露天煤矿配煤辅助决策系统开发与应用

王登龙，蔡明祥，高金龙，王识辉，豆澳归，汪 帅

（1.国能新疆准东能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000）

露天矿的煤化工对于煤质指标的精度要求高，而露天矿采场内各煤层煤质指标变化不均，将直接导致低品质煤质无法被有效利用，造成煤资源的损失，基于这一情况，对露天矿采场煤进行科学精细化配煤，提高低品质煤质的使用率，使其满足煤化工的煤质指标要求就显得极其重要。

随着辅助科技的发展，计算机逐渐被利用到矿山企业的生产管理中，相关的矿山系统已经实现产业化。FRANKLIN[1]研发了实现短期计划的计算机辅助作业计划系统，系统可以将短期计划缩短到以日为单位，把长期计划用短期目标来实现；KOSTAS FYTAS[2]提出矿山配矿模式应由长期到短期的思想，即短期计划应以长期计划为根本来优化配置；申迎松等[3]为了解决选煤厂毛煤质量难以把控的问题，通过对煤质的实时监控设计出在线的自动配煤系统；李小帅等[4]建立了多破碎站、多采区协同配矿模型并进行优化，开发出控制矿石质量的系统，系统能有效完成多采区协同配矿优化。

综上，以红沙泉露天煤矿为背景，分析了露天矿煤化工对煤质指标需求，设计了配煤辅助决策系统；以红沙泉首采区为例，利用配煤辅助决策系统规划了首采区出煤点数量及位置，并划分了煤层开采条带，建立了煤层指标趋势的估、插值模型，对条带区域指标数据进行查询，进行了研究区域指标值的趋势预测及估计。

1 配煤辅助决策系统

1.1 功能概述

1）煤质指标数据库建模与指标数据管理。由于露天矿生产对煤质的要求非常高，要求对煤质精细化管理，使煤质指标稳定、可控。早期的煤质指标管理方式复杂、繁琐，缺乏一整套科学化的管理手段[5-9]。配煤辅助决策系统主要是使煤质指标实现数字化存储，实现对煤质指标科学化、系统化的管理。

2）煤质数据指标浏览器。为保证此项任务的顺利实施，软件中设计数据指标浏览器功能，主要是将存储在数据库中的相应表单进行还原，便于工程技术人员对数据表单中的数据字段及指标值进行核对和分析。

3）数据点展绘及数据校核。数据点展绘是实现后续区域渐近着色和渲染的重要基础，同时也是系统中实现数据点校核的重要手段。展点功能主要是为指标的区域波动变化提供建模基础，同时也为数据点的校核提供直观的可视化手段。

4）构建煤质指标等值线。为进一步刻画不同指标项在区域内的波动情况，软件具备不同指标、不同数据规模和不同等值距的等值线构建功能。

5）分区域构造等值区域、渐近着色与区域渲染。分区域构造等值区域是对实现煤质指标区域波动特点的可视化手段，为保证具有直观对比效果，软件中需提供等值区域划分、分类着色及渲染的相关功能。

6）煤质指标估插值计算及区域指标查询。软件具备适用于矿山地质概况的估插值计算方法，并提供区域内数据指标检索及查询的相关功能，为后续融合指标数据进行进度计划编制及配煤方案设计提供指标基础。

1.2 数据库管理

煤质数据浏览器功能主要负责数据库中煤质信息数据的查看及检索。交互窗口由命令行和数据展示区域组成，命令行内置4 个命令，分别为数据导入、清空数据、数据入库、展绘数据点。数据入库成功后，程序将弹出对话框提示，可根据数据源类型选择性导入原始钻孔数据、现场化验数据。数据库可对已导入煤质信息进行可视化显示。

1.3 构造等值区域及着色渲染

1.3.1 数据展点

数据导入功能是实现数据展点功能的重要基础，为保证煤质指标按需求展绘，系统采用交互的方式提供对数据指标类型进行选择。按照相应的指标需求在系统界面选择对应的指标项，即可实现不同指标项的展绘。展绘可以对由个别数据错误而导致的突变，进行直观检验排除。选择指标项并执行展绘命令后，程序会以钻孔孔口坐标（x，y）值为区域方位坐标，以所选指标值为z 坐标，进行实体点的绘制，并按照煤层的差异将不同点存储在对应图层中。

