矿业系统工程在我国的应用及发展*

张子杰　鲁　杰

(1.太原理工大学矿业工程学院；2.山西国阳投资咨询有限责任公司；3.山西大同大学煤炭工程学院)



矿业系统工程在我国的应用及发展*

张子杰1，2鲁杰3

(1.太原理工大学矿业工程学院；2.山西国阳投资咨询有限责任公司；3.山西大同大学煤炭工程学院)

摘要矿业系统工程是系统工程的分支，系统工程作为一门新兴学科发展迅速，将其与矿业结合可促使矿业研究得到进一步发展。我国矿业系统工程正处于发展阶段，将系统工程的相关原理及计算机技术相结合，在众多煤矿企业中应用，取得了良好的效果，而通过在矿业系统工程中的实际应用，也使得系统工程理论得到更好的发展。

关键词矿业系统工程计算机技术发展方向

矿业系统工程是矿业工程学科与系统工程学科相结合而形成的一个新的学科分支[1]。上世纪50年代，在矿业研究中运用运筹学,标志着矿业工程与系统工程的结合,矿业系统工程随即产生。随着计算机技术的发展,60年代将运筹学原理与计算机技术综合应用于矿业研究, 并涌现出一批成果,矿业系统工程作为一个新的学科分支逐渐形成。经历了近50 a的发展,矿业系统工程已成为系统工程的一大分支。

1矿业系统工程的发展现状

系统工程理论方法和计算机技术于上世纪50年代末应用于矿业。随着计算机及互联网技术的发展，矿山开采规划、设计、建设和生产管理等方面的问题，都可通过计算机模拟或建立数学模型进行优化，而互联网的应用更使整个矿业系统工程得到飞速发展。目前，矿山系统工程与计算机技术已应用于矿山设计、生产管理的各个方面。

(1)矿业资源开发规划与管理。矿山资源在开采前必须进行前期规划与设计，此阶段系统工程主要在资源经济与管理、矿区资源评价、资源开发条件评价、资源环境保护等方面发挥重要作用[2]。如目前普遍应用线性规划进行资源开发最优化的模拟与计算，利用网络技术建模，找出适合的环保方案等。

(2)矿山地质储量计算。在矿山开采前期的地质阶段，可利用系统工程相关理论与方法，研究矿石最佳边界品位，根据投资时间确定开采矿体范围；通过估值方法推断矿体轮廓、储量及质量指标，评估地质资源，研究和建立矿床模型，将地质信息数据结构化、计算机模型化和可视化；通过研究矿石质量，建立配矿模型，达到充分利用矿山资源的目的。

(3)优化矿山规划及设计。矿石储量及品位确定后，矿山开采设计和规划主要有以下几个方面：①确定矿山合理的生产能力、建设顺序及规模，应用线性规划和整体规划,综合考虑矿山整体成本及投入产出；②利用数学规划和计算机仿真等技术建模，精确计算，确定矿山开采范围境界及设备类型和数量；③使用专家系统、人工神经网络等理论和方法，确定最终开拓方案；④采用网络技术，使通风系统的设计和控制更为合理；⑤采用预测技术、概率统计等方法建模，完善矿山安全管理。

(4)矿山企业现代化管理。在矿山管理中利用系统工程可到达安全高效管理的目的。如利用数据库、人工智能和专家系统建立矿山管理信息决策系统；应用网络技术优化日常生产工序；利用传感技术对生产过程进行监控并优化；运用数理统计严格管理和控制矿山各个生产环节的质量；使用成本管理理论和信息技术，优化控制矿山生产成本；通过因果分析和时间序列分析等数学方法，结合经济学理论，预测矿山生产的各项指标，使之达到最佳状态。

