一种露天煤矿分期方案整体优化方法及系统

1.本发明涉及煤矿开采技术领域，特别是涉及一种露天煤矿分期方案整体优化方法及系统。


背景技术：

2.大型露天煤矿一般都采用分期开采。分期开采就是把整个煤田划分为若干个分期，每个分期都有自己的境界(称为分期境界或中间境界，最后一个分期的分期境界即为最终境界)，在每个分期的开采中，工作台阶只推进到相应的分期境界，并在适当的时候向下一分期进行扩帮过渡；如此逐期开采和过渡，直到开采到最终境界。设计分期方案需要确定三大要素：分期数、各分期境界和最终境界。
3.以往的分期方案设计是分步进行的，即首先设计最终境界，而后将最终境界划分为合适数目的分期境界。然而，把最终境界和中间境界分步单独优化，得不到整体的最佳分期方案。因为预先优化出最终境界就限定了中间境界的优化范围。另外，从露天开采的时空发展逻辑看，最终境界是经过若干个分期的开采所得到的最终结果，而不是前提。也就是说，分期开采是从第一分期开始逐分期开采、过渡，直到某个分期境界时，进一步扩大开采范围不再对总效益有正的贡献，开采结束，这一分期境界即为最终境界。因此，必须把最终境界、分期数和中间境界都作为优化中的决策变量进行整体优化，才有可能得到整体最佳的分期方案。然而，要获得整体最佳分期方案，就需要为每一分期考虑各种不同的境界以及不同的分期数；在理论上，这是一个在无穷大的寻优域内求最优解的问题，所以很难得到真正的解。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种露天煤矿分期方案整体优化方法及系统，把寻优域缩小为一个有限域进行求解，大大的降低了求解的难度，具有很强的实用性，可以满足大型露天煤矿的分期方案整体优化需要。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种露天煤矿分期方案整体优化方法，包括：
7.s1，基于煤层柱状模型、煤田地表标高模型和技术参数得到地质最优境界序列；
8.s2，基于所述地质最优境界序列，采用动态规划法，得到每一阶段每个状态的数值，并进行计算，得到每一阶段每个状态的累积净现值；
9.s3，遍历各所述累积净现值并选取值最大的所述累积净现值所对应的阶段为分期数；选取值最大的所述累积净现值所对应的状态为最终状态；
10.s4，从所述最终状态开始，逆向追踪最佳前置状态，直到初始状态，得到最优路径，即最佳分期方案。
11.优选地，所述s1包括：
12.s11，基于最大分期数确定阶段总数；
13.s12，基于所述煤层柱状模型、所述煤田地表标高模型和所述技术参数得到地质最优境界序列；
14.s13，基于煤田储量和单分期时间跨度阈值范围得到单分期原煤开采量最大值和单分期原煤开采量最小值。
15.优选地，所述s2包括：
16.s21，将所述地质最优境界序列作为第一阶段的各状态的数值；
17.s22，基于第t-1个阶段各状态的数值进行转移得到第t个阶段各状态的数值，重复此过程，直至得到第n个阶段各状态的数值；t∈n，n为阶段总数；
18.s23，基于各阶段各状态的数值进行计算得到每一阶段每个状态的所述累积净现值。
19.优选地，所述方法还包括：
20.s5，对各阶段各状态的数值进行判断，若当前阶段中全部状态的数值均小于所述单分期原煤开采量最小值或大于所述单分期原煤开采量最大值，则调整所述单分期原煤开采量最大值和所述单分期原煤开采量最小值并重新执行“s2-s4”。
21.本发明还提供了一种露天煤矿分期方案整体优化系统，包括：
22.境界序列模块，基于煤层柱状模型、煤田地表标高模型和技术参数得到地质最优境界序列；
23.累积净现值模块，基于所述地质最优境界序列，采用动态规划法，得到每一阶段每个状态的数值，并进行计算，得到每一阶段每个状态的累积净现值；
24.选取模块，遍历各所述累积净现值并选取值最大的所述累积净现值所对应的阶段为分期数；选取值最大的所述累积净现值所对应的状态为最终状态；
25.追踪模块，从所述最终状态开始，逆向追踪最佳前置状态，直到初始状态，得到最优路径，即最佳分期方案。
26.优选地，所述境界序列模块包括：
