露天矿山是一个自组织、干预可控的周期性稳态复杂巨系统，其内部的组织协同逻辑复杂、严谨且相互制约性极强，“牵一发而动全身”。为追求系统安全、良性、稳定且经济效益最大化，传统优化开采设计理论始终强调精细化规划设计配合精准化施工组织，是解决此类制约性协同优化问题的根本保障。但在实际工程组织实施过程中，因受地质条件不稳定、作业施工复杂程度难控制等多重因素限制，进度计划编制无法一次性兼顾处理完工艺流程间的所有组织协调问题。任何的外部扰动（如随采动揭露过程中的突发地质条件变化、重点工程实施、扩充产能规模等）都可能对原有生产进度计划产生影响，打破系统内原有的自组织平衡。因此，为最大限度地恢复原有自组织状态，需要生产设计人员在随采过程中对此类计划变动快速做出相应的调整响应。

面向露天煤矿的剥采工程辅助设计、进度计划编制、采矿全生命周期动态规划及模拟开采等切实需求，辽宁工程技术大学露天开采团队采用自研的三维可视化引擎、几何计算引擎，设计研发了露天煤矿采矿全生命周期规划及决策平台（简称LCM平台），LCM平台集成了三维可视化采矿模型建模子系统、道路网络与开拓运输系统建模子系统、设备与开采进度管理模块、成本核算与规划决策建模模块和模拟开采与三维可视化动态仿真模块等一系列功能。

LCM 平台组成与架构

LCM 平台系统主体架构

为摆脱国外商用辅助设计平台的牵制，笔者团队结合多年来基于AutoCAD二次开发露天矿辅助设计系统的经验，设计研发了全新的露天矿山辅助设计、规划优化及仿真可视化平台——LCM平台，该平台系统的结构组成及主体架构模型如图1 所示。

主体功能架构

LCM平台（图2） 建设的核心目标在于解决剥采进度计划如何快速反演、如何按照任意时间维度模拟细分剥采流程等问题。为科学合理地解决上述问题，平台有针对性地设计了5 大功能模块。

（1） 三维可视化采矿模型子系统

提供一般泛化采矿模型的建模工具，支持煤矿层序三维地质模型建模、模型布尔运算与动态剖切、工艺参数提取以及参数化采矿模型离散化处理等功能。

（2） 道路网络与开拓运输系统建模子系统

提供面向采矿模型块体的道路运输网络管理工具，支持维护基础道路网络、路网更新、延拓及离散块体运距指标计算等功能。

（3） 设备与开采进度管理模块

提供通用设备信息化与进度计划管理工具，支持设备技术指标参数管理、能力核定、长周期设备投入管理、设备与进度计划安排等功能。

（4） 成本核算与规划决策建模模块

提供以运输功为成本优化目标，构建动态规划模型的技术方法，支持面向运输功的动态规划模型建模与求解等功能。

（5） 模拟开采与三维可视化动态仿真模块

提供三维可视化与动态模拟工具，支持渲染效果配置、动态参数管理与配置、规划结果的动态仿真与模拟等功能。

LCM 平台技术创新性

从主体架构设计、软件平台功能体系结构设计以及动态规划问题求解等方面，提出LCM平台的3个创新性。

（1） 技术理论创新

提出了采矿模型的概念，并在模型剖分阶段引入工艺参数及剥采工艺系统约束，提供了面向物料流规划及工艺系统仿真、求解所需的离散化模型范式，以简化规划优化建模和求解过程。

（2） 软件功能及体系结构设计

面向地质体离散化处理、剥采进度计划模型布尔运算等具体业务需求，研发了层状连续地层的动态切分及可视化表达技术，创新性地设计了面向可编辑格网的高效处理算法。开发实现了定制化开采模板设计、动态化模板驱动及基于开采模板的模型动态切分等技术，可利用均衡剥采物料量及定制化开采模板快速确定剥采工程位置。

（3） 动态规划模型建模、求解及动态仿真

结合采矿模型概念和建模技术提出了物料流动态规划模型的全新建模方法，简化模型求解的同时也提高了规划模型建模效率和可行解质量，从根本上解决了约束难控制、求解成本高、可行解难寻或数量有限等切实问题。

局限性与解决方案

传统的物料流规划与日常排产功能被广泛应用在金属露天矿山，其主要原因在于金属矿山可利用品位或其他经济学技术指标对离散块体模型进行约束和选择，这就为规划和排产等序列性优化建模提供了有效的寻优求解目标。但这一点显然不适用于露天煤矿，露天煤矿的优化开采多基于运输功，缺乏逐块段的经济学指标，即使将运距逐个赋值给离散块体也十分困难，其建模和求解处理具有天生的短板。此外，剥采块体之间具有明显的层级约束，如果在求解过程中需要处理约束解算，全编码的规划模型动则需要数十个决策变量和约束条件，不但求解困难，更难控制有效可行解的数量。