1.3.2 模型构建

1）三角网及面模型的构建。为实现等值区域的渐近着色，程序内部提供了构建三角网的基本方法：封装命令为“SJW”，可以建立有约束的三角网；选择约束条件，构建有约束的三角网；执行等值线命令“dzx”，可构建出煤质指标的等值线图；执行区域渲染命令“resjw”，可构造出煤质指标等值区域着色及渲染效果。三角网建模效果如图1。

图1 三角网建模效果

2）模型估、插值处理及配煤辅助模块。执行区域内插值命令，可以规则格网的方式对区域内煤质点进行插值，执行区域内数据点查询命令，可在任意闭合曲线圈定区域实现点数据指标的查询任务，以便为后续实现配煤选采等设计功能提供有力支撑。

2 煤质指标区域处理

2.1 受煤点煤质指标确定

以红沙泉露天矿正在执行的煤质指标控制计划为依据，确定筛分厂和选煤厂2 个受煤点煤质指标。煤质指标月度计划见表1。

表1 煤质指标月度计划

2.2 煤质指标区域确定及插值

结合红沙泉露天矿首采区的现场实际情况，以红沙泉露天矿2020 年1 月初采煤工作线计划位置图为基础，以2021 年6 月末采煤工作线计划位置为终了位置，构建该矿2021 年1—6 月的分煤层、分区域的配煤方案。红沙泉煤矿采煤工作线计划工程位置如图2。

图2 红沙泉煤矿采煤工作线计划工程位置

为了最大程度上保证配煤方案设计的合理性，采用配煤辅助决策系统中的工程位置提取功能，分别对2020 年1 月初和2021 年6 月末计划工程位置进行提取，并在此基础上展绘煤质数据点，此后便可以进一步获取待统计分析的具体区域。基于研究中所述的年度配煤方案编制，分别对圈定区域内的B1煤和B2′煤进行插值处理，以2 个主采煤层灰分指标为基础，计算估值结果。采煤工作线区域范围内的插值结果如图3。

图3 采煤工作线区域范围内的插值结果

2.3 煤质指标的初始区域识别及区域云图

2.3.1 煤质指标的初始区域识别

在完成区域估、插值后，可对区域内部不同位置上的煤质指标进行检索，在设计初期可对区域内煤质指标的分布状态进行简单统计。该统计功能采用系统内置的区域查询功能，可通过1 个封闭的多边形内部数据点来进行查询，以图3 中的插值过程为例，对图中工作线的4 个方向进行统计，初始区域指标查询结果如图4。图中A～D 4 个区域的统计结果见表2。

表2 初始统计区域的查询指标值

图4 初始区域指标查询结果

2.3.2 煤质指标的区域云图

为保证辅助设计过程中，更为直观地显示该区域的指标值状态，可进一步利用辅助工具来进行配煤方案编制。在编制之前，尝试利用区域云图构建方法来创建区域三角网，并按照渐近色对待渲染区域进行云图绘制。

1）灰分指标的区域云图。区域采煤工作线区域范围内的灰分云图如图5，通过对比可发现：B2′煤层灰分相对较高，其估值结果在9.3%～9.6%；而针对B1 煤层则相对较低，可控制在9.0%附近。因此，在实际配煤方案设计时，B2′煤的南帮则会受到灰分限制，则应尽量少将南侧工作帮的B2′煤层分配给筛分厂煤制油用户或与其他煤层配煤后，方可提供给筛分厂煤质油用户。

图5 灰分指标的区域云图

2）发热量指标的区域云图。发热量指标被存储在煤质数据库中，当有新的补勘数据时，可以通过软件内置的功能将数据按照上传日期及时间进行分类存储。同时，可通过数据展绘功能，来综合展绘对应的数据指标，进而进行煤质指标趋势分析。

