礦業(yè)系統(tǒng)工程在我國的應(yīng)用及發(fā)展*

張子杰　魯　杰

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.山西國陽投資咨詢有限責(zé)任公司；3.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院)

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礦業(yè)系統(tǒng)工程在我國的應(yīng)用及發(fā)展*

張子杰1，2魯杰3

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.山西國陽投資咨詢有限責(zé)任公司；3.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院)

摘要礦業(yè)系統(tǒng)工程是系統(tǒng)工程的分支，系統(tǒng)工程作為一門新興學(xué)科發(fā)展迅速，將其與礦業(yè)結(jié)合可促使礦業(yè)研究得到進(jìn)一步發(fā)展。我國礦業(yè)系統(tǒng)工程正處于發(fā)展階段，將系統(tǒng)工程的相關(guān)原理及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在眾多煤礦企業(yè)中應(yīng)用，取得了良好的效果，而通過在礦業(yè)系統(tǒng)工程中的實(shí)際應(yīng)用，也使得系統(tǒng)工程理論得到更好的發(fā)展。

關(guān)鍵詞礦業(yè)系統(tǒng)工程計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展方向

礦業(yè)系統(tǒng)工程是礦業(yè)工程學(xué)科與系統(tǒng)工程學(xué)科相結(jié)合而形成的一個(gè)新的學(xué)科分支[1]。上世紀(jì)50年代，在礦業(yè)研究中運(yùn)用運(yùn)籌學(xué),標(biāo)志著礦業(yè)工程與系統(tǒng)工程的結(jié)合,礦業(yè)系統(tǒng)工程隨即產(chǎn)生。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,60年代將運(yùn)籌學(xué)原理與計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用于礦業(yè)研究, 并涌現(xiàn)出一批成果,礦業(yè)系統(tǒng)工程作為一個(gè)新的學(xué)科分支逐漸形成。經(jīng)歷了近50 a的發(fā)展,礦業(yè)系統(tǒng)工程已成為系統(tǒng)工程的一大分支。

1礦業(yè)系統(tǒng)工程的發(fā)展現(xiàn)狀

系統(tǒng)工程理論方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)于上世紀(jì)50年代末應(yīng)用于礦業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，礦山開采規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)管理等方面的問題，都可通過計(jì)算機(jī)模擬或建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，而互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更使整個(gè)礦業(yè)系統(tǒng)工程得到飛速發(fā)展。目前，礦山系統(tǒng)工程與計(jì)算機(jī)技術(shù)已應(yīng)用于礦山設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理的各個(gè)方面。

(1)礦業(yè)資源開發(fā)規(guī)劃與管理。礦山資源在開采前必須進(jìn)行前期規(guī)劃與設(shè)計(jì)，此階段系統(tǒng)工程主要在資源經(jīng)濟(jì)與管理、礦區(qū)資源評(píng)價(jià)、資源開發(fā)條件評(píng)價(jià)、資源環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮重要作用[2]。如目前普遍應(yīng)用線性規(guī)劃進(jìn)行資源開發(fā)最優(yōu)化的模擬與計(jì)算，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建模，找出適合的環(huán)保方案等。

(2)礦山地質(zhì)儲(chǔ)量計(jì)算。在礦山開采前期的地質(zhì)階段，可利用系統(tǒng)工程相關(guān)理論與方法，研究礦石最佳邊界品位，根據(jù)投資時(shí)間確定開采礦體范圍；通過估值方法推斷礦體輪廓、儲(chǔ)量及質(zhì)量指標(biāo)，評(píng)估地質(zhì)資源，研究和建立礦床模型，將地質(zhì)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、計(jì)算機(jī)模型化和可視化；通過研究礦石質(zhì)量，建立配礦模型，達(dá)到充分利用礦山資源的目的。

(3)優(yōu)化礦山規(guī)劃及設(shè)計(jì)。礦石儲(chǔ)量及品位確定后，礦山開采設(shè)計(jì)和規(guī)劃主要有以下幾個(gè)方面：①確定礦山合理的生產(chǎn)能力、建設(shè)順序及規(guī)模，應(yīng)用線性規(guī)劃和整體規(guī)劃,綜合考慮礦山整體成本及投入產(chǎn)出；②利用數(shù)學(xué)規(guī)劃和計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)建模，精確計(jì)算，確定礦山開采范圍境界及設(shè)備類型和數(shù)量；③使用專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論和方法，確定最終開拓方案；④采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制更為合理；⑤采用預(yù)測(cè)技術(shù)、概率統(tǒng)計(jì)等方法建模，完善礦山安全管理。

(4)礦山企業(yè)現(xiàn)代化管理。在礦山管理中利用系統(tǒng)工程可到達(dá)安全高效管理的目的。如利用數(shù)據(jù)庫、人工智能和專家系統(tǒng)建立礦山管理信息決策系統(tǒng)；應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)化日常生產(chǎn)工序；利用傳感技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控并優(yōu)化；運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)嚴(yán)格管理和控制礦山各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量；使用成本管理理論和信息技術(shù)，優(yōu)化控制礦山生產(chǎn)成本；通過因果分析和時(shí)間序列分析等數(shù)學(xué)方法，結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，預(yù)測(cè)礦山生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)，使之達(dá)到最佳狀態(tài)。

