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t)的原煤开采量的步骤，计算第t年的原煤开采量，若原煤开采量大于预设产能域的上限，则设t＝t-1；
步骤116，判断t是否大于0，若t大于0，返回至在可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量的步骤，直至满足预设可行计划条件；
步骤117，若t小于或等于0，确定可行开采计划为最佳开采计划，输出输送最佳开采计划。
在该实施例中，根据新建或扩建的露天煤矿的最终境界，应用地质-环境最优采场序列产生算法，确定最终境界中的地质-环境最优采场序列{C*}N。需要说明的是，在最终境界P内，如果一个体积为V，地表挖损面积为A，且工作帮坡角不大于给定最大工作帮坡角θ的采场C*，是所有体积为V，地表面积为A且工作帮坡角不大于θ的采场中原煤量最大者，那么称采场C*为对于V、A和θ的“地质-环境最优采场”。
进一步地，令{C*}N为最终境界P内的地质-环境最优采场序列，序列中的N个采场按总体积升序排序，最后一个采场为P。如果{C*}N是完全嵌套序列，且其中任意两个相邻采场之间的增量足够小，那么，使综合净现值，即纯经济盈利现值减去环境成本现值后，最大的最优开采计划，即最优解序列，必然是{C*}N的一个以境界结尾的子序列。
进一步地，在最终境界中产生了地质-环境最优采场序列{C*}N后，{C*}N中的每一个以最终境界结尾的子序列构成一个可能的开采计划方案。这样的一个子序列同时给出了开采计划的开采寿命、各年的采场推进位置，即采剥顺序和各年的采剥量，即生产能力。获取每个可能的开采计划方案的开采寿命、采剥顺序和生产能力。
在实际应用场景中，如图3所示，为地质-环境最优采场序列的结构图。具体地，图3中的煤层和境界，产生了由6个地质-环境最优采场组成的序列 {C*}6，其中，C6 *为最终境界P。图3中任意一个采场是由箭头所指工作帮与地表和非工作帮围城的几何体，例如，图3中由abc组成的采场C2 *。{C*}6中的子序列{C*}3＝{C* 2，C* 4，C* 6}、{C*}4＝{C* 1，C* 3，C* 5，C* 6}、{C*}4＝{C* 2， C* 4，C* 5，C* 6}等，都是可能的开采计划方案。设序列中采场Ci *的原煤量为 Q* m,i、岩石量为V* y,i、四纪层量为V* 4,i，其中，i＝1，2，......，6。那么，主序列{C*}3＝{C* 2，C* 4，C* 6}代表了这样一个开采计划方案：开采寿命为3年；采剥顺序为：第1、2、3年末采场依次推进到图3中C* 2、C* 4、C* 6的位置，第 3年末的采场C* 6即为最终境界；采剥生产能力为：第1年的采煤量为Q* m,2、岩石剥离量为V* y,2、四纪层剥离量为V* 4,2，第2年的采煤量为Q* m,4-Q* m,2、岩石剥离量为V* y,4-V* y,2、四纪层剥离量为V* 4,4-V* 4,2，第3年的采煤量为 Q* m,6-Q* m,4、岩石剥离量为V* y,6-V* y,4、四纪层剥离量为V* 4,6-V* 4,4。
进一步地，构建露天煤矿的最佳开采计划，就是对所有可能的开采计划方案，即所有子序列进行评价和比较，需要注意的是，在评价需纳入环境成本，才能实现低碳生态化优化。按照优化定理，优化开采计划就是对所有可能的开采计划进行评价，在{C*}N中找出使总综合净价值最大的子序列，即最优解序列。然而，该优化方式取决于最终境界的大小和选定的采场原煤量增量ΔQ的大小，对于一个实际矿山来说，序列{C*}N中的采场数量N一般有数百个，构成可能的计划方案的子序列总数是一个十分巨大的数目，即时是今天的计算机，评价所有可能开采计划方案的时间也会长得不可接收。实际上，并不是每一个开采计划都需要从头到尾逐年计算一次。通过优化子序列的评价顺序，就可避免重复计算，降低运算量。本申请基于这一特点提出子序列的构建和评价算法，使每一子序列都是通过改变前一子序列的尾部的一个或数个采场形成的，从而只需对改变的部分作相关计算，其余部分的计算在评价前一子序列时已完成。这一算法把子序列的枚举和评价同时进行，而且在整个过程中，只需在内存中保留当前子序列和当前最佳子序列，不但可大幅降低了运算量，而且内存需求量很小。整个枚举和评价过程结束后，所保留的当前最佳子序列即为最佳计划方案。
需要说明的是，依据矿区生态系统的类型，应用“环境成本量化模型”，各项环境成本，其中，各项环境成本指的是单位土地生态系统损毁面积的环境成本。具体地，各项环境成本包括：生物质生产价值成本、土壤固碳价值成本、植物固碳价值成本、释氧价值成本、空气净化价值成本、土壤保持价值成本、水源涵养价值成本、养分循环价值成本和复垦养护成本。
在实际应用场景中，如图3所示，图3中的序列{C*}6＝{C* 1，C* 2，C* 3， C* 4，C* 5，C* 6}，其中，C6 *＝最终境界P，下列三个子序列构成三个可能的开采计划方案：方案1：{C* 1，C* 2，C* 3，C* 4，C* 5，C* 6}；方案2：{C* 1，C* 2，C* 3，C* 4，C* 6}；方案3：{C* 1，C* 2，C* 3，C* 5，C* 6}。在完成方案1的评价后，方案2的前4年的计算与方案1完全相同，只需完成第5年的计算就完成了方案2的评价。同理，完成了方案2的评价后，方案3的前3年的计算与方案2完全相同，只需完成第4和第5年的计算就完成了方案3的评价。
可以理解的是，某些子序列所代表的计划方案是明显不合理的。例如，就序列{C*}6而言，子序列{C*}1＝{C6 *}所代表的计划方案，是一个开采寿命只有1年的方案，即1年就开采到最终境界，此方案显然不会是最佳方案，实际上是不可行的，不用考虑。对于一个现实矿山，依据境界中的原煤储量，可以估计一个原煤年生产能力的合理范围。例如，对于一个境界中原煤储量为2亿吨的矿山，原煤年生产能力在正常情况下不会小于400万吨、大于2000 万吨。因此，通过设置产能约束条件，把原煤年生产能力约束在一个相对合理范围，在子序列的评价中，一旦某年t的原煤开采量qm,t超越这一范围，该子序列就被看作不可行而不予考虑，直接进入下一个子序列的评价。这样又能大大减少所评价的子序列的数量。将原煤年生产能力的约束范围称为“产能域”。基于上述思路，设计出在预设的产能域内求环境成本内生化的最佳计划方案的算法。通过这一算法，将子序列的枚举和评价同时进行，并且在整个过程中，只需在内存中保留当前子序列和当前最佳子序列，不但可大幅降低了运算量，而且内存需求量很小。在整个枚举和评价过程结束后，所保留的当前最佳子序列即为最佳开采计划方案。
