千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)的構(gòu)建及分析步驟

代貴生

（中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)萬利一礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)的構(gòu)建及分析步驟

代貴生

（中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)萬利一礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

基于系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，對(duì)千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)的構(gòu)建和分析步驟進(jìn)行了論述，提出了千萬噸級(jí)礦井子系統(tǒng)的構(gòu)建范圍，闡述了系統(tǒng)綜合分析法的分析步驟。

千萬噸；大系統(tǒng)；構(gòu)建

現(xiàn)代化的千萬噸級(jí)的礦井，可以看作一個(gè)大系統(tǒng)，包含大量的組成部分（也就是子系統(tǒng)），它們聯(lián)結(jié)成一個(gè)有序的結(jié)構(gòu)。礦井子系統(tǒng)有回采和準(zhǔn)備工作面、運(yùn)輸、提升、通風(fēng)、供電、巷道支護(hù)和維修、地面生產(chǎn)系統(tǒng)等等。大系統(tǒng)的正常工作，要靠工藝上的、材料上的、動(dòng)力上的和信息上的聯(lián)系，并有賴于它們來加以維持。礦井大系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都會(huì)影響到其它子系統(tǒng)，從而影響全礦井的正常生產(chǎn)。

1 千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)的子系統(tǒng)構(gòu)建

現(xiàn)代化千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)的特征決定了子系統(tǒng)除具有固定局部目的外，還有完成大系統(tǒng)共同目的的功能。礦井大系統(tǒng)可以有如下子系統(tǒng)構(gòu)建而成。

1）采煤子系統(tǒng)。其功能就是完成礦井煤炭生產(chǎn)。它受回采工作面生產(chǎn)工藝、采煤方法、采區(qū)巷道布置方式、采區(qū)主要參數(shù)等制約。是礦井大系統(tǒng)中的最主要的子系統(tǒng)。

2）掘進(jìn)工藝子系統(tǒng)。其功能就是為采煤子系統(tǒng)正常工作而及時(shí)、有效地做好準(zhǔn)備工作，包括采區(qū)接替和回采工作面接替工作。它能保證礦井生產(chǎn)有序、穩(wěn)定地進(jìn)行。掘進(jìn)工藝子系統(tǒng)在礦井大系統(tǒng)中僅次于采煤子系統(tǒng)。

3）井田開拓子系統(tǒng)。其功能就是為礦井大系統(tǒng)生產(chǎn)起宏觀計(jì)劃決策，在礦井空間上使各子系統(tǒng)相互聯(lián)系協(xié)調(diào)起來。它決定了井田開拓方式及礦井主要參數(shù)，對(duì)礦井大系統(tǒng)的影響是長(zhǎng)久的，也是很大的。

4）運(yùn)輸、提升子系統(tǒng)。其功能是把回采和掘進(jìn)的煤炭、矸石從工作面運(yùn)到地面，并把井下生產(chǎn)所需的材料、設(shè)備、人員等從地面送到井下。它包括井筒提升方式和井下大巷的運(yùn)輸方式。在礦井大系統(tǒng)中也起很大作用，它直接制約采煤子系統(tǒng)。

5）通風(fēng)與安全子系統(tǒng)。其功能就是排出井下有毒有害氣體，為礦井生產(chǎn)提供安全、舒適的環(huán)境，保證采煤和掘進(jìn)子系統(tǒng)正常工作。該子系統(tǒng)在礦井大系統(tǒng)中的作用也是非常大的。

6）礦井地面工藝子系統(tǒng)。其功能就是把從井下提升到地面的煤炭、矸石進(jìn)行處理。包括原煤洗選或?qū)⒃褐苯舆\(yùn)送給用戶并將矸石送到指定處理地點(diǎn)。

此外，還有供電、排水、壓氣等子系統(tǒng)，它對(duì)礦井大系統(tǒng)的影響相對(duì)要小一些。

從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，每個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化是以大系統(tǒng)最優(yōu)為前提，礦井各子系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互制約，一個(gè)子系統(tǒng)的輸出，可以是另一個(gè)子系統(tǒng)的輸入。它們都是以礦井中的煤層地質(zhì)條件作為原始條件輸入的。

礦井系統(tǒng)可以用一套定性和定量的參數(shù)來表述。定性參數(shù)是無法用數(shù)量表示的參數(shù)，它表示的是生產(chǎn)工藝的結(jié)構(gòu)、組織和技術(shù)等方面的特征。其特點(diǎn)之一是離散型的，并且是確定性的。如礦井的開拓方式、準(zhǔn)備方式、通風(fēng)方式、運(yùn)輸方式、采煤方法等等，都是礦井系統(tǒng)的定性參數(shù)。定性參數(shù)的特點(diǎn)之二是在選擇過程中必?fù)衿湟缓突ハ嗯懦狻Ｈ绱笮偷V井的大巷運(yùn)輸方式，不是礦車運(yùn)輸就是膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸，二者必選其一。定性參數(shù)之間的轉(zhuǎn)移是離散型的而且是整體性的。定性參數(shù)是用1和0來表示，1表示選擇某一定性參數(shù)，0表示不選擇該定性參數(shù)。礦井定性參數(shù)的組合可以歸結(jié)成一個(gè)離散集{Xdx}。

