電子計(jì)算機(jī)在露天開采中的應(yīng)用

1、礦床露天開采第11章 電子計(jì)算機(jī)在露天開采中的應(yīng)用11.1 概 述 目前，計(jì)算機(jī)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用程度已成為衡量其科技進(jìn)步的重要標(biāo)志。早在1952年，美國賓夕法尼亞州的一個露天礦就使用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行礦山管理。1961年在美國召開了第一屆計(jì)算機(jī)和運(yùn)籌學(xué)在礦業(yè)中應(yīng)用的國際會議（APCOM），標(biāo)志著礦業(yè)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)日臻成熟。我國這方面的工作于70年代率先在露天礦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)領(lǐng)域全面展開。目前計(jì)算機(jī)在露天開采中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面。 1）露天礦設(shè)計(jì)方面 建立礦床模型，用有規(guī)律的數(shù)據(jù)表示各種地質(zhì)信息，便于計(jì)算機(jī)處理。 確定露天礦生產(chǎn)能力，使投資和生產(chǎn)成本最低。 露天開采境界優(yōu)化設(shè)計(jì)，圈定露天礦各個時

2、期的經(jīng)濟(jì)合理開采界限。 露天礦開拓系統(tǒng)規(guī)劃建立經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)布局。 編制露天礦采剝進(jìn)度計(jì)劃，尋求最佳的采剝關(guān)系和開采順序。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，將計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力和設(shè)計(jì)者的智慧有機(jī)地結(jié)合在一起。 露天開采過程模擬，分析開采中各種隨機(jī)因素，合理確定開采設(shè)備的配置。 礦山投資效果分析，預(yù)測露天礦未來的經(jīng)濟(jì)效益。 2 ）露大礦生產(chǎn)和建設(shè)方面 D建立礦山管理信息系統(tǒng)及時采集、加工及反饋生產(chǎn)中的各種信息。 D編制礦山生產(chǎn)計(jì)劃、合理安排露天礦年、季、月、周、日的生產(chǎn)。 D管理露天礦各項(xiàng)生產(chǎn)工藝，充分發(fā)揮穿爆、裝運(yùn)和排土等項(xiàng)工作的效率。 D從事露天礦生產(chǎn)凋度用計(jì)算機(jī)指揮生產(chǎn)。 D監(jiān)控露天礦主要設(shè)備，合理

3、地安排設(shè)備的維修及更新D統(tǒng)籌安排露天礦基建施工，合理地利用人力、物力和財力，盡快完成基建仟務(wù)。 D監(jiān)測露天礦邊坡，保證礦山安全。 3 ）露天礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面 確定礦體邊界品位，合理利用礦產(chǎn)資源。 從事礦石質(zhì)量中和，科學(xué)地進(jìn)行配礦。 控制礦山庫存，合理地管理露天礦材料及備件。 總之，電子計(jì)算機(jī)巳廣泛用于露天礦的各個領(lǐng)域，涉及到許多課題。不過，這些技術(shù)還有待進(jìn)一步完善，許多汁算機(jī)軟件系列還要標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、工程化，以便全面推廣應(yīng)用。 11.2 礦床模型 應(yīng)用計(jì)算機(jī)與運(yùn)籌學(xué)進(jìn)行礦山工程系統(tǒng)分析，首先要建立一種便于計(jì)算機(jī)處理的礦化編目模型。這樣的礦床模型實(shí)質(zhì)上是一種存儲礦床的地形、地質(zhì)和礦化等多種信息的

