露天矿山生产计划三维可视化编制技术

许利生 代碧波 江鹏飞

(1.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心，安徽马鞍山，243004;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山，243004;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山，243004)

矿山生产进度计划是指导露天矿山生产的一项重要依据，编制生产进度计划是矿山技术人员每年的一项基本任务，但露天矿山开采系统往往都是复杂多变，工艺流程多，同时还受许多条件制约，如采场空间、采剥关系、设备效率等。目前国内大部分露天矿山在编制生产进度计划时仍采用人工的方式，这种方法工作量大，费时费力，且编制完毕后如采场任何一个约束条件出现变化，都难以返工修改。

本研究对露天矿山生产进度计划编制存在的难点及关键技术进行了研究。运用计算机，在三维可视化的环境下，实现人机交互的露天矿山生产进度计划编制。最后通过工程实例验证了本技术的可行性及其优越的性能。

1 计划编制技术

1.1 计划编制的基本原理

生产进度计划将开采对象分解成各个任务单元，可以在三维环境下用1个空间点来表示1个任务单元。根据生产对象性质的不同，任务单元可以分为实体任务单元与抽象任务单元2种类型。

实体任务单元指实际采场工作面，抽象任务单元在空间上与实体任务单元相对应，其属性包括任务单元完成速度或所需时间、单元任务的度量单位等。

每一个任务单元都带有很多的属性，如三维空间坐标、面积、长度、密度、体积、质量、推进方向、开采量、品位、剥采比控制、台阶下降速度等。这些属性有的是在设计中产生的，有的是在计划编制时进行指定的。这些属性是统计报表生成的基础，其中有的属性本身就是统计量，而有的属性是为分类统计而定义的。

将进度计划分解成各个任务单元后，应按生产计划制定完成任务单元的工作顺序，根据顺序将各任务单元进行排序。不同的排序方案表示不同的生产进度计划方案。再根据各实体任务单元对应的抽象任务单元，即任务单元的完成速度或所需时间等指定各任务的开始和结束的日期，就可以得到整个生产计划的时间。

1.2 计划编制系统结构与功能

计划编制系统依次划分3大块:输入、处理与输出。生产进度计划的编制都是在一个三维数据库平台上进行操作，该三维数据库存放了矿山地质、生产等数据信息，其系统结构如图1所示。

图1 系统逻辑结构Fig.1 System logical structure

输入部分主要指数据的输入，将矿山的地质信息(品位、岩性)、设计基础信息(地表现状、最终境界)以及生产信息输入至三维数据库平台中。

处理部分则是将进度计划分解成任务单元并制定任务工作顺序，同时可根据实际情况对各任务单元之间完成的顺序进行调整。

输出部分主要是呈现进度计划编制结果，包括生成计划进度表、各种统计报表以及生产过程的三维动画。

1.3 生产进度计划编制的关键技术

(1)三维可视化建模技术。三维可视化建模技术是将生产计划编制的整个程序建立在一个完全三维的环境基础上，其主要技术包括钻孔地质数据库、三维地质体实体模型、三维地质体矿石品位块段模型及露天境界模型等。

(2)定义开采场所，形成任务单元。场所可分为采场、堆场、排土场和选厂，形成任务单位。场所与场所之间的逻辑关系采用物料的运移表示，如图2。

图2 矿岩运移图Fig.2 Figure ore transport

任务单元形成后，需对任务进行属性赋值，属性主要包括:①开采方法，包括台阶方法、台阶多边形方法、多边形方法、边坡掌子面方法。在中长期进度计划中，台阶的开采方式最常用，需要确定露天境界的开始水平、结束水平以及台阶高度值;台阶多边形和多边形的开采方法常常用在短期计划，需要考虑设备的分配情况，通过多段线将台阶平面划分成多个多边形区域。边坡掌子面开采方式常常用铲土机的开采推进方向可以倾斜的沙质矿山。②开采方向，即工作面推进方向。可以是东南西北方向，也可以是放射方向。

