煤与煤层气协调开发生产系统智能化设计

田锦州

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地(榆林)开采工程技术有限公司，陕西 榆林 719399)

煤层气是我国重要的清洁能源，“十四五”期间，煤与煤层气协调开发模式的推广与工程应用将成为必然趋势[1，2]。煤与煤层气协调开发是一项复杂的系统工程，同时随着煤矿原煤产量的不断提高，矿山企业需要投入更多的设备与采掘工作面，这就给传统的手工编制生产计划带来了极大考验，通过人工计算工程量、工期、工程进度的跟踪与预测等方式已不能适应煤炭企业对工程布局与接续做出快速、科学决策的要求。自从计算机技术及运筹学引入采矿工程后，国外学者便开始在矿山中运用了各种定量的管理技术编制和评估矿山作业计划，平衡矿山各种作业量，计算优化指标等，主要从两个方向进行研究工作：一是采用优化方法确定矿山生产计划；二是利用模拟方法确定矿山生产计划。随着计算机技术和运筹学的进一步发展，交互式技术开始受到重视，国外一些著名的矿业软件公司运用这一技术开发了不同的矿山集成软件系统，如MAPTEK公司的VULCAN 软件包、GOLDEN SOFTWARE公司的SURFER软件包等[3，4]。国外矿井因其系统简单、生产效率高和采掘工作面数量少，很少出现采掘关系紧张的情况，这一点不同于我国，因此国内对于矿井采掘接续计划的编制工作的研究虽然起步较晚，但所做工作较多，也较国外深入。胡清淮等人运用线性规划理论为湖南郴州黄沙坪铅锌矿生产计划建立了一个优化模型，并借助计算机实现了模型的求解。韩可琦等人采用微软公司的VB软件将数据与图形实现动态链接，并用图形方式表述采掘接续情况和工作面信息[5，6]。

综观这些软件，虽然都取得一定效果，但由于多种原因不能得到推广。一是大部分系统是在早期计算机语言环境下开发出来的，人机界面不够友好，操作不方便等；二是多目标决策的理论和方法还有待进一步发展，建立通用的矿山生产计划评价指标体系比较困难。因此，如何利用数据库系统，编制矿井“抽、建、掘、采”系统接续的智能化软件，在煤与煤层气协调开发模式优化决策方面形成较为成熟实用的软件和设计系统，是实现煤与煤层气协调开发模式推广应用的重要内容。

1 矿井生产接续设计编制方法

1.1 动态规划法

动态规划法是解决多阶段决策过程最优化问题的一种数学方法。用动态规划法解决问题，必须首先将其转化成多阶段决策问题。煤矿生产过程是一个在时间和空间上不断变化的过程，随着时间的推移，生产系统的状态在不断地发生变化，而这种变化又主要体现在矿井“抽、建、掘、采”时空关系上。在矿井生产的不同时期，可以采取不同的决策方案进行生产，而每种决策方案必然会产生不同的技术经济效果。将每一个时期看作一个阶段，矿井的生产过程可以看作是若干个不同时期，每个时期又有许多不同的决策方案可供选择的多阶段决策问题[7-9]。

首先将所要编制的生产系统计划的时间划分为n个区间长度相等的阶段(例如每个阶段的长度可以是一个月、一个季度或一年等)。根据矿井生产均衡性的要求，可以认为阶段回采生产的煤量是相等的。设Xi是第i个阶段开始时的存储煤量，Zi是第i个阶段开始时已准备好的可采煤量，al为第1个阶段内的回采生产煤量，Ci(Xi，Zi)表示在给定初期存储量Xi和可采煤量Zi情况下第i个阶段内的费用，则：

式中，Zi为需要准备的可采煤量，万t；ai为矿井回采生产煤量，万t；r为矿井平均万吨煤巷道掘进率，m/万t；J为采准巷道的掘进费用，元/m；w为采准巷道的维护费，w=wdt，其中，wd为维护费单价，t为维护时间，元/m；T为巷道掘进装备费，万元。

对于t=l，2，3，……，n，存在：

在建立了式(3)和式(4)的动态规划递推公式以后，可以计算出矿井各个阶段需要准备出的煤量(Zi，i=1，2，……，n)。

相比于传统的工程排队法，动态规划法煤矿生产系统计划优化方案的确有了很大进步，同时也有了更为深入的理论基础。生产系统计划的编制过程中采用了动态规划法，该方法可对大量任务数据进行动态归纳，促进系统寻求优化的生产计划方案。

