采矿系统工程在采区设计方案优化中应用探讨
【摘 要】采矿系统是一个复杂的动态系统，采矿系统是一个多目标、多因素、多变量的、随机性因素影响很强的、生产对象和作业环境变化很大的、多种技术互相作用下的复杂的动态系统。对于如此复杂的动态系统，运用采矿系统工程中的优化理论和技术方法，来进行采区设计优化，能收到十分明显的效果，为采区设计优化开拓了广阔的前景， 摒弃了人工经验判断进行方案选择的局限性，进而使用电子计算机在多达几十个待选可行方案中进行优化，更加科学化、规范化、系统化、现代化。
【关键词】采矿系统；新兴科学；基本原理；技术
1前言
1.1系统工程研究的目的
系统工程是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统的工程技术。根据总体协调的需要，综合应用自然科学和社会科学中的有关思想、理论和方法，利用电子计算机作为工具，对系统的结构、要素、信息和反馈进行分析，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最优控制的目的。
1.2系统工程研究的对象
系统工程研究的对象往往是复杂的大系统乃至巨系统。系统的复杂性体现在：A、构成系统的要素本身往往就是一个系统或子系统，从而体现了系统的多层次性；B、系统涉及的因素往往是多维的（时间维、逻辑维、知识维）；C、系统是由不同质的要素集合而成的；D、系统可以是包含人在内的人―机系统。
2采矿系统工程
采矿系统工程是根据采矿工程内在规律和基本原理，以系统论和现代数学方法研究和解决采矿工程综合优化问题。把具有先进科学技术含量的系统工程学与传统的单一的采矿工程学相结合，形成采矿系统工程学，这是近些年来采矿工作者潜心研究形成的一门新兴学科。
2.1采矿系统工程能够迅速得到重视和应用的原因
2.1.1整体性。采矿工程涉及面广、作业点分散、影响因素多，需要从总体上进行全面协调，而这正是系统工程的特长。以往的采矿工程，往往侧重于单个作业或环节，运用系统工程，使人们科学地从总体上整合采矿问题，在矿山规划、设计和评估中表现尤为突出。
2.1.2边缘性。采矿工程涉及许多学科，过去有脱节的现象。通过系统工程，人们研究学科之间的相互渗透和交叉，出现安全系统工程、边坡系统工程、地质统计学、系统模拟技术、人工智能技术、虚拟现实技术等边缘学科。
2.1.3先进性。采矿工程是一门古老的技术，常常依赖于经验判断而不是精密计算。通过采矿系统工程引入各种现代数理统计数据、管理信息系统以及计算机技术，可以将许多定性分析转化为定量决策，大大提高了采矿工程的科学性。
2.2采矿系统工程具有的特点。采矿系统工程在处理问题时，要考虑采矿工业受外界影响因素多的特点。因此，多目标决策、模糊决策、人工智能、计算机辅助设计等系统工程技术在矿业界的应用就显得十分重要。
2.3采矿系统工程的应用范围。目前国内外用系统工程方法研究采矿工程问题，已涉及相当广泛的领域，从矿床估值与评价，到采矿生产过程的优化管理与控制，都有可观的研究成果出现。（1）矿床赋存条件的分析与评价：如矿床模型的建立，矿床资源条件评价等。（2）矿山开采设计规划：如矿山开采方法，开采工艺及设备选型，矿井及露天矿开采境界的圈定，矿山生产能力及边界品位的优化，矿井及采区设计，露天矿长远设计，矿山短期生产计划，矿区发展规划等。（3）矿山建设及项目评价：如新建或改扩建矿山投资项目的评价，矿井或露天矿建设过程的优化等。（4）矿山生产工艺系统：如采矿工作面生产状况分析，矿山采运系统分析，露天矿卡车运输调度系统，矿井通风排水系统，矿山生产系统可靠性，矿山生产监控系统等。（5）矿山压力及边坡稳定：如采场矿压及其控制，回采巷道布置与支护，露天矿边坡稳定分析等。（6）其它方面：如爆破工程，疏干排水工程，矿区环境工程研究等，属近年开拓的研究领域。
3采矿系统工程在采区设计方案优化中的应用
3.1采区方案设计。采区设计通常分为二个阶段进行，即确定采区主要技术特征的采区方案设计和根据批准的方案设计而进行的采区单位工程施工图设计。采区方案设计除了需要阐述采区范围、地质条件、煤层赋存情况、采区生产能力、采区储量及服务年限等基本情况外，应着重论证和确定以下问题：采准巷道的布置方式及生产系统、采煤方法选择、采掘工作面的工艺装备、采区参数、采区机电设备的选型与布置、安全技术措施等。
3.2方案优化。采矿工程专业毕业设计中所要进行的矿井采区设计，采用采矿系统工程理论与技术来进行，克服以往人工方案比较的局限性。人工进行采区设计方案比较一般只有2～3个方案，最多5～6个方案，且依赖少数专家经验判断进行决策，而采用采矿系统工程理论与技术方法来进行方案比较，由于采用了技术经济数学模型和电子计算机运算，所提出的设计方案经过数理组合可以达到十多个，甚至几十个，从而使选优的范围更加广泛，计算更加精确，方案优化更加科学性，摆脱了经验判断的局限性。采用采矿系统工程理论与技术方法来进行方案比较，最大的特点：A：能根据给定的优化原则在诸多可行方案中选取出最优方案，且运行速度快，经济、合理、可靠。B：改经验判断为精密计算来进行方案比较，通过采矿系统工程引入各种现代数学模型和计算机运算，可以将许多定性分析转化为定量决策，大大提高了采矿工程的科学性。采区设计方案优化的目的：就是在各种可供选择的定性方案和定量参数中选取最优方案和参数。
3.3优化内容。采区优化设计内容包括两个方面：一是选择采煤方法、采区机械设备；二是确定采区巷道布置系统及其主要参数。巷道布置系统一经确定，并进行施工投入生产后，在采区整个生产期间内基本上不能改变，它是采区设计优劣的主要标志。利用采矿系统工程进行采区优化设计的重点是解决采区巷道布置方案及其主要参数的选择。
3.4优化方法。优化所采用的主要方法有：线性规划、整数规划、非线性规划、动态规划、图论及网络分析、决策论、对策论、系统模拟、人工智能学、计算机辅助设计等。
3.5优化参数。采区优化设计的主要参数：采区类型、采准巷道的数目和位置、联络巷道形式、采区走向和倾斜长度、采煤工作面长度和区段数目、同时生产的工作面数目和采区生产能力等。
3.6优化思路。采区优化设计的思路：根据给定的采区煤层赋存条件、费用单价指标和优化内容，在多种技术上可行的巷道布置方案中选取最优方案。对某一种采区巷道布置方案选取一组最佳参数，同时选取采区巷道布置及其参数组合中的最优方案。
3.7优化步骤。采区优化设计的步骤：①确定优化准则，采用单指标或多指标。②编制技术经济数学模型。③确定技术上可行的方案，或根据煤层条件在可供选择的方案集合中初选技术上可行的方案。④确定进行优化的主要参数和各项参数取值的上下限、间隔数值。⑤搜集基础数据。⑥上机运行输出优化结果。⑦对优化结果进行检查和加工整理。
结束语
采矿系统工作作为新进发展综合性学科，但是我们国家的经济处于迅猛的增长阶段，需要有大量的能源与矿产来作为保证，这样就给采矿工程提供了良好的发展前景。同时辅之以全球化的良机和各种新兴技术的推广，就必定能够在这一行业创出一片新的天地。期望对我国金属矿产资源的开发利用产生积极的推动作用。
参考文献：
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