煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)

田錦州

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地(榆林)開(kāi)采工程技術(shù)有限公司，陜西 榆林 719399)

煤層氣是我國(guó)重要的清潔能源，“十四五”期間，煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)模式的推廣與工程應(yīng)用將成為必然趨勢(shì)[1，2]。煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，同時(shí)隨著煤礦原煤產(chǎn)量的不斷提高，礦山企業(yè)需要投入更多的設(shè)備與采掘工作面，這就給傳統(tǒng)的手工編制生產(chǎn)計(jì)劃帶來(lái)了極大考驗(yàn)，通過(guò)人工計(jì)算工程量、工期、工程進(jìn)度的跟蹤與預(yù)測(cè)等方式已不能適應(yīng)煤炭企業(yè)對(duì)工程布局與接續(xù)做出快速、科學(xué)決策的要求。自從計(jì)算機(jī)技術(shù)及運(yùn)籌學(xué)引入采礦工程后，國(guó)外學(xué)者便開(kāi)始在礦山中運(yùn)用了各種定量的管理技術(shù)編制和評(píng)估礦山作業(yè)計(jì)劃，平衡礦山各種作業(yè)量，計(jì)算優(yōu)化指標(biāo)等，主要從兩個(gè)方向進(jìn)行研究工作：一是采用優(yōu)化方法確定礦山生產(chǎn)計(jì)劃；二是利用模擬方法確定礦山生產(chǎn)計(jì)劃。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，交互式技術(shù)開(kāi)始受到重視，國(guó)外一些著名的礦業(yè)軟件公司運(yùn)用這一技術(shù)開(kāi)發(fā)了不同的礦山集成軟件系統(tǒng)，如MAPTEK公司的VULCAN 軟件包、GOLDEN SOFTWARE公司的SURFER軟件包等[3，4]。國(guó)外礦井因其系統(tǒng)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高和采掘工作面數(shù)量少，很少出現(xiàn)采掘關(guān)系緊張的情況，這一點(diǎn)不同于我國(guó)，因此國(guó)內(nèi)對(duì)于礦井采掘接續(xù)計(jì)劃的編制工作的研究雖然起步較晚，但所做工作較多，也較國(guó)外深入。胡清淮等人運(yùn)用線(xiàn)性規(guī)劃理論為湖南郴州黃沙坪鉛鋅礦生產(chǎn)計(jì)劃建立了一個(gè)優(yōu)化模型，并借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了模型的求解。韓可琦等人采用微軟公司的VB軟件將數(shù)據(jù)與圖形實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鏈接，并用圖形方式表述采掘接續(xù)情況和工作面信息[5，6]。

綜觀這些軟件，雖然都取得一定效果，但由于多種原因不能得到推廣。一是大部分系統(tǒng)是在早期計(jì)算機(jī)語(yǔ)言環(huán)境下開(kāi)發(fā)出來(lái)的，人機(jī)界面不夠友好，操作不方便等；二是多目標(biāo)決策的理論和方法還有待進(jìn)一步發(fā)展，建立通用的礦山生產(chǎn)計(jì)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系比較困難。因此，如何利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，編制礦井“抽、建、掘、采”系統(tǒng)接續(xù)的智能化軟件，在煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)模式優(yōu)化決策方面形成較為成熟實(shí)用的軟件和設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)模式推廣應(yīng)用的重要內(nèi)容。

1 礦井生產(chǎn)接續(xù)設(shè)計(jì)編制方法

1.1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是解決多階段決策過(guò)程最優(yōu)化問(wèn)題的一種數(shù)學(xué)方法。用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法解決問(wèn)題，必須首先將其轉(zhuǎn)化成多階段決策問(wèn)題。煤礦生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)在時(shí)間和空間上不斷變化的過(guò)程，隨著時(shí)間的推移，生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)在不斷地發(fā)生變化，而這種變化又主要體現(xiàn)在礦井“抽、建、掘、采”時(shí)空關(guān)系上。在礦井生產(chǎn)的不同時(shí)期，可以采取不同的決策方案進(jìn)行生產(chǎn)，而每種決策方案必然會(huì)產(chǎn)生不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。將每一個(gè)時(shí)期看作一個(gè)階段，礦井的生產(chǎn)過(guò)程可以看作是若干個(gè)不同時(shí)期，每個(gè)時(shí)期又有許多不同的決策方案可供選擇的多階段決策問(wèn)題[7-9]。