27.阶段总数单元，基于最大分期数确定阶段总数；
28.境界序列单元，基于所述煤层柱状模型、所述煤田地表标高模型和所述技术参数得到地质最优境界序列；
29.开采量极值单元，基于煤田储量和单分期时间跨度阈值范围得到单分期原煤开采量最大值和单分期原煤开采量最小值。
30.优选地，所述累积净现值模块包括：
31.赋值单元，将所述地质最优境界序列作为第一阶段的各状态的数值；
32.状态转移单元，基于第t-1个阶段各状态的数值进行转移得到第t个阶段各状态的数值，重复此过程，直至得到第n个阶段各状态的数值；t∈n，n为阶段总数；
33.累积净现值计算单元，基于各阶段各状态的数值进行计算得到每一阶段每个状态的所述累积净现值。
34.优选地，所述系统还包括：
35.判断模块，对各阶段各状态的数值进行判断，若当前阶段中全部状态的数值均小于所述单分期原煤开采量最小值或大于所述单分期原煤开采量最大值，则调整所述单分期原煤开采量最大值和所述单分期原煤开采量最小值并重新执行所述累积净现值模块至所
述追踪模块。
36.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：
37.本发明涉及一种露天煤矿分期方案整体优化方法及系统，方法包括：s1，基于煤层柱状模型、煤田地表标高模型和技术参数得到地质最优境界序列；s2，基于所述地质最优境界序列，采用动态规划法，得到每一阶段每个状态的数值，并进行计算，得到每一阶段每个状态的累积净现值；s3，遍历各所述累积净现值并选取值最大的所述累积净现值所对应的阶段为分期数；选取值最大的所述累积净现值所对应的状态为最终状态；s4，从所述最终状态开始，逆向追踪最佳前置状态，直到初始状态，得到最优路径，即最佳分期方案。本发明把寻优域缩小为一个有限域进行求解，大大的降低了求解的难度，可以满足大型露天煤矿的分期方案整体优化需要。
附图说明
38.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。
39.图1为本发明露天煤矿分期方案整体优化方法总体流程图；
40.图2为本发明动态规划网络图；
41.图3为本发明露天煤矿分期方案整体优化方法具体流程图；
42.图4为本发明露天煤矿分期方案整体优化系统结构图。
43.符号说明：1-境界序列模块，2-累积净现值模块，3-选取模块，4-追踪模块，5-判断模块。
具体实施方式
44.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。
45.本发明的目的是提供一种露天煤矿分期方案整体优化方法及系统，把寻优域缩小为一个有限域进行求解，大大的降低了求解的难度，具有很强的实用性，可以满足大型露天煤矿的分期方案整体优化需要。
46.进行如下定义和定理：
47.定义：如果一个煤田储量为m、帮坡角小于或等于最大允许帮坡角{β}的境界，其剥离量在所有煤田储量为m、帮坡角不大于{β}的境界中是最小的，那么，称该境界为对于m和{β}的“地质最优境界”，记为j(m,{β})，简记为j。在煤田的不同方位或区域，边坡的稳定性可能不同，允许的最大境界帮坡角也可能不同，{β}是由不同方位或区域的最大允许帮坡角组成的数组。
48.定理：令{j}n为煤田的地质最优境界序列。如果{j}n是完全嵌套序列，并且其中任意两个相邻地质最优境界之间的增量足够小、其中的最大境界jn足够大，那么，使总累积净
现值最大的最优分期方案必然是{j}n的一个子序列，该子序列称为分期方案的最优解序列，n为最大分期数。
49.定义是明确“地质最优境界”的特点；
50.定理是为了说明把寻优域缩小为一个有限域后的寻优空间范围。
51.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。
52.图1为本发明露天煤矿分期方案整体优化方法流程图；图3为本发明露天煤矿分期方案整体优化方法具体流程图。如图1和图3所示，本发明提供了一种露天煤矿分期方案整体优化方法，包括：
53.步骤s1，基于煤层柱状模型、煤田地表标高模型和技术参数得到地质最优境界序列。
