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摘要: 采矿系统工程在矿业系统工程中是一门很重要的学科, 在采矿业它占据着非常重要的位置。作为一门新兴学科, 它的广泛应用已促进了采矿技术的高速发展, 特别是在煤矿开采和安全管理方面作出了突出的贡献, 同时也推动了我国煤矿开采技术和安全理论的发展。本文介绍了采矿系统工程的理论,发展现状,发展趋势。
关键词: 采矿系统工程、 现状、 新趋势
采矿系统工程是根据采矿工程内在规律和基本原理, 以系统论和现代数学方法, 研究和解决采矿工程综合优化问题的采矿工程学科分支, 这也是适应采矿系统工程发展需要而新起的一门新学科。首先, 由于采矿工程涉及面广、作业点分散、影响因素多, 需要从总体上进行协调, 这就需要借助系统工程来发挥； 其次, 采矿过程涉及许多学科,以往有脱节的现象。通过与系统工程结合发展, 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； 再次, 采矿工程是一门古老的技术, 常常依赖于经验判断而不是精密计算。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, 使其发展成为一门利用现代高科技与系统工程结合而优化的新型学科, 这也为我国采矿工程带来新的活力和发展。
1 采矿系统工程的发展现状
采矿系统工程经过几十年的发展, 应用范围相当广泛, 已经深入到采矿工程的各个领域, 如矿床赋存条件的分析与评价、矿山建设及项目评价、矿山生产工艺系统和矿山压力及边坡稳定等。在采矿系统工程中, 已广泛使用运筹学, 如线性规划、整数规划、非线性规划、网络流、多目标决策和可靠性理论等。计算机科学中的许多先进技术, 如计算机仿真、计算机辅助设计和数据库等, 也已成为采矿系统工程的常用手段。其次, 信息科学的迅速进展,很快在采矿系统工程中得到应用。
1．1 矿山地质系统
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。
矿产储量计算与地质作图。采矿系统工程广泛使用方块法, 用离散的方块拼凑原来连续的矿体,每一方块拥有自己的几何坐标及所包含的矿量和岩量, 其中矿岩量可用数值计算方法严格积分得出。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、拓扑学等方法, 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。
1．2矿山规划与设计系统
地下开拓系统。类似于露天开拓设计, 常用专家系统确定地下矿开拓运输系统。也可以采用解析法求极值, 从各项工程费用累积而成的数学模型中, 解出最优的开拓方案。为了更好地比较各开拓运输方案的优缺点, 人们常采用计算机模拟法进行分析研究。
地下采矿方法。目前, 常用专家系统和模糊综合评判选择采矿方法。首先通过逻辑推理得出一系列可行方案, 然后通过模糊评判作出最终决策。对于煤矿这类层状矿床, 可采用解析法。根据各项工程费用累积出一个数学表达式, 然后求该式的极值。当具体布置采准切割巷道时, 大多采用CAD 技术, 在设计者的指挥下, 快速比较各方案的优劣。
采掘计划编制。人们常用线性规划、优化地下矿山采掘计划。规划中以最大赢利或最低成本作为目标, 然后将各种开采技术要求作为约束条件。此外, 整数规划在这课题中也得到应用, 它将各矿块的取舍当作0～1 决策变量。另一种常用计算机模拟, 它综合考虑各种随机因素, 检验采掘进程。人们常用CAD 技术编制采掘计划, 以适应矿山复杂、多变的特点。
1．3矿山生产工艺系统
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。现在广泛采用计算机模拟技术研究开采工艺过程, 既有全矿的系统性研究, 也有重点部位的局部仿真。