具体地，{C*}N为应用“地质-环境最优采场序列产生算法”产生的地质- 环境最优采场序列；i(t)为计划方案第t年末的采场在{C*}N中的序号。设任一开采计划方案的开采寿命为n年，其第t年末的采场对应于地质-环境最优采场序列{C*}N内的第i(t)个地质-环境最优采场C* i(t)，即构成该开采计划的地质- 环境最优采场序列{C*}N的子序列为{C*}N＝{C* i(1)，C* i(2)，......，C* i(n)}，其中， i(n)＝N，C* i(n)＝CN *＝境界P，N为正整数，t≤n。[qL，qU]为预设产能域。
步骤1：设时间t＝1，即从第一年开始。在地质-环境最优采场序列{C*}N中找出这样一个采场，其原煤量不小于设定的产能域下限qL，且与qL最为接近。
如果找到了这样一个采场，它在{C*}N中的序号为i(1)，即正在构建的计划方案在第1年末推进到采场。应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”计算第1年的原煤开采量qm,1、岩石剥离量vy,1、四纪层剥离量v4,1、年末累计土地损毁面积A1、土地生态系统损毁环境成本Cland,1、温室气体排放量qg,1、温室气体排放环境成本Cg,1、年综合环境成本Ce,1、NPV1等，进入步骤2。
进一步地，如果找不到这样一个采场，则在预设产能域[qL，qU]内无可行计划，优化算法终止。
步骤2：置时间t＝t+1，即考虑下一年。
步骤3：置年t的采场序号i(t)＝i(t-1)+1，i(t-1)是正在构建的开采计划方案在前一年末的采场在序列{C*}N中的序号。
步骤4：应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”计算年t的原煤开采量qm,t。
步骤5：(a)如果qm,t<qL，此时，分两种情况：
(1)若i(t)＝N，即采场是序列{C*}N中的最后一个采场，即最终境界，说明正在构建的开采计划方案已经抵达最终境界，得到了一个可行开采计划方案，其开采寿命n＝t年；应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”，计算第t年的岩石剥离量vy,t、四纪层剥离量v4,t、年末累计土地损毁面积At、土地生态系统损毁环境成本Cland,t、温室气体排放量qg,t、温室气体排放环境成本 Cg,t、年综合环境成本Ce,t以及净现值NPVt等，进入步骤6。
(2)若i(t)＜N，说明年t的原煤开采量低于设定的产能域的下限，即该开采计划不可行，此时，置采场序号i(t)＝i(t)+1，即考虑一个更大的采场，返回到步骤4。
(b)如果qL≤qm,t≤qU，说明该采场是正在构建的开采计划方案在第t 年末的可行采场，应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”，计算第t 年的岩石剥离量vy,t、四纪层剥离量v4,t、年末累计土地损毁面积At、土地生态系统损毁环境成本Cland,t、温室气体排放量qg,t、温室气体排放环境成本Cg,t、年综合环境成本Ce,t以及净现值NPVt等。此时，若i(t)＝N，那么正在构建的开采计划方案已经抵达最终境界，得到了一个可行开采计划方案，其开采寿命n＝t年，进入步骤6；否则，返回到步骤2。
(c)如果qm,t>qU，说明年t的原煤开采量超出了设定的产能域的上限，无可行开采计划，算法终止。
步骤6：至此，得到了第一个可行开采计划方案，该方案具有“最低原煤年产量”，即除最后一年外，每年的原煤开采量都刚刚满足设定的产能域下限qL。依据该开采计划的最大年产煤量qm-max和基建投资函数计算投资额 I(qm-max)，利用NPVn-I(qm-max)得到这一开采计划方案的总净现值NPV。置该开采计划方案为当前计划方案，并把它保存为最佳方案。
步骤7：置时间t＝n-1，即后退一年，其中，n为当前计划方案的开采寿命。
步骤8：从t年开始构建新的可行计划方案，新方案在1～(t－1)年与当前计划方案相同。把当前计划方案第t年的采场序号增加1，即置i(t)＝i(t)+1。
步骤9：应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”计算年t的原煤开采量qm,t。
步骤10：(a)如果qm,t≤qU，说明该采场是正在构建的开采计划方案第 t年末的可行采场，将它变为当前开采计划方案第t年末的采场，即将原来的采场替换为C* i(t)；应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”，计算第t 年的岩石剥离量vy,t、四纪层剥离量v4,t、年末累计土地损毁面积At、土地生态系统损毁环境成本Cland,t、温室气体排放量qg,t、温室气体排放环境成本Cg,t、年综合环境成本Ce,t以及净现值NPVt等。此时，若i(t)＝N，那么正在构建的开采计划方案已经抵达最终境界，得到了一个新的可行开采计划方案，其开采寿命n＝t年，进入步骤15；否则，进入步骤11。
(b)如果qm,t＞qU，则说明年t的原煤开采量超出了设定的产能域上限，即该开采计划不可行。此时，置t＝t-1，即沿当前计划方案往回退一年。如果这时的t＞0，返回至步骤8；否则，所有可行开采计划方案的构建和评价完毕，进入步骤16。
步骤11：置t＝t+1，即考虑下一年。
步骤12：置年t的采场序号i(t)＝i(t-1)+1，其中，i(t-1)是正在构建的开采计划方案前一年的采场序号。
步骤13：应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”，计算年t的原煤开采量qm,t。
步骤14：(a)如果qm,t＜qL，分两种情况：
(1)i(t)＝N，说明该采场是序列{C*}N中的最后一个采场，即最终境界，那么，正在构建的开采计划方案已经抵达最终境界，得到了一个新的可行开采计划方案，其开采寿命n＝t年；应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”，计算第t年的岩石剥离量vy,t、四纪层剥离量v4,t、年末累计土地损毁面积At、土地生态系统损毁环境成本Cland,t、温室气体排放量qg,t、温室气体排放环境成本Cg,t、年综合环境成本Ce,t以及净现值NPVt等，进入步骤15。
(2)i(t)＜N，即年t的原煤开采量低于设定的产能域下限，说明该开采计划不可行。此时，置采场序号i(t)＝i(t)+1，即考虑一个更大的采场，返回至步骤13。
(b)如果qL≤qm,t≤qU，即采场是正在构建的开采计划方案第t年末的可行采场；应用“环境成本内生化的开采计划评价模型”，计算第t年的岩石剥离量vy,t、四纪层剥离量v4,t、年末累计土地损毁面积At、土地生态系统损毁环境成本Cland,t、温室气体排放量qg,t、温室气体排放环境成本Cg,t、年综合环境成本Ce,t以及净现值NPVt等。此时，若i(t)＝N，那么正在构建的开采计划方案已经抵达最终境界，得到了一个新的可行开采计划方案，其开采寿命n＝t 年，进入步骤15；否则，返回至步骤11。