4、數(shù)據(jù)庫。 11.2.1礦床地質(zhì)模型 露天礦最常用的礦床模型是三維固定塊段模型，如下圖所示。在這種模型中，礦床被劃分為一系列具有固定尺寸的單元而形成三維網(wǎng)格。這些單元均為正六面體，稱為塊段。塊段的高度一般為開采臺階或工作臺階高度，底平面通常是邊長為1030m的正方形。另外，可以用三維數(shù)碼（i，j，k）對塊段進(jìn)行編目。 建立礦床地質(zhì)模型需要解決礦體界線推斷，礦巖量計(jì)算和礦石品位估計(jì)等問題。 礦體邊界的圈定方法有折線法和曲線法。這兩種方法是依據(jù)勘測的礦體邊界點(diǎn)分別采用直線方程和三次樣條函數(shù)擬合礦體邊界。 礦巖量計(jì)算有數(shù)值積分法和多邊形法兩種、這些方法可以計(jì)算塊段的礦體面積，然后按塊段高度和礦石體積密

5、度求得塊段的礦石體積及重量。 品位估計(jì)的方法有傳統(tǒng)的加權(quán)平均法，距離平方反比法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的克里金法?？死锝鸱ㄒ笃肺还烙?jì)是無偏估計(jì)，即被估塊段的品位真實(shí)值和估計(jì)值之差的數(shù)學(xué)期望等于零。 礦床地質(zhì)模型就是采用定義于塊段編碼的一系列離散函數(shù)分別表示塊段的品位，礦巖類型及礦巖量等地質(zhì)信息。 11.2.2 礦床經(jīng)濟(jì)模型 類似于礦床地質(zhì)模型，可用若干離散函數(shù)p（i，j，k）、v（i，j，k）和c（i，j，k）分別表示地段（i，j，k）的開采價值、銷售價值和開采成本，由此構(gòu)成礦床經(jīng)濟(jì)模型。 在礦床地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，銷售價值v（i，j，k）可以依據(jù)塊段（i，j，k）的采、選獲得的礦產(chǎn)品數(shù)量、品質(zhì)及其銷售價

6、格進(jìn)行計(jì)算。開采成本c（i，j，k）包括塊段（i，j，k）的采、選、運(yùn)輸、企管、銷售等費(fèi)用，還應(yīng)包括相關(guān)的稅、息等。由此可得： p（i，j，k）v（i，j，k） c（i，j，k）在礦床經(jīng)濟(jì)模型中若p（i，j，k） 0，則塊段（i，j，k）稱為礦石塊段；反之，稱為巖石塊段。 11.3 露天礦優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)方法露天開采境界優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)方法按計(jì)算精度可以分為精確算法和啟發(fā)式算法兩大類。精確算法色括圖論法、線性規(guī)劃法、網(wǎng)絡(luò)流法和運(yùn)輸規(guī)劃法。啟發(fā)式算法有移動圓錐法及其改進(jìn)方法，搜索比較法。此外，還有動態(tài)規(guī)劃法、參數(shù)化法等。一般情況下，精確算法的計(jì)算結(jié)果精確，但計(jì)算程序復(fù)雜。啟發(fā)式算法計(jì)算快捷，但難

7、以得到最優(yōu)解。 目前國內(nèi)外最常用的是移動圓錐法，該法又稱浮動圓錐法、多重圓錐法或倒圓錐法。最簡單的露天礦坑像一個倒置的圓錐體，因此露天開采境界可以看作是許多重疊倒圓錐體的組合，如下圖所示。 圓錐體的生成方式如下圖所示。選擇一礦石塊段作為錐頭，錐體母線由此延伸到地表，取母線傾角為境界最終邊坡角，其中心位于母線之內(nèi)的塊段就形成一個圓錐體。錐體內(nèi)所有塊段的開采價值之和定義為這個圓錐的開采價值。若其不小于零。該圓錐稱為正錐；否則，稱為負(fù)錐。 移動圓錐法圈定露天開采境界的設(shè)計(jì)方法如下：在礦床模型中，按一定的移動方式搜尋礦石塊段，一旦找到礦石塊段便由此生成倒圓錐若為正錐，將錐體內(nèi)的塊段從礦床模型中刪除，圈

