论述采矿系统工程的现状与发展 2012-11-19 王 漠
□ 山西省宁武大运华盛南沟煤业有限公司 王 漠
采矿系统工程是采矿工程与系统工程相结合而形成的一门新兴学科,已迅速得到广大采矿工作者的重视,。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。过去的采矿工程,往往侧重于单个作业或环节,籍助系统工程,使人们自觉地从总体上整合采矿问题,其中在矿山的规划、设计和评估中表现尤为突出。采矿过程涉及许多学科,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、地质统计学等边缘学科。通过采矿系统工程引入各种现代数字和计算机技术,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。为了更好地说明采矿系统工程的进展,兹分述如下。
2·1 矿山地质系统 ?地测数据预处理在采矿系统工程中,广泛使用数据库存放地测 1采矿系统工程的现状与发展数据,如早期的dBASE、FoxBase、Foxpro以及近年的Access、Oracle。最近几年,数据仓库技术已开始在矿业界应用,从面向主题、集成的、时变的和非易失性角度整合各种地测数据。在处理地测数据方面,人们普遍采用各种统计方法,从总体上观察矿产分布及其变化规律,如矿石品位,矿体厚度等。Excel和各种数据库软件被广泛用于数据处理。为了形象地表达矿藏分布特征,人们常常用鲜明的颜色表示钻孔内各组分的分布,如美国的 Mintec、澳大利亚的Surpac矿用软件,形象生动, 便于核查。针对矿山设计的需要,人们还常常用剖面图和平面图表达矿体,可称为线框模型法。这种模型下的矿量计算,大都是利用计算机图形学中的多边形求交、并、差的算法,计算精确度高。然而如何由钻孔柱状图推出剖(平)面图的地质作图问题,始终没有很好解决。尽管一些学者探索采用专家系统、模糊数学、人工神经网络、拓朴学等方法,但都有待完善。近年来,人们热衷于用三维实体模型表达矿体。在一连串地质剖面图的基础上,象手风琴箱地依次伸展成三维实体,进而可以得出各种位置、各个方向下的矿体剖面。
2·2 矿山规划与设计系统 矿山产量与产品在采矿系统工程中,广泛应用线性规划求解矿山产品的产量和种类。有时也使用非线性规划或整数规划。它们的目标函数是使矿山盈利最大,约束条件则包括各种开采、加工的技术要求。有些学者,还采用经济控制论进行研究,运用最优控制的最大值原理,用哈密尔顿函数求解。也有些学者用动态规划研究产量—边界品位的综合优化,或是井田—井型的综合优化。近年来,也有人用遗传算法寻找矿山各种品级矿石的合理组合。
露天开采设计当前,露天开采设计的优化已有一套相对成型的方法。具体是: (1)露天开采境界的优化。目前普遍采用浮动圆锥法,用众多的小锥台组成开采矿坑,其实质等同于传统的“境界剥采比小于经济合理剥采比”的原则。近年来由于计算技术的进展,图论法在北美等发达国家比较受重视,它把各矿块视作节点,利用图论搜索最大开采闭包。(2)开拓运输系统。专家系统常被用于开拓设计中,利用严格的逻辑判断选择开拓运输系统。至于运输坑线的布置,则采用计算机辅助设计。近年 2中国矿业2004年第13卷第2期来,许多矿用软件都有开拓定线的功能,调用各种图元来绘制线路图。在优化技术方面,有人用动态规划方法合理确定各开采水平的堑沟口位置,实现开拓定线的严格优化。 (3)运输排土规划。为了合理安排全矿的矿岩运输,特别是当存在多出入口和多排土场的复杂情况下,人们普遍采用线性规划加最短路法,即先用最短路问题寻求最优的运输途径,然后用线性规划统筹矿岩的运向和运量。鉴于矿山运输线路常随时间而改变, CAD技术常被用于绘制及修改运输线路。至于排土场容积的计算及堆放图,也采用CAD技术执行。 (4)采剥计划编制。数学规划常被用于合理安排矿山历年的采剥任务,其中线性规划、整数规划和动态规划比较常用。此外,计算机模拟也常被用于采剥计划中,可全面检查各工艺环节的衔接和运行状况。近年来,人们倾向于采用CAD技术模仿传统的手工设计方法,用试凑的方式编制采剥计划。
