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【摘 要】我国矿山采矿设计的方法以前都是沿用原苏联的模式, 存在的问题较多, 随着社会主义市场经济的确立, 设计工作和思想观念上都有所变革, 有所突破, 特别是近10 多年来, 矿山设计、科研、生产三结合, 依靠科技进步, 对加速矿山建设与生产发展做出了很大的贡献。
【关键词】采区优化；矿井设计；巷道布置；系统工程
中图分类号：S611文献标识码： A
我国坚持改革开放30年来, 大力发展社会主义市场经济,国民经济迅猛发展,尤其近几年,GDP已连续4年超过10%。随着社会经济的快速发展, 煤矿资源消耗量不断增加,资源保有量下降,致使其价值突显,社会游资迅速涌向矿产资源开发领域,推动了有煤矿行业的发展。煤矿开采设计单位必须贯彻国家的方针和政策以及煤矿安全规程，详细分析研究地质资料，提高设计质量，使设计的矿井达到技术先进符合矿情，还要缩短建设时间、节省投资，使采煤生产能取得较大的技术经济效果。合理的设计周期是提高设计质量的保证，各个设计阶段都有一定的时间要求，若设计周期过紧，就可能使设计考虑不周，导致设计返工或给矿井生产带来隐患，不能保证正常的安全生产。
矿山企业设计、建设所具的复杂性、多变性、周期性是采掘工业自身所决定的。特别是地下矿山更是显得突出。矿石这种资源埋藏于地下, 其赋存条件千差万别, 其数量多少不等, 且开采耗竭后不可能再生。矿山生产条件是随着时间、空间的变化而变化。矿山不论大小, 构成生产的采掘系统都极为复杂, 作业立体化, 空间不断演变, 并且地下作业场地非常狭窄, 为了创业作业空间, 必须进行大量的采准切割工程, 随着回采, 大量的采切工程逐渐消失, 新的工程必须不断补充。相当多的矿产资源埋藏很深, 不可能通过一次设计、建设将资源全部采出, 需要分期设计、分期投资、分期建设逐步完成。因此一次设计、建设所形成的矿山生产能力不是永存的, 这就是矿山企业与一般企业不同之处。此外, 矿山企业征地与工厂企业不一样, 工厂一般一次性征地后, 如无扩建任务, 不再需要征地, 而矿山则要随生产年限的延长而不断征用土地。多数矿山位于山区乡村, 工农关系问题的处理也至关重要。充分认识矿山自身的特点, 是做好矿山设计的前提。
1.采矿系统工程所具有的特点
1.1与信息科学有很大联系
采矿系统工程与信息科学的每一步发展都有着紧密的联系。在二十世纪晚期，找矿专家系统便伴随着人类对专家系统的研究而出现。在RS（遥感系统），GPS（全球卫星定位系统）和GIS（地理信息系统）这三个S在科技上发挥作用后随即便应用到了矿业上。矿业上运用到的各种软件也是伴随着计算机技术的发展而不断进步。
1.2计算机科学与现代数学在矿业上的应用
现代的采矿系统工程中运用到的基础学科和技术主要有以下几项：①应用数学下面的分支学科，例如：灰色系统理论，可靠性理论等；[1]②与运筹学相关的学科，例如：目标规划，排队论，决策论，线性规划等；③与计算机科学有紧密联系的相关学科，例如：计算机辅助设计，人工智能学等。
1.3密切联系采矿工程的需要和特点
在解决采矿工程中遇到的问题时要充分考虑到采矿工业所受到的外界影响较大的特性。因此矿业中涉及到的系统工程技术，例如：计算机辅助设计，多目标决策等，对矿业的发展有及其重要的意义。
2.采矿系统工程所应用的范围
当前，国内外对系统工程在采矿业的研究已经从单纯的矿床评价与估值发展到采矿过程中的优化控制与管理，研究范围已经非常之大，研究结果也比较可观。
⑴对开采进行科学的规划和有效设计，例如：开采矿山的具体方法，对开采过程需要用到的工艺和设备进行选择，划定矿井的开采边界，优化矿山边界品位与生产能力的，露天矿井的设计，矿井与采区的设计，短时间内矿山的生产计划，对矿山的发展等。