54.具体地，所示步骤s1包括：
55.步骤s11，基于最大分期数确定阶段总数。阶段总数与最大分期数相等。
56.步骤s12，基于所述煤层柱状模型、所述煤田地表标高模型和所述技术参数得到地质最优境界序列。
57.步骤s13，基于煤田储量和单分期时间跨度阈值范围得到单分期原煤开采量最大值和单分期原煤开采量最小值。
58.步骤s2，基于所述地质最优境界序列，采用动态规划法，得到每一阶段每个状态的数值，并进行计算，得到每一阶段每个状态的累积净现值。
59.进一步地，步骤s2包括：
60.步骤s21，将所述地质最优境界序列作为第一阶段的各状态的数值。
61.步骤s22，基于第t-1个阶段各状态的数值进行转移得到第t个阶段各状态的数值，重复此过程，直至得到第n个阶段各状态的数值；t∈n，n为阶段总数。具体采用如图2所示的动态规划网络，结合动态规划法，得到每个阶段每个状态的数值。
62.步骤s23，基于各阶段各状态的数值进行计算得到每一阶段每个状态的所述累积净现值。
63.具体地，步骤s2包括如下过程：
64.过程1，定义一个n
×
n的二维“阶段-状态数组”，数组的列为阶段、行为状态，列和行的序数均为1～n。为表述方便，把数组中位于第t列、第i行的元素称为“数值s
t,i”。对于每一阶段(列)t，当状态(行)序数i满足t≤i≤n时，数值s
t,i
对应序列{j}n中第i个状态j
t,i
；当i《t时，s
t,i
所对应的状态为空。t＝0时，阶段0只有一个状态，即初始状态s
0,0
，该状态不属于阶段-状态数组。设置初始状态处的初始条件：m0＝0、y0＝0、b0＝0、t
0,0
＝0、npv
0,0
＝0。把数组中所有状态初始化为“不可行”，并把所有状态的累积净现值初始化为npv
t,i
＝-1.0
×
10
30
。其中，m0代表0阶段的原煤开采量，y0代表0阶段的岩石剥离量，b0代表0阶段的四纪层剥离量，t
0,0
代表0阶段的累积时间长度、npv
0,0
代表0阶段的累积净现值。累积时间长度为当前阶段从时间0点到开采结束的时间长度。将所述地质最优境界序列赋值给阶段-状态数组的第一行，作为第1阶段。
65.过程2，置当前阶段序数t＝1；置当前状态序数i＝1。
66.过程3，对m
t,i
进行判断，若m
t,i
小于m
l
或m
t,i
大于mu，则执行过程5，若m
l
≤m
t,i
≤mu，
则计算状态j
t,i
的累积净现值，m
t,i
代表第t阶段第i个状态的原煤开采量，计算方法如下：
67.第t阶段第i个状态按时间0点的价格和成本计算的总销售收入v
t,i
(t-1,j)和总生产成本c
t,i
(t-1,j)为：
[0068]vt,i
(t-1,j)＝m
t,irp
p；
[0069]ct,i
(t-1,j)＝m
t,i
(cm+c
x
)+y
t,icy
+b
t,i
c4；
[0070]
式中：r
p
为煤炭综合回收率，p为时间0点的精煤价格，y
t,i
代表第t阶段第i个状态的岩石剥离量，b
t,i
代表第t阶段第i个状态的四纪层剥离量，cm带表时间0点的原煤单位开采成本，cy代表时间0点的岩石单位剥离和排弃成本，c4代表时间0点的四纪层单位剥离和排弃成本，c
x
代表时间0点的单位洗煤成本，即洗煤厂处理1吨原煤的成本，j表示第t阶段第i个状态从第t-1阶段第j个状态转移得到的。
[0071]
用l
t,i
(t-1,j)表示第t阶段第i个状态需要的时间长度，即开采和处理m
t,i
、剥离y
t,i
和b
t,i
所需要的年数。
[0072]
假设采煤能力、剥离能力和洗煤处理能力完全匹配，那么有：
[0073][0074]
式中：a表示采煤场的原煤年生产能力，亦即洗煤厂的设计处理能力。
[0075]
如果不完全匹配，需要分别计算采煤、剥离和洗煤所需的时间，并取其中的最长者作为l
t,i
。
[0076]
l
t,i
可能不是整数年，用d
t,i
(t-1,j)表示l
t,i
(t-1,j)的整数部分，δ
t,i
(t-1,j)表示其小数部分。那么，d
t,i
(t-1,j)年中每年的平均收入v
t,i
(t-1,j)和平均成本c
t,i