首先將所要編制的生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃的時(shí)間劃分為n個(gè)區(qū)間長(zhǎng)度相等的階段(例如每個(gè)階段的長(zhǎng)度可以是一個(gè)月、一個(gè)季度或一年等)。根據(jù)礦井生產(chǎn)均衡性的要求，可以認(rèn)為階段回采生產(chǎn)的煤量是相等的。設(shè)Xi是第i個(gè)階段開(kāi)始時(shí)的存儲(chǔ)煤量，Zi是第i個(gè)階段開(kāi)始時(shí)已準(zhǔn)備好的可采煤量，al為第1個(gè)階段內(nèi)的回采生產(chǎn)煤量，Ci(Xi，Zi)表示在給定初期存儲(chǔ)量Xi和可采煤量Zi情況下第i個(gè)階段內(nèi)的費(fèi)用，則：

式中，Zi為需要準(zhǔn)備的可采煤量，萬(wàn)t；ai為礦井回采生產(chǎn)煤量，萬(wàn)t；r為礦井平均萬(wàn)噸煤巷道掘進(jìn)率，m/萬(wàn)t；J為采準(zhǔn)巷道的掘進(jìn)費(fèi)用，元/m；w為采準(zhǔn)巷道的維護(hù)費(fèi)，w=wdt，其中，wd為維護(hù)費(fèi)單價(jià)，t為維護(hù)時(shí)間，元/m；T為巷道掘進(jìn)裝備費(fèi)，萬(wàn)元。

對(duì)于t=l，2，3，……，n，存在：

在建立了式(3)和式(4)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃遞推公式以后，可以計(jì)算出礦井各個(gè)階段需要準(zhǔn)備出的煤量(Zi，i=1，2，……，n)。

相比于傳統(tǒng)的工程排隊(duì)法，動(dòng)態(tài)規(guī)劃法煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃優(yōu)化方案的確有了很大進(jìn)步，同時(shí)也有了更為深入的理論基礎(chǔ)。生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃的編制過(guò)程中采用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，該方法可對(duì)大量任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)歸納，促進(jìn)系統(tǒng)尋求優(yōu)化的生產(chǎn)計(jì)劃方案。

1.2 關(guān)鍵路線(xiàn)法

關(guān)鍵路線(xiàn)法(CPM)是統(tǒng)籌規(guī)劃法的重要組成部分。它以工序所需的時(shí)間為參數(shù)，用工序之間相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)圖算法求出對(duì)全局性有影響的關(guān)鍵路線(xiàn)及關(guān)鍵工序，從而對(duì)工程的所有工序做出比較切合實(shí)際的安排。對(duì)于比較大的系統(tǒng)計(jì)算量略顯復(fù)雜，得到的方案也只是在時(shí)空關(guān)系上的合理方案。

在關(guān)鍵路線(xiàn)法的運(yùn)算中，經(jīng)過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)圖中各條路線(xiàn)的路長(zhǎng)比較后，找出一條(或若干條)所需工時(shí)最長(zhǎng)的路，這樣的路在工序流線(xiàn)圖上稱(chēng)為關(guān)鍵路線(xiàn)，或稱(chēng)主要矛盾路線(xiàn)。所謂路是指從網(wǎng)絡(luò)圖的始點(diǎn)開(kāi)始順著箭頭所指方向到達(dá)終點(diǎn)的一條有向通路；路長(zhǎng)是指組成這條有向通路的各個(gè)工序所需時(shí)間之和。利用事項(xiàng)最早時(shí)間、事項(xiàng)最遲時(shí)間和工序松弛時(shí)間來(lái)確定其關(guān)鍵路線(xiàn)。

