王登龍，蔡明祥，高金龍，王識輝，豆澳歸，汪 帥

（1.國能新疆準(zhǔn)東能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

露天礦的煤化工對于煤質(zhì)指標(biāo)的精度要求高，而露天礦采場內(nèi)各煤層煤質(zhì)指標(biāo)變化不均，將直接導(dǎo)致低品質(zhì)煤質(zhì)無法被有效利用，造成煤資源的損失，基于這一情況，對露天礦采場煤進(jìn)行科學(xué)精細(xì)化配煤，提高低品質(zhì)煤質(zhì)的使用率，使其滿足煤化工的煤質(zhì)指標(biāo)要求就顯得極其重要。

隨著輔助科技的發(fā)展，計算機逐漸被利用到礦山企業(yè)的生產(chǎn)管理中，相關(guān)的礦山系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。FRANKLIN[1]研發(fā)了實現(xiàn)短期計劃的計算機輔助作業(yè)計劃系統(tǒng)，系統(tǒng)可以將短期計劃縮短到以日為單位，把長期計劃用短期目標(biāo)來實現(xiàn)；KOSTAS FYTAS[2]提出礦山配礦模式應(yīng)由長期到短期的思想，即短期計劃應(yīng)以長期計劃為根本來優(yōu)化配置；申迎松等[3]為了解決選煤廠毛煤質(zhì)量難以把控的問題，通過對煤質(zhì)的實時監(jiān)控設(shè)計出在線的自動配煤系統(tǒng)；李小帥等[4]建立了多破碎站、多采區(qū)協(xié)同配礦模型并進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)出控制礦石質(zhì)量的系統(tǒng)，系統(tǒng)能有效完成多采區(qū)協(xié)同配礦優(yōu)化。

綜上，以紅沙泉露天煤礦為背景，分析了露天礦煤化工對煤質(zhì)指標(biāo)需求，設(shè)計了配煤輔助決策系統(tǒng)；以紅沙泉首采區(qū)為例，利用配煤輔助決策系統(tǒng)規(guī)劃了首采區(qū)出煤點數(shù)量及位置，并劃分了煤層開采條帶，建立了煤層指標(biāo)趨勢的估、插值模型，對條帶區(qū)域指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，進(jìn)行了研究區(qū)域指標(biāo)值的趨勢預(yù)測及估計。

1 配煤輔助決策系統(tǒng)

1.1 功能概述

1）煤質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫建模與指標(biāo)數(shù)據(jù)管理。由于露天礦生產(chǎn)對煤質(zhì)的要求非常高，要求對煤質(zhì)精細(xì)化管理，使煤質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定、可控。早期的煤質(zhì)指標(biāo)管理方式復(fù)雜、繁瑣，缺乏一整套科學(xué)化的管理手段[5-9]。配煤輔助決策系統(tǒng)主要是使煤質(zhì)指標(biāo)實現(xiàn)數(shù)字化存儲，實現(xiàn)對煤質(zhì)指標(biāo)科學(xué)化、系統(tǒng)化的管理。

2）煤質(zhì)數(shù)據(jù)指標(biāo)瀏覽器。為保證此項任務(wù)的順利實施，軟件中設(shè)計數(shù)據(jù)指標(biāo)瀏覽器功能，主要是將存儲在數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)表單進(jìn)行還原，便于工程技術(shù)人員對數(shù)據(jù)表單中的數(shù)據(jù)字段及指標(biāo)值進(jìn)行核對和分析。

3）數(shù)據(jù)點展繪及數(shù)據(jù)校核。數(shù)據(jù)點展繪是實現(xiàn)后續(xù)區(qū)域漸近著色和渲染的重要基礎(chǔ)，同時也是系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)點校核的重要手段。展點功能主要是為指標(biāo)的區(qū)域波動變化提供建?；A(chǔ)，同時也為數(shù)據(jù)點的校核提供直觀的可視化手段。

4）構(gòu)建煤質(zhì)指標(biāo)等值線。為進(jìn)一步刻畫不同指標(biāo)項在區(qū)域內(nèi)的波動情況，軟件具備不同指標(biāo)、不同數(shù)據(jù)規(guī)模和不同等值距的等值線構(gòu)建功能。

5）分區(qū)域構(gòu)造等值區(qū)域、漸近著色與區(qū)域渲染。分區(qū)域構(gòu)造等值區(qū)域是對實現(xiàn)煤質(zhì)指標(biāo)區(qū)域波動特點的可視化手段，為保證具有直觀對比效果，軟件中需提供等值區(qū)域劃分、分類著色及渲染的相關(guān)功能。

