礦業系統工程在我國的應用及發展*

張子杰　魯　杰

(1.太原理工大學礦業工程學院；2.山西國陽投資咨詢有限責任公司；3.山西大同大學煤炭工程學院)

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礦業系統工程在我國的應用及發展*

張子杰1，2魯杰3

(1.太原理工大學礦業工程學院；2.山西國陽投資咨詢有限責任公司；3.山西大同大學煤炭工程學院)

摘要礦業系統工程是系統工程的分支，系統工程作為一門新興學科發展迅速，將其與礦業結合可促使礦業研究得到進一步發展。我國礦業系統工程正處于發展階段，將系統工程的相關原理及計算機技術相結合，在眾多煤礦企業中應用，取得了良好的效果，而通過在礦業系統工程中的實際應用，也使得系統工程理論得到更好的發展。

關鍵詞礦業系統工程計算機技術發展方向

礦業系統工程是礦業工程學科與系統工程學科相結合而形成的一個新的學科分支[1]。上世紀50年代，在礦業研究中運用運籌學,標志著礦業工程與系統工程的結合,礦業系統工程隨即產生。隨著計算機技術的發展,60年代將運籌學原理與計算機技術綜合應用于礦業研究, 并涌現出一批成果,礦業系統工程作為一個新的學科分支逐漸形成。經歷了近50 a的發展,礦業系統工程已成為系統工程的一大分支。

1礦業系統工程的發展現狀

系統工程理論方法和計算機技術于上世紀50年代末應用于礦業。隨著計算機及互聯網技術的發展，礦山開采規劃、設計、建設和生產管理等方面的問題，都可通過計算機模擬或建立數學模型進行優化，而互聯網的應用更使整個礦業系統工程得到飛速發展。目前，礦山系統工程與計算機技術已應用于礦山設計、生產管理的各個方面。

(1)礦業資源開發規劃與管理。礦山資源在開采前必須進行前期規劃與設計，此階段系統工程主要在資源經濟與管理、礦區資源評價、資源開發條件評價、資源環境保護等方面發揮重要作用[2]。如目前普遍應用線性規劃進行資源開發最優化的模擬與計算，利用網絡技術建模，找出適合的環保方案等。

(2)礦山地質儲量計算。在礦山開采前期的地質階段，可利用系統工程相關理論與方法，研究礦石最佳邊界品位，根據投資時間確定開采礦體范圍；通過估值方法推斷礦體輪廓、儲量及質量指標，評估地質資源，研究和建立礦床模型，將地質信息數據結構化、計算機模型化和可視化；通過研究礦石質量，建立配礦模型，達到充分利用礦山資源的目的。

(3)優化礦山規劃及設計。礦石儲量及品位確定后，礦山開采設計和規劃主要有以下幾個方面：①確定礦山合理的生產能力、建設順序及規模，應用線性規劃和整體規劃,綜合考慮礦山整體成本及投入產出；②利用數學規劃和計算機仿真等技術建模，精確計算，確定礦山開采范圍境界及設備類型和數量；③使用專家系統、人工神經網絡等理論和方法，確定最終開拓方案；④采用網絡技術，使通風系統的設計和控制更為合理；⑤采用預測技術、概率統計等方法建模，完善礦山安全管理。

(4)礦山企業現代化管理。在礦山管理中利用系統工程可到達安全高效管理的目的。如利用數據庫、人工智能和專家系統建立礦山管理信息決策系統；應用網絡技術優化日常生產工序；利用傳感技術對生產過程進行監控并優化；運用數理統計嚴格管理和控制礦山各個生產環節的質量；使用成本管理理論和信息技術，優化控制礦山生產成本；通過因果分析和時間序列分析等數學方法，結合經濟學理論，預測礦山生產的各項指標，使之達到最佳狀態。