(c)如果qm,t＞qU，说明年t的原煤开采量超出了设定的产能域上限，即该开采计划不可行，算法半途而废，显示错误信息，进入步骤16输出到此为止的最佳计划方案。
步骤15：得到了一个新的可行开采计划方案，依据该新的可行开采计划的最大年产煤量qm-max和基建投资函数计算投资额I(qm-max)，利用NPVn-I(qm-max) 得到这一新的可行开采计划方案的总净现值NPV，即第二净现值。如果这一新的可行开采计划方案的总净现值NPV大于保存的可行开采计划方案的总净现值NPV，即第一净现值，将该新的可行开采计划方案保存为最佳计划方案，即把原可行开采计划方案替换掉；否则，原可行开采计划方案不变，作为最佳开采计划方案。进一步地，置该新的可行开采计划方案为当前最佳开采计划方案，返回至步骤7。
步骤16：输出最佳开采计划方案，算法结束。
通过上述方式，首先在最终境界内产生一个地质-环境最优采场序列，该序列的任何一个以最终境界结尾的子序列，构成一个可能的开采计划方案，而最优计划方案必然是序列的以最终境界结尾的子序列之一。其后，基于预设的产能域内求环境成本内生化的最佳开采计划的算法，求得经济与环境的综合净现值最大的最优计划方案，使得构建的最优开采计划方案，一方面能够同时给出最佳生产能力、最佳开采顺序和最佳开采寿命，实现了开采计划三要素的整体优化；另一方面，达到了尽量提高露天煤矿生产的纯经济效益和尽量降低对生态环境的冲击的双重目标，实现了低碳生态化优化。
在本申请实施例中，进一步地，根据露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N的步骤，具体包括：根据露天煤矿的境界区域，确定多个模柱；获取每个模柱的底面标高、顶面标高和每个模柱沿竖直方向的中心线；根据底面标高、顶面标高和中心线，确定露天煤矿的最终境界；根据最终境界和多个模柱，在最终境界内，确定多个锥体；获取每个锥体的原煤量；根据每个锥体的原煤量和预设原煤增量，在多个锥体中，确定多个目标锥体；获取每个目标锥体的原煤量、剥离量和地表损毁面积；根据每个目标锥体的原煤量、剥离量和地表损毁面积，计算每个目标锥体的指标值，其中，指标值指的是锥体的剥采比和单位采煤量的地表挖损面积的综合值；根据指标值，确定多个目标采场；根据多个目标采场，生成地质-环境最优采场序列。
在该技术方案中，最终境界P确定后，无论开采顺序如何，最终都开采到P。因此，P是序列{C*}N中最大的，也是最后一个地质-环境最优采场，即 CN *＝P。令QN表示境界内的总煤量。一个地质-环境最优采场C*是所有原煤量为QN，且工作帮坡角不大于给定最大工作帮坡角θ的采场中，剥采比和单位采煤量的地表挖损面积均最小的那个采场。为叙述方便，以下把“单位采煤量的地表挖损面积”简称为“吨煤开采面积”。然而，求解剥采比和吨煤开采面积均最小的采场，是一个双目标优化问题。像所有多目标优化问题一样，不同目标之间往往是不一致的。求解此类问题的一般方法是把多目标转化为单目标。因此，本申请将采场的剥采比和吨煤开采面积综合为指标λ：
Figure RE-GDA0003696094380000181
其中，W为采场的剥离量；Q为采场的原煤量；A为采场的地表挖损面积；f为常量系数。
这样，求原煤量为Q的、剥采比和吨煤开采面积均最小的地质-环境最优采场，就可近似地转化为求指标λ最小的采场。其中，f可以理解为吨煤开采面积相对于剥采比而言，对采场“优劣性”的重要性系数，其取值可以用单位土地损毁面积的环境成本与单位剥离量的成本，即生产加上环境成本之比值估算。
因此，本申请中产生地质-环境最优采场序列的锥体排除算法的基本思路为：从最终境界中，排除所有原煤量等于预设的相邻采场之间的原煤量增量ΔQ的那些部分中，指标值λ最大的那一部分，剩余部分就是境界P内原煤量为QN-1＝(QN-ΔQ)的所有采场中，λ值最小的采场，即地质-环境最优采场 CN-1 *；同理，从采场CN-1 *中排除所有原煤量等于ΔQ的那些部分中λ值最大的那一部分，得到的就是下一个原煤量比CN-1 *小ΔQ的地质-环境最优采场，即CN-2 *；如此进行下去，直到剩余的部分的原煤量等于或小于ΔQ，该剩余部分即为{C*}N中的最小采场C1 *。由于每个采场是从一个更大的采场中排除一部分产生的，所以如此得到的采场序列一定是一个完全嵌套序列。
具体地，根据露天煤矿的境界区域，确定多个模柱。获取多个模柱中，每个模柱的底面标高、顶面标高和沿竖直方向的中心线。将境界区域内的每一模柱的底面标高设置为最终境界P的边帮在同一模柱的中心线处的标高。将境界区域内的每一模柱的顶面标高设置为同一模柱中心线处的地表标高。把境界区域外的每一模柱的底面和顶面标高都设置为同一模柱中心线处的地表标高。如此设置后，模柱的顶面和底面之间的柱体的集合就构成了以柱状模型形式表示的最终境界P，亦即序列{C*}N中的最大采场。置当前采场为最终境界P。
进一步地，根据最终境界和多个模柱的底面标高、顶面标高和中心线，确定最终境界中的多个锥体，需要说明的是，锥体可以近似看做是最终境界内可能开采的采场的形状。根据多个锥体的原煤量和预设原煤增量，将所有锥体都“扫描”一遍，得到一个锥体数组，对锥体数组按指标值从大到小排序。然后，逐次计算锥体数组中前nc个锥体的联合体的原煤量，需要注意的是，联合体中锥体之间的重叠部分只计一次，直到nc＝u时，其中，u为正整数，即锥体数组中前u个锥体的联合体的原煤量不大于1.1ΔQ，且与ΔQ最为接近。将锥体数组中前u个锥体从当前采场中排除，其中，排除某个锥体，就是把当前采场中模柱底面标高小于该锥体的锥壳标高的所有模柱的底面标高，提升到相应模柱处该锥体的锥壳标高，需要注意的是，如果锥壳标高大于地表标高，就提升到地表标高。这些锥体被排除后，得到一个新的、煤量缩小了约ΔQ的地质-环境最优采场，保存新采场。如果新采场的原煤量小于或等于ΔQ，说明已经完成了所有采场的产生，把产生的所有采场按总体积从小到大排序排列，就得到了地质-环境最优采场序列。
在实际应用场景中，步骤1：如图2所示，为最终境界内产生地质-环境最优采场序列的剖面图。具体地，将境界P区域内的每一模柱的底面标高设置为境界P的边帮，如图2中“境界P”所指的粗虚线位置处，在同一模柱的中心线处的标高，或是设置为境界坑底在同一模柱的中心线处的标高；把境界P区域内的每一模柱的顶面标高设置为同一模柱中心线处的地表标高；把境界P区域外的每一模柱的底面和顶面标高都设置为同一模柱中心线处的地表标高。如此设置后，模柱的顶面和底面之间的柱体的集合就构成了以柱状模型形式表示的最终境界P，亦即序列{C*}N中的最大采场。置当前采场为最终境界P。
步骤2：置模柱序数k＝1。
