惠慶祝

(七臺河市桃山區(qū)煤炭生產(chǎn)安全監(jiān)察管理局，黑龍江 七臺河 154600)

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煤礦礦井設(shè)計及采區(qū)優(yōu)化

惠慶祝

(七臺河市桃山區(qū)煤炭生產(chǎn)安全監(jiān)察管理局，黑龍江 七臺河 154600)

本文主要闡述了礦井設(shè)計方案優(yōu)化的內(nèi)容、準則和方法，研究了優(yōu)化模型存在的問題與改進途徑，提出了優(yōu)化模型的總體結(jié)構(gòu)、礦井設(shè)計優(yōu)化的子系統(tǒng)模型。

礦井設(shè)計；采區(qū)優(yōu)化；系統(tǒng)模型

1 礦井設(shè)計優(yōu)化

1.1 近水平煤層礦井設(shè)計方案優(yōu)化

開采近水平煤層礦井開拓系統(tǒng)方案，與開采煤層傾角較大的礦井相比，有如下特點:a.井田邊界和形狀不規(guī)則。有的可能大致成長方形，多數(shù)井田呈不規(guī)則的多邊形。b.水平劃分和大巷位置的不確定性。多數(shù)礦井不按煤層等高線來劃分開采水平，而是按條件布置，有的由于煤層數(shù)目多，根據(jù)煤層分組布置大巷；有的由于傾斜長度大而劃分不同水平開采，多數(shù)不超過兩個水平；大巷的方位不一定按煤層走向方向，幾條大巷不一定近乎平行，有的甚至呈放射狀布置。c.采區(qū)巷道布置和采區(qū)劃分比較靈活。為了編制出具有較大通用性的近水平煤層礦井開拓方案的整體優(yōu)化模型和程序，使之能概括近水平煤層絕大部分礦井的開拓方案，適用于同類礦井的設(shè)計優(yōu)化，需要提出一個典型的開拓方案結(jié)構(gòu)模型。為此，提出如圖1所示的典型開拓系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)。

圖1 近水平煤層礦井典型開拓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of typical open system in near-level coal seam

1.2 緩斜煤層礦井設(shè)計方案優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)

傾角大致在10°～35°的緩斜煤層，礦井井田形態(tài)和形狀比較規(guī)則，開拓巷道的布置有一定規(guī)律。礦井設(shè)計整體優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)可以按圖2的形式構(gòu)造。

圖2 緩斜煤層礦井典型開拓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of typical open system in gently inclined coal mine

按整體模型綜合優(yōu)化的內(nèi)容，在給定的井田范圍內(nèi)，有可能出現(xiàn)的井型和開拓系統(tǒng)方案，就其主要技術(shù)決定內(nèi)容可分作7個層次，相互組合形成各種不同的開拓方案。

1.3 礦井設(shè)計優(yōu)化的子系統(tǒng)模型

在以確定礦井生產(chǎn)能力和開拓系統(tǒng)為主體的礦井設(shè)計整體優(yōu)化模型中，所要計算的內(nèi)容包括礦井的全部生產(chǎn)系統(tǒng)。在編制經(jīng)濟數(shù)學(xué)模型中，分成若干個子系統(tǒng)，分別編制相應(yīng)的各部分模型，然后按子系統(tǒng)模型得出的結(jié)果匯總后，進行不同方案的綜合評價和優(yōu)化。近水平煤層和緩斜煤層礦井設(shè)計整體優(yōu)化模型的子系統(tǒng)模型組成內(nèi)容、功能和所采用的部分內(nèi)容優(yōu)化與計算方法基本上相同，只有少量的變動和改進。提升、運輸、通風、排水方式和設(shè)備的選擇等子系統(tǒng)模型本身的內(nèi)容較多，有的基本上可作為單獨的優(yōu)化模型使用。