8、入露天開采境界；否則，仍保留這些塊段，重新搜尋礦石塊段，如此循環(huán)反復(fù)。顯然，礦床模型中所有的正錐便構(gòu)成了露天礦開采境界。 移動圓錐法可以采用很多計(jì)算技術(shù)來簡化計(jì)算和節(jié)省機(jī)時，因此運(yùn)算十分快捷。移動圓錐法的計(jì)算原理還存在一些缺陷，在很多情況下，不能得到真正的最優(yōu)解。 由圖可以看出移動圓錐法實(shí)際生成的圓錐體都是不完整的，其內(nèi)的塊段集合一般稱之為墑員境界。與移動圓錐法一樣，絕大多數(shù)露天礦開采境界優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)質(zhì)上是一種處理增量境界的方法。 11.4 編制采掘進(jìn)度計(jì)劃的CAD技術(shù)近年來，使用計(jì)算機(jī)編制露天礦采掘進(jìn)度計(jì)劃已有許多優(yōu)化方法，如線性規(guī)劃法、整數(shù)規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法、交互式動態(tài)優(yōu)化法、有向圖模擬

9、法、遺傳算法及各種啟發(fā)式算法等。目前，這方面應(yīng)用較廣泛的是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即CAD技術(shù)。這是一種設(shè)計(jì)者與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，它運(yùn)用設(shè)計(jì)者的直觀判斷，智慧與經(jīng)驗(yàn)，借助于數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)的快速分析計(jì)算、圖形顯示及繪制功能，快速高質(zhì)量地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。由于礦山地質(zhì)條件復(fù)雜多變，采礦設(shè)計(jì)離不開人的于預(yù)，而且數(shù)據(jù)計(jì)算量和圖形處理量很大，因此CAD技術(shù)特別適合采礦工業(yè)。 用CAD技術(shù)編制采掘進(jìn)度計(jì)劃與人工編制基本相似。具體編制方法大致如下： 1）在分層平面圖上確定工作線位置。工作線位置由設(shè)計(jì)者憑經(jīng)驗(yàn)確定。繪制工作線的方法有兩種：一種方法是把分層平面圖鋪在數(shù)字化儀面板上，用指位器輸人工作線的x、y坐標(biāo)；另一

10、種方法是移動屏幕上的光標(biāo)，使光標(biāo)沿工作線移動，讀出線上的x、y坐標(biāo)。在這些坐標(biāo)值的基礎(chǔ)上，采用三次樣條函數(shù)方法，便可寫出工作線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 2）用計(jì)算機(jī)計(jì)算采剝量。依據(jù)工作線的初始位置和終了位置，采用數(shù)值積分方法，即可計(jì)算工作面采出的礦巖面積、體積和重量。 3）動畫式顯示開采過程。在高分辨率的彩色圖形監(jiān)示器上，不同水平的礦巖用不同的顏色表示。當(dāng)某一水平的某部位采出后，該處轉(zhuǎn)為下一水平的顏色。隨著開采的連續(xù)進(jìn)行，這種顏色的變化也連續(xù)發(fā)生，如同卡通片一樣反映開采過程。 4）多方案對比尋優(yōu)。由于工作線的定位及采剝量的計(jì)算都由計(jì)算機(jī)執(zhí)行，速度很快，加之有動畫式顯示開采過程，因此便于修改和進(jìn)行多方案比

11、較，篩選出最理想的方案。 5）計(jì)算機(jī)繪制圖表。上述編制進(jìn)度計(jì)劃的整個過程，都由計(jì)算機(jī)記錄下來，最后根據(jù)選定的進(jìn)度計(jì)劃，從計(jì)算機(jī)輸出相應(yīng)的表格及圖表。 應(yīng)用CAD技術(shù)編制采掘進(jìn)度計(jì)劃也可以在三維固定塊段礦床模型上進(jìn)行，國內(nèi)80年代已開發(fā)出這種CAD系統(tǒng)。下圖分別為該系統(tǒng)的開采模擬程序邏輯框圖和繪圖機(jī)繪出的年末進(jìn)度圖。 11.5露天礦生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)模擬 露天礦生產(chǎn)是一個復(fù)雜的隨機(jī)過程，難以用確定型的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析處理，而計(jì)算機(jī)模擬是研究這種隨機(jī)過程的有效方法。計(jì)算機(jī)模擬，就是在計(jì)算機(jī)上對隨機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。下面簡要介紹在露天礦應(yīng)用較廣的電鏟汽車裝運(yùn)過程的計(jì)算機(jī)模擬。 11.5.1

