矿业系统工程在我国的应用及发展_张子杰.docx

Serial No. 561 January. 2016 现代矿业 MODERN MINING 总第 561期 2016年 1月第 1期 矿业系统工程在我国的应用及发展 张子杰 “ 2鲁杰 3 (1.太原理工大学矿业工程学院 ;2.山西国阳投资咨询有限责任公司； 3.山西大同大学煤炭工程学院 ） 摘要矿业系统工程是系统工程的分支，系统工程作为一门新兴学科发展迅速，将其与矿业 结合可促使矿业研宄得到进一步发展。我国矿业系统工程正处于发展阶段，将系统工程的相关原 理及计算机技术相结合，在众多煤矿企业中应用，取得了良好的效果，而通过在矿业系统工程中的 实际应用，也使得系统工程理论得到更好的发展。 关键词矿业系统工程计算机技术发展方向 矿业系统工程是矿业工程学科与系统工程学科 相结合而形成的一个新的学科分支 1。上世纪 50年 代，在矿业研宄中运用运筹学，标志着矿业工程与系 统工程的结合，矿业系统工程随即产生。随着计算机 技术的发展，60年代将运筹学原理与计算机技术综 合应用于矿业研宄，并涌现出一批成果，矿业系统工 程作为一个新的学科分支逐渐形成。经历了近 50 a 的发 展，矿业系统工程己成为系统工程的一大分支。 1 矿业系统工程的发展现状 系统工程理论方法和计算机技术于上世纪 50 年代末应用于矿业。随着计算机及互联网技术的发 展，矿山开采规划、设计、建设和生产管理等方面的 问题，都可通过计算机模拟或建立数学模型进行优 化，而互联网的应用更使整个矿业系统工程得到飞 速发展。目前，矿山系统工程与计算机技术己应用 于矿山设计、生产管理的各个方面。 (1) 矿业资源开发规划与管理。矿山资源在开 采前必须进行前期规划与设计，此阶段系统工程主 要在资源经济与管理、矿区资源评价、资源开发条件 评价、资源环境保护等方面发挥重要作用 2。如目 前普遍应用线性规划进行资源开发最优化的模拟与 计算，利用网络技术建模，找出适合的环保方案等。 (2) 矿山地质储量计算。在矿山开采前期的地 质阶段，可利用系统工程相关理论与方法，研宄矿石 最佳边界品位，根据投资时间确定开采矿体范围；通 过估值方法推断矿体轮廓、储量及质量指标，评估地 质资源，研宄和建立矿床模型，将地质信息数据结构 *山西人同人学校级青年科学研宄项 H (编号 :2015Q14)。 张子杰 （ 19S3 ）， 男，硕士研宄生 ,030024山西省太原市府西街 108 号。 42 化、计算机模型化和可视化；通过研宄矿石质量，建 立配矿模型，达到充分利用矿山资源的目的。 (3) 优化矿山规划及设计。矿石储量及品位确 定后，矿山开采设计和规划主要有以下几个方面 : 确定矿山合理的生产能力、建设顺序及规模，应用线 性规划和整体规划，综合考虑矿山整体成本及投入 产出 ; 利用数学规划和计算机仿真等技术建模，精 确计算，确定矿山开采范围境界及设备类型和数量； 使用专家系统、人工神经网络等理论和方法，确定 最终开拓方案 ; 采用网络技术，使通风系统的设计 和控制更为合理 ; 采用预测技术、概率统计等方法 建模，完善矿山安全管理。 (4) 矿山企业现代化管理。在矿山管理中利用 系统工程可到达安全高效管理的目的。如利用数据 库、人工智能和专家系统建立矿山管理信息决策系 统 ;应用网络技术优化日常生产工序 ;利用传感技术 对生产过程进行监控并优化；运用数理统计严格管 理和控制矿山各个生产环节的质量；使用成本管理 理论和信息技术，优化控制矿山生产成本 ;通过因果 分析和时间序列分析等数学方法，结合经济学理论， 预测矿山生产的各项指标，使之达到最佳状态。 (5) 采矿软件的发展。采矿软件是矿 业系统工 程与计算机技术结合的产物，早期矿用软件通常是 针对个别矿山课题开发的专用程序，适用性有限。 