1.4 優(yōu)化模型存在的問題與改進途徑

第一，優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)。整體優(yōu)化模型雖然能夠?qū)ΦV井生產(chǎn)能力和各種開拓系統(tǒng)方案進行綜合優(yōu)化，充分反映開拓系統(tǒng)各項組成部分之間的相互影響，但所得出的結(jié)果與目前礦井設(shè)計表述形式的需要不完全一致。需要在整體優(yōu)化模型中有相對獨立的分項(分系統(tǒng))優(yōu)化模型或構(gòu)造單項優(yōu)化模型，使之既有各自的獨到功能，又能兼顧到相互之間的影響和作用，即力求優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)達到合中有分、分中有合的功能和效果。第二，投資和費用的計算。礦井設(shè)計方案優(yōu)化中的重點和難點是編制適應(yīng)評價指標需要的經(jīng)濟數(shù)學(xué)模型。投資和費用計算中存在的最大問題是將費用單價和取值完全融入各子系統(tǒng)內(nèi)部，難以適應(yīng)物價隨時間變動所需要單價和取值的相應(yīng)更改變動。改進途徑是將工程量、工作量計算與費用計算完全分離，優(yōu)化模型以技術(shù)決策和工程量計算為主體，投資和費用計算配以概算模型和程序。第三，優(yōu)化與模擬的結(jié)合。如果能夠把優(yōu)化和模擬兩種模型結(jié)合起來，或在部分子系統(tǒng)模型中結(jié)合一起應(yīng)用，會取得更好的效果。第四，應(yīng)用軟件的開發(fā)。鑒于礦井設(shè)計方案優(yōu)化的意義和經(jīng)濟效果，目前，優(yōu)化模型的編制已經(jīng)起步，計算機功能大幅度提高并已普及應(yīng)用，要以應(yīng)用軟件作為開發(fā)目標，研制礦井設(shè)計方案優(yōu)化模型。

2 采區(qū)設(shè)計優(yōu)化

2.1 采區(qū)設(shè)計優(yōu)化的內(nèi)容和方法

第一，優(yōu)化內(nèi)容。采煤方法和采區(qū)機械裝備的選擇，可納入采區(qū)設(shè)計優(yōu)化范圍內(nèi)，也可單獨優(yōu)化后，進入采區(qū)設(shè)計優(yōu)化模型，使采區(qū)設(shè)計優(yōu)化，解決采區(qū)巷道布置方案及其主要參數(shù)選擇的問題。第二，優(yōu)化步驟。a.確定優(yōu)化準則，采用單指標或多指標。b.編制專用或通用的技術(shù)經(jīng)濟數(shù)學(xué)模型，或利用已有模型。c.編制專用模型時確定技術(shù)上可行的巷道布置方案。d.確定進行優(yōu)化的主要參數(shù)和各項參數(shù)取值的上下界、間隔數(shù)值。e.上機運行，輸出優(yōu)化結(jié)果。第三，優(yōu)化方法與評價指標。最優(yōu)化準則取多項評價指標時，提出指標。

2.2 計算機程序的編制

第一，定性方案的編號和代碼。作為通用的優(yōu)化模型和計算機程序，要求對所有可供選擇的方案都適用。為進行具體條件下的采區(qū)設(shè)計方案優(yōu)化，便于對所要進行比較的方案靈活地使用計算機程序，以及簡化程序語言和結(jié)構(gòu)，對不同巷道布置方案加以編號。第二，走向長壁采區(qū)設(shè)計優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)。第三，各類采區(qū)設(shè)計優(yōu)化的通用程序。第四，運算結(jié)果的輸出。

2.3 應(yīng)用中的啟示

第一，應(yīng)用采區(qū)設(shè)計優(yōu)化模型，通過對大量不同方案和參數(shù)的比較，能夠得出噸煤費用最低或較低的方案，包括從不同巷道布置方案中選出費用最低的方案和同一采區(qū)巷道布置方案中選取主要參數(shù)最優(yōu)的方案。第二，優(yōu)化模型得出的是綜合最優(yōu)化結(jié)果，參數(shù)的合理值更為科學(xué)。第三，優(yōu)化模型應(yīng)用的一些實例表明，不同巷道布置方案的優(yōu)劣主要取決于費用單價，尤其是巷道掘進費和維護費單價。第四，進行采區(qū)設(shè)計優(yōu)化具有明顯的經(jīng)濟效果。第五，當井田走向長度一定，要求采區(qū)走向長度適應(yīng)在其中劃分為整數(shù)個采區(qū)時，這個采區(qū)優(yōu)化模型可作為子模型用于采區(qū)劃分方案的優(yōu)選。第六，計算機程序還僅限于輸出數(shù)值計算結(jié)果，應(yīng)改善使之具有分析判斷功能，直接輸出所需要的圖形和分析結(jié)果。

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Coal mine design and optimization of mining area

HUI Qing-zhu

(Qitaihe Coal Production Safety Supervision Administration in Taoshan District, Qitaihe 154600, China)

This paper elaborates contents, criteria and methods of mine design optimization, studies existing problems and improvement ways of optimization model, and puts forward overall structure of optimization model and subsystem model of mine design optimization.

Mine design; Optimization of mining area; System model

2017-02-18

惠慶祝(1981-)，男，工程師。

TD21

B

1674-8646(2017)08-0138-02