1．4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。由于ERP 等管理軟件的发展, 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。
2 采矿系统工程发展新趋势
采矿系统工程发展, 必须遵循采矿工程的内在规律性, 根据采矿工程实践中出现的问题及要求而不断发展, 以解决采矿工程的规划、设计、施工和生产中的一系列优化课题。其次, 还必须运用系统工程的观点与方法, 寻求新的适合采矿工程实际的新方法。由于系统工程和其他学科在不断的发展变化, 表现出一些新的趋势。
2．1多种研究方法的综合应用
从采矿系统工程的角度看, 采矿系统是一个多目标、多因数、多变量、随机性因数影响很强、生产对象和作业环境变化很大、多种技术互相作用下的复杂动态系统。单独应用系统工程研究的某一种方法, 效果往往不理想, 这就需要采用综合性研究方法, 以解决综合性课题, 这也正反映了现代系统工程的特点。
2．2多项内容的综合分析决策
采矿系统工程在系统结构上普遍具有多层次、多环节, 和各子系统之间的关系比较复杂, 还由于不同地区的矿山所开采的矿产资源条件不同, 而造成同项内容的系统各异性。在处理和解决某一问题时, 往往涉及的内容多和互相影响大, 所以需要并且正在朝着多项内容综合分析决策的方向发展。
2．3计算机应用与可视化功能的密切结合
采矿系统工程决策的结果, 需要体现在工程设计图上,醒目的图象显示, 将成为交互式工程设计的有效手段。随着计算机的飞速发展, 将更多在计算机上实现二维和三维实体图象显示和输出。动画显示与VR (虚拟现实) 技术得到广泛的应用。
2．4严格优化技术正向实用要求逼近
在采矿系统工程的早期, 人们利用运筹学得出采矿问题的最优解, 然而它们常常偏离采矿的工艺技术要求。CAD 技术的出现, 又促使人们将传统的设计方法转用计算机实现, 但却忽视了优化的目标。目前的趋势是, 在人--机的交互作用下实现决策的优化, 并尽可能提高作业的自动化程度。
2．5采矿系统工程理论与采矿工程实践将进一步结合
采矿工程的实践, 推动着采矿系统工程研究方法的发展。今后, 随着采矿实践的发展需要, 兼收严格优化方法的优化功能与非严格优化方法的灵活使用性(如人机交互功能、用户友好界面) , 将会是一种发展趋势。许多理论研究成果, 正在向矿山企业的实际应用转移, 使用性强的项目推广, 反过来也能推动该理论的发展完善。
2．6多学科的联合研究
随着系统研究对象的不断发展, 跨学科的研究工作已经成为客观发展的必然趋势。例如在地质勘探及建模方面, 地质学理论、各种物探方法(如地震、重力和电磁等) 、计算机模拟技术、数字处理及图象自动生成技术等正在联合起来。又如矿业环境及安全工程方面, 自动化与机器人应用、遥感技术(RS) 、三维图象处理等已有密切结合; 全球定位技术( GPS) 、地理信息系统( GIS) 等技术,也在迅速推广应用之中。在矿山生产监测工作中,多媒体技术有望与成套监测仪器设备及数字处理技术结合起来, 形成综合实时监测系统。3S 系统集成技术在采矿系统中的研究与应用, 也是一种新趋势。
2．7新兴学科及边缘学科在采矿工程中的应用将迅速发展
采矿工程学科也不断从其他学科的发展吸取营养。一些新兴学科、边缘交叉学科理论或技术, 其迅速发展也越来越明显, 如人工智能、地理信息系统、虚拟现实技术和计算机网络技术。可以预见,这些新兴领域将迅速发展, 并与传统领域逐渐融合交叉, 使采矿系统工程出现新的面貌。
3 结 语
采矿系统工程是由采矿工程与系统工程相结合而形成的一个新的学科分支, 在矿业系统工程研究中, 已经占据重要地位。但是, 还有很多不足, 这就需要采矿学科和系统工程学科进一步结合研究, 需要与其它相关学科和新兴学科进行联合研究, 需要将采矿工程实践与采矿系统工程理论研究紧密结合, 共同推动我国及世界的采矿系统的发展。这样有利于提高我国采矿系统技术和安全技术, 并有利于提高采矿系统企事业单位的生产效率, 特别是能提高煤矿企业的生产效率和安全保障, 为企业带来很高的经济效益。