6）煤質(zhì)指標(biāo)估插值計算及區(qū)域指標(biāo)查詢。軟件具備適用于礦山地質(zhì)概況的估插值計算方法，并提供區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)指標(biāo)檢索及查詢的相關(guān)功能，為后續(xù)融合指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)度計劃編制及配煤方案設(shè)計提供指標(biāo)基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)庫管理

煤質(zhì)數(shù)據(jù)瀏覽器功能主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫中煤質(zhì)信息數(shù)據(jù)的查看及檢索。交互窗口由命令行和數(shù)據(jù)展示區(qū)域組成，命令行內(nèi)置4 個命令，分別為數(shù)據(jù)導(dǎo)入、清空數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)入庫、展繪數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)入庫成功后，程序?qū)棾鰧υ捒蛱崾?，可根?jù)數(shù)據(jù)源類型選擇性導(dǎo)入原始鉆孔數(shù)據(jù)、現(xiàn)場化驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫可對已導(dǎo)入煤質(zhì)信息進(jìn)行可視化顯示。

1.3 構(gòu)造等值區(qū)域及著色渲染

1.3.1 數(shù)據(jù)展點

數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)展點功能的重要基礎(chǔ)，為保證煤質(zhì)指標(biāo)按需求展繪，系統(tǒng)采用交互的方式提供對數(shù)據(jù)指標(biāo)類型進(jìn)行選擇。按照相應(yīng)的指標(biāo)需求在系統(tǒng)界面選擇對應(yīng)的指標(biāo)項，即可實現(xiàn)不同指標(biāo)項的展繪。展繪可以對由個別數(shù)據(jù)錯誤而導(dǎo)致的突變，進(jìn)行直觀檢驗排除。選擇指標(biāo)項并執(zhí)行展繪命令后，程序會以鉆孔孔口坐標(biāo)（x，y）值為區(qū)域方位坐標(biāo)，以所選指標(biāo)值為z 坐標(biāo)，進(jìn)行實體點的繪制，并按照煤層的差異將不同點存儲在對應(yīng)圖層中。

1.3.2 模型構(gòu)建

1）三角網(wǎng)及面模型的構(gòu)建。為實現(xiàn)等值區(qū)域的漸近著色，程序內(nèi)部提供了構(gòu)建三角網(wǎng)的基本方法：封裝命令為“SJW”，可以建立有約束的三角網(wǎng)；選擇約束條件，構(gòu)建有約束的三角網(wǎng)；執(zhí)行等值線命令“dzx”，可構(gòu)建出煤質(zhì)指標(biāo)的等值線圖；執(zhí)行區(qū)域渲染命令“resjw”，可構(gòu)造出煤質(zhì)指標(biāo)等值區(qū)域著色及渲染效果。三角網(wǎng)建模效果如圖1。

圖1 三角網(wǎng)建模效果

2）模型估、插值處理及配煤輔助模塊。執(zhí)行區(qū)域內(nèi)插值命令，可以規(guī)則格網(wǎng)的方式對區(qū)域內(nèi)煤質(zhì)點進(jìn)行插值，執(zhí)行區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)點查詢命令，可在任意閉合曲線圈定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)點數(shù)據(jù)指標(biāo)的查詢?nèi)蝿?wù)，以便為后續(xù)實現(xiàn)配煤選采等設(shè)計功能提供有力支撐。

2 煤質(zhì)指標(biāo)區(qū)域處理

2.1 受煤點煤質(zhì)指標(biāo)確定

以紅沙泉露天礦正在執(zhí)行的煤質(zhì)指標(biāo)控制計劃為依據(jù)，確定篩分廠和選煤廠2 個受煤點煤質(zhì)指標(biāo)。煤質(zhì)指標(biāo)月度計劃見表1。

表1 煤質(zhì)指標(biāo)月度計劃

2.2 煤質(zhì)指標(biāo)區(qū)域確定及插值

結(jié)合紅沙泉露天礦首采區(qū)的現(xiàn)場實際情況，以紅沙泉露天礦2020 年1 月初采煤工作線計劃位置圖為基礎(chǔ)，以2021 年6 月末采煤工作線計劃位置為終了位置，構(gòu)建該礦2021 年1—6 月的分煤層、分區(qū)域的配煤方案。紅沙泉煤礦采煤工作線計劃工程位置如圖2。