(5)采礦軟件的發(fā)展。采礦軟件是礦業(yè)系統(tǒng)工程與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，早期礦用軟件通常是針對(duì)個(gè)別礦山課題開發(fā)的專用程序，適用性有限。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模塊化軟件包的使用加強(qiáng)了礦業(yè)軟件的適用范圍，在上世紀(jì)80年代以來，西方主要采礦國家推出大量適用于礦業(yè)的軟件，涵蓋礦床開采評(píng)估、設(shè)計(jì)、計(jì)劃和生產(chǎn)管理軟件包，如Datamine、Mincom、Medysystem、PC-Mine、Surpac、M-K Eagles[2]等，目前采礦軟件已廣泛應(yīng)用于各大礦山企業(yè)[3]，使礦山經(jīng)營發(fā)生了根本性的改變，實(shí)現(xiàn)了礦山科學(xué)管理和優(yōu)化開采的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本。

2礦業(yè)系統(tǒng)工程的發(fā)展趨勢(shì)

礦業(yè)系統(tǒng)工程不僅要在礦業(yè)開采基本原理的基礎(chǔ)上不斷與系統(tǒng)工程深化結(jié)合，更要隨現(xiàn)代科技的發(fā)展通過計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使礦業(yè)系統(tǒng)工程的適用性、廣泛性不斷增強(qiáng)[4]。

(1)學(xué)科配合化，方法多樣化。礦業(yè)系統(tǒng)工程作為一門綜合性學(xué)科，在今后的發(fā)展過程中，更需要多學(xué)科配合。以礦山調(diào)度為例，從硬件方面來講，安全高效的調(diào)度涉及到計(jì)算機(jī)、無線通訊等，而軟件就包括線形規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理等多方面，合理的調(diào)度其實(shí)就是多方面綜合的結(jié)果，這也正體現(xiàn)了系統(tǒng)工程多樣化的特點(diǎn)。

(2)項(xiàng)目合作化、系統(tǒng)大型化。礦業(yè)系統(tǒng)工程具有復(fù)合系統(tǒng)多層次、多環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，單一工程的優(yōu)化不能適用整個(gè)礦井生產(chǎn)的要求，需要進(jìn)行更大范圍、巨系統(tǒng)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等方面的深入研究，使礦山?jīng)Q策支持系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加寬廣。

(3)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。計(jì)算機(jī)的使用使礦業(yè)系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)了界面化和互動(dòng)功能，各類礦山軟件是最好的體現(xiàn)。而互聯(lián)網(wǎng)提高了礦業(yè)系統(tǒng)工程解決問題的能力，利用互聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的共享，從而改變傳統(tǒng)的系統(tǒng)問題。如礦山在進(jìn)行系統(tǒng)建模過程中，可通過互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)查找相關(guān)參數(shù)，更可使專家系統(tǒng)簡(jiǎn)潔化，而系統(tǒng)模型建立后更可通過互聯(lián)網(wǎng)共享，增加系統(tǒng)的適用性。

3礦業(yè)系統(tǒng)工程的應(yīng)用實(shí)例

煤與瓦斯突出現(xiàn)象是煤礦生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一，不僅對(duì)生產(chǎn)有嚴(yán)重影響，更會(huì)威脅到礦工的人身安全。雖然煤與瓦斯突出現(xiàn)象并無規(guī)律可循，但影響煤與瓦斯突出的因素目前已被技術(shù)人員基本掌握，故可利用礦業(yè)系統(tǒng)工程的相關(guān)理論建立模型并結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而找出區(qū)域突出的危險(xiǎn)性，預(yù)防安全事故。

分析煤與瓦斯突出的影響因素可建立層次結(jié)構(gòu)，利用層次分析法，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論建立層次模型。如圖1所示。

圖1　煤與瓦斯突出影響因素層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)層次分析法的相關(guān)原理，采用1～9標(biāo)度法確定各項(xiàng)因素的權(quán)重并進(jìn)行歸一化處理，通過構(gòu)造判斷矩陣，將定性問題定量化(見表1)，再結(jié)合模糊綜合評(píng)判構(gòu)造隸屬度函數(shù)，根據(jù)隸屬度函數(shù)計(jì)算，判斷該區(qū)域煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

通過計(jì)算可得到危險(xiǎn)性權(quán)重，分別對(duì)應(yīng)無突出危險(xiǎn)區(qū)、突出威脅區(qū)和嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)，據(jù)此便可判定出煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性等級(jí)，對(duì)應(yīng)的最大權(quán)重值就是煤層的突出危險(xiǎn)等級(jí)。

4結(jié)語

礦業(yè)系統(tǒng)工程作為一門新興學(xué)科，其發(fā)展空間和適用范圍是巨大的。應(yīng)加大礦業(yè)系統(tǒng)工程的投入，使前沿科技更多的與礦業(yè)結(jié)合，更能保證礦井安全、高效生產(chǎn)，通過對(duì)整體系統(tǒng)的優(yōu)化，降低成本，增加企業(yè)利潤，使礦業(yè)開采更為綠色、

表1　定性指標(biāo)定量化

安全。

參考文獻(xiàn)

[1]肖福坤，張俊文.礦業(yè)系統(tǒng)工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[2]魏超.采礦系統(tǒng)工程的發(fā)展現(xiàn)狀與新發(fā)展趨勢(shì)研究[J].山東煤炭科技，2014(5)：15-16.

[3]高林.采礦系統(tǒng)工程的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2014(8)：31，33.

[4]吳立新,汪云甲,丁恩杰，等.三論數(shù)字礦山——借力物聯(lián)網(wǎng)保障礦山安全與智能采礦[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012(3)：357-365.

(收稿日期2015-09-22)

*山西大同大學(xué)校級(jí)青年科學(xué)研究項(xiàng)目(編號(hào)：2015Q14)。

張子杰(1983—)，男，碩士研究生，030024 山西省太原市府西街108號(hào)。