(5)采矿软件的发展。采矿软件是矿业系统工程与计算机技术结合的产物，早期矿用软件通常是针对个别矿山课题开发的专用程序，适用性有限。随着计算机技术的发展，模块化软件包的使用加强了矿业软件的适用范围，在上世纪80年代以来，西方主要采矿国家推出大量适用于矿业的软件，涵盖矿床开采评估、设计、计划和生产管理软件包，如Datamine、Mincom、Medysystem、PC-Mine、Surpac、M-K Eagles[2]等，目前采矿软件已广泛应用于各大矿山企业[3]，使矿山经营发生了根本性的改变，实现了矿山科学管理和优化开采的同时，降低生产成本。

2矿业系统工程的发展趋势

矿业系统工程不仅要在矿业开采基本原理的基础上不断与系统工程深化结合，更要随现代科技的发展通过计算机及互联网技术，使矿业系统工程的适用性、广泛性不断增强[4]。

(1)学科配合化，方法多样化。矿业系统工程作为一门综合性学科，在今后的发展过程中，更需要多学科配合。以矿山调度为例，从硬件方面来讲，安全高效的调度涉及到计算机、无线通讯等，而软件就包括线形规划、动态规划、数据处理等多方面，合理的调度其实就是多方面综合的结果，这也正体现了系统工程多样化的特点。

(2)项目合作化、系统大型化。矿业系统工程具有复合系统多层次、多环节的特点，单一工程的优化不能适用整个矿井生产的要求，需要进行更大范围、巨系统、系统动力学等方面的深入研究，使矿山决策支持系统的应用范围更加宽广。

(3)系统网络化。计算机的使用使矿业系统工程实现了界面化和互动功能，各类矿山软件是最好的体现。而互联网提高了矿业系统工程解决问题的能力，利用互联网可实现系统功能的共享，从而改变传统的系统问题。如矿山在进行系统建模过程中，可通过互联网大数据查找相关参数，更可使专家系统简洁化，而系统模型建立后更可通过互联网共享，增加系统的适用性。

3矿业系统工程的应用实例

煤与瓦斯突出现象是煤矿生产的重要灾害之一，不仅对生产有严重影响，更会威胁到矿工的人身安全。虽然煤与瓦斯突出现象并无规律可循，但影响煤与瓦斯突出的因素目前已被技术人员基本掌握，故可利用矿业系统工程的相关理论建立模型并结合计算机进行预测，从而找出区域突出的危险性，预防安全事故。

分析煤与瓦斯突出的影响因素可建立层次结构，利用层次分析法，结合模糊数学理论建立层次模型。如图1所示。

图1　煤与瓦斯突出影响因素层次结构模型

根据层次分析法的相关原理，采用1～9标度法确定各项因素的权重并进行归一化处理，通过构造判断矩阵，将定性问题定量化(见表1)，再结合模糊综合评判构造隶属度函数，根据隶属度函数计算，判断该区域煤与瓦斯突出的危险性。

通过计算可得到危险性权重，分别对应无突出危险区、突出威胁区和严重突出危险区，据此便可判定出煤与瓦斯突出危险性等级，对应的最大权重值就是煤层的突出危险等级。

4结语

矿业系统工程作为一门新兴学科，其发展空间和适用范围是巨大的。应加大矿业系统工程的投入，使前沿科技更多的与矿业结合，更能保证矿井安全、高效生产，通过对整体系统的优化，降低成本，增加企业利润，使矿业开采更为绿色、

表1　定性指标定量化

安全。

参考文献

[1]肖福坤，张俊文.矿业系统工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[2]魏超.采矿系统工程的发展现状与新发展趋势研究[J].山东煤炭科技，2014(5)：15-16.

[3]高林.采矿系统工程的现状与发展[J].内蒙古煤炭经济，2014(8)：31，33.

[4]吴立新,汪云甲,丁恩杰，等.三论数字矿山——借力物联网保障矿山安全与智能采矿[J].煤炭学报，2012(3)：357-365.

(收稿日期2015-09-22)

*山西大同大学校级青年科学研究项目(编号：2015Q14)。

张子杰(1983—)，男，硕士研究生，030024 山西省太原市府西街108号。