1.2 关键路线法

关键路线法(CPM)是统筹规划法的重要组成部分。它以工序所需的时间为参数，用工序之间相互联系的网络图算法求出对全局性有影响的关键路线及关键工序，从而对工程的所有工序做出比较切合实际的安排。对于比较大的系统计算量略显复杂，得到的方案也只是在时空关系上的合理方案。

在关键路线法的运算中，经过对网络图中各条路线的路长比较后，找出一条(或若干条)所需工时最长的路，这样的路在工序流线图上称为关键路线，或称主要矛盾路线。所谓路是指从网络图的始点开始顺着箭头所指方向到达终点的一条有向通路；路长是指组成这条有向通路的各个工序所需时间之和。利用事项最早时间、事项最迟时间和工序松弛时间来确定其关键路线。

1)工序，为了完成某项工程，在工艺技术和组织管理上相互独立的活动称为工序。

2)事项，表示工序的开工或完工，它是相邻工序在时间上的分界点，用注有编号的节点表示。

3)事项最早时间(tE(i))，它是一个事项可能的最早开工时间，它等于从始点到本事项的最长路线上各道工序的工作时间之和。

4)事项的最迟时间(tL(i))。一个事项的发生若晚于某一时间，就会推迟工程的完工时间，这种时间就称为事项最迟开工时间。

5)工序松弛时间(S(i，j))。工序(i，j)的松弛时间等于事项j的最迟时间同事项i的最早时间和工序(i，j)的施工时间两者之和的差值。即：

S(i，j)=tL(j)-[tE(i)+te(i，j)]

(5)

式中，te(i，j)为工序(i，j)的施工时间。

在网络图中所有工序松弛时间为零的工序组成的有向通路为关键路线。

传统的工程排队法和动态规划法在编制矿井生产系统计划上解决了矿井各采区(或回采工作面)之间的相互接续关系，而完成这种生产接续关系(即完成某一项工程)需要多长时间，以及是否具有更好的接续方案，工程排队法和动态规划法都无法解决。

根据矿井的生产要求，在生产系统计划的编制过程中必须贯彻“以采定掘、以掘保采、采掘并举、掘进先行”的原则，因此，在使用网络法编制矿井生产计划时，不能单纯以时间参数最长的原则来确定关键路线，而要以回采工作面(或采区)间的接续路线为关键路线，如果在这条路线中含有除回采生产工序以外的掘进工序，就说明采掘已失调，需要对生产计划进行优化，加强掘进工作，以缩短工作面(或采区)的准备时间[10]。生产系统计划的编制过程中采用了关键路线法，该方法可从大量的任务中抽取关键路线，方便技术人员决策。

2 生产系统智能化设计总体架构

矿井“抽、建、掘、采”智能化接续系统主要由两部分组成：一是空间布局，二是时间接续。系统首先需要做空间布局规划，在空间布局系统中将所有的基础信息录入数据库系统，空间布局有规划区、准备区和生产区等，每一个区对应相应的任务，即抽采任务、掘进任务和采煤任务等，这些都属于工艺类型，可以进行自定义，还可以定义钻井任务、工作面安装任务等，同时每一项任务都对应着相应的属性，公共的属性有工程量、单位速度与工期等，还可以定义专有属性，如煤层气抽采浓度、抽采孔的管径、抽采所用的设备等。

空间布局完成后，便可以将这些任务分别赋给相应的作业队组，让队组按照时间序列依次完成这些任务。队组分为抽采队组、掘进队组、采煤队组等，每个队组都要完成特定的任务，每一项任务都对应着相应的属性[11，12]。

当上述工作全部完成以后，便可以直接输出施工任务空间布局横道图与报表，以及队组任务时间接续横道图与报表，生产系统智能化设计总体架构如图1所示。

图1 系统流程

3 生产系统智能化设计研发

生产系统智能化设计采用了C#编程语言，C#是微软发布的一种由C和C++衍生出来的面向对象的编程语言，是运行于.NET Framework和.NET Core之上的高级程序设计语言，该编程语言综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率，以其强大的操作能力、优雅的语法风格、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持，已成为.NET开发的首选语言，更加简洁、稳定与安全。