步骤3：如果模柱k的底面标高与顶面标高相等，说明该模柱在当前采场的范围之外，进入步骤7；否则，继续步骤4。
步骤4：如图2中的锥A所示，将锥体顶点置于模柱k中心线上标高为 z＝zL,k+Δh处，其中，zL,k是模柱k的底面标高。
步骤5：计算锥体，即位于锥壳以下和当前采场以上的部分的剥离量、原煤量和地表面积，进而计算该锥体的指标λ值。如果锥体的原煤量不大于预设的相邻采场之间的原煤量增量ΔQ，把锥体的这些参数值与锥体顶点坐标一起记录于一个“锥体数组”中，进入步骤6；否则，该锥体不予考虑，转至步骤7。
步骤6：置z＝z+Δh，即把锥体顶点沿模柱k的中心线上移一个步长Δh，如图2中锥A之上的锥体。如果z≤zU,k+Δh，其中，zU,k为地表在模柱k处的标高，返回至步骤5；否则，进入步骤7；
步骤7：置模柱序数k＝k+1，即把锥体移动到下一个模柱。如果k≤Nc，其中，Nc为煤层柱状模型的模柱总数，返回至步骤3；否则，说明所有模柱已经被锥体“扫描”一遍，得到了一个锥体数组，进入步骤8。
步骤8：对锥体数组按λ值从大到小排序。然后，对于nc＝1，2，......，u，其中，u为正整数，逐次计算锥体数组中前nc个锥体的联合体的原煤量，需要注意的是，联合体中锥体之间的重叠部分只计一次，直到nc＝u时，即锥体数组中前u个锥体的联合体的原煤量不大于1.1ΔQ，且与ΔQ最为接近。
步骤9：将锥体数组中前u个锥体从当前采场中排除，其中，排除某个锥体，就是把当前采场中模柱底面标高小于该锥体的锥壳标高的所有模柱的底面标高，提升到相应模柱处该锥体的锥壳标高，需要注意的是，如果锥壳标高大于地表标高，就提升到地表标高。这些锥体被排除后，得到一个新的、煤量缩小了约ΔQ的地质-环境最优采场，保存新采场。
步骤10：如果新采场的原煤量大于ΔQ，置当前采场为新采场，返回到步骤2；否则，已经完成了所有采场的产生，进入步骤11。
步骤11：把产生的所有采场按总体积从小到大排序排列，就得到了地质- 环境最优采场序列。输出结果，算法结束。
需要说明的是，算法中锥体沿同一模柱的移动步长Δh一般可取台阶高度 h。一般而言，Δh越小，产生的采场越优，但运算时间越长。因此在软件设计中，可以由用户输入一个优化级别参数yj(yj为整数)，算法中的Δh取h/yj。
在本申请实施例中，进一步地，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt的步骤，具体包括：获取第t年的原煤量、岩石量和四纪层量，以及第t-1年的原煤量、岩石量和四纪层量；根据第t年的原煤量、岩石量和四纪层量和第t-1年的原煤量、岩石量和四纪层量，计算第t年的原煤开采量、岩石剥离量、四纪层剥离量；利用环境冲击量化模型，计算第t年的土地挖损面积、排场压占土地面积、矸石堆压占土地面积、表土场压占土地面积和地面生产设施占用土地面积；根据土地挖损面积、排场压占土地面积、矸石堆压占土地面积、表土场压占土地面积和地面生产设施占用土地面积，确定第t 年的土地损毁面积；根据土地损毁面积，利用环境成本量化模型，计算第t 年的土地生态系统损坏环境成本；计算第t年的温室气体排放量；根据温室气体排放量，确定第t年的温室气体排放环境成本；根据土地生态系统损毁环境成本和温室气体排放环境成本，确定第t年的综合环境成本；计算第t年的净现值NPVt。
在该技术方案中，令Q* m,i、V* y,i、V* 4,i、A* c,i分别为序列{C*}N中的第i 个地质-环境最优采场Ci *的原煤量、岩石量、四纪层量和地表挖损面积，其中， i＝1，2，......，N，N为正整数，Q* m,i是考虑了原煤回采率后的量，即采出原煤量，损失的原煤计入V* y,i。为表述方便，以下把“地质-环境最优采场”简称为“采场”。
不失一般性，假如从第1年开始，已经完成前(t-1)年的相关计算，正在进行第t年的计算。
第t年末的采场为，是从第(t-1)年末的采场经过一年的开采扩展而来。因此，该开采计划方案在第t年的原煤开采量qm,t、岩石剥离量vy,t、四纪层剥离量v4,t为：
Figure RE-GDA0003696094380000211
Figure RE-GDA0003696094380000221
Figure RE-GDA0003696094380000222
其中，
Figure RE-GDA0003696094380000223
指的是第t年的原煤量；
Figure RE-GDA0003696094380000224
指的是第(t-1)年的原煤量；
Figure RE-GDA0003696094380000225
指的是第t年的岩石量；
Figure RE-GDA0003696094380000226
指的是第(t-1)年的岩石量；
Figure RE-GDA0003696094380000227
指的是第t年的四纪层量；
Figure RE-GDA0003696094380000228
指的是第(t-1)年的四纪层量。
进一步地，应用“环境冲击量化模型”，计算第t年末采场累计土地挖损面积Ac,t、排土场累计压占土地面积Ap,t、矸石堆累计压占土地面积Ag,t、表土场累计压占土地面积Ab,t以及地面生产设施累计占用土地面积As,t。则第t年末累计土地损毁面积At为：At＝Ac,t+Ap,t+Ag,t+Ab,t+As,t。
进一步地，土地生态系统损毁的环境成本包括土地生态系统的生态价值损失和复垦与养护成本。土地生态系统的生态价值包括：生物质生产价值、土壤固碳价值、植物固碳价值、释氧价值、空气净化价值、土壤保持价值、水源涵养价值和养分循环价值。如果土地的生物质生产价值以征地费用计算并假设随用随征，那么该项价值损失按第t年新增的土地损毁面积计算。假设土壤碳库中的碳在土地被损毁的年内释放，土壤固碳价值的损失也按第t年新增的土地损毁面积计算。植物固碳价值、释氧价值、空气净化价值、土壤保持价值、水源涵养价值和养分循环价值的损失是持续性的，土地一旦被损毁，这些价值的损失从土地被毁开始一直持续到土地被复垦并恢复其生态生产力，所以第t年这六项生态价值损失需按这年的损毁土地保有量计算；第t年的损毁土地保有量等于第t年末累计土地损毁面积减去前一年末已完成复垦并恢复生态生产力的累计土地面积。因此，开采计划方案中，第t年的土地生态系统损毁环境成本Cland,t为：
Cland,t＝(At-AR,t-1)(zCplant+zO2+zair+zsoil+zH2O+zneut)+(At-At-1)(zyield+zCsoil)+Ar, tCrec；
其中，At为第t年末的土地损毁面积；AR,t-1为第(t-1)年末已累计完成复垦并恢复生态生产力的土地面积、Ar,t为第t年内完成复垦作业的土地面积；At-1为第(t-1)年末累计土地损毁面积；zCplant、zO2、zair、zsoil、zH2O和zneut分别为单位面积土地一年的植物固碳价值、释氧价值、空气净化价值、土壤保持价值、水源涵养价值和养分循环价值；zyield和zCsoil分别为单位面积土地的征地价格和土壤固碳价值，需要说明的是，这些价值均应用“环境成本量化模型”计算；Crec为单位面积土地的复垦和养护成本。
