露天礦山生產(chǎn)計劃三維可視化編制技術(shù)

許利生 代碧波 江鵬飛

(1.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心，安徽馬鞍山，243004;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山，243004;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山，243004)

礦山生產(chǎn)進度計劃是指導(dǎo)露天礦山生產(chǎn)的一項重要依據(jù)，編制生產(chǎn)進度計劃是礦山技術(shù)人員每年的一項基本任務(wù)，但露天礦山開采系統(tǒng)往往都是復(fù)雜多變，工藝流程多，同時還受許多條件制約，如采場空間、采剝關(guān)系、設(shè)備效率等。目前國內(nèi)大部分露天礦山在編制生產(chǎn)進度計劃時仍采用人工的方式，這種方法工作量大，費時費力，且編制完畢后如采場任何一個約束條件出現(xiàn)變化，都難以返工修改。

本研究對露天礦山生產(chǎn)進度計劃編制存在的難點及關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。運用計算機，在三維可視化的環(huán)境下，實現(xiàn)人機交互的露天礦山生產(chǎn)進度計劃編制。最后通過工程實例驗證了本技術(shù)的可行性及其優(yōu)越的性能。

1 計劃編制技術(shù)

1.1 計劃編制的基本原理

生產(chǎn)進度計劃將開采對象分解成各個任務(wù)單元，可以在三維環(huán)境下用1個空間點來表示1個任務(wù)單元。根據(jù)生產(chǎn)對象性質(zhì)的不同，任務(wù)單元可以分為實體任務(wù)單元與抽象任務(wù)單元2種類型。

實體任務(wù)單元指實際采場工作面，抽象任務(wù)單元在空間上與實體任務(wù)單元相對應(yīng)，其屬性包括任務(wù)單元完成速度或所需時間、單元任務(wù)的度量單位等。

每一個任務(wù)單元都帶有很多的屬性，如三維空間坐標(biāo)、面積、長度、密度、體積、質(zhì)量、推進方向、開采量、品位、剝采比控制、臺階下降速度等。這些屬性有的是在設(shè)計中產(chǎn)生的，有的是在計劃編制時進行指定的。這些屬性是統(tǒng)計報表生成的基礎(chǔ)，其中有的屬性本身就是統(tǒng)計量，而有的屬性是為分類統(tǒng)計而定義的。

將進度計劃分解成各個任務(wù)單元后，應(yīng)按生產(chǎn)計劃制定完成任務(wù)單元的工作順序，根據(jù)順序?qū)⒏魅蝿?wù)單元進行排序。不同的排序方案表示不同的生產(chǎn)進度計劃方案。再根據(jù)各實體任務(wù)單元對應(yīng)的抽象任務(wù)單元，即任務(wù)單元的完成速度或所需時間等指定各任務(wù)的開始和結(jié)束的日期，就可以得到整個生產(chǎn)計劃的時間。

1.2 計劃編制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

計劃編制系統(tǒng)依次劃分3大塊:輸入、處理與輸出。生產(chǎn)進度計劃的編制都是在一個三維數(shù)據(jù)庫平臺上進行操作，該三維數(shù)據(jù)庫存放了礦山地質(zhì)、生產(chǎn)等數(shù)據(jù)信息，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 System logical structure

輸入部分主要指數(shù)據(jù)的輸入，將礦山的地質(zhì)信息(品位、巖性)、設(shè)計基礎(chǔ)信息(地表現(xiàn)狀、最終境界)以及生產(chǎn)信息輸入至三維數(shù)據(jù)庫平臺中。

處理部分則是將進度計劃分解成任務(wù)單元并制定任務(wù)工作順序，同時可根據(jù)實際情況對各任務(wù)單元之間完成的順序進行調(diào)整。

輸出部分主要是呈現(xiàn)進度計劃編制結(jié)果，包括生成計劃進度表、各種統(tǒng)計報表以及生產(chǎn)過程的三維動畫。

1.3 生產(chǎn)進度計劃編制的關(guān)鍵技術(shù)

(1)三維可視化建模技術(shù)。三維可視化建模技術(shù)是將生產(chǎn)計劃編制的整個程序建立在一個完全三維的環(huán)境基礎(chǔ)上，其主要技術(shù)包括鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、三維地質(zhì)體實體模型、三維地質(zhì)體礦石品位塊段模型及露天境界模型等。

