应用整数规划法优化矿井配采方案

杜宝同

(国投新集能源股份有限公司新集一矿，安徽　淮南　232001)



应用整数规划法优化矿井配采方案

杜宝同

(国投新集能源股份有限公司新集一矿，安徽淮南232001)

摘要：通常多煤层联合开采矿井各采面技术和经济条件差异较大，不同的配采方案可以取得不同的经济效益，针对这种情况可以采用整数规划法来优化配采方案。其方法是根据各采面的实际情况建立数学模型，在满足产量和煤质等约束条件的前提下，获得经济效益最大化的配采方案。通过建立数学模型整数规划法可以做到人、财、物的合理搭配，尤其对各采面回采技术参数、工艺方法差别较大时更能凸显该方法的优势。工程实践表明，应用整数规划法能避免从经验直观上决策配采方案的盲目性，降低开采成本，显著提高经济效益。

关键词：运筹学；整数规划；配采优化

整数规划法是管理运筹学的一个重要分支，运筹学能够对管理系统中的人力、物力、财力等资源进行统筹安排，为决策者提供有依据的最优方案，以实现最有效的管理[1]。

多数生产矿井为多煤层联合开采，回采过程中兼顾薄厚、优劣搭配的原则进行配采，通常情况下各煤层的回采工效、技术参数、工艺方法以及煤质等条件不尽相同，如何在保证产量和煤质的前提下对不同煤层进行合理配采，是每个矿井日常生产管理的一项重要内容，应用整数规划方法能够充分利用现有回采资源，获得最优的配采方案。

1优化配采的数学模型

1.1　配采约束条件

一般情况下，工作面回采主要有两类约束条件。

1.1.1产量约束

1) 各采面产量总和应大于矿井计划产量。

2) 根据工作面地质构造、面长、回采工艺、瓦斯涌出量、机电设备、开机率等条件[2-5]确定工作面最大生产能力，工作面严禁超能力生产。

3) 工作面推进度满足防火要求，不得低于防火安全推进度。

1.1.2煤质约束据有关研究表明，煤炭若作为动力燃料，则其发热量越大，经济价值越大，因此动力煤生产矿井多以煤的发热量作为一个重要的煤质指标，矿井配煤发热量为各单一煤种发热量以产量配比为权的加权平均值[6]。

1) 矿井配煤发热量应不低于矿井计划发热量，即满足洗选或销售要求。

2) 矿井配煤发热量应设定上限，否则可能会造成高热值煤采面过早收作，出现配煤发热量指标过高的情况，这样既不经济又不利于下一步配采。

1.2　配采目标函数

目标函数的优劣，决定了配采数学模型的优劣，目标函数不合理可能出现相反的结果。本配采模型设计原则是通过合理配采，在满足产量和煤质约束的条件下，使得矿井综合回采工效最高，劳动强度最低。基于上述原则，以矿井总循环数最小为目标函数，并考虑矿井回采工效，由此引入一个工效系数ai，取采面循环工效的倒数，目的是尽可能提高高产高效工作面推进度，从而确保矿井综合回采工效最大化，其中i为采面序号(以下类同)。

由约束条件和目标函数，建立数学模型如下：

(1)

Ni≤Ni，max

Ni≥Ni，mini=1，2，…，n

(2)

(3)

非负和整数约束：Ni≥0且为整数，i=1，2，…n

(4)

由于式(3)为非线性形式，将其转为线性形式为

(5)

2工程实践

2.1　矿井简介

国投新集能源有限公司新集一矿为多水平多煤层联合开采，共有可采煤层11 层，核定生产能力为3.9 Mt/a。目前主采煤层为13煤(13-1煤、13-1下煤合并开采)、11-2煤、9煤、8煤、6-1煤。

各主采煤层煤厚参数：13煤为厚煤层，平均厚6.15 m；11-2煤、8煤、6-1煤为中厚煤层，平均煤厚分别2.64 m、2.66 m、2.60 m；9煤为薄～中厚煤层，平均煤厚1.48 m。

各主采煤层的干燥基高位发热量参数：13-1煤层为25.91 MJ/kg、13-1下煤层为23.34 MJ/kg、11-2煤层为26.22 MJ/kg、9煤层为24.22 MJ/kg、8煤层为27.58 MJ/kg、6-1煤层为25.59 MJ/kg，因此13-1下煤层、9煤层为中热值煤，13-1煤层、11-2煤层、8煤层、6-1煤层为高热值煤。

各煤层瓦斯、煤尘等自然灾害情况：各开采煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，自燃倾向性为自燃，煤层自然发火期一般3～6个月；煤尘具有爆炸性，煤尘爆炸指数为：42.78%～57.34%；矿井绝对瓦斯涌出量为59.47 m3/min，矿井相对瓦斯涌出量为8.43 m3/t，为煤与瓦斯突出矿井