随着计算机技术的发展，模块化软件包的使用加强 了矿业软件的适用范围，在上世纪 80年代以来，西 方主要采矿国家推出大量适用于矿业的软件，涵盖 矿床开采评估、设计、计划和生产管理软件包，如 Datamine、 Mincom、 Medysystem、 PCHMine、 Surpac、 M- K £%1682等，目前采矿软件己广泛应用于各大矿 张子杰鲁杰 :矿业系统工程在我国的应 用及发展 2016年 1月第 1期 严重突出危险 突出威胁 无突出危险 图 1煤与瓦斯突出影响因素层次结构模型 根据层次分析法的相关原理，采用 1 9标度法 确定各项因素的权重并进行归一化处理，通过构造 判断矩阵，将定性问题定量化（见表 1)，再结合模糊 综合评判构造隶属度函数，根据隶属度函数计算，判 断该区域煤与瓦斯突出的危险性。 通过计算可得到危险性权重，分别对应无突出 危险区、突出威胁区和严重突出危险区，据此便可判 定出煤与瓦斯突出危险性等级，对应的最大权重值 就是煤层的突出危险等级。 4 结语 矿业系统工程作为一门新兴学科，其发展空间 和适用范围是巨大的。应加大矿业系统工程的投 入，使前沿科技更多的与矿业结合，更能保证矿井安 表 1定性指标定量化 指标 定性程度 量化 指标 定性程度量化 简单 0.2 褶曲 中等 0.7 复杂 1 简单 0.3 55 中等 .8 复杂 ！ 5 1 I 0.2 n .4 m .6 类型 IV 0.8 v i.o 简单 0.2 S 。 .7 复杂 1 小 0.2 其 他 应 力 中 等 05影 响 程 度 ； ! 其他 小 . 3 影响因素 中等 0.5 影响程度 严重 1 全、高效生产，通过对整体系统的优化，降低成本，增 加企业利润，使矿业开采更为绿色、（下转第 46页） 43 山企业 3，使矿山经营发生了根本性的改变，实现 了矿山科学管理和优化开采的同时，降低生产成本。 2矿业系统工程的发展趋势 矿业系统工程不仅要在矿业开采基本原理的基 础上不断与系统工程深化结合，更要随现代科技的 发展通过计算机及互联网技术，使矿业系统工程的 适用性、广泛性不断增强 4。 (1) 学科配合化，方法多样化。矿业系统工程 作为一门综合性学科，在今后的发展过程中，更需要 多学科配合。以矿山调度为例，从硬件方面来讲，安 全高效的调度涉及到计算机、无线通讯等，而软件就 包括线形规划、动态规划、数据处理等多方面，合理 的调度其实就是多方面综合的结果，这也正体现了 系统工程多样化的特点。 (2) 项目合作化、系统大型化。矿业系统工程 具有复合系统多层次、多环节的特点，单一工程的优 化不能适用整个矿井生产的要求，需要进行更大范 围、巨系统、系统动力学等方面的深入研宄，使矿山 决策支持系统的应用范围更加宽广。 (3) 系统网络化。计算机的使用使矿业系统工 程实现了界面化和互动功能，各类矿山软件是最好 的体现。而互联网提高了矿业系统工程解决问题的 能力，利用互联网可实现系统功能的共享，从而改变 传统的系统问题。如矿山在进行系统建模过程中， 可通过互联网大数据查找相关参数，更可使专家系 统简洁化，而系统模型建立后更可通过互联网共享， 増加系统的适用性。 3矿业系统工程的应用实例 煤与瓦斯突出现象是煤矿生产的重要灾害之 一，不仅对生产有严重影响，更会威胁到矿工的人身 安全。虽然煤与瓦斯突出现象并无规律可循，但影 响煤与瓦斯突出的因素目前已被技术人员基本掌 握，故可利用矿业系统工程的相关理论建立模型并 结合计算机进行预测，从而找出区域突出的危险性， 预防安全事故。 分析煤与瓦斯突出的影响因素可建立层次结 构，利用层次分析法，结合模糊数学理论建立层次模 型。如图 1所示。 煤与瓦斯突出 地质构造丨 地应力 | |煤质煤体结构 | |瓦斯赋存条件 | |瓦斯参数 | 丄丄 丄丄丄 丄丄丄丄 J_L 丄 瓦斯放散初速度ZT瓦斯压力_!瓦斯含量I其他因素_!