(2)定義開采場所，形成任務(wù)單元。場所可分為采場、堆場、排土場和選廠，形成任務(wù)單位。場所與場所之間的邏輯關(guān)系采用物料的運移表示，如圖2。

圖2 礦巖運移圖Fig.2 Figure ore transport

任務(wù)單元形成后，需對任務(wù)進行屬性賦值，屬性主要包括:①開采方法，包括臺階方法、臺階多邊形方法、多邊形方法、邊坡掌子面方法。在中長期進度計劃中，臺階的開采方式最常用，需要確定露天境界的開始水平、結(jié)束水平以及臺階高度值;臺階多邊形和多邊形的開采方法常常用在短期計劃，需要考慮設(shè)備的分配情況，通過多段線將臺階平面劃分成多個多邊形區(qū)域。邊坡掌子面開采方式常常用鏟土機的開采推進方向可以傾斜的沙質(zhì)礦山。②開采方向，即工作面推進方向。可以是東南西北方向，也可以是放射方向。

(3)開采限制技術(shù)。開采限制可以是開采過程中的任何一部分，能影響到進度計劃編制的過程，開采限制主要包括3個方面:①開采能力。開采能力可能源于設(shè)備的工作能力，也可能源于所在場所的儲量限制，也可以隨著時間發(fā)生變化。②可用設(shè)備。③自然條件限制。④其他條件。例如編制進度計劃時，有時會希望保持一個固定的剝采比不變，這樣有利于礦山企業(yè)保持一個穩(wěn)定的現(xiàn)金流等。

開采限制是通過設(shè)置不同的回采參數(shù)或者目標(biāo)、比率來控制，在編制進度計劃中的開采限制越多，就越難達到理想的結(jié)果，但是正因為開采的限制，才可以模擬出更多的符合實際的生產(chǎn)進度計劃方案。

(4)任務(wù)分解。把采剝工作分解成實體任務(wù)單元，并形成相應(yīng)的抽象任務(wù)單元，添加相關(guān)的設(shè)備屬性，如指定設(shè)備數(shù)量、臺效，采場工作位置等。在任務(wù)分解過程中，任務(wù)單元的大小要能滿足計劃編制的要求、確定抽象單元任務(wù)與實體任務(wù)單元之間的空間依存關(guān)系。

(5)任務(wù)優(yōu)先排序技術(shù)。任務(wù)優(yōu)先級控制了根據(jù)塊體之間的相互關(guān)系確定塊體何時能變得可以采動，控制參數(shù)主要包括垂直滯后距離、最大平臺寬度。

垂直滯后距離控制的是上方臺階工作面和下方臺階工作面之間的距離，即臺階的最小工作平臺寬度。換句話說，一個臺階上的1個塊可以開采的話，它上方臺階有多少個塊體必須先開采完畢。最大平臺寬度常常用于開采層狀礦床。如果一個設(shè)備用來開采礦床的上覆巖層，而且?guī)r層是越來越薄，如果回采速度不進行調(diào)整，那么將開采大量的巖石才能揭露礦體，這在實際中就會引起前期投入巨大，后期收益比較集中，這在實際生產(chǎn)中是不允許的，需要在開采初期就能較快地揭露礦體，回籠資金，這時候最大平臺寬度的設(shè)置就顯得至關(guān)重要，通過限制推進方向的長度，使設(shè)備快速向下開采接觸礦體。

(6)計劃進度表生成技術(shù)。根據(jù)開采方案，產(chǎn)生與時間相對應(yīng)的進度計劃表，并根據(jù)采剝的平衡關(guān)系，進行實時調(diào)整。

(7)自定義統(tǒng)計報表技術(shù)。根據(jù)生產(chǎn)的需要，自定義各種類型報表技術(shù)，如采剝總量統(tǒng)計表、生產(chǎn)剝采比表等。

(8)計劃推進三維動畫技術(shù)。此技術(shù)是用來演示計劃推進過程。根據(jù)不同的日期間隔，演示計劃隨時間的推進過程，可以自定義起始與終止日期。

2 工程實例

某礦為一大型露天鐵礦山，年產(chǎn)礦石700萬t，采場生產(chǎn)臺階高度14 m，最終境界底部標(biāo)高為+1 230 m，采用汽車—鐵路開拓運輸方式，采用全臺階開采工藝，自礦體上盤礦巖接觸帶的巖石中開段溝，向礦體上、下盤兩工作幫同時推進，各工作平臺寬度60～70 m，同時工作臺階數(shù)5～7個。