为从根本上解决前述矛盾，笔者团队提供了一整套简化建模及求解的技术解决方案，并以此为依托进一步设计研发LCM平台，以最大限度改善露天煤矿物料流规划及日常排产的效率及规划求解质量。

面向层状连续地质体的动态切分与参数化离散处理

露天煤矿不同于金属矿山，矿体以层状赋存，数字化三维地质模型多采用实体模型或离散块体模型来组织，辅助设计和算量常需要进行频繁的布尔运算，运算逻辑严谨，但执行及操作效率一般，无法满足物料流规划建模所需的离散化需求。此外，块体模型虽可以作为离散介质参与规划建模，但采用一致化参数指标离散地质体，无法真实刻画剥采物料流的实际规划粒度且难以顾及层位间的约束关系。

为彻底解决上述问题，笔者团队从地质体基本离散单元与动态规划建模本质间的内蕴联系出发，提出了全新的采矿模型建模的体系方法。

（1） 连续地质体的动态剖切技术

为进一步提高模型布尔运算及切分算法效率及可靠性，笔者团队设计研发了封闭格网数据的几何计算引擎来完成几何运算及拓扑关系处理，并提供了一系列的连续地质体拓扑关系及几何计算功能，其中常见的典型功能包括如图3 所示的矿山境界内的煤岩总体拓扑计算、图4 所示的两期工程位置间的剥采煤岩量计算（计算出的煤岩体，可以进一步和煤层进行布尔运算实现煤岩体分离单独计算煤量，同时无需考虑实际分层，仅需减除煤量）、图5 所示的多煤层联合切分等相关功能。

（2） 采矿模型建模技术

封闭格网切分技术是连续地质体离散化的重要基础，但按照给定尺寸对模型进行统一切分显然对露天煤矿的规划优化建模和求解意义不大。笔者团队提出了参数化采矿模型的概念，尝试通过层位关系、工艺参数指标等建立约束，对连续地质体进行定向切分，从而最大程度降低规划建模过程中决策变量和约束条件的规模，降低规划模型建模和求解的复杂度，具体采矿模型建模过程可采用如图6 所示的4 个步骤来实现。

定制化剥采工程开采模板设计

采矿全生命周期将以剥采进度计划为阶段划分基础，为实现快速的剥采工程位置设计，提高采矿全生命周期规划建模过程中剥采工程位置设计效率，笔者团队实现了定制化剥采工程开采模板设计功能，独立模板设计和多模板组合，具体功能如下。

（1） 均匀剥采工艺参数指标的开采模板设计

面向剥采比均衡过程中阶段划分，可采用均匀剥采工艺参数来构造模板，通过计算自然生产剥采比，快速评估出煤层赋存状态，为自然生产剥采比均衡提供划分阶段和计算基础。LCM平台提供使用均匀剥采工艺参数设计开采模板的功能（图7），用户可以通过选择开采参数指标，批量创建台阶形成开采模板。

（2） 非均匀剥采工艺参数指标的开采模板设计

通常，均匀剥采工艺参数的开采模板多无法直接用于剥采进度计划编制及辅助设计，端帮及工作帮常采用组合台阶来构建相应工程位置。不同工程位置的台阶形态，仍可以采用均匀参数的标准开采模板来模拟。不同类型台阶模板的组合形式，可以采用以下2 种方式来实现：①模板内不出现台阶尖灭，此类模板不含台阶尖灭时，可以不断以坡底线配合开采参数来创建阶段性标准开采模板，将各阶段组合合并为1 个完整台阶面后，便可形成1 个全新的具有多工艺参数的组合台阶模板，具体创建过程如图8a 所示；②模板内含台阶尖灭，对于内含台阶尖灭的复杂开采模板，需考虑尖灭位置的不同工艺参数，利用不同工艺参数构建2 组开采模板或约束面，并通过程序计算尖灭结果，进而获得最终开采模板（图8b），当标准台阶面遇到煤层底板后，软件可以选择底板面作为约束面，构建复杂开采模板。

（3） 剥采工程位置快速设计

采场内的剥采工程位置通常可以描述为阶段性移动的工作帮模板与阶段性静止的非工作帮模板，故剥采工程位置的快速设计可以采用组合区域三角网的方式快速完成，其实现方式如图9 所示。

开采模板驱动技术

露天煤矿在完成自然生产剥采比均衡后，还需要结合开采模板快速反算实际工程位置，从而保障剥采工程的各个阶段可以按照均衡量来执行剥采计划。软件采用2 种驱动方式来完成此部分的反算工作。

（1） 基于距离驱动开采模板

当用户指定距离后，程序将按照驱动和距离平移模板，平移后的模板将按照其所在位置切分煤岩体，并用模板面与体素相交部分补充切口，形成切分后的全新地质体，该功能适合基于位置的物料量切分试算。