执行数据展绘功能后，数据库中的数据点指标则将会被展绘在CAD 图形空间之内。现阶段，软件展绘功能需要手工建立对应区域的边界约束，该约束可以通过手工连接区域点来进行处理，手工构造边界后，插值程序将剔除区域之外的无关数据点。采煤区域插值结果及等值区域渲染效果图如图6。

图6 采煤区域插值结果及等值区域渲染效果图

3 煤层各条带煤质指标

当具备了数据指标值的展绘区域、指标值的趋势模型后，为构建出满足于选煤厂、筛分厂煤质需求的配煤方案，以矿山现有开采设计的参数为依据，重新对配煤区域进行了条带的划分。由于该矿开采1幅的距离是24 m，因此在每个分层内部按照24 m的宽度沿着开采方向进一步划分采掘带。

具备了条带划分、煤层指标趋势的估、插值模型基础后，通过系统内置的条带区域指标数据查询功能，可完成对于区域指标值的趋势预测及估计。

1）B1 煤层煤质指标查询结果分析。B1 煤层存在如下规律性趋势：①西侧原始采煤工作面位置的指标与东侧采场区域的煤质指标差别较大；②西侧原始红沙泉采煤工作面位置的灰分指标更高，该区域的灰分指标平均值在10%～12%区间不等；③两区域的低位发热量普遍高于矿山20.064 MJ/kg（4 800 kcal/kg）的回采指标研究，平均低位发热量指标值与历史回采数据相近；④区域内灰分与低位发热量成负相关性，灰分指标高的区域低位发热量相对不高，这从一定程度上说明了区域估插值结果及区域预测结果相对可靠。

2）B2′煤层煤质指标查询结果分析。相较于B1煤质指标的查询结果，不难发现B2′煤表现出更多的灰分指标区域分类，相比于B1 煤层，煤质指标明显更高，这说明随着采深逐渐接近地表，其煤质也将相较于深层位的煤炭更差。

4 首采区配煤方案

采煤工作面共有2 个层煤、3 个开采台阶。各开采台阶的配煤方案设计按照月度110 万t 的产量进行计划编制，其中计划每月将70 万t 原煤编制给选煤厂供应电煤用户，40 万t 原煤编制给筛分厂供应煤制油用户，出煤点的煤质指标、剥离量可通过系统查阅，运用研发的配煤辅助系统进行求解，在结合矿山采场的实际情况，将求解的结果与系统条带进行比对调配、均和。配煤方案其他指标：出煤点月最小任务量为0 万t、月最大任务量为40 万t；筛分厂月最小任务量为25 万t、最大任务量为40 万t；选煤厂月最小任务量为40 万t、最大任务量为90 万t；年计划生产剥采比取3 m3/t；出煤点、筛分厂、选煤厂月最大生产量分别为75 万t、50 万t、90 万t；筛分厂、选煤厂最大灰分设置分别为9%、12%；筛分厂、选煤厂最小低位发热量均设定为4 800 kcal/kg。

基于上述原则及计算，按照煤量及煤质指标要求，确立配煤方案，红沙泉露天矿2021 年1—6 月煤质配煤方案见表3。配煤方案条带位置示意图如图7。

表3 红沙泉露天矿2021 年1—6 月煤质配煤方案

图7 配煤方案条带位置示意图

5 结语

1）依据设计的配煤辅助决策系统，对数据库中的数据点进行展绘，通过约束三角网建立了煤质指标模型，生成了煤质指标的等值线图，最后完成煤质指标的渲染工作，直观地展现煤质指标的分布。

2）根据筛分厂和选煤厂对煤质指标要求，以配煤辅助决策系统提供的辅助设计工具为依托，分析了煤质指标趋势，通过发热量指标云图可直观地显示某区域的指标值状态。

3）按照月度110 万t 的产量计划，其中选煤厂70 万t、筛分厂40 万t 的分配方式，完成红沙泉露天矿首采区2021 年1—6 月的配煤工作，月度内的配煤指标、煤量均符合筛分厂、选煤厂要求。