(t-1,j)为：
[0077][0078][0079]
小数部分δ
t,i
(t-1,j)的收入a
t,i
(t-1,j)和成本u
t,i
(t-1,j)为：
[0080]at,i
(t-1,j)＝v
t,i
(t-1,j)-v
t,i
(t-1,j)d
t,i
(t-1,j)；
[0081]ut,i
(t-1,j)＝c
t,i
(t-1,j)-c
t,i
(t-1,j)d
t,i
(t-1,j)；
[0082]
按照这一状态转移，从时间0点到第t阶段开采结束的累积时间长度t
t,i
(t-1,j)为：
[0083]
t
t,i
(t-1,j)＝t
t-1,j
+l
t,i
(t-1,j)；
[0084]
式中：t
t-1,j
是从时间0点沿最佳路径到达前一阶段t-1上的状态境界j
t-1,j
的累积时间长度，在评价前一阶段的各状态时已经计算过，是已知的。
[0085]
这样，当阶段t上的状态j
t,i
是从阶段t-1上的状态j
t-1,j
转移而来时，经过t个阶段的生产，得到的累积净现值npv
t,i
(t-1,j)为：
[0086]
[0087]
式中：ρ
p
表示精煤价格的年上升率，ρc表示生产成本(采煤、剥离和洗煤成本)的年上升率，d表示年折现率，n表示从t
t-1,j
之后的第n年。
[0088]
式中的npv
t-1,j
是沿最佳路径到达前一阶段t-1上的状态j
t-1,j
的累积净现值，在评价前一阶段的各状态时已经计算过，是已知的。
[0089]
在上式中，假设每年的收入和成本都发生在年末。
[0090]
阶段t上的状态j
t,i
可以从前一阶段t-1上的多个境界转移而来，不同的转移导致第t阶段的原煤开采量、岩石剥离量和四纪层剥离量不同，分期的收入、成本和开采时间长度以及到分期末的时间总长度不同，由以上各式计算的阶段t上境界j
t,i
处的累积净现值npv
t,i
(t-1,j)也不同。具有最大累积净现值的那个状态转移是最佳状态转移(即动态规划中的“最优决策”)，该转移对应的前置状态为最佳前置状态。
[0091]
因此，有如下递归目标函数：
[0092]
基于该公式从多个累积净现值里面找到净现值最大的那一个。
[0093]
过程4，如果i《n，置i＝i+1，回到过程3，如果i≥n，执行过程5。
[0094]
过程5，判断阶段t中是否存在m
l
≤m
t,i
≤mu，若存在，执行过程6，若不存在，则调整所述单分期原煤开采量最大值和单分期原煤开采量最小值，并返回至过程1。图3中的无解退出代表调整所述单分期原煤开采量最大值和单分期原煤开采量最小值，并返回至过程1。
[0095]
过程6，置当前阶段序数t＝t+1，置当前状态序数i＝t(i《t的状态均为空，不用考虑)。当前数值为s
t,i
，它所对应的境界为j
t,i
。
[0096]
过程7，置前一阶段t－1的状态序数j＝t－1，即从前一阶段的最低非空状态开始，向当前状态j
t,i
转移。前一阶段数值s
t-1,j
所对应的境界为j
t-1,j
。
[0097]
过程8，如果状态s
t-1,j
为可行状态，执行过程9；否则执行过程12。其中可行状态为m
l
≤m
t-1,j
≤mu。
[0098]
过程9，计算第t阶段的原煤开采量开采的原煤量、岩石剥离量和四纪层剥离量。
[0099]
计算公式如下：
[0100]mt,i
＝m
t,i
*-m
t-1,j
；
[0101]yt,i
＝y
t,i
*-y
t-1,j
；
[0102]bt,i
＝b
t,i
*-b
t-1,j
；
[0103]
式中：m
t,i
*表示第t阶段第i个状态的原始原煤开采量，y
t,i
*表示第t阶段第i个状态的原始岩石剥离量，b
t,i
*表示第t阶段第i个状态的原始四纪层剥离量。
[0104]
过程10，对m
t,i
进行判断，若m
t,i
小于m
l
或m
t,i
大于mu，则执行过程13，若m
l
≤m
t,i
≤mu，则计算状态j
t,i
的累积净现值，并把状态s
t,i
标记为“可行”。如果npv
t,i
(t-1,j)》npv
t,i
，置npv
t,i
＝npv
t,i
