許樓家 張 蒼

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引言

采區(qū)是礦井中負(fù)責(zé)生產(chǎn)輸出的區(qū)域，因此礦井設(shè)計(jì)和采區(qū)設(shè)置是否合理直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)效果。本文對(duì)此展開(kāi)研究，分析了煤礦礦井最佳設(shè)計(jì)、采礦區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型、優(yōu)化模型存在的問(wèn)題與改進(jìn)途徑，最后分析了礦區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化的內(nèi)容和方法以及原則，希望對(duì)煤礦礦井設(shè)計(jì)和采區(qū)優(yōu)化提供思路。

1 礦井設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 近水平煤層礦井設(shè)計(jì)方案優(yōu)化 開(kāi)采近水平煤層礦井開(kāi)拓系統(tǒng)方案，與開(kāi)采煤層傾角較大的礦井相比，有如下特點(diǎn)：a.井田邊界和形狀不規(guī)則。有的可能大致成長(zhǎng)方形，多數(shù)井田呈不規(guī)則的多邊形。b.水平劃分和大巷位置的不確定性。多數(shù)礦井不按煤層等高線來(lái)劃分開(kāi)采水平，而是按條件布置，有的由于煤層數(shù)目多，根據(jù)煤層分組布置大巷；有的由于傾斜長(zhǎng)度大而劃分不同水平開(kāi)采，多數(shù)不超過(guò)兩個(gè)水平；大巷的方位不一定按煤層走向方向，幾條大巷不一定近乎平行，有的甚至呈放射狀布置。c.采區(qū)巷道布置和采區(qū)劃分比較靈活。為了編制出具有較大通用性的近水平煤層礦井開(kāi)拓方案的整體優(yōu)化模型和程序，使之能概括近水平煤層絕大部分礦井的開(kāi)拓方案，適用于同類礦井的設(shè)計(jì)優(yōu)化，需要提出一個(gè)典型的開(kāi)拓方案結(jié)構(gòu)模型。為此，提出如圖1所示的典型開(kāi)拓系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)。

圖1 近水平煤層礦井典型開(kāi)拓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 傾斜煤礦設(shè)計(jì) 根據(jù)礦井的形狀和規(guī)律不同，煤礦分為大型、中型和小型，但是其中傾斜煤礦不可避免，因?yàn)樗械拿簩佣际怯袃A斜度的，因此在傾斜煤礦優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到井口所需要的傾斜度設(shè)計(jì)，煤礦礦井設(shè)計(jì)符合實(shí)際采礦需求，然后提出整體設(shè)計(jì)方案。

1.3 優(yōu)化模型存在的問(wèn)題與改進(jìn)途徑 第一，優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)。整體優(yōu)化模型雖然能夠?qū)ΦV井生產(chǎn)能力和各種開(kāi)拓系統(tǒng)方案進(jìn)行綜合優(yōu)化，充分反映開(kāi)拓系統(tǒng)各項(xiàng)組成部分之間的相互影響，但所得出的結(jié)果與目前礦井設(shè)計(jì)表述形式的需要不完全一致。需要在整體優(yōu)化模型中有相對(duì)獨(dú)立的分項(xiàng)(分系統(tǒng))優(yōu)化模型或構(gòu)造單項(xiàng)優(yōu)化模型，使之既有各自的獨(dú)到功能，又能兼顧到相互之間的影響和作用，即力求優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)達(dá)到合中有分、分中有合的功能和效果。第二，投資和費(fèi)用的計(jì)算。礦井設(shè)計(jì)方案優(yōu)化中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是編制適應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)需要的經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型。投資和費(fèi)用計(jì)算中存在的最大問(wèn)題是將費(fèi)用單價(jià)和取值完全融入各子系統(tǒng)內(nèi)部，難以適應(yīng)物價(jià)隨時(shí)間變動(dòng)所需要單價(jià)和取值的相應(yīng)更改變動(dòng)。改進(jìn)途徑是將工程量、工作量計(jì)算與費(fèi)用計(jì)算完全分離，優(yōu)化模型以技術(shù)決策和工程量計(jì)算為主體，投資和費(fèi)用計(jì)算配以概算模型和程序。第三，優(yōu)化與模擬的結(jié)合。如果能夠把優(yōu)化和模擬兩種模型結(jié)合起來(lái)，或在部分子系統(tǒng)模型中結(jié)合一起應(yīng)用，會(huì)取得更好的效果。第四，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。鑒于礦井設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的意義和經(jīng)濟(jì)效果，目前，優(yōu)化模型的編制已經(jīng)起步，計(jì)算機(jī)功能大幅度提高并已普及應(yīng)用，要以應(yīng)用軟件作為開(kāi)發(fā)目標(biāo)，研制礦井設(shè)計(jì)方案優(yōu)化模型。

