采礦系統(tǒng)工程中采區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

王樹新

【摘 要】經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，采礦系統(tǒng)工程的發(fā)展有了很大進(jìn)步。本文分析了采礦系統(tǒng)工程所具有的特點(diǎn)和其所應(yīng)用的范圍，結(jié)合采區(qū)的類型和采區(qū)的設(shè)計(jì)內(nèi)容來(lái)研究了采區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】采區(qū)優(yōu)化；礦井設(shè)計(jì)；巷道布置；系統(tǒng)工程

1.采礦系統(tǒng)工程所具有的特點(diǎn)

1.1與信息科學(xué)有很大聯(lián)系

采礦系統(tǒng)工程與信息科學(xué)的每一步發(fā)展都有著緊密的聯(lián)系。在二十世紀(jì)晚期，找礦專家系統(tǒng)便伴隨著人類對(duì)專家系統(tǒng)的研究而出現(xiàn)。在RS（遙感系統(tǒng)），GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）和GIS（地理信息系統(tǒng)）這三個(gè)S在科技上發(fā)揮作用后隨即便應(yīng)用到了礦業(yè)上。礦業(yè)上運(yùn)用到的各種軟件也是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。

1.2計(jì)算機(jī)科學(xué)與現(xiàn)代數(shù)學(xué)在礦業(yè)上的應(yīng)用

現(xiàn)代的采礦系統(tǒng)工程中運(yùn)用到的基礎(chǔ)學(xué)科和技術(shù)主要有以下幾項(xiàng)：①應(yīng)用數(shù)學(xué)下面的分支學(xué)科，例如：灰色系統(tǒng)理論，可靠性理論等；[1]②與運(yùn)籌學(xué)相關(guān)的學(xué)科，例如：目標(biāo)規(guī)劃，排隊(duì)論，決策論，線性規(guī)劃等；③與計(jì)算機(jī)科學(xué)有緊密聯(lián)系的相關(guān)學(xué)科，例如：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，人工智能學(xué)等。

1.3密切聯(lián)系采礦工程的需要和特點(diǎn)

在解決采礦工程中遇到的問題時(shí)要充分考慮到采礦工業(yè)所受到的外界影響較大的特性。因此礦業(yè)中涉及到的系統(tǒng)工程技術(shù)，例如：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，多目標(biāo)決策等，對(duì)礦業(yè)的發(fā)展有及其重要的意義。

2.采礦系統(tǒng)工程所應(yīng)用的范圍

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)工程在采礦業(yè)的研究已經(jīng)從單純的礦床評(píng)價(jià)與估值發(fā)展到采礦過(guò)程中的優(yōu)化控制與管理，研究范圍已經(jīng)非常之大，研究結(jié)果也比較可觀。

⑴對(duì)開采進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和有效設(shè)計(jì)，例如：開采礦山的具體方法，對(duì)開采過(guò)程需要用到的工藝和設(shè)備進(jìn)行選擇，劃定礦井的開采邊界，優(yōu)化礦山邊界品位與生產(chǎn)能力的，露天礦井的設(shè)計(jì)，礦井與采區(qū)的設(shè)計(jì)，短時(shí)間內(nèi)礦山的生產(chǎn)計(jì)劃，對(duì)礦山的發(fā)展等。

⑵對(duì)礦床條件的評(píng)價(jià)和分析，例如：對(duì)礦床所依存資源的評(píng)價(jià)，建立礦床模型等。[2]

⑶礦山邊坡和壓力的穩(wěn)定，例如：對(duì)露天礦周圍的邊界穩(wěn)定性研究，采場(chǎng)的礦壓和穩(wěn)定控制，回采巷道的布置和支護(hù)。

⑷對(duì)礦山的建設(shè)和項(xiàng)目評(píng)價(jià)，例如：對(duì)露天礦和普通礦井的建設(shè)過(guò)程優(yōu)化，對(duì)新建和重建的礦山項(xiàng)目的評(píng)價(jià)等。

⑸生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，例如：礦山開采完成后運(yùn)輸系統(tǒng)的分析，礦井內(nèi)部的通風(fēng)排水系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程中的監(jiān)督系統(tǒng)，采礦過(guò)程的生產(chǎn)分析，礦山的生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。

⑹研究領(lǐng)域中的其他方面，例如：疏水排水工程，爆破工程，礦區(qū)中的環(huán)境工程等是近年來(lái)新增加的研究范圍。

3.采區(qū)的類型和采區(qū)的設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1采區(qū)的類型

在采礦系統(tǒng)工程中對(duì)采區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要依據(jù)礦井周邊的環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)方案。采區(qū)中巷道主要有以下幾種布置類型：跨越式，走向長(zhǎng)壁開采，傾斜長(zhǎng)壁開采。

對(duì)于采區(qū)巷道的基本布置類型有兩種，分別是走向長(zhǎng)壁開采和傾斜長(zhǎng)壁開采。這兩種類型也是跨越式回采的基礎(chǔ)，把跨越式回采作為一種類型是為了研究其適用性。所以也可以把跨越式回采表達(dá)成走向長(zhǎng)壁開采或者傾斜長(zhǎng)壁開采巷道布置類型中的一個(gè)分析。