（2） 基于煤岩量驱动开采模板

按照指定的物料量来驱动模板，通常使用均衡后的煤岩量来确定最终的剥采工程位置，具体的操作过程如图10 所示。首先模板会基于煤层位置进行驱动，首次驱动结合煤量确定工程位置，确定各煤分层后，将结合均衡剥采比在驱动位置上进一步扩充模板，全新含岩台阶模板为合成模板，模板按照用户指定的位置和距离嵌入，并沿嵌入方向移动，形成类 “浮动锥体”移动来试算煤岩量，以满足均衡后的煤岩量要求。

参数化开采模板布置与模型离散化

开采模板实现了阶段性剥采物料模型的划分，但细分模型仅在开采模板位置添加了切分约束，无法细分完成阶段内连续剥采物料向采矿模型的离散化。为实现阶段内采矿模型的快速创建，笔者结合提出的采矿模型概念，设计了全新的参数化建模方法，研发了开采模板随采掘带批量布置与快速插入功能，该功能的具体实现过程如下。

（1） 阶段内参数化开采模板的批量布置

开采模板驱动只是按照指定阶段初步将连续地质体离散为阶段性块段，这些块段为年度剥采总量，并未细分到具体的剥采单元。因此，为实现年度剥采总量的快速离散化，LCM平台提供了沿采掘带快速细分煤岩量的相关功能，实现该功能的前提需要使用批量开采模板布置的功能。

（2） 阶段内模型逐采掘带、逐水平、逐块段的快速离散化

剥采阶段内的煤岩量会按照工作线方向沿开采模板逐条带切分，沿层位方向会按照台阶高度逐水平切分，在平行于采掘带方向上块段长度约束则按照设备的平均作业能力为单元物料量，计算出1 个平均长度指标。同时切分后会对煤岩块段的含煤率进行估计，从而保证在仿真计算时，有真实的物料量参与计算，以实现煤岩指标的分类计算。

采矿全生命周期规划与决策技术

基于运输功最小化，建立全生命周期动态规划模型，在每个阶段内进行动态规划求解，并对规划结果进行可视化，全生命周期范围内动态规划会以阶段为规划单元，对逐个剥采阶段进行独立求解和仿真，直至推演整个采区内的动态演化过程。以国能宝日希勒能源有限公司露天煤矿（简称宝日希勒露天矿） 2023 年底计划工程位置到2024 年底计划工程位置工程为1 个年度规划阶段，随机抽取动态反演过程中帧动画效果如图11 所示。

应用效果

目前，露天煤矿采矿全生命周期规划及决策技术被应用于宝日希勒露天矿和国家能源集团国神哈密煤电公司大南湖二矿的采矿全生命周期动态规划建模与求解。首创的“面向层状连续地质体的动态切分与参数化离散处理”和“采矿全生命周期动态规划与决策”2 项技术，改善了传统离散化块体模型的建模方法，构建出的采矿模型融合了剥采工艺参数与剥采程序，减轻了规划模型求解的复杂度。提出基于距离和基于量实现工程位置反算的功能，压缩了传统手工试算的工作量，提高了辅助设计制图的效率。露天矿山全生命周期规划及决策概念的提出，大幅改善了全局计划推演难以动态修改编制的问题，可以将一阶段修改逐级辐射到后续年份，形成联动闭环，完成全生命周期内长远、中长远乃至年度细化的逐级快速编制和动态编辑。

以宝日希勒露天矿2023—2024 年的年度细化仿真推演为例，该模拟过程涉及采场块体数量174 335个，排土场块体213 541 个，采用一次建模规划求解的方式，需要使用9 个决策变量，12 个几何和物料量约束，平均求解时间将近7 min，平均重复5 组试验的求解可靠性为37.2%。对比使用LCM平台规划求解过程，只需考虑3 个决策变量、3 个物料量转换约束，切分后平均单次规划可以控制在5 000 个块体以内，单幅计算时间仅需要5 s，平均重复5 组试验的求解可靠性为82.37%，一次计算追加二次校验就可以直接获得稳定的可靠解，结合阶段间离散手工交互的约束时间，2 min 内便可以完成上述规划求解任务，大幅提高了编制、规划和求解的效率。

总 结

得益于采矿模型概念的提出，融合工艺参数和剥采程序的操作大幅降低了传统规划模型求解的复杂度，显著降低了决策变量、约束条件和参与计算块体的规模，同时自动化的、快速的布尔运算为快速找量和辅助设计编制提供了强有力的支撑，可以显著提高逐个阶段的规划决策求解效率。下一步，LCM平台将从以下2 个方面不断探索优化。

（1） 逐阶段划分过程的自动化

将现有手工约束部分通过编制阶段业务的方式构建自动化操作序列，开放功能接口让工程设计人员按照自行需求定制自动化阶段间切分和计算，实现1 次编制便可以自动化地完成分阶段规划求解和逐阶段调整。

（2） 无缝衔接测量验收与规划设计流程

进一步融合先进的高精度地测采手段，将无人机、摄影测量等测绘成果数据与平台进行整合，实现使用摄影测量数据作为现状及底图，使用纹理数据替换现有素模，提高测量验收、模型更新等业务流程的衔接度，改善规划成果的可视化表达效果。

助理编辑：刘雅清