圖2 紅沙泉煤礦采煤工作線計劃工程位置

為了最大程度上保證配煤方案設(shè)計的合理性，采用配煤輔助決策系統(tǒng)中的工程位置提取功能，分別對2020 年1 月初和2021 年6 月末計劃工程位置進(jìn)行提取，并在此基礎(chǔ)上展繪煤質(zhì)數(shù)據(jù)點，此后便可以進(jìn)一步獲取待統(tǒng)計分析的具體區(qū)域?；谘芯恐兴龅哪甓扰涿悍桨妇幹?，分別對圈定區(qū)域內(nèi)的B1煤和B2′煤進(jìn)行插值處理，以2 個主采煤層灰分指標(biāo)為基礎(chǔ)，計算估值結(jié)果。采煤工作線區(qū)域范圍內(nèi)的插值結(jié)果如圖3。

圖3 采煤工作線區(qū)域范圍內(nèi)的插值結(jié)果

2.3 煤質(zhì)指標(biāo)的初始區(qū)域識別及區(qū)域云圖

2.3.1 煤質(zhì)指標(biāo)的初始區(qū)域識別

在完成區(qū)域估、插值后，可對區(qū)域內(nèi)部不同位置上的煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢索，在設(shè)計初期可對區(qū)域內(nèi)煤質(zhì)指標(biāo)的分布狀態(tài)進(jìn)行簡單統(tǒng)計。該統(tǒng)計功能采用系統(tǒng)內(nèi)置的區(qū)域查詢功能，可通過1 個封閉的多邊形內(nèi)部數(shù)據(jù)點來進(jìn)行查詢，以圖3 中的插值過程為例，對圖中工作線的4 個方向進(jìn)行統(tǒng)計，初始區(qū)域指標(biāo)查詢結(jié)果如圖4。圖中A～D 4 個區(qū)域的統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 初始統(tǒng)計區(qū)域的查詢指標(biāo)值

圖4 初始區(qū)域指標(biāo)查詢結(jié)果

2.3.2 煤質(zhì)指標(biāo)的區(qū)域云圖

為保證輔助設(shè)計過程中，更為直觀地顯示該區(qū)域的指標(biāo)值狀態(tài)，可進(jìn)一步利用輔助工具來進(jìn)行配煤方案編制。在編制之前，嘗試?yán)脜^(qū)域云圖構(gòu)建方法來創(chuàng)建區(qū)域三角網(wǎng)，并按照漸近色對待渲染區(qū)域進(jìn)行云圖繪制。

1）灰分指標(biāo)的區(qū)域云圖。區(qū)域采煤工作線區(qū)域范圍內(nèi)的灰分云圖如圖5，通過對比可發(fā)現(xiàn)：B2′煤層灰分相對較高，其估值結(jié)果在9.3%～9.6%；而針對B1 煤層則相對較低，可控制在9.0%附近。因此，在實際配煤方案設(shè)計時，B2′煤的南幫則會受到灰分限制，則應(yīng)盡量少將南側(cè)工作幫的B2′煤層分配給篩分廠煤制油用戶或與其他煤層配煤后，方可提供給篩分廠煤質(zhì)油用戶。

圖5 灰分指標(biāo)的區(qū)域云圖

2）發(fā)熱量指標(biāo)的區(qū)域云圖。發(fā)熱量指標(biāo)被存儲在煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)有新的補勘數(shù)據(jù)時，可以通過軟件內(nèi)置的功能將數(shù)據(jù)按照上傳日期及時間進(jìn)行分類存儲。同時，可通過數(shù)據(jù)展繪功能，來綜合展繪對應(yīng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行煤質(zhì)指標(biāo)趨勢分析。

執(zhí)行數(shù)據(jù)展繪功能后，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)點指標(biāo)則將會被展繪在CAD 圖形空間之內(nèi)?，F(xiàn)階段，軟件展繪功能需要手工建立對應(yīng)區(qū)域的邊界約束，該約束可以通過手工連接區(qū)域點來進(jìn)行處理，手工構(gòu)造邊界后，插值程序?qū)⑻蕹齾^(qū)域之外的無關(guān)數(shù)據(jù)點。采煤區(qū)域插值結(jié)果及等值區(qū)域渲染效果圖如圖6。

圖6 采煤區(qū)域插值結(jié)果及等值區(qū)域渲染效果圖

3 煤層各條帶煤質(zhì)指標(biāo)

當(dāng)具備了數(shù)據(jù)指標(biāo)值的展繪區(qū)域、指標(biāo)值的趨勢模型后，為構(gòu)建出滿足于選煤廠、篩分廠煤質(zhì)需求的配煤方案，以礦山現(xiàn)有開采設(shè)計的參數(shù)為依據(jù)，重新對配煤區(qū)域進(jìn)行了條帶的劃分。由于該礦開采1幅的距離是24 m，因此在每個分層內(nèi)部按照24 m的寬度沿著開采方向進(jìn)一步劃分采掘帶。