目前全矿井有两个综采面和一个炮采面维持矿井产能，生产格局为“一条薄煤层综采线，一条中厚或厚煤层综采线和一条滑移支架放顶煤炮采线”，炮采面主要回采13煤残采边角块段，由于三条线煤层参数和回采工艺差别较大，根据经验从直观上进行配采难以做到合理优化，因此采用整数规划法优化配采方案。

2.2　配采方案确定

矿井配采工作面参数如表1所示。

表1　回采面参数

据统计掘进煤日产量T掘为1 000 t，根据上级下达生产计划，矿井计划日产量T计划为10 000 t，因此确定矿井回采工作面日产量不得低于9 000 t，即T1+T2+T3≥9000。

根据表1中各采面采煤工艺、面长、采高、地质复杂程度以及瓦斯涌出量等参数[2-5]，结合一矿回采实际，确定150905工作面日循环上限为8刀，131305工作面日循环上限为5刀，261308工作面日循环上限为2硐。另据《国投新集公司“一通三防”管理规定》第9章第121条规定：炮采工作面月推进度不得少于45 m，综采(放)工作面月推进度不得少于60 m，因此确定150905和131305工作面日循环下限均为2.5刀，261308工作面日循环下限为1.5硐。

即(N1，max，N2，max，N3，max)=(16，10，4)

(N1，min，N2，min，N3，min)=(5，5，3)

据统计掘进煤原煤发热量Q掘为1 559 MJ/kg，根据上级下达的原煤发热量为15.07 MJ/kg，因此确定矿井配煤发热量Qmin下限15.07 MJ/kg，取高于下限的10%作为发热量上限Qmax。

根据表1中各采面循环工效的倒数确定工效系数，即(a1，a2，a3)=(0.337，0.201，0.277)。

将表1中各采面的循环产量和原煤煤质参数以及上述各项生产指标代入数学模型，应用分枝定界法[1]，使用计算机编程解得：

N1=8，N2=10，N3=3。

故确定，150905工作面日进4刀，131305工作面日进5刀，261308工作面日进1.5硐，满足推进度上限和下限要求。

相应指标：矿井总产量T总=10 100.8t，矿井配煤发热量Q配=15.14 MJ/kg，符合上级下达的生产计划指标。由此可见，该配采方案满足配采要求，所建立的数学模型是合理可行的。

3结语

应用整数规划可对多煤层联合开采矿井进行优化配采，并能够取得较好的经济效益，尤其各采面回采技术参数、工艺方法差别较大时更能凸显该方法的优势，做到人、财、物的合理搭配。

参考文献：

[1]陈戈止.管理运筹学[M]. 成都：西南财经大学出版社，2006：130-134.

[2]徐永圻.煤矿开采学[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2004：54-55.

[3]张再镕，杨胜强，程健伟，等.高瓦斯矿最大生产能力核定的理论分析及应用[J].采矿与安全工程学报， 2007， 24(1)：114-116

[4]吴玉国，王俊峰，周春山，等.综放工作面瓦斯涌出量与生产能力的关系研究[J].煤炭科学技术， 2011， 39(2)：43-45.

[5]国家发展和改革委员会. 煤矿生产能力核定标准[DB/OL]. (2012.11.27)[2014.11.19]http：//www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel-5826/2012/1127/187439/content-187439.htm.

[6]邢诚.动力配煤原理在火力发电厂中的应用[D].北京：华北电力大学，2006.

(责任编辑：何学华，吴晓红)

Optimization of Collocating Mining Scheme by Using Integer Programming Method

DU Bao-tong

(No.1 Coal Mine, SDIC Xinji Energy Company Limited, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:Usually the technical and economic conditions of different coal face in the combined multiple coal seams mining are different, and different collocating mining scheme obtains different economic benefit. For the situation the integer programming can be used to optimize the scheme of collocating mining. The method is based on the actual situation of each coal face to establish mathematical model and the collocating mining scheme of the maximum economic benefit can be obtained under the premise of constraint conditions for the production output and quality of coal. By using the integer programming method the reasonable collocation of the labor, assets and materials can be realized, especially the method shows its obvious advantage in the case of great difference of mining technical parameters and mining process in the coal faces. Engineering practice showed that application of the integer programming can avoid from intuitive decision making with the blindness in making collocating mining scheme, reduce mining costs, and significantly improve the economic benefits.

Key words:operations research; integer programming; collocating mining optimization

作者简介：杜宝同(1980-)，男，山东枣庄人，工程师，硕士，研究方向：采矿设计。

收稿日期：2014-11-19

中图分类号：TD80-9

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0049-03