露天采矿学,第11章 电子计算机在露天开采中的应用,11.1 概 述,目前，计算机在各领域中的应用程度已成为衡量其科技进步的重要标志。早在1952年，美国宾夕法尼亚州的一个露天矿就使用电子计算机进行矿山管理。1961年在美国召开了第一届计算机和运筹学在矿业中应用的国际会议（APCOM），标志着矿业中的计算机技术日臻成熟。我国这方面的工作于70年代率先在露天矿设计和生产领域全面展开。目前计算机在露天开采中的应用主要包括以下几个方面。 1）露天矿设计方面,建立矿床模型，用有规律的数据表示各种地质信息，便于计算机处理。 确定露天矿生产能力，使投资和生产成本最低。 露天开采境界优化设计，圈定露天矿各个时期的经济合理开采界限。 露天矿开拓系统规划建立经济有效的运输网络布局。 编制露天矿采剥进度计划，寻求最佳的采剥关系和开采顺序。 计算机辅助设计，将计算机的高速运算能力和设计者的智慧有机地结合在一起。 露天开采过程模拟，分析开采中各种随机因素，合理确定开采设备的配置。 矿山投资效果分析，预测露天矿未来的经济效益。,2 ）露大矿生产和建设方面 建立矿山管理信息系统及时采集、加工及反馈生产中的各种信息。 编制矿山生产计划、合理安排露天矿年、季、月、周、日的生产。 管理露天矿各项生产工艺，充分发挥穿爆、装运和排土等项工作的效率。 从事露天矿生产凋度用计算机指挥生产。 监控露天矿主要设备，合理地安排设备的维修及更新 统筹安排露天矿基建施工，合理地利用人力、物力和财力，尽快完成基建仟务。 监测露天矿边坡，保证矿山安全。,3 ）露天矿技术经济方面 确定矿体边界品位，合理利用矿产资源。 从事矿石质量中和，科学地进行配矿。 控制矿山库存，合理地管理露天矿材料及备件。 总之，电子计算机巳广泛用于露天矿的各个领域，涉及到许多课题。不过，这些技术还有待进一步完善，许多汁算机软件系列还要标准化、系列化、工程化，以便全面推广应用。,11.2 矿床模型,应用计算机与运筹学进行矿山工程系统分析，首先要建立一种便于计算机处理的矿化编目模型。这样的矿床模型实质上是一种存储矿床的地形、地质和矿化等多种信息的数据库。 11.2.1矿床地质模型 露天矿最常用的矿床模型是三维固定块段模型，如下图所示。在这种模型中，矿床被划分为一系列具有固定尺寸的单元而形成三维网格。这些单元均为正六面体，称为块段。块段的高度一般为开采台阶或工作台阶高度，底平面通常是边长为1030m的正方形。另外，可以用三维数码（i，j，k）对块段进行编目。,建立矿床地质模型需要解决矿体界线推断，矿岩量计算和矿石品位估计等问题。 矿体边界的圈定方法有折线法和曲线法。这两种方法是依据勘测的矿体边界点分别采用直线方程和三次样条函数拟合矿体边界。 矿岩量计算有数值积分法和多边形法两种、这些方法可以计算块段的矿体面积，然后按块段高度和矿石体积密度求得块段的矿石体积及重量。,品位估计的方法有传统的加权平均法，距离平方反比法和地质统计学的克里金法。克里金法要求品位估计是无偏估计，即被估块段的品位真实值和估计值之差的数学期望等于零。 矿床地质模型就是采用定义于块段编码的一系列离散函数分别表示块段的品位，矿岩类型及矿岩量等地质信息。,11.2.2 矿床经济模型,类似于矿床地质模型，可用若干离散函数p（i，j，k）、v（i，j，k）和c（i，j，k）分别表示地段（i，j，k）的开采价值、销售价值和开采成本，由此构成矿床经济模型。 在矿床地质模型的基础上，销售价值v（i，j，k）可以依据块段（i，j，k）的采、选获得的矿产品数量、品质及其销售价格进行计算。