具備了條帶劃分、煤層指標(biāo)趨勢的估、插值模型基礎(chǔ)后，通過系統(tǒng)內(nèi)置的條帶區(qū)域指標(biāo)數(shù)據(jù)查詢功能，可完成對于區(qū)域指標(biāo)值的趨勢預(yù)測及估計。

1）B1 煤層煤質(zhì)指標(biāo)查詢結(jié)果分析。B1 煤層存在如下規(guī)律性趨勢：①西側(cè)原始采煤工作面位置的指標(biāo)與東側(cè)采場區(qū)域的煤質(zhì)指標(biāo)差別較大；②西側(cè)原始紅沙泉采煤工作面位置的灰分指標(biāo)更高，該區(qū)域的灰分指標(biāo)平均值在10%～12%區(qū)間不等；③兩區(qū)域的低位發(fā)熱量普遍高于礦山20.064 MJ/kg（4 800 kcal/kg）的回采指標(biāo)研究，平均低位發(fā)熱量指標(biāo)值與歷史回采數(shù)據(jù)相近；④區(qū)域內(nèi)灰分與低位發(fā)熱量成負(fù)相關(guān)性，灰分指標(biāo)高的區(qū)域低位發(fā)熱量相對不高，這從一定程度上說明了區(qū)域估插值結(jié)果及區(qū)域預(yù)測結(jié)果相對可靠。

2）B2′煤層煤質(zhì)指標(biāo)查詢結(jié)果分析。相較于B1煤質(zhì)指標(biāo)的查詢結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)B2′煤表現(xiàn)出更多的灰分指標(biāo)區(qū)域分類，相比于B1 煤層，煤質(zhì)指標(biāo)明顯更高，這說明隨著采深逐漸接近地表，其煤質(zhì)也將相較于深層位的煤炭更差。

4 首采區(qū)配煤方案

采煤工作面共有2 個層煤、3 個開采臺階。各開采臺階的配煤方案設(shè)計按照月度110 萬t 的產(chǎn)量進(jìn)行計劃編制，其中計劃每月將70 萬t 原煤編制給選煤廠供應(yīng)電煤用戶，40 萬t 原煤編制給篩分廠供應(yīng)煤制油用戶，出煤點的煤質(zhì)指標(biāo)、剝離量可通過系統(tǒng)查閱，運用研發(fā)的配煤輔助系統(tǒng)進(jìn)行求解，在結(jié)合礦山采場的實際情況，將求解的結(jié)果與系統(tǒng)條帶進(jìn)行比對調(diào)配、均和。配煤方案其他指標(biāo)：出煤點月最小任務(wù)量為0 萬t、月最大任務(wù)量為40 萬t；篩分廠月最小任務(wù)量為25 萬t、最大任務(wù)量為40 萬t；選煤廠月最小任務(wù)量為40 萬t、最大任務(wù)量為90 萬t；年計劃生產(chǎn)剝采比取3 m3/t；出煤點、篩分廠、選煤廠月最大生產(chǎn)量分別為75 萬t、50 萬t、90 萬t；篩分廠、選煤廠最大灰分設(shè)置分別為9%、12%；篩分廠、選煤廠最小低位發(fā)熱量均設(shè)定為4 800 kcal/kg。

基于上述原則及計算，按照煤量及煤質(zhì)指標(biāo)要求，確立配煤方案，紅沙泉露天礦2021 年1—6 月煤質(zhì)配煤方案見表3。配煤方案條帶位置示意圖如圖7。

表3 紅沙泉露天礦2021 年1—6 月煤質(zhì)配煤方案

圖7 配煤方案條帶位置示意圖

5 結(jié)語

1）依據(jù)設(shè)計的配煤輔助決策系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)點進(jìn)行展繪，通過約束三角網(wǎng)建立了煤質(zhì)指標(biāo)模型，生成了煤質(zhì)指標(biāo)的等值線圖，最后完成煤質(zhì)指標(biāo)的渲染工作，直觀地展現(xiàn)煤質(zhì)指標(biāo)的分布。

2）根據(jù)篩分廠和選煤廠對煤質(zhì)指標(biāo)要求，以配煤輔助決策系統(tǒng)提供的輔助設(shè)計工具為依托，分析了煤質(zhì)指標(biāo)趨勢，通過發(fā)熱量指標(biāo)云圖可直觀地顯示某區(qū)域的指標(biāo)值狀態(tài)。

3）按照月度110 萬t 的產(chǎn)量計劃，其中選煤廠70 萬t、篩分廠40 萬t 的分配方式，完成紅沙泉露天礦首采區(qū)2021 年1—6 月的配煤工作，月度內(nèi)的配煤指標(biāo)、煤量均符合篩分廠、選煤廠要求。