2.1 工程現(xiàn)狀

計劃編制之前，首先對礦山的生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析，主要內(nèi)容包括:

(1)采場內(nèi)工作臺階、出礦臺階。

(2)穿孔、鏟裝設(shè)備臺效。

(3)臺階推進方式。

(4)生產(chǎn)剝采比。

生產(chǎn)現(xiàn)狀見表1。

表1 生產(chǎn)現(xiàn)狀Table 1 Production status table

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有三維塊段地質(zhì)模型，最終境界模型，開采現(xiàn)狀模型、設(shè)備臺效，生產(chǎn)剝采比、分層礦量等，見表2。

表2 分層礦巖量Table 2 Hierarchical scale mining

2.3 定義開采場所

本實例定義2個工作場所，即采場和排土場。開采方法選擇臺階開采，推進方向選擇放射狀。推進起始位置選擇采場北部，礦體中部。

2.4 設(shè)置開采限制

根據(jù)分層礦巖量表可以看出，由于上部臺階巖石欠剝，根據(jù)生產(chǎn)剝采比均衡，礦山2014年需要集中剝巖，礦石生產(chǎn)能力為700萬t/a，生產(chǎn)剝采比為5.3 t/t左右，限制開采采剝總量為4 410萬t/a左右，可用設(shè)備為10臺10 m3電鏟。2014年后礦山追回巖石欠剝量，生產(chǎn)剝采比降低至3 t/t左右，生產(chǎn)能力仍為700萬t/a，限制開采采剝總量2 800萬t/a左右，年下降速度限制為每年下降1個臺階。

2.5 任務(wù)分解及排序

每個生產(chǎn)臺階的采剝計劃對應(yīng)1個生產(chǎn)任務(wù)，共+1 584，+1 570，+1 556，+1 542，+1 528，+1 514，+1 500 m計7個生產(chǎn)臺階，設(shè)置7臺鏟裝設(shè)備，設(shè)備臺效為3 127 742.91 t/(臺·a)，垂直滯后距離為40 m，即下部臺階滯后上部臺階40 m。最大平臺寬度80 m，即本臺階年最大推進速度為80 m。

2.6 進度編排

進度編排設(shè)置時間周期為年，進度編排完成后將產(chǎn)生相關(guān)的生產(chǎn)調(diào)度甘特圖，甘特圖顯示了任務(wù)的時序安排信息。當(dāng)任務(wù)之間生成依賴性時，時序安排引擎將計算出任務(wù)的起始與結(jié)束日期。

在進度編排完成后，還可以生成開采計劃推進過程的動畫，用戶可以使用已存在的實體模型顏色或由推進計劃日期自定義顏色來創(chuàng)建開采計劃過程動畫。圖3～圖6即為開采計劃過程動畫過程中的4種狀態(tài)圖。

圖3 2013年年末狀態(tài)圖Fig.3 2013 Year-end state diagram

圖4 2014年年末狀態(tài)圖Fig.4 2014 Year-end state diagram

圖5 2018年年末狀態(tài)圖Fig5.2018 Year-end state diagram

圖6 2023年年末狀態(tài)圖Fig.6 2023 Year-end state diagram

表3 礦山未來5 a的生產(chǎn)能力Table 3 The production capacity of the mine next five years

2.7 結(jié)果分析

根據(jù)所得到的計劃編排以及各種統(tǒng)計報表，得出了如下結(jié)果。

(1)2014年為礦山的集中剝巖期，采場設(shè)備數(shù)量需增加，采剝總量增大，經(jīng)過生產(chǎn)剝采比均衡計算，生產(chǎn)剝采比按5.3 t/t考慮，此后生產(chǎn)剝采比降低至3 t/t以下。

(2)2014年后礦山追回此前巖石欠剝量，采剝設(shè)備減少3臺，否則計算出采剝總量仍然大，雖然增加礦石生產(chǎn)能力，但年下降速度過快，達到每年下降2～3個臺階，這與實際生產(chǎn)情況不符。采剝設(shè)備減少3臺后，采剝關(guān)系趨于平穩(wěn)，年下降速度為每年下降1個臺階。