1)工序，為了完成某項(xiàng)工程，在工藝技術(shù)和組織管理上相互獨(dú)立的活動(dòng)稱(chēng)為工序。

2)事項(xiàng)，表示工序的開(kāi)工或完工，它是相鄰工序在時(shí)間上的分界點(diǎn)，用注有編號(hào)的節(jié)點(diǎn)表示。

3)事項(xiàng)最早時(shí)間(tE(i))，它是一個(gè)事項(xiàng)可能的最早開(kāi)工時(shí)間，它等于從始點(diǎn)到本事項(xiàng)的最長(zhǎng)路線(xiàn)上各道工序的工作時(shí)間之和。

4)事項(xiàng)的最遲時(shí)間(tL(i))。一個(gè)事項(xiàng)的發(fā)生若晚于某一時(shí)間，就會(huì)推遲工程的完工時(shí)間，這種時(shí)間就稱(chēng)為事項(xiàng)最遲開(kāi)工時(shí)間。

5)工序松弛時(shí)間(S(i，j))。工序(i，j)的松弛時(shí)間等于事項(xiàng)j的最遲時(shí)間同事項(xiàng)i的最早時(shí)間和工序(i，j)的施工時(shí)間兩者之和的差值。即：

S(i，j)=tL(j)-[tE(i)+te(i，j)]

(5)

式中，te(i，j)為工序(i，j)的施工時(shí)間。

在網(wǎng)絡(luò)圖中所有工序松弛時(shí)間為零的工序組成的有向通路為關(guān)鍵路線(xiàn)。

傳統(tǒng)的工程排隊(duì)法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法在編制礦井生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃上解決了礦井各采區(qū)(或回采工作面)之間的相互接續(xù)關(guān)系，而完成這種生產(chǎn)接續(xù)關(guān)系(即完成某一項(xiàng)工程)需要多長(zhǎng)時(shí)間，以及是否具有更好的接續(xù)方案，工程排隊(duì)法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法都無(wú)法解決。

根據(jù)礦井的生產(chǎn)要求，在生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃的編制過(guò)程中必須貫徹“以采定掘、以掘保采、采掘并舉、掘進(jìn)先行”的原則，因此，在使用網(wǎng)絡(luò)法編制礦井生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，不能單純以時(shí)間參數(shù)最長(zhǎng)的原則來(lái)確定關(guān)鍵路線(xiàn)，而要以回采工作面(或采區(qū))間的接續(xù)路線(xiàn)為關(guān)鍵路線(xiàn)，如果在這條路線(xiàn)中含有除回采生產(chǎn)工序以外的掘進(jìn)工序，就說(shuō)明采掘已失調(diào)，需要對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)掘進(jìn)工作，以縮短工作面(或采區(qū))的準(zhǔn)備時(shí)間[10]。生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃的編制過(guò)程中采用了關(guān)鍵路線(xiàn)法，該方法可從大量的任務(wù)中抽取關(guān)鍵路線(xiàn)，方便技術(shù)人員決策。

2 生產(chǎn)系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

礦井“抽、建、掘、采”智能化接續(xù)系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是空間布局，二是時(shí)間接續(xù)。系統(tǒng)首先需要做空間布局規(guī)劃，在空間布局系統(tǒng)中將所有的基礎(chǔ)信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，空間布局有規(guī)劃區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)和生產(chǎn)區(qū)等，每一個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的任務(wù)，即抽采任務(wù)、掘進(jìn)任務(wù)和采煤任務(wù)等，這些都屬于工藝類(lèi)型，可以進(jìn)行自定義，還可以定義鉆井任務(wù)、工作面安裝任務(wù)等，同時(shí)每一項(xiàng)任務(wù)都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的屬性，公共的屬性有工程量、單位速度與工期等，還可以定義專(zhuān)有屬性，如煤層氣抽采濃度、抽采孔的管徑、抽采所用的設(shè)備等。