礦井定量參數(shù)是從數(shù)量方面來說明礦井、礦井生產(chǎn)過程和工藝過程、礦山地質(zhì)和采礦技術(shù)條件的特點(diǎn)，具有數(shù)量的尺度。如礦井生產(chǎn)能力、回采工作面產(chǎn)量、采（盤）區(qū)的尺寸、每層厚度、工作面長(zhǎng)度、礦井內(nèi)采（盤）區(qū)數(shù)目等等。在這些定量參數(shù)中，有些參數(shù)的變化是連續(xù)的，如工作面長(zhǎng)度、采（盤）區(qū)尺寸、工作面生產(chǎn)能力等；有些參數(shù)的變化是離散的，如井田內(nèi)采（盤）區(qū)數(shù)目、同時(shí)生產(chǎn)的水平數(shù)和工作面數(shù)目等。連續(xù)型變化的定量參數(shù)可歸結(jié)成一個(gè){Xdl1}集，離散型變化的定量參數(shù)可歸結(jié)成一個(gè){Xdl2}集。

無論定性參數(shù)還是定量參數(shù)都是互相制約的。其相互關(guān)系具有工藝的、空間的、生產(chǎn)的或經(jīng)濟(jì)的性質(zhì)。例如，礦井的生產(chǎn)能力與工作面的數(shù)量和工作面的開采能力有關(guān)；區(qū)段斜長(zhǎng)與階段斜長(zhǎng)和區(qū)段數(shù)目有關(guān)；傾斜長(zhǎng)壁開采法與水平的準(zhǔn)備方式有關(guān)，等等。而且，某些定量參數(shù)值僅在采用一定的定性參數(shù)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。例如，厚煤層分層同采，只有在布置集中巷和超前巷的情況下才能實(shí)現(xiàn)。所以，評(píng)價(jià)定性參數(shù)或者定量參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮其相互關(guān)系，在多數(shù)情況下應(yīng)該一起評(píng)價(jià)。

礦井的定性參數(shù)和定量參數(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新設(shè)備、新工藝的應(yīng)用以及機(jī)械化程度的不斷提高，也在不斷的變化，但定性參數(shù)和定量參數(shù)的變化速度是不同的。一般定性參數(shù)的更新較為緩慢，定量參數(shù)的更新則較快。這是因?yàn)槎ㄐ詤?shù)一旦確定，并且在礦井建設(shè)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這些決策，所花費(fèi)的投資是巨大的，因此，不允許輕易放棄和改變這些決策。同時(shí)，局部性的參數(shù)變化快，全局性的參數(shù)變化慢；開采方面的參數(shù)變化快，運(yùn)輸、提升、通風(fēng)等輔助環(huán)節(jié)的參數(shù)變化慢。

2 千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)的分析步驟

從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，每個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化是以大系統(tǒng)最優(yōu)為前提，礦井各子系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互制約，一個(gè)子系統(tǒng)的輸出，可以是另一個(gè)子系統(tǒng)的輸入。它們都是以礦井中的煤層地質(zhì)條件作為原始條件輸入的。

礦井系統(tǒng)分析一般采用綜合分析法。系統(tǒng)綜合分析法是分析、解決由多元素構(gòu)成的事物系統(tǒng)的方法，根據(jù)被研究系統(tǒng)的性質(zhì)、內(nèi)容、過程的不同，在各個(gè)階段綜合運(yùn)用各種相宜的數(shù)學(xué)理論和思維推理方法，利用電子計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算的手段，使復(fù)雜而龐大的問題，迅速獲得理想的解決。系統(tǒng)分析法是軟件科學(xué)研究的主要方法之一。煤礦設(shè)計(jì)及礦井生產(chǎn)，都是由許多子系統(tǒng)構(gòu)成的比較復(fù)雜的大系統(tǒng)，要想在數(shù)以萬計(jì)的方案中選優(yōu)，必須運(yùn)用系統(tǒng)綜合分析的方法，從定性分析到定量分析，經(jīng)過信息獲取、信息控制和信息反饋多次反復(fù)，方能獲得全系統(tǒng)最優(yōu)的方案。千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)的系統(tǒng)綜合分析可分為下列五個(gè)步驟。

1）收集、調(diào)查和研究原始資料，提出設(shè)計(jì)的目的，制定最優(yōu)化準(zhǔn)則。原始資料包括礦井地質(zhì)資料、技術(shù)資料及經(jīng)濟(jì)資料，收集資料并進(jìn)行研究和加工處理，然后按設(shè)計(jì)的目的、要求，分類編號(hào)，做為原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，以備計(jì)算時(shí)調(diào)用。