(3)所做的計劃安排是在現(xiàn)有生產(chǎn)狀況與能力以及所配備的設(shè)備資源的基礎(chǔ)上進行安排的。從生產(chǎn)計劃編排中可以得到在控制年下降速度的情況下，適當(dāng)?shù)卦黾隅P裝設(shè)備將使整個礦山的生產(chǎn)能力有一定的提高。

3 結(jié)論

(1)露天礦山的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境具有很強的空間約束性，作業(yè)對象情況復(fù)雜。

(2)露天礦山生產(chǎn)進度計劃編制的限制條件數(shù)目較多，如設(shè)備效率、水平推進速度、垂直延伸速度等，但在三維環(huán)境下，復(fù)雜的計劃編制變得簡單明了。

(3)任務(wù)單元是生產(chǎn)進度計劃編制的基本對象，將生產(chǎn)對象分解成任務(wù)單元，對任務(wù)單元賦予各種屬性并制定其工作順序，就可得到各種生產(chǎn)進度計劃方案。

(4)計劃編制時不僅要考慮產(chǎn)能和生產(chǎn)剝采比目標(biāo)，同時還要考慮工作面推進時的年下降速度合理性問題。

［1］ 胡柳青，王李管，畢 林.地下礦山生產(chǎn)計劃3D可視化編制技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報，2007(9):930-933.Hu Liuqing，Wang Liguan，Bi Lin.3D visualization system based production plan scheduling of underground mine［J］ Journal of China Coal Society，2007(9):930-933.

［2］ 荊永濱.地下礦山生產(chǎn)計劃三維可視化編制技術(shù)研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2007:1-3.Jing Yongbing.Study of 3D visualization based production plan scheduling of underground mine［D］.Chang Sha:Central South University，2007:1-3.

［3］ 代碧波.礦床開采環(huán)境數(shù)字化評價技術(shù)研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2007:1-3.Dai Bibo.Research on the digitization evaluation technology in deposit mining environment［D］.Chang Sha:Central South University，2007:1-3.

［4］ 吳會江，李建祥.露天礦生產(chǎn)計劃的現(xiàn)狀、問題與對策［J］.金屬礦山，2005(04):4-6.Wu Huijiang，Li Jianxiang.Open-pit mine production planning:the current，problems ＆ strategies［J］.Metal Mine，2005(04:)4-6.

［5］ 雷用嘉，孫宏生，盧光遠，等.試論采掘計劃管理的基本方法［J］. 礦業(yè)工程，2008(05):6-8.Lei Yongjia，Sun Hongsheng，Lu Guangyuan，et al.Elementary method for management of mining plan［J］.Mining Engineering，2008(05):6-8.

［6］ 馮超東，曹 亮.基于SURPAC的露天礦三維采掘進度計劃編制系統(tǒng)［J］.金屬礦山，2008(12):139-141.Feng Chaodong，Cao Liang.Open pit 3D production scheduling system based on surpac software［J］.Metal Mine，2008(12):139-141.

［7］ 董衛(wèi)軍.礦山生產(chǎn)計劃智能決策計算機系統(tǒng)［J］.金屬礦山，2002(3):10-12.Dong Weijun. Intelligent decision system for mining plan［J］.Metal Mine，2002(3):10-12.

［8］ 李英龍，童光煦.礦山生產(chǎn)計劃編制方法的發(fā)展概況［J］.金屬礦山，1994(12):11-16.Li Yinglong，Tong Guangxu.Survey of the development of mine production plan scheduling［J］.Metal Mine，1994(12):11-16.

［9］ 李海其.計算機采掘計劃自動編制系統(tǒng)的研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，1994，14(3):89-92.Li Haiqi.A study on computer automatic programming system for mining planning［J］.Mining Research and Development，1994，14(3):89-92.

［10］ 李克慶，黃鳳吟.多目標(biāo)相似優(yōu)序值法在礦山開發(fā)方案優(yōu)選中的應(yīng)用［J］. 地質(zhì)技術(shù)經(jīng)濟管理，1995，17(1):42-46.Li Keqing，Huang Fengyin.Multi-objective optimization sequence similarity value method in the mine development program preferred application［J］.Geological Techno Economic Management，1995，17(1):42-46.