开采成本c（i，j，k）包括块段（i，j，k）的采、选、运输、企管、销售等费用，还应包括相关的税、息等。由此可得： p（i，j，k）v（i，j，k） c（i，j，k） 在矿床经济模型中若p（i，j，k） 0，则块段（i，j，k）称为矿石块段；反之，称为岩石块段。,11.3 露天矿优化设计的计算机方法,露天开采境界优化设计的计算机方法按计算精度可以分为精确算法和启发式算法两大类。精确算法色括图论法、线性规划法、网络流法和运输规划法。启发式算法有移动圆锥法及其改进方法，搜索比较法。此外，还有动态规划法、参数化法等。一般情况下，精确算法的计算结果精确，但计算程序复杂。启发式算法计算快捷，但难以得到最优解。 目前国内外最常用的是移动圆锥法，该法又称浮动圆锥法、多重圆锥法或倒圆锥法。最简单的露天矿坑像一个倒置的圆锥体，因此露天开采境界可以看作是许多重叠倒圆锥体的组合，如下图所示。,圆锥体的生成方式如下图所示。选择一矿石块段作为锥头，锥体母线由此延伸到地表，取母线倾角为境界最终边坡角，其中心位于母线之内的块段就形成一个圆锥体。锥体内所有块段的开采价值之和定义为这个圆锥的开采价值。若其不小于零。该圆锥称为正锥；否则，称为负锥。 移动圆锥法圈定露天开采境界的设计方法如下：在矿床模型中，按一定的移动方式搜寻矿石块段，一旦找到矿石块段便由此生成倒圆锥若为正锥，将锥体内的块段从矿床模型中删除，圈入露天开采境界；否则，仍保留这些块段，重新搜寻矿石块段，如此循环反复。显然，矿床模型中所有的正锥便构成了露天矿开采境界。,移动圆锥法可以采用很多计算技术来简化计算和节省机时，因此运算十分快捷。移动圆锥法的计算原理还存在一些缺陷，在很多情况下，不能得到真正的最优解。 由图可以看出移动圆锥法实际生成的圆锥体都是不完整的，其内的块段集合一般称之为墒员境界。与移动圆锥法一样，绝大多数露天矿开采境界优化设计方法实质上是一种处理增量境界的方法。,11.4 编制采掘进度计划的CAD技术,近年来，使用计算机编制露天矿采掘进度计划已有许多优化方法，如线性规划法、整数规划法、动态规划法、交互式动态优化法、有向图模拟法、遗传算法及各种启发式算法等。目前，这方面应用较广泛的是计算机辅助设计，即CAD技术。这是一种设计者与计算机相结合的设计方法，它运用设计者的直观判断，智慧与经验，借助于数据库和计算机的快速分析计算、图形显示及绘制功能，快速高质量地完成设计任务。由于矿山地质条件复杂多变，采矿设计离不开人的于预，而且数据计算量和图形处理量很大，因此CAD技术特别适合采矿工业。,用CAD技术编制采掘进度计划与人工编制基本相似。具体编制方法大致如下： 1）在分层平面图上确定工作线位置。工作线位置由设计者凭经验确定。绘制工作线的方法有两种：一种方法是把分层平面图铺在数字化仪面板上，用指位器输人工作线的x、y坐标；另一种方法是移动屏幕上的光标，使光标沿工作线移动，读出线上的x、y坐标。在这些坐标值的基础上，采用三次样条函数方法，便可写出工作线的数学表达式。 2）用计算机计算采剥量。依据工作线的初始位置和终了位置，采用数值积分方法，即可计算工作面采出的矿岩面积、体积和重量。,3）动画式显示开采过程。在高分辨率的彩色图形监示器上，不同水平的矿岩用不同的颜色表示。当某一水平的某部位采出后，该处转为下一水平的颜色。随着开采的连续进行，这种颜色的变化也连续发生，如同卡通片一样反映开采过程。 4）多方案对比寻优。由于工作线的定位及采剥量的计算都由计算机执行，速度很快，加之有动画式显示开采过程，因此便于修改和进行多方案比较，筛选出最理想的方案。