2· 矿山生产工艺系统 ? 开采工艺及设备选择采矿系统工程常用专家系统选择合理的开采工艺和设备。为了正确确定影响因素的权值,可以用人工神经网络解算。这个课题的另一种方法是解析法。首先建立各项费用的数学模型,然后用数学方法求解。其中, 整数规划法常被采用,它把设备的取舍视作决策变量。 单项作业优化采矿工程中常常采用系统工程的方法对单项作业进行优化。以爆破工程为例,已开发出许多爆破设计的专家系统,指导工程技术人员布置炮孔和装填炸药。另一个与系统工程密切结合的学科是边坡工程和岩体力学。它们已采用计算机模拟、概率统计分 3采矿系统工程的现状与发展析、最优控制、人工神经网络、可靠性数学等现代技术,促进多学科的交叉渗透。
2·4 矿山管理系统 ? 矿山管理信息系统近年来,国内外许多矿山都建立矿山管理信息系统,覆盖地测、设计、计划、设备、库存、营销、财会、人事等工作。矿山内部各子系统用局域网相连,对外联系则通过Internet。据初步估计, 国内约有40多个煤炭矿务局和30多个金属矿山建有程度不等的矿山管理信息系统。随着Internet技术的发展,也就出现企业内部网络(Intranet)和企业外部网络(Extranet)。近年来又由于ERP等管理软件的发展,更促使矿山管理信息系统向智能化决策支持系统发展,为中高级管理人员提供决策依据。
通风安全在矿山通风决策中,可采用人工智能专家系统选择通风系统。通风井巷断面的优化,可采用解析法求解。至于通风网络图,更是用CAD技术绘制。此外,人们在图论的基础上开发了许多计算机程序,可进行风网解算。在矿山安全方面,新形成的安全系统工程采用因果关系预测、时间序列预测、卡尔曼滤波预测等方法进行事故预测。它还采用故障决策树等技术分析事故发生的原因及概率。在可靠性数学的基础上,它还用FMEA技术分析事故类型及影响。至于安全评价方面,则采用模糊评判和多目标决策。
项目施工管理矿山基建期间,人们常采用网络计划技术协调生产。在此基础上,还可用随机网络分析各种随机因素的影响,包括时间仿真随机网络和排队仿真随机网络,也可以用风险评审技术(VERT)从事风险决策分析。在网络图绘制方面,利用CAD技术也使绘图工作大大改进。目前,施工管理的网络计划技术比较成熟,市场上有许多通用软件可供选用。
采矿系统工程是采矿工程与系统工程相结合而形成的一门新兴学科,已迅速得到广大采矿工作者的重视,。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。过去的采矿工程,往往侧重于单个作业或环节,籍助系统工程,使人们自觉地从总体上整合采矿问题,其中在矿山的规划、设计和评估中表现尤为突出。采矿过程涉及许多学科,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、地质统计学等边缘学科。通过采矿系统工程引入各种现代数字和计算机技术,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。为了更好地说明采矿系统工程的进展,兹分述如下。
2·1 矿山地质系统 ?地测数据预处理在采矿系统工程中,广泛使用数据库存放地测 1采矿系统工程的现状与发展数据,如早期的dBASE、FoxBase、Foxpro以及近年的Access、Oracle。最近几年,数据仓库技术已开始在矿业界应用,从面向主题、集成的、时变的和非易失性角度整合各种地测数据。在处理地测数据方面,人们普遍采用各种统计方法,从总体上观察矿产分布及其变化规律,如矿石品位,矿体厚度等。Excel和各种数据库软件被广泛用于数据处理。为了形象地表达矿藏分布特征,人们常常用鲜明的颜色表示钻孔内各组分的分布,如美国的 Mintec、澳大利亚的Surpac矿用软件,形象生动, 便于核查。针对矿山设计的需要,人们还常常用剖面图和平面图表达矿体,可称为线框模型法。这种模型下的矿量计算,大都是利用计算机图形学中的多边形求交、并、差的算法,计算精确度高。然而如何由钻孔柱状图推出剖(平)面图的地质作图问题,始终没有很好解决。尽管一些学者探索采用专家系统、模糊数学、人工神经网络、拓朴学等方法,但都有待完善。近年来,人们热衷于用三维实体模型表达矿体。在一连串地质剖面图的基础上,象手风琴箱地依次伸展成三维实体,进而可以得出各种位置、各个方向下的矿体剖面。