关键词: 采矿系统工程、 现状、 新趋势
采矿系统工程是根据采矿工程内在规律和基本原理, 以系统论和现代数学方法, 研究和解决采矿工程综合优化问题的采矿工程学科分支, 这也是适应采矿系统工程发展需要而新起的一门新学科。首先, 由于采矿工程涉及面广、作业点分散、影响因素多, 需要从总体上进行协调, 这就需要借助系统工程来发挥； 其次, 采矿过程涉及许多学科,以往有脱节的现象。通过与系统工程结合发展, 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； 再次, 采矿工程是一门古老的技术, 常常依赖于经验判断而不是精密计算。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, 使其发展成为一门利用现代高科技与系统工程结合而优化的新型学科, 这也为我国采矿工程带来新的活力和发展。
1 采矿系统工程的发展现状
采矿系统工程经过几十年的发展, 应用范围相当广泛, 已经深入到采矿工程的各个领域, 如矿床赋存条件的分析与评价、矿山建设及项目评价、矿山生产工艺系统和矿山压力及边坡稳定等。在采矿系统工程中, 已广泛使用运筹学, 如线性规划、整数规划、非线性规划、网络流、多目标决策和可靠性理论等。计算机科学中的许多先进技术, 如计算机仿真、计算机辅助设计和数据库等, 也已成为采矿系统工程的常用手段。其次, 信息科学的迅速进展,很快在采矿系统工程中得到应用。
1．1 矿山地质系统
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。
矿产储量计算与地质作图。采矿系统工程广泛使用方块法, 用离散的方块拼凑原来连续的矿体,每一方块拥有自己的几何坐标及所包含的矿量和岩量, 其中矿岩量可用数值计算方法严格积分得出。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、拓扑学等方法, 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。
1．2矿山规划与设计系统
地下开拓系统。类似于露天开拓设计, 常用专家系统确定地下矿开拓运输系统。也可以采用解析法求极值, 从各项工程费用累积而成的数学模型中, 解出最优的开拓方案。为了更好地比较各开拓运输方案的优缺点, 人们常采用计算机模拟法进行分析研究。
地下采矿方法。目前, 常用专家系统和模糊综合评判选择采矿方法。首先通过逻辑推理得出一系列可行方案, 然后通过模糊评判作出最终决策。对于煤矿这类层状矿床, 可采用解析法。根据各项工程费用累积出一个数学表达式, 然后求该式的极值。当具体布置采准切割巷道时, 大多采用CAD 技术, 在设计者的指挥下, 快速比较各方案的优劣。
采掘计划编制。人们常用线性规划、优化地下矿山采掘计划。规划中以最大赢利或最低成本作为目标, 然后将各种开采技术要求作为约束条件。此外, 整数规划在这课题中也得到应用, 它将各矿块的取舍当作0～1 决策变量。另一种常用计算机模拟, 它综合考虑各种随机因素, 检验采掘进程。人们常用CAD 技术编制采掘计划, 以适应矿山复杂、多变的特点。
1．3矿山生产工艺系统
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。现在广泛采用计算机模拟技术研究开采工艺过程, 既有全矿的系统性研究, 也有重点部位的局部仿真。
1．4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。由于ERP 等管理軟件的发展, 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。
