采礦工程畢業(yè)設計外文翻譯.doc

I本科畢業(yè)設計外文翻譯外文譯文題目地下礦山開采設計成本優(yōu)化網絡模型學院:專業(yè):學號:學生姓名:指導教師:日期:武漢科技大學本科畢業(yè)設計外文翻譯IANetworkModeltoOptimiseCostinUndergroundMineDesignM.Brazil1,D.H.Lee2,J.H.Rubinstein2,D.A.Thomas1,J.F.Weng1,N.C.Wormald21.DepartmentofElectrical&ElectronicEngineering,TheUniversityofMelbourne,Victoria3010,Australia2.DepartmentofMathematics&Statistics,TheUniversityofMelbourne,Victoria3010,AustraliaTransactionsoftheSouthAfricanInstituteofElectricalEngineers2002,vol.93,no2,pp.97-103地下礦山開采設計成本優(yōu)化網絡模型M.Brazil1,D.H.Lee2,J.H.Rubinstein2,D.A.Thomas1,J.F.Weng1,N.C.Wormald21.澳大利亞維多利亞3010號墨爾本大學電工與電子工程系2.澳大利亞維多利亞3010號墨爾本大學數(shù)學與統(tǒng)計學系南非電子工程師協(xié)會譯文集，2002，第93卷，第2篇，97-103武漢科技大學本科畢業(yè)設計外文翻譯1摘要本文探討了在礦山開采設計中如何使開采和運輸成本最優(yōu)的問題。文中主要探討了在為采礦提供通道的豎井、斜坡道等中產生的成本，并為地下礦山開采網絡優(yōu)化問題建立加權網絡模型。在控制變量（優(yōu)化過程變量）和運行參量已經給定的情況下，討論在什么情況下成本函數(shù)是凸函數(shù)。1概述地下礦山開采通常通過斜坡道和水平運輸巷道提升礦石。這些斜坡道和水平運輸巷道服務于整個礦體。對于埋藏較深的礦體可能再需要一個或多個豎井。一般情況下，這些坡道坡度不超過1:8。這兩種巷道的建造費用及相關的運輸成本是整個礦山成本的關鍵組成部分。因此，在設計的斜坡道和水平運輸巷道時，使這些費用降到最低，能夠對礦山的經濟效益和可行性產生重大影響，但這一理論幾乎沒有得到非常系統(tǒng)的研究。我們研究這個礦井設計問題的目的是要建立一個數(shù)學模型，并使這個模型能夠體現(xiàn)實際開采網絡的最顯著的特點。找到這個模型的最佳設計方案就能夠為開采網絡設計提供極佳的基礎，從而使之達到最高的效益。我們提出的梯度約束網絡理論的基本做法如參考文獻2和3所述，這種做法仍然在進行深入研究。另一篇論文1概述了我們在運用這一理論時的一般的法，并提出了一些實際研究案例。本文介紹了一種最新的模型并描述它某些具體屬性。2礦山設計優(yōu)化在礦物產業(yè)競爭如此激烈的市場環(huán)境下，減少開采成本是礦山開發(fā)者和經營者面臨的一個非常嚴峻的問題。在露天礦開采中已經存在高效的優(yōu)化設計方案，并已成功的應用于商業(yè)軟件系統(tǒng)。然而，地下礦山開采系統(tǒng)優(yōu)化問題卻了解的很少。最優(yōu)的地下礦山采礦系統(tǒng)優(yōu)化方案，必須考慮到(1)采礦方法的選擇和運營效率（回采、掘進、礦房和礦柱）；(2)礦體經濟合理開采境界的劃分（例如，采場形態(tài)和界限）；(3)地下開采需要為采礦提供通道并從采場運輸?shù)V石（通常以斜坡道、平巷、豎井等的結合為主）；(4)通風及其他輔助設施；(5)通過永久構筑物運輸、回填的工作效率，礦石損失等。