⑵对矿床条件的评价和分析，例如：对矿床所依存资源的评价，建立矿床模型等。[2]
⑶矿山边坡和压力的稳定，例如：对露天矿周围的边界稳定性研究，采场的矿压和稳定控制，回采巷道的布置和支护。
⑷对矿山的建设和项目评价，例如：对露天矿和普通矿井的建设过程优化，对新建和重建的矿山项目的评价等。
⑸生产工艺系统，例如：矿山开采完成后运输系统的分析，矿井内部的通风排水系统，生产过程中的监督系统，采矿过程的生产分析，矿山的生产系统的稳定性等。
⑹研究领域中的其他方面，例如：疏水排水工程，爆破工程，矿区中的环境工程等是近年来新增加的研究范围。
3.采区的类型和采区的设计内容
3.1采区的类型
在采矿系统工程中对采区的优化设计要依据矿井周边的环境来设计方案。采区中巷道主要有以下几种布置类型：跨越式，走向长壁开采，倾斜长壁开采。
对于采区巷道的基本布置类型有两种，分别是走向长壁开采和倾斜长壁开采。这两种类型也是跨越式回采的基础，把跨越式回采作为一种类型是为了研究其适用性。所以也可以把跨越式回采表达成走向长壁开采或者倾斜长壁开采巷道布置类型中的一个分析。
3.2采区的主要设计内容
采区中的煤层厚度和设计过程中所需费用的评估是对采区进行优化设计的第一项任务。然后依据采区的具体条件来选择参数和设计巷道具体的形式。同时采用相关技术对采区进行优化设计，最终选择出最适合的参数和巷道布形式，最大化地满足采矿系统工程的要求。
4.采区优化设计
4.1采区优化设计的主要内容
从技术的层面出发，根据采区的具体情况来布置巷道的形式和参数的选取，使得最后的开采能力达到最大，保证采矿系统工程的顺利进行。[3]
对采区进行优化的过程为：选定优化原则，多指标和单指标编制数学模型；依据采区中的煤层厚度，在可行的方案的基础之上采用最佳的巷道布置形式；选取对参数进行优化时参数的取值区间，包括上界和下界。对优化需要的数据进行收集和整理并存入计算机中；利用计算机进行操作，计算出优化的结果；对优化的结果进行客观分析，当出现反常情况时，对存入计算机的数据进行检查，直至计算机输出的优化结果最佳时停止。
4.2对技术可行的方案进行初步选择
为了最大化地扩大采区优化模型的应用区间及其适应性，应当全面考虑会出现的所有状况，在实际操作过程中，对于给出了一些可行的设计方案时，应当需要结合采区的具体情况来分析选择出最合适的方案。
4.2.1倾斜长壁和走向长壁式开采
就当前回采工作面中所用到的机器和技术条件来说，倾斜长壁开采只能适应以下两种煤层：倾斜断层多或者地质的构造不复杂的煤层，煤层倾角比15°小。所以当煤层不属于上面那两种是可以抛弃倾斜长壁的开采方式。
4.2.2采区与工作面生产能力的上限
技术上能够选用的上限应当选取为采区生与工作面 中所有环节中生产能力最大时的最小值。[4]当选用综合机械化来开采时，回采工作面的生产能力主要由通风能力控制。一般情况下高沼气矿井的上限为3000t/d，低沼气矿井的上限是4000t/d；普通开采时主要的限制因素是支架的速度，高档普采时最高为3000t/d或者采用采区联合布置的方式。
当煤层数多于2时，所增加的巷道掘进资金相对于巷道的维护所需资金的大小决定了是否采用联合方式来布置区段集中平巷，采区下山或者上山。这能通过简易的计算后决定取舍。
4.2.3双翼和单翼采区
双翼采区能够服务的时间比较久，采区走向的长度也比较大，因此能够布置的工作面比较多，对采区和工作面的正常接替有益。采区石门，下山或者上山、车场的挖掘工程量相对比较少，上山煤柱的损失不是那么大。因此在不考虑一些特殊条件或者自然条件的前提下一般不选用单翼采区。
【参考文献】
[1]谢凯等.基于小生境遗传算法的走向长壁采区优化设计[J].煤矿机电，2004，5.
[2]謝洪彬.童亭矿跨越软岩巷道矿压显现及支护实践[J].煤炭科学技术，2005，1.
