最终境界和长期开采计划是露天煤矿设计方案的两个最重要的组成部分,对矿山的整体开采效益有重大影响。因此,最终境界和长期开采计划的优化一直是过去半个世纪以来国际矿业系统工程领域的热点研究课题。本文在系统分析国内外在该领域的已有研究成果的基础上,针对近水平煤层的赋存特点,给出并证明了“从地质最优采场序列中求得最优开采计划”的定理,建立了优化数学模型；从矿床地质模型的建立到最终境界和长期开采计划的优化,设计了一整套算法；通过软件开发,使本文的理论、方法和模型得以实现。针对露天开采的煤矿床多呈近水平层状分布的特点,建立了便于计算机处理和应用的规则柱状煤层矿床模型。在算法和数据结构上充分考虑建模中处理实际地质条件的能力以及煤田探矿数据的特点,可以方便地处理断层、煤层边界控制、聚集效应等实际问题,具有运算效率高和实用性强的特点。优化境界和开采计划需要建立地表标高模型。本文提出了一种能够很好处理各种地表特征的、基于等高线的地表标高模型建立方法,设计了相应的建模算法。基于建立的柱状煤层矿床模型和地表标高模型,以开采总利润最大为目标函数,采用“锥体排除法”优化露天煤矿开采境界。该方法首先产生一个可能的最大境界,然后从最大境界开始,通过锥体扫描循环,把不盈利或剥采比大于经济合理剥采比的锥体排除,直到在一次扫描中找不到这样的锥体为止,就得到了最优境界。该方法应用简单、运行速度高,可以方便地处理不同方向(或不同区域)具有不同帮坡角的实际情况；通过把锥壳顶点依次置于各煤层底板的椎体排除扫描,较好地处理了椎体重叠对优化结果的不利影响,而且符合近水平煤层条件下境界坑底尽可能沿煤层底板设计的实际要求。针对这一优化方法,设计了最大境界的圈定算法、锥体排除算法、锥体模板构建算法,以及相应的数据结构。露天煤矿开采计划在本文的定义中,包括开采顺序(即每年开采的位置和形态)、生产能力(即每年的采煤量、四纪层和硬岩的剥离量)和开采寿命三大方面。现有的开采计划优化方法一般是在给定生产能力(也就给定了开采寿命)的条件下,寻解最佳的开采顺序。然而,开采顺序和生产能力不是相互独立的,给定其一进行优化得出的是局部最优解,需要同时优化才能得到全局最优解。本文针对露天煤矿,给出并证明了“从地质最优到经济最优”的开采计划优化定理,即经济上最优的开采计划中每年末的采场(包括位置、形态和大小)所组成的采场序列,一定是地质最优采场序列的一个子序列。对于一个给定总体积V的“地质最优采场”是满足工作帮坡角约束条件下,所有总体积为V的采场中含煤量最大的那个采场。根据这一定理,首先在最终境界中依据工作帮坡角产生一个地质最优采场序列,然后对该序列进行动态排序,求出使总净现值(NPV)最大的子序列,即最优开采计划。这样求得的开采计划同时包括了最优开采顺序、生产能力和开采寿命。基于这一优化方法,建立了对地质最优采场序列进行动态排序的一般模型和动态规划模型,设计了地质最优采场序列产生算法和该序列的动态排序算法。基于本文的理论、模型和算法体系,开发了CoalDesign软件系统。利用某煤矿床的实际探矿钻孔数据,应用CoalDesign对该矿床进行了建模并优化其最终境界和开采计划。实践表明,这一理论、模型和算法体系运算效率高、实用性强,可以方便地考虑实际应用中的一些约束条件,如最大生产剥采比、最大和最小采剥能力、变化的帮坡角等。应用CoalDesign不仅可以快速得到给定地质、煤炭市场和成本条件下的优化结果,还可以方便地分析煤炭市场和成本变化对优化结果的影响,对于最终形成最合理的详细设计方案具有重要的应用价值。