进一步地，开采计划方案第t年的温室气体排放量qg,t为：
qg,t＝qm,t(em+ex)+vy,tey+v4,te4；
其中，em、ex、ey和e4分别为原煤开采、煤炭洗选、岩石剥离和四纪层剥离的单位作业量的温室气体排放量，以CO2当量计，这些温室气体排放量均应用“环境冲击量化模型”计算。需要注意的是，温室气体排放量以CO2当量计
进一步地，开采计划方案中第t年的温室气体排放环境成本Cg，t为：
Figure RE-GDA0003696094380000231
其中，φ为C到CO2的转换系数，转换系数的取值可以为3.6667；CC为碳成本，即捕捉和贮存大气中碳的单位成本。
进一步地，第t年的综合环境成本Ce,t为：Ce,t＝Cland,t+Cg,t。
进一步地，假设矿山销售的产品全部为经过洗选后的精煤，且销售收入和各项成本均发生在年末。该计划方案在第t年末的累计综合净现值NPVt为：
Figure RE-GDA0003696094380000232
其中，NPVt-1为开采计划方案在第(t-1)年末的累计综合净现值；rx为洗选厂的回收率；pt为第t年的精煤售价；cm,t、cx,t、cy,t和c4,t分别为第t年原煤开采、洗选、岩石剥离和四纪层剥离的单位生产成本；CF为矿山企业的年不变成本；d为折现率。需要注意的是，累计综合净现值均为不计基建投资的净现值。
需要说明的是，当t＝0时的初始条件为：i(0)＝0，Q* m,0＝0，V* y,0＝0，V* 4,0＝0， A0＝基建期损毁土地面积，AR,0＝0，NPV0＝0。
在本申请中，进一步地，根据土地损毁面积，利用环境成本量化模型，计算第t年的土地生态系统损坏环境成本的步骤，具体包括：利用环境成本量化模型，计算第t年的土地生态系统的生态价值，其中，土地生态系统的生态价值包括以下至少一种：生物质生产价值、土壤固碳价值、植物固碳价值、释氧价值、空气净化价值、土壤保持价值、水源涵养价值和养分循环价值；获取第t年的完成复垦作业的土地面积、第(t-1)年的完成复垦并恢复生态生产力的土地面积以及所述第(t-1)年的土地损毁面积；第t年的土地生态系统损毁环境成本为：
Cland,t＝(At-AR,t-1)(zCplant+zO2+zair+zsoil+zH2O+zneut)+(At-At-1)(zyield+zCsoil)+Ar, tCrec；
在本申请实施例中，进一步地，根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命的步骤，具体包括：根据最大年产量qm-max，确定基建投资I(qm-max)；当t＝n时，根据第t年的净现值NPVt和基建投资，计算可行开采计划的第一净现值为：NPV＝NPVn-I(qm-max)；其中，NPVn为第t年的净现值；I(qm-max)为露天煤矿的基建投资。
在该技术方案中，根据可行开采计划方案的最高年采煤量，确定基建投资，需要说明的是，该基建投资是开采计划方案的最高年采煤量qm-max的函数，一般为近似线性函数。进一步地，从第一年开始逐年计算，直到最后一年，即t＝n时，得到NPVn。则当前可行开采计划方案的总综合净现值，即第一净现值为：NPV＝NPVn-I(qm-max)；其中，I(qm-max)为矿山的基建投资。
进一步地，作为上述基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法的具体实现，本申请实施例提供了一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化装置，如图4所示，该基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化装置400包括：
生成模块401，用于根据露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N，其中，地质-环境最优采场序列中每一个以最终境界结尾的子序列，即为一个可能的开采计划；
设置模块402，用于设任一开采计划的开采寿命为n年，第t年的采场对应于地质-环境最优采场序列{C*}N内的第i(t)个地质-环境最优采场C* i(t)，开采计划的地质-环境最优采场序列的子序列为{C*}N＝{C* i(1)，C* i(2)，......，C* i(n)}，其中，i(n)＝N，N为正整数，t≤n；
设置模块402，还用于设t＝1；
确定模块403，用于在地质-环境最优采场序列内，确定原煤量大于或等于预设产能域的下限且与预设产能域的下限最为接近的采场；
计算模块404，用于利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t 年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPV1，其中，采剥量包括以下至少一种：原煤开采量、岩石剥离量和四纪层剥离量；
设置模块402，还用于设t＝t+1；
计算模块404，还用于利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第 t年采场i(t)的原煤开采量；
优化模块405，用于若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场 i(t)+1，计算采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足预设可行计划条件；
优化模块405，还用于若采场i(t)的原煤开采量小于预设产能域的下限且达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
确定模块403，还用于若采场i(t)的原煤开采量大于预设产能域的上限，确定未满足预设可行计划条件，停止优化；
优化模块405，还用于若采场i(t)的原煤开采量位于预设产能域范围内，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，此时若采场未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足预设可行计划条件，若采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，则生成满足预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