2 采區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 采區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化的內(nèi)容和方法 第一，優(yōu)化內(nèi)容。采煤方法和采區(qū)機(jī)械裝備的選擇，可納入采區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化范圍內(nèi)，也可單獨(dú)優(yōu)化后，進(jìn)入采區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，使采區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決采區(qū)巷道布置方案及其主要參數(shù)選擇的問(wèn)題。第二，優(yōu)化步驟。a.確定優(yōu)化準(zhǔn)則，采用單指標(biāo)或多指標(biāo)。b.編制專用或通用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型，或利用已有模型。c.編制專用模型時(shí)確定技術(shù)上可行的巷道布置方案。d.確定進(jìn)行優(yōu)化的主要參數(shù)和各項(xiàng)參數(shù)取值的上下界、間隔數(shù)值。e.上機(jī)運(yùn)行，輸出優(yōu)化結(jié)果。第三，優(yōu)化方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)。最優(yōu)化準(zhǔn)則取多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，提出指標(biāo)。

2.2 優(yōu)化方法 針對(duì)優(yōu)化模型和優(yōu)化內(nèi)容分析，本文提出了幾種優(yōu)化辦法，希望對(duì)煤礦礦井設(shè)計(jì)和采區(qū)優(yōu)化效率提升有所幫助。(1)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合布置。為減少巖巷，降低巖巷掘進(jìn)率，對(duì)一層組并入二層組實(shí)行聯(lián)合布置的可行性進(jìn)行具體分析論證，在地質(zhì)條件允許的情況下，可利用二層組大巷掘進(jìn)石門與一層組聯(lián)系。(2)實(shí)現(xiàn)一巷多用。采取各種巷道進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)于以往的巷道應(yīng)當(dāng)盡可能地利用，然后結(jié)合本區(qū)和其他區(qū)域現(xiàn)有條件進(jìn)行改造，最大程度地減少浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)一巷多用，降低成本的同時(shí)，提升工作效率。(3)開(kāi)采單一層取消巖石集中大巷。對(duì)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，煤層賦存穩(wěn)定，且兩個(gè)煤層都屬于單一層的情況，在布置煤層巷道時(shí)，可取消底板巖石集中大巷，改用沿集中石門自然層一條龍式的布置方式。(4)適當(dāng)加大階段高度和走向長(zhǎng)度。階段高度的增加可以提高煤礦生產(chǎn)率，因此事先可以進(jìn)行開(kāi)采條件和技術(shù)設(shè)備的勘查，如果情況允許可以適當(dāng)增加階段高度，增加采煤工作面長(zhǎng)度和采區(qū)走向長(zhǎng)度，相對(duì)減少分段個(gè)數(shù)，對(duì)于階段服務(wù)的年限可以適當(dāng)嚴(yán)懲，從而確保較低成本實(shí)現(xiàn)采煤工作量的增加，從而將機(jī)械化的功能發(fā)揮到最大。

2.3 應(yīng)用中的啟示 第一，應(yīng)用采區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，通過(guò)對(duì)大量不同方案和參數(shù)的比較，能夠得出噸煤費(fèi)用最低或較低的方案，包括從不同巷道布置方案中選出費(fèi)用最低的方案和同一采區(qū)巷道布置方案中選取主要參數(shù)最優(yōu)的方案。第二，優(yōu)化模型得出的是綜合最優(yōu)化結(jié)果，參數(shù)的合理值更為科學(xué)。第三，優(yōu)化模型應(yīng)用的一些實(shí)例表明，不同巷道布置方案的優(yōu)劣主要取決于費(fèi)用單價(jià)，尤其是巷道掘進(jìn)費(fèi)和維護(hù)費(fèi)單價(jià)。第四，進(jìn)行采區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有明顯的經(jīng)濟(jì)效果。第五，當(dāng)井田走向長(zhǎng)度一定，要求采區(qū)走向長(zhǎng)度適應(yīng)在其中劃分為整數(shù)個(gè)采區(qū)時(shí)，這個(gè)采區(qū)優(yōu)化模型可作為子模型用于采區(qū)劃分方案的優(yōu)選。第六，計(jì)算機(jī)程序還僅限于輸出數(shù)值計(jì)算結(jié)果，應(yīng)改善使之具有分析判斷功能，直接輸出所需要的圖形和分析結(jié)果。

2.4 適當(dāng)加大階段高度和走向長(zhǎng)度 在開(kāi)采條件、機(jī)械設(shè)備能力和管理水平允許的情況下，適當(dāng)加大階段高度，增加采煤工作面長(zhǎng)度和采區(qū)走向長(zhǎng)度，相對(duì)減少分段個(gè)數(shù)，延長(zhǎng)階段服務(wù)年限、提高采煤工作面產(chǎn)量和效益，充分發(fā)揮機(jī)械化大生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

綜上可以看出，煤礦礦井設(shè)計(jì)和采區(qū)優(yōu)化是為了的將礦井內(nèi)部的巷道分布更加合理，從而促使煤礦生產(chǎn)效率的提升，更重要的是在這個(gè)過(guò)程中確保生產(chǎn)安全性。本文對(duì)此展開(kāi)研究，從煤礦礦井設(shè)計(jì)模型構(gòu)建和存在的問(wèn)題分析，提出了幾種解決對(duì)策，最終提出了優(yōu)化內(nèi)容和方法，希望對(duì)煤礦生產(chǎn)效率和安全性提升有所幫助。