2 采矿系统工程发展新趋势
采矿系统工程发展, 必须遵循采矿工程的内在规律性, 根据采矿工程实践中出现的问题及要求而不断发展, 以解决采矿工程的规划、设计、施工和生产中的一系列优化课题。其次, 还必须运用系统工程的观点与方法, 寻求新的适合采矿工程实际的新方法。由于系统工程和其他学科在不断的发展变化, 表现出一些新的趋势。
2．1多种研究方法的综合应用
从采矿系统工程的角度看, 采矿系统是一个多目标、多因数、多变量、随机性因数影响很强、生产对象和作业环境变化很大、多种技术互相作用下的复杂动态系统。单独应用系统工程研究的某一种方法, 效果往往不理想, 这就需要采用综合性研究方法, 以解决综合性课题, 这也正反映了现代系统工程的特点。
2．2多项内容的综合分析决策
采矿系统工程在系统结构上普遍具有多层次、多环节, 和各子系统之间的关系比较复杂, 还由于不同地区的矿山所开采的矿产资源条件不同, 而造成同项内容的系统各异性。在处理和解决某一问题时, 往往涉及的内容多和互相影响大, 所以需要并且正在朝着多项内容综合分析决策的方向发展。
2．3计算机应用与可视化功能的密切结合
采矿系统工程决策的结果, 需要体现在工程设计图上,醒目的图象显示, 将成为交互式工程设计的有效手段。随着计算机的飞速发展, 将更多在计算机上实现二维和三维实体图象显示和输出。动画显示与VR (虚拟现实) 技术得到广泛的应用。
2．4严格优化技术正向实用要求逼近
在采矿系统工程的早期, 人们利用运筹学得出采矿问题的最优解, 然而它们常常偏离采矿的工艺技术要求。CAD 技术的出现, 又促使人们将传统的设计方法转用计算机实现, 但却忽视了优化的目标。目前的趋势是, 在人--机的交互作用下实现决策的优化, 并尽可能提高作业的自动化程度。
2．5采矿系统工程理论与采矿工程实践将进一步结合
采矿工程的实践, 推动着采矿系统工程研究方法的发展。今后, 随着采矿实践的发展需要, 兼收严格优化方法的优化功能与非严格优化方法的灵活使用性(如人机交互功能、用户友好界面) , 将会是一种发展趋势。许多理论研究成果, 正在向矿山企业的实际应用转移, 使用性强的项目推广, 反过来也能推动该理论的发展完善。
2．6多学科的联合研究
随着系统研究对象的不断发展, 跨学科的研究工作已经成为客观发展的必然趋势。例如在地质勘探及建模方面, 地质学理论、各种物探方法(如地震、重力和电磁等) 、计算机模拟技术、数字处理及图象自动生成技术等正在联合起来。又如矿业环境及安全工程方面, 自动化与机器人应用、遥感技术(RS) 、三维图象处理等已有密切结合; 全球定位技术( GPS) 、地理信息系统( GIS) 等技术,也在迅速推广应用之中。在矿山生产监测工作中,多媒体技术有望与成套监测仪器设备及数字处理技术结合起来, 形成综合实时监测系统。3S 系统集成技术在采矿系统中的研究与应用, 也是一种新趋势。
2．7新兴学科及边缘学科在采矿工程中的应用将迅速发展
采矿工程学科也不断从其他学科的发展吸取营养。一些新兴学科、边缘交叉学科理论或技术, 其迅速发展也越来越明显, 如人工智能、地理信息系统、虚拟现实技术和计算机网络技术。可以预见,这些新兴领域将迅速发展, 并与传统领域逐渐融合交叉, 使采矿系统工程出现新的面貌。
3 结 语
采矿系统工程是由采矿工程与系统工程相结合而形成的一个新的学科分支, 在矿业系统工程研究中, 已经占据重要地位。但是, 还有很多不足, 这就需要采矿学科和系统工程学科进一步结合研究, 需要与其它相关学科和新兴学科进行联合研究, 需要将采矿工程实践与采矿系统工程理论研究紧密结合, 共同推动我国及世界的采矿系统的发展。这样有利于提高我国采矿系统技术和安全技术, 并有利于提高采矿系统企事业单位的生产效率, 特别是能提高煤矿企业的生产效率和安全保障, 为企业带来很高的经济效益。