设置模块402，还用于设t＝n-1；
计算模块404，还用于在可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场 i(t)+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量；
计算模块404，还用于若原煤开采量小于预设产能域的上限，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt；
判断模块406，用于判断采场是否达到最终境界；
优化模块405，还用于若采场未达到最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑t＝t+1的下一采场，直至满足预设可行计划条件；
生成模块401，用于若采场达到最终境界，确定满足预设可行计划条件，生成新的可行开采计划，并根据最大年产量计算基建投资和新的可行开采计划对应的第二净现值和开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
确定模块403，还用于根据可行开采计划对应的第一净现值和新的可行开采计划对应的第二净现值，确定最佳开采计划；
设置模块402，还用于设t＝n-1；
优化模块405，还用于返回至利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t)的原煤开采量的步骤，计算第t年的原煤开采量，若原煤开采量大于预设产能域的上限，则设t＝t-1；
判断模块406，还用于判断t是否大于0；
优化模块405，还用于若t大于0，返回至在可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第 t年的原煤开采量的步骤，直至满足预设可行计划条件；
输出模块407，用于若t小于或等于0，输出最佳开采计划。
需要说明的是，本申请实施例提供的一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化装置所涉及各功能模块的其他相应描述，可以参考图1的对应描述，在此不再赘述。
基于上述如图1所示方法，相应的，本申请实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述如图1所示的基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法。
基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品或硬件产品或软硬件相结合的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施场景的方法。
基于上述如图1所示的方法，以及图4所示的基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化装置实施例，为了实现上述目的，本申请实施例还提供了一种电子设备，具体可以为个人计算机、服务器、网络设备等，该电子设备包括存储介质和处理器；存储介质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述如图1所示的基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法。
可选地，该电子设备还可以包括用户接口、网络接口、摄像头、射频(RadioFrequency，RF)电路，传感器、音频电路、WI-FI模块等等。用户接口可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)等，可选用户接口还可以包括USB接口、读卡器接口等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如蓝牙接口、WI-FI接口)等。
本领域技术人员可以理解，本实施例提供的一种电子设备结构并不构成对该电子设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
存储介质中还可以包括操作系统、网络通信模块。操作系统是管理和保存电子设备硬件和软件资源的程序，支持信息处理程序以及其它软件和/或程序的运行。网络通信模块用于实现存储介质内部各控件之间的通信，以及与该实体设备中其它硬件和软件之间通信。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现，也可以通过硬件实现。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的单元或流程并不一定是实施本申请所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的单元可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的单元可以合并为一个单元，也可以进一步拆分成多个子单元。
上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化方法，其特征在于，所述方法包括：
根据所述露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N，其中，所述地质-环境最优采场序列中每一个以所述最终境界结尾的子序列，即为一个可能的开采计划；
设任一开采计划的所述开采寿命为n年，第t年的采场对应于地质-环境最优采场序列{C*}N内的第i(t)个地质-环境最优采场C* i(t)，所述开采计划的所述地质-环境最优采场序列的子序列为{C*}N＝{C* i(1)，C* i(2)，......，C* i(n)}，其中，i(n)＝N，N为正整数，t≤n；
设t＝1，在所述地质-环境最优采场序列内，确定原煤量大于或等于预设产能域的下限且与所述预设产能域的下限最为接近的采场；
利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPV1，其中，所述采剥量包括以下至少一种：原煤开采量、岩石剥离量和四纪层剥离量；
设t＝t+1，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t)的原煤开采量；
若所述采场i(t)的原煤开采量小于所述预设产能域的下限且未达到所述最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算所述采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足所述预设可行计划条件；