空間布局完成后，便可以將這些任務(wù)分別賦給相應(yīng)的作業(yè)隊(duì)組，讓隊(duì)組按照時(shí)間序列依次完成這些任務(wù)。隊(duì)組分為抽采隊(duì)組、掘進(jìn)隊(duì)組、采煤隊(duì)組等，每個(gè)隊(duì)組都要完成特定的任務(wù)，每一項(xiàng)任務(wù)都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的屬性[11，12]。

當(dāng)上述工作全部完成以后，便可以直接輸出施工任務(wù)空間布局橫道圖與報(bào)表，以及隊(duì)組任務(wù)時(shí)間接續(xù)橫道圖與報(bào)表，生產(chǎn)系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程

3 生產(chǎn)系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)研發(fā)

生產(chǎn)系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)采用了C#編程語(yǔ)言，C#是微軟發(fā)布的一種由C和C++衍生出來(lái)的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，是運(yùn)行于.NET Framework和.NET Core之上的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，該編程語(yǔ)言綜合了VB簡(jiǎn)單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，以其強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語(yǔ)法風(fēng)格、創(chuàng)新的語(yǔ)言特性和便捷的面向組件編程的支持，已成為.NET開(kāi)發(fā)的首選語(yǔ)言，更加簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定與安全。

3.1 空間布局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

3.1.1 工藝類(lèi)型定義

空間布局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建過(guò)程中，首先根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)需要構(gòu)建了采煤工藝、掘進(jìn)工藝、煤層氣抽采工藝及設(shè)備安裝工藝等工藝類(lèi)型管理平臺(tái)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意工藝類(lèi)型的定制。工藝類(lèi)型對(duì)應(yīng)著各種不同類(lèi)型的參數(shù)，如文本、數(shù)值、選項(xiàng)等，同時(shí)可以自定義計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)數(shù)值的自動(dòng)計(jì)算。巷道掘進(jìn)工藝對(duì)應(yīng)的文本參數(shù)有巷道名稱(chēng)、備注等，數(shù)值類(lèi)型有巷道寬度、高度、總工程量、月工程量、日工程量、掘進(jìn)煤量等，選項(xiàng)參數(shù)有掘進(jìn)工藝、煤巖性質(zhì)、支護(hù)方式等[13，14]。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中包含如地面鉆井信息、煤層氣抽采信息、巷道掘進(jìn)信息、工作面回采信息等，各工程任務(wù)及施工隊(duì)組細(xì)分呈現(xiàn)，創(chuàng)新性地采用了大綱設(shè)計(jì)模式，有助于將項(xiàng)目分成明確的階段，使得任務(wù)列表易于閱讀，大綱任務(wù)列表顯示的摘要任務(wù)和子任務(wù)以樹(shù)結(jié)構(gòu)的形式呈現(xiàn)。當(dāng)子任務(wù)的信息變化時(shí)軟件將計(jì)算并更新摘要任務(wù)的信息。

3.2 工程任務(wù)時(shí)間接續(xù)分配

待空間布局任務(wù)分配完成后，接下來(lái)可按照各個(gè)隊(duì)組的施工條件，把各項(xiàng)任務(wù)分配給隊(duì)組，其中工期、施工時(shí)間會(huì)自動(dòng)計(jì)算得出，方便施工任務(wù)在隊(duì)組之間進(jìn)行調(diào)整。

3.3 橫道圖的同步繪制

橫道圖用于直觀顯示工程任務(wù)的進(jìn)度，橫道圖工程任務(wù)與編輯區(qū)工程任務(wù)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。各任務(wù)分配完成后可同步繪制施工進(jìn)度橫道圖，便于工程技術(shù)人員隨時(shí)檢查各工程任務(wù)的相互約束關(guān)系正確與否，如圖2所示[15-17]。