3.2采區(qū)的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

采區(qū)中的煤層厚度和設(shè)計(jì)過(guò)程中所需費(fèi)用的評(píng)估是對(duì)采區(qū)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一項(xiàng)任務(wù)。然后依據(jù)采區(qū)的具體條件來(lái)選擇參數(shù)和設(shè)計(jì)巷道具體的形式。同時(shí)采用相關(guān)技術(shù)對(duì)采區(qū)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終選擇出最適合的參數(shù)和巷道布形式，最大化地滿足采礦系統(tǒng)工程的要求。

4.采區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1采區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

從技術(shù)的層面出發(fā)，根據(jù)采區(qū)的具體情況來(lái)布置巷道的形式和參數(shù)的選取，使得最后的開采能力達(dá)到最大，保證采礦系統(tǒng)工程的順利進(jìn)行。[3]

對(duì)采區(qū)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程為：選定優(yōu)化原則，多指標(biāo)和單指標(biāo)編制數(shù)學(xué)模型；依據(jù)采區(qū)中的煤層厚度，在可行的方案的基礎(chǔ)之上采用最佳的巷道布置形式；選取對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)參數(shù)的取值區(qū)間，包括上界和下界。對(duì)優(yōu)化需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理并存入計(jì)算機(jī)中；利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，計(jì)算出優(yōu)化的結(jié)果；對(duì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行客觀分析，當(dāng)出現(xiàn)反常情況時(shí)，對(duì)存入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，直至計(jì)算機(jī)輸出的優(yōu)化結(jié)果最佳時(shí)停止。

4.2對(duì)技術(shù)可行的方案進(jìn)行初步選擇

為了最大化地?cái)U(kuò)大采區(qū)優(yōu)化模型的應(yīng)用區(qū)間及其適應(yīng)性，應(yīng)當(dāng)全面考慮會(huì)出現(xiàn)的所有狀況，在實(shí)際操作過(guò)程中，對(duì)于給出了一些可行的設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)需要結(jié)合采區(qū)的具體情況來(lái)分析選擇出最合適的方案。

4.2.1傾斜長(zhǎng)壁和走向長(zhǎng)壁式開采

就當(dāng)前回采工作面中所用到的機(jī)器和技術(shù)條件來(lái)說(shuō)，傾斜長(zhǎng)壁開采只能適應(yīng)以下兩種煤層：傾斜斷層多或者地質(zhì)的構(gòu)造不復(fù)雜的煤層，煤層傾角比15°小。所以當(dāng)煤層不屬于上面那兩種是可以拋棄傾斜長(zhǎng)壁的開采方式。

4.2.2采區(qū)與工作面生產(chǎn)能力的上限

技術(shù)上能夠選用的上限應(yīng)當(dāng)選取為采區(qū)生與工作面 中所有環(huán)節(jié)中生產(chǎn)能力最大時(shí)的最小值。[4]當(dāng)選用綜合機(jī)械化來(lái)開采時(shí)，回采工作面的生產(chǎn)能力主要由通風(fēng)能力控制。一般情況下高沼氣礦井的上限為3000t/d，低沼氣礦井的上限是4000t/d；普通開采時(shí)主要的限制因素是支架的速度，高檔普采時(shí)最高為3000t/d或者采用采區(qū)聯(lián)合布置的方式。

當(dāng)煤層數(shù)多于2時(shí)，所增加的巷道掘進(jìn)資金相對(duì)于巷道的維護(hù)所需資金的大小決定了是否采用聯(lián)合方式來(lái)布置區(qū)段集中平巷，采區(qū)下山或者上山。這能通過(guò)簡(jiǎn)易的計(jì)算后決定取舍。

4.2.3雙翼和單翼采區(qū)

雙翼采區(qū)能夠服務(wù)的時(shí)間比較久，采區(qū)走向的長(zhǎng)度也比較大，因此能夠布置的工作面比較多，對(duì)采區(qū)和工作面的正常接替有益。采區(qū)石門，下山或者上山、車場(chǎng)的挖掘工程量相對(duì)比較少，上山煤柱的損失不是那么大。因此在不考慮一些特殊條件或者自然條件的前提下一般不選用單翼采區(qū)。

4.2.4煤層之間的聯(lián)系方式

當(dāng)選用聯(lián)合布置時(shí)，煤層間的聯(lián)系原則是巷道和生產(chǎn)中的工程量越小越好，聯(lián)系方式主要由煤層間距離和煤層的傾角所決定。

在采礦工程的基本原理和規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)代數(shù)學(xué)與系統(tǒng)論的方法來(lái)分析和解決采區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的采礦系統(tǒng)工程，在礦業(yè)的應(yīng)用范圍和研究成果對(duì)其發(fā)展發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]謝凱等.基于小生境遺傳算法的走向長(zhǎng)壁采區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)電，2004，5.

[2]謝洪彬.童亭礦跨越軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)及支護(hù)實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，1.

[3]張幼蒂，王玉浚.采礦系統(tǒng)工程[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4]李安光等.傾斜長(zhǎng)壁與走向長(zhǎng)壁開采工藝可靠性分析[J].煤炭技術(shù)，2001，4.