若所述采场i(t)的原煤开采量小于所述预设产能域的下限且采场达到所述最终境界，确定满足所述预设可行计划条件，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，生成满足所述预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、所述可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，所述开采寿命n＝t；
若所述采场i(t)的原煤开采量大于所述预设产能域的上限，确定未满足预设可行计划条件，优化终止；
若所述采场i(t)的原煤开采量位于所述预设产能域范围内，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，此时若采场未达到所述最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算所述采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足所述预设可行计划条件，若采场达到所述最终境界，确定满足预设可行计划条件，则生成满足所述预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、所述可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，所述开采寿命n＝t；
设t＝n-1，在所述可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量；
若所述原煤开采量小于所述预设产能域的上限，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt；
判断采场是否达到所述最终境界，若采场未达到所述最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑t＝t+1的下一采场，直至满足所述预设可行计划条件；
若采场达到所述最终境界，确定满足预设可行计划条件，生成新的可行开采计划，并根据所述最大年产量计算基建投资和所述新的可行开采计划对应的第二净现值和所述开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
根据所述可行开采计划对应的所述第一净现值和所述新的可行开采计划对应的所述第二净现值，确定最佳开采计划；
设t＝n-1，返回至利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t)的原煤开采量的步骤，计算第t年的原煤开采量，若所述原煤开采量大于所述预设产能域的上限，则设t＝t-1；
判断t是否大于0，若t大于0，返回至在所述可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量的步骤，直至满足所述预设可行计划条件；
若t小于或等于0，确定可行开采计划为最佳开采计划，输出输送最佳开采计划。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N的步骤，具体包括：
根据所述露天煤矿的境界区域，确定多个模柱；
获取每个模柱的底面标高、顶面标高和每个模柱沿竖直方向的中心线；
根据所述底面标高、所述顶面标高和所述中心线，确定所述露天煤矿的所述最终境界；
根据所述最终境界和所述多个模柱，在所述最终境界内，确定多个锥体；
获取每个锥体的原煤量；
根据所述每个锥体的原煤量和预设原煤增量，在所述多个锥体中，确定多个目标锥体；
获取每个目标锥体的原煤量、剥离量和地表损毁面积；
根据所述每个目标锥体的原煤量、剥离量和地表损毁面积，计算所述每个目标锥体的指标值，其中，所述指标值指的是所述锥体的剥采比加上单位采煤量的地表挖损面积的综合值；
根据所述指标值，确定多个目标采场；
根据所述多个目标采场，生成所述地质-环境最优采场序列。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt的步骤，具体包括：
获取所述第t年的原煤量、岩石量和四纪层量，以及第t-1年的原煤量、岩石量和四纪层量；
根据所述第t年的原煤量、岩石量和四纪层量和所述第t-1年的原煤量、岩石量和四纪层量，计算所述第t年的原煤开采量、岩石剥离量、四纪层剥离量；
利用环境冲击量化模型，计算所述第t年的土地挖损面积、排场压占土地面积、矸石堆压占土地面积、表土场压占土地面积和地面生产设施占用土地面积；
根据所述土地挖损面积、所述排场压占土地面积、所述矸石堆压占土地面积、所述表土场压占土地面积和所述地面生产设施占用土地面积，确定所述第t年的土地损毁面积；
根据所述土地损毁面积，利用环境成本量化模型，计算所述第t年的土地生态系统损坏环境成本；
计算所述第t年的温室气体排放量；
根据所述温室气体排放量，确定所述第t年的温室气体排放环境成本；
根据所述土地生态系统损毁环境成本和所述温室气体排放环境成本，确定所述第t年的综合环境成本；
计算所述第t年的净现值NPVt。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述根据土地损毁面积，利用环境成本量化模型，计算第t年的土地生态系统损坏环境成本的步骤，具体包括：
利用所述环境成本量化模型，计算所述第t年的土地生态系统的生态价值，其中，所述土地生态系统的生态价值包括以下至少一种：生物质生产价值、土壤固碳价值、植物固碳价值、释氧价值、空气净化价值、土壤保持价值、水源涵养价值和养分循环价值；
获取所述第t年的完成复垦作业的土地面积、第(t-1)年的完成复垦并恢复生态生产力的土地面积以及所述第(t-1)年的土地损毁面积；
所述第t年的土地生态系统损毁环境成本为：
Cland,t＝(At-AR,t-1)(zCplant+zO2+zair+zsoil+zH2O+zneut)+(At-At-1)(zyield+zCsoil)+Ar,tCrec；
其中，At为第t年末的土地损毁面积；AR,t-1为第(t-1)年末已累计完成复垦并恢复生态生产力的土地面积、Ar,t为第t年内完成复垦作业的土地面积；At-1为第(t-1)年末累计土地损毁面积；zCplant、zO2、zair、zsoil、zH2O和zneut分别为单位面积土地一年的植物固碳价值、释氧价值、空气净化价值、土壤保持价值、水源涵养价值和养分循环价值；zyield和zCsoil分别为单位面积土地的征地价格和土壤固碳价值；Crec为单位面积土地的复垦和养护成本。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据最大年产能计算基建投资、所述可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命的步骤，具体包括：