設(shè)計(jì)的目的在設(shè)計(jì)任務(wù)書中已明文規(guī)定，它是提交設(shè)計(jì)成果的依據(jù)。最優(yōu)化準(zhǔn)則根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象確定。最優(yōu)化準(zhǔn)則可為單項(xiàng)（單目標(biāo)）或多項(xiàng)（多目標(biāo)）。最優(yōu)化指標(biāo)一般取最大（或最小），但在多目標(biāo)決策時(shí)，可定出標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)作為最優(yōu)化指標(biāo)。一般情況下，約束條件由地質(zhì)條件和當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件以及技術(shù)水平等因秦決定，特殊情況下亦可根據(jù)財(cái)力、人力、物力等條件提出一定的約束條件。

2）系統(tǒng)綜合。根據(jù)設(shè)計(jì)的目的、要求，將設(shè)計(jì)內(nèi)容按性質(zhì)、銜接關(guān)系及主次關(guān)系等構(gòu)成系統(tǒng)圖。系統(tǒng)的構(gòu)成有多種形式，可以按主次關(guān)系構(gòu)成，亦可按工藝流程、技術(shù)特征等構(gòu)成。一個(gè)大系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的每一個(gè)次分支，分支間存在著“共容性”或“互斥性”，“共容性”的“階”允許多分支共存，“互斥性”的“階”只允許一個(gè)分支存在，如通風(fēng)方式，回采工藝方式以及設(shè)備類型選擇時(shí)，“階”中的各分支便存在著“互斥性”。

3）系統(tǒng)分析和初選。系統(tǒng)分析是解決大系統(tǒng)的必要步驟，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析被研究的對(duì)象和有關(guān)元素，經(jīng)過初選之后，建立解決具體問題的系統(tǒng)。經(jīng)過系統(tǒng)分析和初選，將一個(gè)通用的大系統(tǒng)中與本設(shè)計(jì)條件無關(guān)或簡(jiǎn)單即能判定的較劣單元或分支除掉，減少無實(shí)用價(jià)值的分支，使修正后的系統(tǒng)成為與本設(shè)計(jì)相關(guān)的、實(shí)用的和能切實(shí)解決問題的系統(tǒng)。系統(tǒng)分析和初選階段，主要進(jìn)行定性分析，輔以粗略的定量判斷，相當(dāng)于方案比較法中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析階段。

4）系統(tǒng)評(píng)價(jià)。首先將每一個(gè)系統(tǒng)的主要指標(biāo)計(jì)算出來。如為單目標(biāo)函數(shù)，可直接根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)比擇優(yōu)，如為多目標(biāo)函數(shù)，則應(yīng)采用多目標(biāo)決策的方法進(jìn)行評(píng)比擇優(yōu)。當(dāng)方案較多，各方案間的主要指標(biāo)又相差不多，難分上下時(shí)，應(yīng)先擬定一個(gè)主要目標(biāo)，按單目標(biāo)決策的方法選出數(shù)個(gè)較優(yōu)方案，然后再對(duì)較優(yōu)方案進(jìn)行多目標(biāo)決策，選取最優(yōu)方案，這樣既可簡(jiǎn)化系統(tǒng)評(píng)價(jià)階段的工作，又能保證實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。系統(tǒng)評(píng)價(jià)階段主要進(jìn)行定量分析，相當(dāng)于方案比較法中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，所不同的是方案比較法是在幾個(gè)方案中進(jìn)行評(píng)選，而系統(tǒng)綜合分析法則是在約束條件范圍內(nèi)的成千上萬甚至更多的方案中進(jìn)行評(píng)選，因此，后者必須依靠先進(jìn)的計(jì)算手段和工具。

5）匯總成果。按設(shè)計(jì)的目的和要求將成果全部打印成冊(cè)，供決策者決策。

3 結(jié)束語

綜上所述，千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)是相互聯(lián)系的各子系統(tǒng)的總稱。這些子系統(tǒng)靠工藝上、材料上、動(dòng)力上和信息上的聯(lián)系連接在一起，并且都具有與局部目的并存的共同工作目的。對(duì)千萬噸級(jí)礦井大系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，可以樹立全局性的觀念，掌握系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，解決系統(tǒng)的瓶頸問題，做到管理疏而不漏、有的放矢。

[1]許國(guó)志.系統(tǒng)科學(xué)[M].上海：上海科技教育出版社，2000.

[2]吳大進(jìn),等.協(xié)同學(xué)原理和應(yīng)用[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1990.

[3]譚躍進(jìn),等.系統(tǒng)學(xué)原理[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1996.

Large-scale SystemConstruction and Analysis Procedures of Ten-million-ton Mine

DAI Gui-sheng
(Wanli1 Mi ne,Shenhua shendong CoalGroup,Ordos City,Inner Mongolia 017000,Chi na)

In the light of perspect ives and approaches fromsyste mengineering,large-scale systemconst ruction and it sprocedure of ten-million-ton mine are discussed.The paper notonly proposest he constructi on range,butal so presents systemanalysi sprocedures.

ten-million-ton;large-scalesystem;construction

TD-05

A

1672-5050（2010）12-0065-03

編輯：徐樹文

2010-09-29

代貴生（1973—），男，甘肅涇川人，大學(xué)本科，工程師，從事煤炭采掘技術(shù)工作。