(3)开采限制技术。开采限制可以是开采过程中的任何一部分，能影响到进度计划编制的过程，开采限制主要包括3个方面:①开采能力。开采能力可能源于设备的工作能力，也可能源于所在场所的储量限制，也可以随着时间发生变化。②可用设备。③自然条件限制。④其他条件。例如编制进度计划时，有时会希望保持一个固定的剥采比不变，这样有利于矿山企业保持一个稳定的现金流等。

开采限制是通过设置不同的回采参数或者目标、比率来控制，在编制进度计划中的开采限制越多，就越难达到理想的结果，但是正因为开采的限制，才可以模拟出更多的符合实际的生产进度计划方案。

(4)任务分解。把采剥工作分解成实体任务单元，并形成相应的抽象任务单元，添加相关的设备属性，如指定设备数量、台效，采场工作位置等。在任务分解过程中，任务单元的大小要能满足计划编制的要求、确定抽象单元任务与实体任务单元之间的空间依存关系。

(5)任务优先排序技术。任务优先级控制了根据块体之间的相互关系确定块体何时能变得可以采动，控制参数主要包括垂直滞后距离、最大平台宽度。

垂直滞后距离控制的是上方台阶工作面和下方台阶工作面之间的距离，即台阶的最小工作平台宽度。换句话说，一个台阶上的1个块可以开采的话，它上方台阶有多少个块体必须先开采完毕。最大平台宽度常常用于开采层状矿床。如果一个设备用来开采矿床的上覆岩层，而且岩层是越来越薄，如果回采速度不进行调整，那么将开采大量的岩石才能揭露矿体，这在实际中就会引起前期投入巨大，后期收益比较集中，这在实际生产中是不允许的，需要在开采初期就能较快地揭露矿体，回笼资金，这时候最大平台宽度的设置就显得至关重要，通过限制推进方向的长度，使设备快速向下开采接触矿体。

(6)计划进度表生成技术。根据开采方案，产生与时间相对应的进度计划表，并根据采剥的平衡关系，进行实时调整。

(7)自定义统计报表技术。根据生产的需要，自定义各种类型报表技术，如采剥总量统计表、生产剥采比表等。

(8)计划推进三维动画技术。此技术是用来演示计划推进过程。根据不同的日期间隔，演示计划随时间的推进过程，可以自定义起始与终止日期。

2 工程实例

某矿为一大型露天铁矿山，年产矿石700万t，采场生产台阶高度14 m，最终境界底部标高为+1 230 m，采用汽车—铁路开拓运输方式，采用全台阶开采工艺，自矿体上盘矿岩接触带的岩石中开段沟，向矿体上、下盘两工作帮同时推进，各工作平台宽度60～70 m，同时工作台阶数5～7个。

2.1 工程现状

计划编制之前，首先对矿山的生产现状进行分析，主要内容包括:

(1)采场内工作台阶、出矿台阶。

(2)穿孔、铲装设备台效。

(3)台阶推进方式。

(4)生产剥采比。

生产现状见表1。

表1 生产现状Table 1 Production status table

2.2 基础数据准备

基础数据主要有三维块段地质模型，最终境界模型，开采现状模型、设备台效，生产剥采比、分层矿量等，见表2。

表2 分层矿岩量Table 2 Hierarchical scale mining

2.3 定义开采场所

本实例定义2个工作场所，即采场和排土场。开采方法选择台阶开采，推进方向选择放射状。推进起始位置选择采场北部，矿体中部。

2.4 设置开采限制

根据分层矿岩量表可以看出，由于上部台阶岩石欠剥，根据生产剥采比均衡，矿山2014年需要集中剥岩，矿石生产能力为700万t/a，生产剥采比为5.3 t/t左右，限制开采采剥总量为4 410万t/a左右，可用设备为10台10 m3电铲。2014年后矿山追回岩石欠剥量，生产剥采比降低至3 t/t左右，生产能力仍为700万t/a，限制开采采剥总量2 800万t/a左右，年下降速度限制为每年下降1个台阶。