(5)采礦軟件的發展。采礦軟件是礦業系統工程與計算機技術結合的產物，早期礦用軟件通常是針對個別礦山課題開發的專用程序，適用性有限。隨著計算機技術的發展，模塊化軟件包的使用加強了礦業軟件的適用范圍，在上世紀80年代以來，西方主要采礦國家推出大量適用于礦業的軟件，涵蓋礦床開采評估、設計、計劃和生產管理軟件包，如Datamine、Mincom、Medysystem、PC-Mine、Surpac、M-K Eagles[2]等，目前采礦軟件已廣泛應用于各大礦山企業[3]，使礦山經營發生了根本性的改變，實現了礦山科學管理和優化開采的同時，降低生產成本。

2礦業系統工程的發展趨勢

礦業系統工程不僅要在礦業開采基本原理的基礎上不斷與系統工程深化結合，更要隨現代科技的發展通過計算機及互聯網技術，使礦業系統工程的適用性、廣泛性不斷增強[4]。

(1)學科配合化，方法多樣化。礦業系統工程作為一門綜合性學科，在今后的發展過程中，更需要多學科配合。以礦山調度為例，從硬件方面來講，安全高效的調度涉及到計算機、無線通訊等，而軟件就包括線形規劃、動態規劃、數據處理等多方面，合理的調度其實就是多方面綜合的結果，這也正體現了系統工程多樣化的特點。

(2)項目合作化、系統大型化。礦業系統工程具有復合系統多層次、多環節的特點，單一工程的優化不能適用整個礦井生產的要求，需要進行更大范圍、巨系統、系統動力學等方面的深入研究，使礦山決策支持系統的應用范圍更加寬廣。

(3)系統網絡化。計算機的使用使礦業系統工程實現了界面化和互動功能，各類礦山軟件是最好的體現。而互聯網提高了礦業系統工程解決問題的能力，利用互聯網可實現系統功能的共享，從而改變傳統的系統問題。如礦山在進行系統建模過程中，可通過互聯網大數據查找相關參數，更可使專家系統簡潔化，而系統模型建立后更可通過互聯網共享，增加系統的適用性。

3礦業系統工程的應用實例

煤與瓦斯突出現象是煤礦生產的重要災害之一，不僅對生產有嚴重影響，更會威脅到礦工的人身安全。雖然煤與瓦斯突出現象并無規律可循，但影響煤與瓦斯突出的因素目前已被技術人員基本掌握，故可利用礦業系統工程的相關理論建立模型并結合計算機進行預測，從而找出區域突出的危險性，預防安全事故。

分析煤與瓦斯突出的影響因素可建立層次結構，利用層次分析法，結合模糊數學理論建立層次模型。如圖1所示。

圖1　煤與瓦斯突出影響因素層次結構模型

根據層次分析法的相關原理，采用1～9標度法確定各項因素的權重并進行歸一化處理，通過構造判斷矩陣，將定性問題定量化(見表1)，再結合模糊綜合評判構造隸屬度函數，根據隸屬度函數計算，判斷該區域煤與瓦斯突出的危險性。

通過計算可得到危險性權重，分別對應無突出危險區、突出威脅區和嚴重突出危險區，據此便可判定出煤與瓦斯突出危險性等級，對應的最大權重值就是煤層的突出危險等級。

4結語

礦業系統工程作為一門新興學科，其發展空間和適用范圍是巨大的。應加大礦業系統工程的投入，使前沿科技更多的與礦業結合，更能保證礦井安全、高效生產，通過對整體系統的優化，降低成本，增加企業利潤，使礦業開采更為綠色、

表1　定性指標定量化

安全。

參考文獻

[1]肖福坤，張俊文.礦業系統工程[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010.

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

[3]高林.采礦系統工程的現狀與發展[J].內蒙古煤炭經濟，2014(8)：31，33.

[4]吳立新,汪云甲,丁恩杰，等.三論數字礦山——借力物聯網保障礦山安全與智能采礦[J].煤炭學報，2012(3)：357-365.

(收稿日期2015-09-22)

*山西大同大學校級青年科學研究項目(編號：2015Q14)。

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