武漢科技大學本科畢業(yè)設計外文翻譯2全部這些因素都要在整體優(yōu)化方案中考慮到。本文我們著重討論因素(3)，我們稱之為地下開采網絡。(3)與(4)、(5)結合構成本設計模型中開采期的總成本或計算其他工程造價的依據(jù)。D.H.Lee最早對建立三維網絡系統(tǒng)模擬礦山基建投資的問題進行了研究，并提了初步的思路。Brazil等人分析了這種模型被限制在一個垂直平面上時的一些具體性質。三維受約束的斯坦納樹的一些性質我們已經在參考文獻3中進行了論述。在下面的部分中我們將詳細描述解決地下礦山開采網絡問題的方法。需要指出的是因為其他因素也會影響網絡模型總成本，所以網絡優(yōu)化的功能不僅僅是使網絡長度最短，還要使成本降到最低。3開采網絡模型把數(shù)學公式應用到諸如礦山開采這一類實際問題中的關鍵在于建立包括設計的關鍵特征在內的數(shù)學模型，并保持精確性和易處理性。我們將地下礦山開采網絡設計構造為加權網絡模型。在構造的模型中，將礦山基建和運營費用降到最低等同于將與其對應的加權網絡總成本降到最低。3.1模型說明構造模型的目的是將給定了礦山開采計劃的礦山的開拓、運營總成本降到最低。這里假定總成本是基建和運輸成本以一定比例的結合。(1)基本假設和成本如下所示：1)運營成本有別于運輸成本，從多個開采網絡中選擇最優(yōu)方案時，運營成本假定是不變的；2)網絡模型中假定每個節(jié)點連同節(jié)點的通過量都已經給定；3)假設在礦山可能有豎井。豎井位置已經給定；豎井深度為可變量。深度可變的豎井中間可能還有分支點。同斜坡道一樣，我們將豎井或分支節(jié)點之間的豎井視為一個鏈；4)連接體中的開拓、運輸費用已知。開拓費用常表示為每米巷道掘進總成本和一個定值的和的形式。運輸費用常用元/噸*米計算，并隨著坡度的不同而改變。(2)控制變量（用于優(yōu)化過程的變量）開采網絡的結構和節(jié)點位置都是可變的，因此主要控制變量有：1)開采網絡的結構；2)開采網絡圖中鏈的節(jié)點位置。武漢科技大學本科畢業(yè)設計外文翻譯3(3)約束條件網絡模型會考慮一下關鍵的約束條件，這些都是地下開采設計所特有的1)斜坡道和平巷必須連通，并且認為坡度為最大允許坡度m，m的值取決于采礦設備規(guī)格，通常取1:9到1:7；2)如果有豎井，那么豎井必須豎直；3)斜坡道、平巷之間的最小空間間隔取決于巖石狀態(tài)和安全因素。(4)原理解決方案應全面描述能使指定的成本降到最低的控制變量1)網絡中豎井、斜坡道、平巷的布局，鏈中插入點的位置，運輸線路和運量；2)最優(yōu)方案的估計成本；3)模型對設計方案變化的敏感程度、運營數(shù)據(jù)或成本數(shù)據(jù)。3.2模型的數(shù)學表達一般來說，模型中約束條件越多就越難達到徹底的優(yōu)化。事實上對于某些特別的設計問題來說，約束條件比其他因素顯得更加重要。因此我們可以參照某些關鍵的約束條件建立模型再結合其他次要的約束條件調整模型，使之達到最佳。類似的，也不是所有的控制變量都是同等重要的。在這個問題上他們有兩種截然不同的類型：結構控制變量和節(jié)點位置控制變量。其中，前者的控制能力是有限的，因為對于一個給定節(jié)點的網絡圖來說，其結構形式是有限的。后者則是一個無限的約束，因為在不違反約束條件的情況下節(jié)點位置是任意的。由此可以得出，要建立一種有限的數(shù)學算法，關鍵在于優(yōu)化給定網絡結構的節(jié)點位置。這就變?yōu)榱艘粋€局部優(yōu)化問題。通過對所有可能的網絡結構的計算和評價而找到整體最優(yōu)方案。在某些這種方法不能適用的情況下可以通過假設解決。在這里我們將每一條鏈視為一條斜坡道或豎井的一部分，并用數(shù)學公式描述這個問題。同時我們假設對于斜坡道，約束條件只有它的坡度。