露天煤矿分期开采方案的整体动态规划理论与模型研究

Stage mining is generally used in large coal deposits mined by open pit. The number of stages, stage pits, and ultimate pit constitute the three principal elements of stage planning, having substantial effects on the scientific exploitation of a coa deposit and on the overall economic gain. The current approach of stage planning is to first determine the ultimate pit and then delineate the stages. Because the optimization domain is constrained by the pre-determined ultimate pit, the current approach cannot, under most situations, result in the globally optimal plan, but only the sub-optimal plan. . This project seeks to go beyong the current approach, proposing a new stage planning theory and model based on an integrated, global, and dynamic view of the problem. “Integrated” means that the number of stages, stage pits, and the ultimate pit are all taken as internal variables without requiring pre-determination of any of them as a prior condition for optimizing the others, so that the three elements are simultaneously optimized. “Global” means relaxing the constraint on the optimization domain imposed by pre-determination of one of the elements, so that the globally optimal solution can be obtained. “Dynamic” contains two aspects: the first is dynamic with respect to space, that is, the optimization model must represent the spatial and dynamic interrelationship among the stage pits and the ultimate pit; the second is dynamic with respect to time, that is, the optimization model must reflect the effects of changes in the stage pits and ultimate pit on the distribution of cash flows along the time axis and, thus, on the total NPV. Realization of this new idea will be a major step forward in stage planning theory and model for open pit coal mines.

露天开采的大型煤田一般都实行分期开采。分期数、分期境界和最终境界这三大要素是分期规划的主体内容，对煤田的科学开采及其总体经济效益有重要影响。现行规划方法是先行确定最终境界然后进行分期划分，由于先行确定的最终境界限定了寻优空间，在绝大多数条件下得不到全局最优方案，只能得到局部最优方案。. 本项目突破现行的分期规划理念，从整体、全局和动态的视角提出新的分期方案规划理论和模型。“整体”就是把三大要素看作是优化的内生变量，不以三者中的任一要素的先行确定为优化其他要素的条件，实现三要素的整体优化。“全局”就是去除由于先行确定某一要素对寻优空间的限制，以求得全局最优解。“动态”包含两个方面：一是空间动态，即优化模型必须体现各个分期境界之间及其与最终境界之间的空间动态联系；二是时间动态，即优化模型必须反映分期境界和最终境界的空间变化对现金流在时间轴上的分布从而对总净现值的影响。

本项目把分期数、分期境界和最终境界均作为决策变量，把分期境界和最终境界看作露天煤矿时空发展路径上的状态，通过产生一个足以包含最佳路径的状态集，以净现值（NPV）为目标函数对由状态集组成的所有路径进行动态经济评价，找出NPV最大的路径，位于该路径上的各状态就组成了最佳分期方案。这样，就不需要预先确定分期方案三要素中的任何一个，实现三要素的整体优化。. 通过定义“地质最优境界”，以一个“地质最优境界序列”作为状态集，提出了分期方案的优化定理。建立了动态规划模型和路径枚举模型。依据优化理论和数学模型，设计了一整套优化算法和相应的数据结构。. 提出了从一个足够大的境界开始，产生地质最优境界序列的锥体排除法，设计了基于煤层柱状模型和地表标高模型的最大境界优化算法和地质最优境界序列产生算法。. 针对不同形式的成本与投资数据，建立了两种地质最优境界动态排序的数学模型：动态规划模型和路径枚举模型。对应于这两种模型分别设计了动态规划算法和路径枚举算法。. 基于一个大型煤田的实际地质数据，进行了项目成果的案例应用研究。首先对于给定的输入参数值，输出NPV位列最前的多个最佳分期方案，对这些方案作了细致的分析与合理性评价；其次，对于不同的成本和煤价取值进行多次优化，分析最佳分期方案随这些输入参数的变化，考察其变化方向是否符合预期。这些分析验证了优化理论与方法的合理性、数学模型和算法的正确性，以及整个优化系统的实用性。. 本项研究较好地解决了露天煤矿分期规划中三大要素的整体优化问题，提出了一套自成体系的优化理论、方法、数学模型和算法，并用Borland C++开发了优化软件。应用项目成果，不仅可以在新矿山的可行性研究和规划阶段对分期方案进行科学规划，而且可以在矿山生产过程中，随着生产探矿和矿体揭露提供越来越多的地质信息，以及经济条件的变化，定期或不定期地对未来分期方案进行滚动式优化研究，及时修正已有方案，最大限度地降低风险、提高经济效益。