2.5 任务分解及排序

每个生产台阶的采剥计划对应1个生产任务，共+1 584，+1 570，+1 556，+1 542，+1 528，+1 514，+1 500 m计7个生产台阶，设置7台铲装设备，设备台效为3 127 742.91 t/(台·a)，垂直滞后距离为40 m，即下部台阶滞后上部台阶40 m。最大平台宽度80 m，即本台阶年最大推进速度为80 m。

2.6 进度编排

进度编排设置时间周期为年，进度编排完成后将产生相关的生产调度甘特图，甘特图显示了任务的时序安排信息。当任务之间生成依赖性时，时序安排引擎将计算出任务的起始与结束日期。

在进度编排完成后，还可以生成开采计划推进过程的动画，用户可以使用已存在的实体模型颜色或由推进计划日期自定义颜色来创建开采计划过程动画。图3～图6即为开采计划过程动画过程中的4种状态图。

图3 2013年年末状态图Fig.3 2013 Year-end state diagram

图4 2014年年末状态图Fig.4 2014 Year-end state diagram

图5 2018年年末状态图Fig5.2018 Year-end state diagram

图6 2023年年末状态图Fig.6 2023 Year-end state diagram

表3 矿山未来5 a的生产能力Table 3 The production capacity of the mine next five years

2.7 结果分析

根据所得到的计划编排以及各种统计报表，得出了如下结果。

(1)2014年为矿山的集中剥岩期，采场设备数量需增加，采剥总量增大，经过生产剥采比均衡计算，生产剥采比按5.3 t/t考虑，此后生产剥采比降低至3 t/t以下。

(2)2014年后矿山追回此前岩石欠剥量，采剥设备减少3台，否则计算出采剥总量仍然大，虽然增加矿石生产能力，但年下降速度过快，达到每年下降2～3个台阶，这与实际生产情况不符。采剥设备减少3台后，采剥关系趋于平稳，年下降速度为每年下降1个台阶。

(3)所做的计划安排是在现有生产状况与能力以及所配备的设备资源的基础上进行安排的。从生产计划编排中可以得到在控制年下降速度的情况下，适当地增加铲装设备将使整个矿山的生产能力有一定的提高。

3 结论

(1)露天矿山的生产作业环境具有很强的空间约束性，作业对象情况复杂。

(2)露天矿山生产进度计划编制的限制条件数目较多，如设备效率、水平推进速度、垂直延伸速度等，但在三维环境下，复杂的计划编制变得简单明了。

(3)任务单元是生产进度计划编制的基本对象，将生产对象分解成任务单元，对任务单元赋予各种属性并制定其工作顺序，就可得到各种生产进度计划方案。

(4)计划编制时不仅要考虑产能和生产剥采比目标，同时还要考虑工作面推进时的年下降速度合理性问题。

［1］ 胡柳青，王李管，毕 林.地下矿山生产计划3D可视化编制技术研究［J］.煤炭学报，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］ 荆永滨.地下矿山生产计划三维可视化编制技术研究［D］.长沙:中南大学，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.矿床开采环境数字化评价技术研究［D］.长沙:中南大学，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］ 吴会江，李建祥.露天矿生产计划的现状、问题与对策［J］.金属矿山，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，孙宏生，卢光远，等.试论采掘计划管理的基本方法［J］. 矿业工程，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］ 冯超东，曹 亮.基于SURPAC的露天矿三维采掘进度计划编制系统［J］.金属矿山，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］ 董卫军.矿山生产计划智能决策计算机系统［J］.金属矿山，2002(3):10-12.Dong Weijun. Intelligent decision system for mining plan［J］.Metal Mine，2002(3):10-12.

［8］ 李英龙，童光煦.矿山生产计划编制方法的发展概况［J］.金属矿山，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.计算机采掘计划自动编制系统的研究［J］.矿业研究与开发，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］ 李克庆，黄凤吟.多目标相似优序值法在矿山开发方案优选中的应用［J］. 地质技术经济管理，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.