围岩孔隙性_|煤层倾角煤层厚度煤层埋藏深度煤的坚固性系煤的解吸能力_|软分层厚度I煤的变质程度I煤体破坏类型其他应力4构造应力 自重应力I断层 水文地质类型褶曲 总第 561期 现代矿业 2016年 1月第 1期 10 m， 尾矿库底板地形相对平缓。 (2) 开采工艺及步骤 。 采用反铲式挖掘机从 尾矿库存的一帮开掘，直达尾矿库底板的主运输干 线 ;采用正铲式挖掘机沿尾矿库底板水平推进，形 成水平段沟 ; 在水平段沟的两侧采用正铲式挖掘 机，沿尾矿库原始地形等高线水平推进回采。在开 采过程中，可用废石对尾矿库底板进行铺垫和找平， 以改善采掘及运输作业条件。 (3) 采场构成要素。 台阶高度不大于 10 m; 台阶坡面角为 45° 采掘带宽度正铲式挖掘机 挖掘半径的 2倍 ; 运输干线宽度为 6 8 m时，最 大纵坡比不大于8%。 (4) 工作面排水。 沿尾矿库周边开挖截流 沟，防止矿山工业、生活废水，以及雨季地表径流进 入尾矿库内； 在采区低凹处设置降水井，将工作面 溢流及尾矿渗透水引入其内，采用卧式栗向外抽排。 (5) 主要优缺点。优点：开采效率高，成本低， 易于实施。缺点：适用范围有一定局限，因尾矿库底 板凸凹不平，加之库底松软时需要用废碴铺垫找平， 因此采出尾矿有贫化现象。 2.3.3组合分层法 开采时先掘进出入车沟，形成开采台阶，然后铺 设回采进路，采用正铲式挖掘机前进式开采。当上 分层矿石采完后，再采用反铲式挖掘机沿回采进路 后退式开采，回采下分层矿石。见图 4。 一运输公路 ; 一水平段沟 ; 一采掘运输支线 ; 一采掘方向； 一 正铲挖掘机 ; 一 反铲挖掘机 ; 一 延伸至下水平的出入车沟 (1) 适用条件。尾矿库中堆积厚度大于 15 m 的尾矿 ;尾矿库底板地形起伏较大，不适宜采用第二 种方法开采。 (2) 开采工艺及步骤。采用反铲式挖掘机，从 尾矿库一帮开掘通往下一水平的出入车沟作为主运 输干线 ; 采用正铲式挖掘机水平推进，形成水平段 沟 ; 在水平段沟的两侧布置采掘带，采用钢筋混凝 土预制块铺设采掘运输支线，且随采掘工作面同步 延伸 ; 采用正铲式挖掘机，沿采掘运输支线前进式 开采上分层矿石 ;上分层矿石回采结束后，采用反 铲式挖掘机沿采掘运输支线后退式开采下分层矿 石 ; 该水平矿石回采结束，延伸出入车沟至下一水 平，进行下一水平的开采。 (3) 采场构成要素与第二种方法相同。 (4) 工作面排水与第二种方法相同 。 (5) 主要优缺点。优点：适用性较第二种方法 强，开采成本较第一种方法低 ;缺点 :工艺较繁琐，采 掘运输支线铺设困难。 2.3.4尾矿干米体系 三种干采方法各有优劣，在实际开采过程是相 互联系的，三者之间取长补短、相辅相成，构成了一 套完整的尾矿 “ 干采 ” 体系。见图 5。 图 5尾矿干采工艺体系 3结论 随着国家循环经济发展步伐的加快，尾矿开发 利用的规模不断扩大，对尾矿开采工艺及生产能力 提出了更高的要求。尾矿干采作为一种非常规的开 采方式，通过多年的探索，所采用的 “ 单一分层法 ” 、 “ 直接见底法 、 “ 组合分层法 ” 已经形成了一套完整 的尾矿干采工艺，并成功地应用于矿山生产实践，为 不宜水采的尾矿开采提供借鉴和参考。 (收稿日期 2015-1042) (上接第 43页）安全。 参考文献 东煤炭科技， 2014 (5) : 1546. 3高林 .采矿系统工程的现状与发展 DG. 内蒙古煤炭经济， 2014(8) :31， 33. 1 肖福坤，张俊文 .矿业系统工程 M.徐州：中国矿业大学出版 社，2010. 2 魏超 .采矿系统工程的发展现状与新发展趋势研宄 D.山 4 吴立新，汪云甲，丁恩杰，等 .三论数字矿山 借力物联网保 障矿山安全与智能采矿 .煤炭学报， 2012(3):357-365. (收稿日期 20150942) 46