(t-1,j)，把状态s
t,i
的最佳前置状态记录为状态s
t-1,j
，并置到达状态s
t,i
的累积时间长度t
t,i
＝t
t,i
(t-1,j)；否则，npv
t,i
、最佳前置状态和t
t,i
均不变。
[0105]
过程11，如果j《i-1，置j＝j+1，返回到过程8；否则，执行过程12。
[0106]
过程12，如果i《n，置i＝i+1，返回到过程7，否则，执行过程13。
[0107]
过程13，判断阶段t中是否存在m
l
≤m
t,i
≤mu，若存在，执行过程14，若不存在，则调整所述单分期原煤开采量最大值和单分期原煤开采量最小值，并返回至过程1。
[0108]
过程13，如果t《n，返回到过程6；否则，结束。
[0109]
步骤s3，遍历各所述累积净现值并选取值最大的所述累积净现值所对应的阶段为分期数；选取值最大的所述累积净现值所对应的状态为最终状态。
[0110]
在阶段-状态数组的所有可行状态s
t,i
中，找到累积净现值最大的那个状态，即为最佳最终状态，该状态所在的阶段序数即为最佳分期数，该状态对应的境界即为最佳最终境界。
[0111]
步骤s4，从所述最终状态开始，逆向追踪最佳前置状态，直到初始状态，得到最优路径，即最佳分期方案。
[0112]
从最佳最终状态开始，逐阶段反向搜索其最佳前置状态，直到初始状态(原点0)，就得到了最优路径(即最佳分期方案)，沿该路径的各阶段上的境界即为相应分期的最佳分期境界。输出最佳分期方案的相关指标值，结束。
[0113]
当某一阶段中不存在m
l
≤m
t,i
≤mu，也有可能是相邻境界之间的原煤增量δq设置太大，亦可对其进行调整。
[0114]
图4为本发明露天煤矿分期方案整体优化系统结构图。如图4所示，本发明提供了一种露天煤矿分期方案整体优化系统，包括：境界序列模块1、累积净现值模块2、选取模块3和追踪模块4。
[0115]
所述境界序列模块1基于煤层柱状模型、煤田地表标高模型和技术参数得到地质最优境界序列。
[0116]
所述累积净现值模块2基于所述地质最优境界序列，采用动态规划法，得到每一阶段每个状态的数值并进行计算，得到每一阶段每个状态的累积净现值。
[0117]
所述选取模块3遍历各所述累积净现值并选取值最大的所述累积净现值所对应的阶段为分期数；选取值最大的所述累积净现值所对应的状态为最终状态。
[0118]
所述追踪模块4从所述最终状态开始，逆向追踪最佳前置状态，直到初始状态，得到最优路径，即最佳分期方案。
[0119]
优选地，所述境界序列模块1包括：阶段总数单元、境界序列单元和开采量极值单元。
[0120]
所述阶段总数单元基于最大分期数确定阶段总数。
[0121]
所述境界序列单元基于所述煤层柱状模型、所述煤田地表标高模型和所述技术参数得到地质最优境界序列。
[0122]
所述开采量极值单元基于煤田储量和单分期时间跨度阈值范围得到单分期原煤开采量最大值和单分期原煤开采量最小值。
[0123]
优选地，所述累积净现值模块2包括：赋值单元、状态转移单元和累积净现值计算单元。
[0124]
所述赋值单元将所述地质最优境界序列作为第一阶段的各状态的数值。
[0125]
所述状态转移单元基于第t-1个阶段各状态的数值进行转移得到第t个阶段各状态的数值，重复此过程，直至得到第n个阶段各状态的数值；t∈n，n为阶段总数。
[0126]
所述累积净现值计算单元基于各阶段各状态的数值进行计算得到每一阶段每个状态的所述累积净现值。
[0127]
可选地，所述系统还包括：判断模块5。
[0128]
所述判断模块5对各阶段各状态的数值进行判断，若当前阶段中全部状态的数值
均小于所述单分期原煤开采量最小值或大于所述单分期原煤开采量最大值，则调整所述单分期原煤开采量最大值和所述单分期原煤开采量最小值并重新执行所述累积净现值模块1至所述追踪模块4。
[0129]
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。
[0130]
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。