圖2 時(shí)間接續(xù)關(guān)系橫道圖

3.4 報(bào)表的同步構(gòu)建

工程計(jì)劃編排的另一個(gè)需要就是輸出工程明細(xì)報(bào)表，它是任務(wù)工程量的進(jìn)一步細(xì)化，工程明細(xì)報(bào)表根據(jù)工程任務(wù)的編排過(guò)程實(shí)時(shí)更新。工程量明細(xì)報(bào)表是直接反映工程任務(wù)分配狀況的一種形式，它以明細(xì)表的方式直觀地顯示工程日工程量、周工程量、月工程量、季度工程量、半年以及年度工程量。工程任務(wù)的調(diào)整所帶來(lái)的工程量分配的變化由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)算，工程明細(xì)報(bào)表隨著數(shù)據(jù)的變化而實(shí)時(shí)計(jì)算更新，工程技術(shù)人員無(wú)需再進(jìn)行工程明細(xì)的重復(fù)計(jì)算，只需把精力投入在工程任務(wù)的調(diào)整中[18-20]。

3.5 進(jìn)度跟蹤與調(diào)整

本系統(tǒng)中還集成了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能，包括施工隊(duì)伍監(jiān)測(cè)、接續(xù)關(guān)系監(jiān)測(cè)、空間關(guān)系監(jiān)測(cè)和關(guān)鍵路線(xiàn)監(jiān)測(cè)，施工隊(duì)伍監(jiān)測(cè)用于監(jiān)測(cè)施工隊(duì)伍的空閑與交錯(cuò)情況；接續(xù)關(guān)系監(jiān)測(cè)用于監(jiān)測(cè)三種類(lèi)型的工程接續(xù)信息，包括在某段時(shí)間范圍內(nèi)接續(xù)松弛的任務(wù)、接續(xù)緊張的任務(wù)以及接續(xù)不上的任務(wù)；空間關(guān)系監(jiān)測(cè)用于對(duì)不合理空間關(guān)系的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；關(guān)鍵路線(xiàn)提供三種類(lèi)型的關(guān)鍵路線(xiàn)查看方式，包括指定時(shí)間范圍、指定結(jié)束任務(wù)和指定結(jié)束工程量查看關(guān)鍵路線(xiàn)。當(dāng)各任務(wù)之間發(fā)生時(shí)間沖突、空間沖突、接續(xù)松弛、接續(xù)緊張、施工空閑、施工交錯(cuò)等沖突時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)報(bào)警提示，為工程技術(shù)人員修改接續(xù)系統(tǒng)提供量化的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)“抽、建、掘、采”各系統(tǒng)接續(xù)關(guān)系的量化分析與數(shù)據(jù)庫(kù)建立，掌握了礦井生產(chǎn)系統(tǒng)布局與接續(xù)時(shí)空關(guān)系，形成了礦井生產(chǎn)系統(tǒng)接續(xù)優(yōu)化技術(shù)并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的智能化軟件系統(tǒng)，指導(dǎo)了煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)模式及技術(shù)的優(yōu)化集成應(yīng)用。

2)依據(jù)煤與煤層氣協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)時(shí)空銜接關(guān)系，將傳統(tǒng)的、經(jīng)驗(yàn)的、人工的礦井“抽、建、掘、采”生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法向信息化、智能化方向發(fā)展，創(chuàng)新性地將孤立靜態(tài)的接續(xù)變革為全礦井“抽、建、掘、采”四大系統(tǒng)的全面動(dòng)態(tài)接續(xù)，有機(jī)地融合于同一套開(kāi)放的處理平臺(tái)，由人工編制變革為信息化自動(dòng)編制，統(tǒng)籌安排煤層氣抽采、建井、掘進(jìn)、采煤各子系統(tǒng)，使其空間上合理布局，時(shí)間上有序接續(xù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)接續(xù)的動(dòng)態(tài)跟蹤與精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，生產(chǎn)系統(tǒng)接續(xù)計(jì)劃的編制與動(dòng)態(tài)調(diào)整效率大幅度提高，也為礦井材料消耗計(jì)劃與資金計(jì)劃的編制提供了量化依據(jù)，助力煤與煤層氣一體化協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐，提升了礦井生產(chǎn)信息化、智能化水平。