,5）计算机绘制图表。上述编制进度计划的整个过程，都由计算机记录下来，最后根据选定的进度计划，从计算机输出相应的表格及图表。 应用CAD技术编制采掘进度计划也可以在三维固定块段矿床模型上进行，国内80年代已开发出这种CAD系统。下图分别为该系统的开采模拟程序逻辑框图和绘图机绘出的年末进度图。,11.5露天矿生产过程的计算机模拟,露天矿生产是一个复杂的随机过程，难以用确定型的数学方法进行分析处理，而计算机模拟是研究这种随机过程的有效方法。计算机模拟，就是在计算机上对随机系统的结构和行为进行仿真实验。下面简要介绍在露天矿应用较广的电铲汽车装运过程的计算机模拟。 11.5.1系统描述 电铲汽车装运系统有电铲、汽车和卸载点等实体，以及装载、重车运行、卸载和空车运行等工艺过程，即活动。,对于电铲，若供车及时，便可进行装车；否则，就闲置待车。通过现场实测统计，电铲的装车时间和装车重量均为服从正态分布的随机变量。卸载点的情况与电铲类似，卸载时间的概率密度函数呈负指数分布或正态分布。 对于汽车，在电铲前和卸载点的情况相似。若电铲（卸载点）空闲，便直接进行装（卸）车；反之，就在电铲（卸载点）旁排队等待。当汽车装（卸）完毕后，便驶往目的地。 汽车的运行时间，根据汽车运动方程式和各运输区段路况计算，也可以按区段运距与平均运行速度直接求出。当计算出运行时间后，取其值的90，然后加上10的随机波动时间，后者服从负指数分布。 此外，电铲和汽车都会发生故障，模拟中应考虑设备故障的随机发生时间及处理时间。,11.5.2 模拟技术和方法,计算机模拟是应用计算机产生伪随机数抽样序列，然后将其变换为服从一定分布的随机变量抽样序列，从而实现随机过程的模拟。 模拟可分为时间步长法和事件步长法两种。 时间步长法是以固定的时间间隔把整个模拟过程划分为许多步。从所拟定的初始状态开始，在每个时间间隔，通过模拟各项活动，来描述系统内各个实体及其特征的发展变化，并记录该时间间隔内的所需信息数据，如此推进，直到预定的模拟时间结束。时间步长法常用于实体多并且活动频繁的复杂系统。,所谓事件是指系统中某项活动的开始或结束。事件步长法是按照系统中依次发生的事件来推进模拟时钟，即选取最近事件优先处理。最近事件是指在所有事件中距离当前时刻最短的事件，换句话说，从特定时刻算起该事件将最先发生。因此，事件步长法的模拟时间间隔不是固定的，而是取决于两个相邻事件发生的时间差。电铲汽车装运过程模拟常用事件步长法。 11.5.3 模拟程序 装运过程的计算机模拟程序主要由装车、卸车和汽车运行等一系列子程序组成。早期的模拟程序曾采用FORTRAN语言，而GPSS和GASP是后来得以广泛使用的两种模拟语言。,11.5.4模拟实验 依据模拟目的，输入具体方案，实施模拟试验。例如一台电铲配置1#、2#、3#三辆汽车，令Mi代表i#汽车的状态，当Mi=1、2、3、4时，分别表示i#汽车正在装载、重车运行、卸载、空车运行。模拟过程见课本表111和下图。,11.5.5 模拟结果分析,利用计算机模拟，可对系统中诸元素之间的关系进行分析，选择合理参数使系统得到优化。例如，为了得到合理的车铲比，可以输入不同的汽车数量方案，得出不同结果进行分析比较。为了进行经济比较，还可以增加成本计算项目，得出综合成本与车铲比的变化关系（如下图）。对于上图所示的情况，合理的车铲比为67。 目前，对于矿山整个生产工艺系统，计算机模拟不仅可以进行工艺参数和设备配置的优化，而且还可以实施作业环境和设备操作的仿真。,