[3]张幼蒂，王玉浚.采矿系统工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.
[4]李安光等.倾斜长壁与走向长壁开采工艺可靠性分析[J].煤炭技术，2001，4.
【关键词】采区优化；矿井设计；巷道布置；系统工程
中图分类号：S611文献标识码： A
我国坚持改革开放30年来, 大力发展社会主义市场经济,国民经济迅猛发展,尤其近几年,GDP已连续4年超过10%。随着社会经济的快速发展, 煤矿资源消耗量不断增加,资源保有量下降,致使其价值突显,社会游资迅速涌向矿产资源开发领域,推动了有煤矿行业的发展。煤矿开采设计单位必须贯彻国家的方针和政策以及煤矿安全规程，详细分析研究地质资料，提高设计质量，使设计的矿井达到技术先进符合矿情，还要缩短建设时间、节省投资，使采煤生产能取得较大的技术经济效果。合理的设计周期是提高设计质量的保证，各个设计阶段都有一定的时间要求，若设计周期过紧，就可能使设计考虑不周，导致设计返工或给矿井生产带来隐患，不能保证正常的安全生产。
矿山企业设计、建设所具的复杂性、多变性、周期性是采掘工业自身所决定的。特别是地下矿山更是显得突出。矿石这种资源埋藏于地下, 其赋存条件千差万别, 其数量多少不等, 且开采耗竭后不可能再生。矿山生产条件是随着时间、空间的变化而变化。矿山不论大小, 构成生产的采掘系统都极为复杂, 作业立体化, 空间不断演变, 并且地下作业场地非常狭窄, 为了创业作业空间, 必须进行大量的采准切割工程, 随着回采, 大量的采切工程逐渐消失, 新的工程必须不断补充。相当多的矿产资源埋藏很深, 不可能通过一次设计、建设将资源全部采出, 需要分期设计、分期投资、分期建设逐步完成。因此一次设计、建设所形成的矿山生产能力不是永存的, 这就是矿山企业与一般企业不同之处。此外, 矿山企业征地与工厂企业不一样, 工厂一般一次性征地后, 如无扩建任务, 不再需要征地, 而矿山则要随生产年限的延长而不断征用土地。多数矿山位于山区乡村, 工农关系问题的处理也至关重要。充分认识矿山自身的特点, 是做好矿山设计的前提。
1.采矿系统工程所具有的特点
1.1与信息科学有很大联系
采矿系统工程与信息科学的每一步发展都有着紧密的联系。在二十世纪晚期，找矿专家系统便伴随着人类对专家系统的研究而出现。在RS（遥感系统），GPS（全球卫星定位系统）和GIS（地理信息系统）这三个S在科技上发挥作用后随即便应用到了矿业上。矿业上运用到的各种软件也是伴随着计算机技术的发展而不断进步。
1.2计算机科学与现代数学在矿业上的应用
现代的采矿系统工程中运用到的基础学科和技术主要有以下几项：①应用数学下面的分支学科，例如：灰色系统理论，可靠性理论等；[1]②与运筹学相关的学科，例如：目标规划，排队论，决策论，线性规划等；③与计算机科学有紧密联系的相关学科，例如：计算机辅助设计，人工智能学等。
1.3密切联系采矿工程的需要和特点
在解决采矿工程中遇到的问题时要充分考虑到采矿工业所受到的外界影响较大的特性。因此矿业中涉及到的系统工程技术，例如：计算机辅助设计，多目标决策等，对矿业的发展有及其重要的意义。
2.采矿系统工程所应用的范围
当前，国内外对系统工程在采矿业的研究已经从单纯的矿床评价与估值发展到采矿过程中的优化控制与管理，研究范围已经非常之大，研究结果也比较可观。
⑴对开采进行科学的规划和有效设计，例如：开采矿山的具体方法，对开采过程需要用到的工艺和设备进行选择，划定矿井的开采边界，优化矿山边界品位与生产能力的，露天矿井的设计，矿井与采区的设计，短时间内矿山的生产计划，对矿山的发展等。
⑵对矿床条件的评价和分析，例如：对矿床所依存资源的评价，建立矿床模型等。[2]
⑶矿山边坡和压力的稳定，例如：对露天矿周围的边界稳定性研究，采场的矿压和稳定控制，回采巷道的布置和支护。
