許樓家 張 蒼

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引言

采區(qū)是礦井中負責生產(chǎn)輸出的區(qū)域，因此礦井設計和采區(qū)設置是否合理直接關系到煤礦生產(chǎn)效果。本文對此展開研究，分析了煤礦礦井最佳設計、采礦區(qū)的優(yōu)化設計模型、優(yōu)化模型存在的問題與改進途徑，最后分析了礦區(qū)設計優(yōu)化的內(nèi)容和方法以及原則，希望對煤礦礦井設計和采區(qū)優(yōu)化提供思路。

1 礦井設計優(yōu)化

1.1 近水平煤層礦井設計方案優(yōu)化 開采近水平煤層礦井開拓系統(tǒng)方案，與開采煤層傾角較大的礦井相比，有如下特點：a.井田邊界和形狀不規(guī)則。有的可能大致成長方形，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劃分開采水平，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；有的由于傾斜長度大而劃分不同水平開采，多數(shù)不超過兩個水平；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拓方案，適用于同類礦井的設計優(yōu)化，需要提出一個典型的開拓方案結(jié)構(gòu)模型。為此，提出如圖1所示的典型開拓系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)。

圖1 近水平煤層礦井典型開拓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 傾斜煤礦設計 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，因為所有的煤層都是有傾斜度的，因此在傾斜煤礦優(yōu)化設計過程中，需要考慮到井口所需要的傾斜度設計，煤礦礦井設計符合實際采礦需求，然后提出整體設計方案。

1.3 優(yōu)化模型存在的問題與改進途徑 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)能力和各種開拓系統(tǒng)方案進行綜合優(yōu)化，充分反映開拓系統(tǒng)各項組成部分之間的相互影響，但所得出的結(jié)果與目前礦井設計表述形式的需要不完全一致。需要在整體優(yōu)化模型中有相對獨立的分項(分系統(tǒng))優(yōu)化模型或構(gòu)造單項優(yōu)化模型，使之既有各自的獨到功能，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)達到合中有分、分中有合的功能和效果。第二，投資和費用的計算。礦井設計方案優(yōu)化中的重點和難點是編制適應評價指標需要的經(jīng)濟數(shù)學模型。投資和費用計算中存在的最大問題是將費用單價和取值完全融入各子系統(tǒng)內(nèi)部，難以適應物價隨時間變動所需要單價和取值的相應更改變動。改進途徑是將工程量、工作量計算與費用計算完全分離，優(yōu)化模型以技術(shù)決策和工程量計算為主體，投資和費用計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，或在部分子系統(tǒng)模型中結(jié)合一起應用，會取得更好的效果。第四，應用軟件的開發(fā)。鑒于礦井設計方案優(yōu)化的意義和經(jīng)濟效果，目前，優(yōu)化模型的編制已經(jīng)起步，計算機功能大幅度提高并已普及應用，要以應用軟件作為開發(fā)目標，研制礦井設計方案優(yōu)化模型。

2 采區(qū)設計優(yōu)化

2.1 采區(qū)設計優(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)機械裝備的選擇，可納入采區(qū)設計優(yōu)化范圍內(nèi)，也可單獨優(yōu)化后，進入采區(qū)設計優(yōu)化模型，使采區(qū)設計優(yōu)化，解決采區(qū)巷道布置方案及其主要參數(shù)選擇的問題。第二，優(yōu)化步驟。a.確定優(yōu)化準則，采用單指標或多指標。b.編制專用或通用的技術(shù)經(jīng)濟數(shù)學模型，或利用已有模型。c.編制專用模型時確定技術(shù)上可行的巷道布置方案。d.確定進行優(yōu)化的主要參數(shù)和各項參數(shù)取值的上下界、間隔數(shù)值。e.上機運行，輸出優(yōu)化結(jié)果。第三，優(yōu)化方法與評價指標。最優(yōu)化準則取多項評價指標時，提出指標。

2.2 優(yōu)化方法 針對優(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，希望對煤礦礦井設計和采區(qū)優(yōu)化效率提升有所幫助。(1)實現(xiàn)聯(lián)合布置。為減少巖巷，降低巖巷掘進率，對一層組并入二層組實行聯(lián)合布置的可行性進行具體分析論證，在地質(zhì)條件允許的情況下，可利用二層組大巷掘進石門與一層組聯(lián)系。(2)實現(xiàn)一巷多用。采取各種巷道進行布置和設計的過程中，對于以往的巷道應當盡可能地利用，然后結(jié)合本區(qū)和其他區(qū)域現(xiàn)有條件進行改造，最大程度地減少浪費，實現(xiàn)一巷多用，降低成本的同時，提升工作效率。(3)開采單一層取消巖石集中大巷。對地質(zhì)構(gòu)造較簡單，煤層賦存穩(wěn)定，且兩個煤層都屬于單一層的情況，在布置煤層巷道時，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)適當加大階段高度和走向長度。階段高度的增加可以提高煤礦生產(chǎn)率，因此事先可以進行開采條件和技術(shù)設備的勘查，如果情況允許可以適當增加階段高度，增加采煤工作面長度和采區(qū)走向長度，相對減少分段個數(shù)，對于階段服務的年限可以適當嚴懲，從而確保較低成本實現(xiàn)采煤工作量的增加，從而將機械化的功能發(fā)揮到最大。

2.3 應用中的啟示 第一，應用采區(qū)設計優(yōu)化模型，通過對大量不同方案和參數(shù)的比較，能夠得出噸煤費用最低或較低的方案，包括從不同巷道布置方案中選出費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。第三，優(yōu)化模型應用的一些實例表明，不同巷道布置方案的優(yōu)劣主要取決于費用單價，尤其是巷道掘進費和維護費單價。第四，進行采區(qū)設計優(yōu)化具有明顯的經(jīng)濟效果。第五，當井田走向長度一定，要求采區(qū)走向長度適應在其中劃分為整數(shù)個采區(qū)時，這個采區(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，計算機程序還僅限于輸出數(shù)值計算結(jié)果，應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 適當加大階段高度和走向長度 在開采條件、機械設備能力和管理水平允許的情況下，適當加大階段高度，增加采煤工作面長度和采區(qū)走向長度，相對減少分段個數(shù)，延長階段服務年限、提高采煤工作面產(chǎn)量和效益，充分發(fā)揮機械化大生產(chǎn)的優(yōu)勢。

結(jié)語

綜上可以看出，煤礦礦井設計和采區(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，更重要的是在這個過程中確保生產(chǎn)安全性。本文對此展開研究，從煤礦礦井設計模型構(gòu)建和存在的問題分析，提出了幾種解決對策，最終提出了優(yōu)化內(nèi)容和方法，希望對煤礦生產(chǎn)效率和安全性提升有所幫助。