換言之，每個斜坡道都有其最大允許坡度，m，且m是一個給定的正實數(shù)。此外，假設豎井的平面位置是已知的，但豎井上每一個分叉點（斜坡道和豎井的交匯點）的位置是可變的。模型中其他的鏈和約束條件并不能顯著的改變本問題的數(shù)學表達，故在此不作論述.對于此種情況，我們設定成本系數(shù)最小從而評價設計網絡的最小成本。我們要建立每米斜坡道和豎井的成本表達式，從而建立這個問題的數(shù)學模型。模型的控制變量為鏈與鏈之間節(jié)點的位置。我們已知的是與礦井平面位置和開采網絡緊密相關的出口位置。同樣我們已知開采網絡圖的拓撲關系。這些我們可以在模型中表示如下：用N(1)，N(n+k)表示節(jié)點，其中包括網絡中的已知點（或終點）和交匯點。與豎井進口和斜坡道中的交匯點相對應，在R中，有n個終點N(1)，N(n)是確定的，武漢科技大學本科畢業(yè)設計外文翻譯4有k個位置待定的可變節(jié)點N(n+1)，N(n+k)。我們將第i節(jié)點N(i)的x,y,z坐標分別記為ix，iy和iz。拓撲圖有兩個組成部分，首先拓撲圖決定了可變點的數(shù)量k，其次是開采網絡的邊界條件E=(i,j)，E中的每一個元素代表一條由N(i)指向N(j)的弧，弧的方向是背離發(fā)點的，或者說，是運輸?shù)姆较?。這兩個組成部分足以明確網絡圖的結構。以上結構如圖1所示圖1帶有8個終點的簡單礦山開采網絡圖其中，8個終點分別為7個分支端點，一個豎井入口。以上網絡圖中包括11條斜坡道鏈和3條豎井鏈。在優(yōu)化過程中，斜坡道鏈的4個節(jié)點是可以自由移動的，而豎井上的3個節(jié)點（斜坡道的豎井入口）只能上下移動，不能橫向移動。在優(yōu)化的開采網絡圖中，我們假設有以下特性：如果斜坡道兩個端點之間的坡度不超過m，那么開采網絡圖中每一條斜坡道都是直線?；蛘哒f，如果它可以表示為一條單調的分段可微的曲線，那么兩端點之間的坡度就等于m。在只對開采成本進行優(yōu)化的時候，最小礦山開采成本是存在的。另有證據(jù)表明，在同時計算開采和運輸成本的時候，最小礦山開采成本也是存在的?，F(xiàn)在，我們可以建立如下模型。在開采網絡模型中，我們對斜坡道之間的交匯點位置不加限制。但是計算RE中每條由斜坡道轉換的鏈的成本的時候，計算方法隨坡度的不同而變化。根據(jù)這些特性，我們假定每條斜坡道端點之間的坡度是不變的。如果給定的對應于斜坡道的鏈的坡度值不大于m,那么它就是相應斜坡道的坡度。如果相反的，武漢科技大學本科畢業(yè)設計外文翻譯5某條對應于斜坡道的鏈的坡度值大于m，那么相應斜坡道的坡度將被限定為m或-m，并要重新計算鏈的長度。數(shù)學表達式如下。對于任何(i,j)RE，令TG(i,j)為N(i)和N(j)之間鏈的真實坡度，那么，T22Gijjijijizzxxyy，鏈的坡度G(i,j)定義如下：TTTmGmGi,=mGmGj當時當時其他如果鏈對應的是筆直斜坡道的長度而不是其簡單幾何長度EL(i,j)，并且TG(i,j)|m，那么可以把斜坡道視為曲折或螺旋形的。因為坡度是恒定的（此處為m或-m），可以得出，該曲線的長度可以由N(i)和N(j)之間的垂直位移得出。并且曲線的長度與曲線的形狀無關，因此鏈L(i,j)的長度可以表示為：T2(,)G(i,j)mL(,)1EjiLijijzzm當其他現(xiàn)在我們討論如何用這些函數(shù)關系式確定斜坡道鏈的中成本。在礦山開采周期內有兩項主要成本與斜坡道鏈的成本相關。首先是開鑿建造斜坡道的費用。對于任意(i,j)RE，每米成本可以表示為恒量ijd。每條斜坡道鏈中ijd的值隨斜坡道的設計用途不同而變化。礦山開采壽命期內，另外一個與斜坡道鏈相關的主要成本是運輸成本。通過屬性（P），每條斜坡道的兩端都有