⑷对矿山的建设和项目评价，例如：对露天矿和普通矿井的建设过程优化，对新建和重建的矿山项目的评价等。
⑸生产工艺系统，例如：矿山开采完成后运输系统的分析，矿井内部的通风排水系统，生产过程中的监督系统，采矿过程的生产分析，矿山的生产系统的稳定性等。
⑹研究领域中的其他方面，例如：疏水排水工程，爆破工程，矿区中的环境工程等是近年来新增加的研究范围。
3.采区的类型和采区的设计内容
3.1采区的类型
在采矿系统工程中对采区的优化设计要依据矿井周边的环境来设计方案。采区中巷道主要有以下几种布置类型：跨越式，走向长壁开采，倾斜长壁开采。
对于采区巷道的基本布置类型有两种，分别是走向长壁开采和倾斜长壁开采。这两种类型也是跨越式回采的基础，把跨越式回采作为一种类型是为了研究其适用性。所以也可以把跨越式回采表达成走向长壁开采或者倾斜长壁开采巷道布置类型中的一个分析。
3.2采区的主要设计内容
采区中的煤层厚度和设计过程中所需费用的评估是对采区进行优化设计的第一项任务。然后依据采区的具体条件来选择参数和设计巷道具体的形式。同时采用相关技术对采区进行优化设计，最终选择出最适合的参数和巷道布形式，最大化地满足采矿系统工程的要求。
4.采区优化设计
4.1采区优化设计的主要内容
从技术的层面出发，根据采区的具体情况来布置巷道的形式和参数的选取，使得最后的开采能力达到最大，保证采矿系统工程的顺利进行。[3]
对采区进行优化的过程为：选定优化原则，多指标和单指标编制数学模型；依据采区中的煤层厚度，在可行的方案的基础之上采用最佳的巷道布置形式；选取对参数进行优化时参数的取值区间，包括上界和下界。对优化需要的数据进行收集和整理并存入计算机中；利用计算机进行操作，计算出优化的结果；对优化的结果进行客观分析，当出现反常情况时，对存入计算机的数据进行检查，直至计算机输出的优化结果最佳时停止。
4.2对技术可行的方案进行初步选择
为了最大化地扩大采区优化模型的应用区间及其适应性，应当全面考虑会出现的所有状况，在实际操作过程中，对于给出了一些可行的设计方案时，应当需要结合采区的具体情况来分析选择出最合适的方案。
4.2.1倾斜长壁和走向长壁式开采
就当前回采工作面中所用到的机器和技术条件来说，倾斜长壁开采只能适应以下两种煤层：倾斜断层多或者地质的构造不复杂的煤层，煤层倾角比15°小。所以当煤层不属于上面那两种是可以抛弃倾斜长壁的开采方式。
4.2.2采区与工作面生产能力的上限
技术上能够选用的上限应当选取为采区生与工作面 中所有环节中生产能力最大时的最小值。[4]当选用综合机械化来开采时，回采工作面的生产能力主要由通风能力控制。一般情况下高沼气矿井的上限为3000t/d，低沼气矿井的上限是4000t/d；普通开采时主要的限制因素是支架的速度，高档普采时最高为3000t/d或者采用采区联合布置的方式。
当煤层数多于2时，所增加的巷道掘进资金相对于巷道的维护所需资金的大小决定了是否采用联合方式来布置区段集中平巷，采区下山或者上山。这能通过简易的计算后决定取舍。
4.2.3双翼和单翼采区
双翼采区能够服务的时间比较久，采区走向的长度也比较大，因此能够布置的工作面比较多，对采区和工作面的正常接替有益。采区石门，下山或者上山、车场的挖掘工程量相对比较少，上山煤柱的损失不是那么大。因此在不考虑一些特殊条件或者自然条件的前提下一般不选用单翼采区。
【参考文献】
[1]谢凯等.基于小生境遗传算法的走向长壁采区优化设计[J].煤矿机电，2004，5.
[2]謝洪彬.童亭矿跨越软岩巷道矿压显现及支护实践[J].煤炭科学技术，2005，1.
[3]张幼蒂，王玉浚.采矿系统工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.
[4]李安光等.倾斜长壁与走向长壁开采工艺可靠性分析[J].煤炭技术，2001，4.