根据所述最大年产量qm-max，确定所述基建投资I(qm-max)；
当t＝n时，根据所述第t年的净现值NPVt和所述基建投资，计算所述可行开采计划的第一净现值为：NPV＝NPVn-I(qm-max)；
其中，NPVn为n＝t时，第t年的净现值；I(qm-max)为所述基建投资。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述可行开采计划对应的所述第一净现值和所述新的可行开采计划对应的所述第二净现值，确定最佳开采计划的步骤，具体包括：
将所述第一净现值与所述第二净现值进行比较；
若所述第二净现值大于所述第一净现值，将所述第二净现值对应的所述新的可行开采计划替换掉所述可行开采计划，即将所述新的开采计划作为所述最佳开采计划；
若所述第二净现值小于或等于所述第一净现值，所述可行开采计划保持不变，将所述第一净现值对应的所述可行开采计划作为所述最佳开采计划。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，
各项环境成本包括以下至少一项：生物质生产价值成本、土壤固碳价值成本、植物固碳价值成本、释氧价值成本、空气净化价值成本、土壤保持价值成本、水源涵养价值成本、养分循环价值成本和复垦养护成本。
8.一种基于地质环境对露天煤矿开采计划的优化装置，其特征在于，所述装置包括：
生成模块，用于根据所述露天煤矿的最终境界，利用地质-环境最优采场序列产生算法，生成地质-环境最优采场序列{C*}N，其中，所述地质-环境最优采场序列中每一个以所述最终境界结尾的子序列，即为一个可能的开采计划；
设置模块，用于设任一开采计划的所述开采寿命为n年，第t年的采场对应于地质-环境最优采场序列{C*}N内的第i(t)个地质-环境最优采场C* i(t)，所述开采计划的所述地质-环境最优采场序列的子序列为{C*}N＝{C*i(1)，C* i(2)，......，C* i(n)}，其中，i(n)＝N，N为正整数，t≤n；
所述设置模块，还用于设t＝1；
确定模块，用于在所述地质-环境最优采场序列内，确定原煤量大于或等于预设产能域的下限且与所述预设产能域的下限最为接近的采场；
计算模块，用于利用环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPV1，其中，所述采剥量包括以下至少一种：原煤开采量、岩石剥离量和四纪层剥离量；
所述设置模块，还用于设t＝t+1；
所述计算模块，还用于利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t)的原煤开采量；
优化模块，用于若所述采场i(t)的原煤开采量小于所述预设产能域的下限且未达到所述最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算所述采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足所述预设可行计划条件；
所述优化模块，还用于若所述采场i(t)的原煤开采量小于所述预设产能域的下限且达到所述最终境界，确定满足所述预设可行计划条件，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，生成满足所述预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、所述可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，所述开采寿命n＝t；
所述确定模块，还用于若所述采场i(t)的原煤开采量大于所述预设产能域的上限，确定未满足预设可行计划条件，停止优化；
所述优化模块，还用于若所述采场i(t)的原煤开采量位于所述预设产能域范围内，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt，此时若采场未达到所述最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑下一个更大的采场i(t)+1，计算所述采场i(t)+1的原煤开采量，直至满足所述预设可行计划条件，若采场达到所述最终境界，确定满足预设可行计划条件，则生成满足所述预设产能域的下限的可行开采计划，并根据最大年产能计算基建投资、所述可行开采计划对应的第一净现值和开采寿命，其中，所述开采寿命n＝t；
所述设置模块，还用于设t＝n-1；
所述计算模块，还用于在所述可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量；
所述计算模块，还用于若所述原煤开采量小于所述预设产能域的上限，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的采剥量、累计土地损毁面积、碳排放量、各项环境成本和净现值NPVt；
判断模块，用于判断采场是否达到所述最终境界；
所述优化模块，还用于若采场未达到所述最终境界，确定未满足预设可行计划条件，则考虑t＝t+1的下一采场，直至满足所述预设可行计划条件；
所述生成模块，还用于若采场达到所述最终境界，确定满足预设可行计划条件，生成新的可行开采计划，并根据所述最大年产量计算基建投资和所述新的可行开采计划对应的第二净现值和所述开采寿命，其中，开采寿命n＝t；
所述确定模块，还用于根据所述可行开采计划对应的所述第一净现值和所述新的可行开采计划对应的所述第二净现值，确定最佳开采计划；
所述设置模块，还用于设t＝n-1；
所述优化模块，还用于返回至利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年采场i(t)的原煤开采量的步骤，计算第t年的原煤开采量，若所述原煤开采量大于所述预设产能域的上限，则设t＝t-1；
所述判断模块，还用于判断t是否大于0；
所述优化模块，还用于若t大于0，返回至在所述可行开采计划的基础上考虑下一个更大的采场i(t)+1，利用所述环境成本内生化的开采计划评价模型，计算第t年的原煤开采量的步骤，直至满足所述预设可行计划条件；
输出模块，用于若t小于或等于0，输出所述最佳开采计划。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法。
10.一种电子设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法。
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