2·2 矿山规划与设计系统 矿山产量与产品在采矿系统工程中,广泛应用线性规划求解矿山产品的产量和种类。有时也使用非线性规划或整数规划。它们的目标函数是使矿山盈利最大,约束条件则包括各种开采、加工的技术要求。有些学者,还采用经济控制论进行研究,运用最优控制的最大值原理,用哈密尔顿函数求解。也有些学者用动态规划研究产量—边界品位的综合优化,或是井田—井型的综合优化。近年来,也有人用遗传算法寻找矿山各种品级矿石的合理组合。
露天开采设计当前,露天开采设计的优化已有一套相对成型的方法。具体是: (1)露天开采境界的优化。目前普遍采用浮动圆锥法,用众多的小锥台组成开采矿坑,其实质等同于传统的“境界剥采比小于经济合理剥采比”的原则。近年来由于计算技术的进展,图论法在北美等发达国家比较受重视,它把各矿块视作节点,利用图论搜索最大开采闭包。(2)开拓运输系统。专家系统常被用于开拓设计中,利用严格的逻辑判断选择开拓运输系统。至于运输坑线的布置,则采用计算机辅助设计。近年 2中国矿业2004年第13卷第2期来,许多矿用软件都有开拓定线的功能,调用各种图元来绘制线路图。在优化技术方面,有人用动态规划方法合理确定各开采水平的堑沟口位置,实现开拓定线的严格优化。 (3)运输排土规划。为了合理安排全矿的矿岩运输,特别是当存在多出入口和多排土场的复杂情况下,人们普遍采用线性规划加最短路法,即先用最短路问题寻求最优的运输途径,然后用线性规划统筹矿岩的运向和运量。鉴于矿山运输线路常随时间而改变, CAD技术常被用于绘制及修改运输线路。至于排土场容积的计算及堆放图,也采用CAD技术执行。 (4)采剥计划编制。数学规划常被用于合理安排矿山历年的采剥任务,其中线性规划、整数规划和动态规划比较常用。此外,计算机模拟也常被用于采剥计划中,可全面检查各工艺环节的衔接和运行状况。近年来,人们倾向于采用CAD技术模仿传统的手工设计方法,用试凑的方式编制采剥计划。
2· 矿山生产工艺系统 ? 开采工艺及设备选择采矿系统工程常用专家系统选择合理的开采工艺和设备。为了正确确定影响因素的权值,可以用人工神经网络解算。这个课题的另一种方法是解析法。首先建立各项费用的数学模型,然后用数学方法求解。其中, 整数规划法常被采用,它把设备的取舍视作决策变量。 单项作业优化采矿工程中常常采用系统工程的方法对单项作业进行优化。以爆破工程为例,已开发出许多爆破设计的专家系统,指导工程技术人员布置炮孔和装填炸药。另一个与系统工程密切结合的学科是边坡工程和岩体力学。它们已采用计算机模拟、概率统计分 3采矿系统工程的现状与发展析、最优控制、人工神经网络、可靠性数学等现代技术,促进多学科的交叉渗透。
2·4 矿山管理系统 ? 矿山管理信息系统近年来,国内外许多矿山都建立矿山管理信息系统,覆盖地测、设计、计划、设备、库存、营销、财会、人事等工作。矿山内部各子系统用局域网相连,对外联系则通过Internet。据初步估计, 国内约有40多个煤炭矿务局和30多个金属矿山建有程度不等的矿山管理信息系统。随着Internet技术的发展,也就出现企业内部网络(Intranet)和企业外部网络(Extranet)。近年来又由于ERP等管理软件的发展,更促使矿山管理信息系统向智能化决策支持系统发展,为中高级管理人员提供决策依据。
通风安全在矿山通风决策中,可采用人工智能专家系统选择通风系统。通风井巷断面的优化,可采用解析法求解。至于通风网络图,更是用CAD技术绘制。此外,人们在图论的基础上开发了许多计算机程序,可进行风网解算。在矿山安全方面,新形成的安全系统工程采用因果关系预测、时间序列预测、卡尔曼滤波预测等方法进行事故预测。它还采用故障决策树等技术分析事故发生的原因及概率。在可靠性数学的基础上,它还用FMEA技术分析事故类型及影响。至于安全评价方面,则采用模糊评判和多目标决策。
项目施工管理矿山基建期间,人们常采用网络计划技术协调生产。在此基础上,还可用随机网络分析各种随机因素的影响,包括时间仿真随机网络和排队仿真随机网络,也可以用风险评审技术(VERT)从事风险决策分析。在网络图绘制方面,利用CAD技术也使绘图工作大大改进。目前,施工管理的网络计划技术比较成熟,市场上有许多通用软件可供选用。