3.1 空间布局数据库的构建

3.1.1 工艺类型定义

空间布局数据库构建过程中，首先根据矿井实际生产需要构建了采煤工艺、掘进工艺、煤层气抽采工艺及设备安装工艺等工艺类型管理平台，该系统可以实现任意工艺类型的定制。工艺类型对应着各种不同类型的参数，如文本、数值、选项等，同时可以自定义计算公式，实现数值的自动计算。巷道掘进工艺对应的文本参数有巷道名称、备注等，数值类型有巷道宽度、高度、总工程量、月工程量、日工程量、掘进煤量等，选项参数有掘进工艺、煤岩性质、支护方式等[13，14]。

3.1.2 数据库的构建

系统数据库中包含如地面钻井信息、煤层气抽采信息、巷道掘进信息、工作面回采信息等，各工程任务及施工队组细分呈现，创新性地采用了大纲设计模式，有助于将项目分成明确的阶段，使得任务列表易于阅读，大纲任务列表显示的摘要任务和子任务以树结构的形式呈现。当子任务的信息变化时软件将计算并更新摘要任务的信息。

3.2 工程任务时间接续分配

待空间布局任务分配完成后，接下来可按照各个队组的施工条件，把各项任务分配给队组，其中工期、施工时间会自动计算得出，方便施工任务在队组之间进行调整。

3.3 横道图的同步绘制

横道图用于直观显示工程任务的进度，横道图工程任务与编辑区工程任务存在一一对应的关系。各任务分配完成后可同步绘制施工进度横道图，便于工程技术人员随时检查各工程任务的相互约束关系正确与否，如图2所示[15-17]。

图2 时间接续关系横道图

3.4 报表的同步构建

工程计划编排的另一个需要就是输出工程明细报表，它是任务工程量的进一步细化，工程明细报表根据工程任务的编排过程实时更新。工程量明细报表是直接反映工程任务分配状况的一种形式，它以明细表的方式直观地显示工程日工程量、周工程量、月工程量、季度工程量、半年以及年度工程量。工程任务的调整所带来的工程量分配的变化由数据库系统自动测算，工程明细报表随着数据的变化而实时计算更新，工程技术人员无需再进行工程明细的重复计算，只需把精力投入在工程任务的调整中[18-20]。

3.5 进度跟踪与调整

本系统中还集成了动态监测功能，包括施工队伍监测、接续关系监测、空间关系监测和关键路线监测，施工队伍监测用于监测施工队伍的空闲与交错情况；接续关系监测用于监测三种类型的工程接续信息，包括在某段时间范围内接续松弛的任务、接续紧张的任务以及接续不上的任务；空间关系监测用于对不合理空间关系的实时监测；关键路线提供三种类型的关键路线查看方式，包括指定时间范围、指定结束任务和指定结束工程量查看关键路线。当各任务之间发生时间冲突、空间冲突、接续松弛、接续紧张、施工空闲、施工交错等冲突时，软件会自动报警提示，为工程技术人员修改接续系统提供量化的数据支持。

4 结 论

1)通过煤与煤层气协调开发“抽、建、掘、采”各系统接续关系的量化分析与数据库建立，掌握了矿井生产系统布局与接续时空关系，形成了矿井生产系统接续优化技术并开发了相应的智能化软件系统，指导了煤与煤层气协调开发模式及技术的优化集成应用。

2)依据煤与煤层气协调开发时空衔接关系，将传统的、经验的、人工的矿井“抽、建、掘、采”生产系统设计方法向信息化、智能化方向发展，创新性地将孤立静态的接续变革为全矿井“抽、建、掘、采”四大系统的全面动态接续，有机地融合于同一套开放的处理平台，由人工编制变革为信息化自动编制，统筹安排煤层气抽采、建井、掘进、采煤各子系统，使其空间上合理布局，时间上有序接续，实现了生产接续的动态跟踪与精准预测，生产系统接续计划的编制与动态调整效率大幅度提高，也为矿井材料消耗计划与资金计划的编制提供了量化依据，助力煤与煤层气一体化协调开发生产实践，提升了矿井生产信息化、智能化水平。