12、系統(tǒng)描述 電鏟汽車裝運(yùn)系統(tǒng)有電鏟、汽車和卸載點(diǎn)等實(shí)體，以及裝載、重車運(yùn)行、卸載和空車運(yùn)行等工藝過程，即活動。 對于電鏟，若供車及時，便可進(jìn)行裝車；否則，就閑置待車。通過現(xiàn)場實(shí)測統(tǒng)計(jì)，電鏟的裝車時間和裝車重量均為服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。卸載點(diǎn)的情況與電鏟類似，卸載時間的概率密度函數(shù)呈負(fù)指數(shù)分布或正態(tài)分布。 對于汽車，在電鏟前和卸載點(diǎn)的情況相似。若電鏟（卸載點(diǎn)）空閑，便直接進(jìn)行裝（卸）車；反之，就在電鏟（卸載點(diǎn)）旁排隊(duì)等待。當(dāng)汽車裝（卸）完畢后，便駛往目的地。 汽車的運(yùn)行時間，根據(jù)汽車運(yùn)動方程式和各運(yùn)輸區(qū)段路況計(jì)算，也可以按區(qū)段運(yùn)距與平均運(yùn)行速度直接求出。當(dāng)計(jì)算出運(yùn)行時間后，取其值的90，然后加上

13、10的隨機(jī)波動時間，后者服從負(fù)指數(shù)分布。 此外，電鏟和汽車都會發(fā)生故障，模擬中應(yīng)考慮設(shè)備故障的隨機(jī)發(fā)生時間及處理時間。 11.5.2 模擬技術(shù)和方法 計(jì)算機(jī)模擬是應(yīng)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)抽樣序列，然后將其變換為服從一定分布的隨機(jī)變量抽樣序列，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)過程的模擬。 模擬可分為時間步長法和事件步長法兩種。時間步長法是以固定的時間間隔把整個模擬過程劃分為許多步。從所擬定的初始狀態(tài)開始，在每個時間間隔，通過模擬各項(xiàng)活動，來描述系統(tǒng)內(nèi)各個實(shí)體及其特征的發(fā)展變化，并記錄該時間間隔內(nèi)的所需信息數(shù)據(jù)，如此推進(jìn)，直到預(yù)定的模擬時間結(jié)束。時間步長法常用于實(shí)體多并且活動頻繁的復(fù)雜系統(tǒng)。 所謂事件是指系統(tǒng)中某項(xiàng)活動

14、的開始或結(jié)束。事件步長法是按照系統(tǒng)中依次發(fā)生的事件來推進(jìn)模擬時鐘，即選取最近事件優(yōu)先處理。最近事件是指在所有事件中距離當(dāng)前時刻最短的事件，換句話說，從特定時刻算起該事件將最先發(fā)生。因此，事件步長法的模擬時間間隔不是固定的，而是取決于兩個相鄰事件發(fā)生的時間差。電鏟汽車裝運(yùn)過程模擬常用事件步長法。 11.5.3 模擬程序 裝運(yùn)過程的計(jì)算機(jī)模擬程序主要由裝車、卸車和汽車運(yùn)行等一系列子程序組成。早期的模擬程序曾采用FORTRAN語言，而GPSS和GASP是后來得以廣泛使用的兩種模擬語言。 11.5.4模擬實(shí)驗(yàn) 依據(jù)模擬目的，輸入具體方案，實(shí)施模擬試驗(yàn)。例如一臺電鏟配置1#、2#、3#三輛汽車，令Mi代表i#汽車的狀態(tài)，當(dāng)Mi=1、2、3、4時，分別表示i#汽車正在裝載、重車運(yùn)行、卸載、空車運(yùn)行。模擬過程見課本表1