應(yīng)用整數(shù)規(guī)劃法優(yōu)化礦井配采方案

杜寶同

(國投新集能源股份有限公司新集一礦，安徽　淮南　232001)

?

應(yīng)用整數(shù)規(guī)劃法優(yōu)化礦井配采方案

杜寶同

(國投新集能源股份有限公司新集一礦，安徽淮南232001)

摘要：通常多煤層聯(lián)合開采礦井各采面技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件差異較大，不同的配采方案可以取得不同的經(jīng)濟(jì)效益，針對(duì)這種情況可以采用整數(shù)規(guī)劃法來優(yōu)化配采方案。其方法是根據(jù)各采面的實(shí)際情況建立數(shù)學(xué)模型，在滿足產(chǎn)量和煤質(zhì)等約束條件的前提下，獲得經(jīng)濟(jì)效益最大化的配采方案。通過建立數(shù)學(xué)模型整數(shù)規(guī)劃法可以做到人、財(cái)、物的合理搭配，尤其對(duì)各采面回采技術(shù)參數(shù)、工藝方法差別較大時(shí)更能凸顯該方法的優(yōu)勢。工程實(shí)踐表明，應(yīng)用整數(shù)規(guī)劃法能避免從經(jīng)驗(yàn)直觀上決策配采方案的盲目性，降低開采成本，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：運(yùn)籌學(xué)；整數(shù)規(guī)劃；配采優(yōu)化

整數(shù)規(guī)劃法是管理運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)重要分支，運(yùn)籌學(xué)能夠?qū)芾硐到y(tǒng)中的人力、物力、財(cái)力等資源進(jìn)行統(tǒng)籌安排，為決策者提供有依據(jù)的最優(yōu)方案，以實(shí)現(xiàn)最有效的管理[1]。

多數(shù)生產(chǎn)礦井為多煤層聯(lián)合開采，回采過程中兼顧薄厚、優(yōu)劣搭配的原則進(jìn)行配采，通常情況下各煤層的回采工效、技術(shù)參數(shù)、工藝方法以及煤質(zhì)等條件不盡相同，如何在保證產(chǎn)量和煤質(zhì)的前提下對(duì)不同煤層進(jìn)行合理配采，是每個(gè)礦井日常生產(chǎn)管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容，應(yīng)用整數(shù)規(guī)劃方法能夠充分利用現(xiàn)有回采資源，獲得最優(yōu)的配采方案。

1優(yōu)化配采的數(shù)學(xué)模型

1.1　配采約束條件

一般情況下，工作面回采主要有兩類約束條件。

1.1.1產(chǎn)量約束

1) 各采面產(chǎn)量總和應(yīng)大于礦井計(jì)劃產(chǎn)量。

2) 根據(jù)工作面地質(zhì)構(gòu)造、面長、回采工藝、瓦斯涌出量、機(jī)電設(shè)備、開機(jī)率等條件[2-5]確定工作面最大生產(chǎn)能力，工作面嚴(yán)禁超能力生產(chǎn)。

3) 工作面推進(jìn)度滿足防火要求，不得低于防火安全推進(jìn)度。

1.1.2煤質(zhì)約束據(jù)有關(guān)研究表明，煤炭若作為動(dòng)力燃料，則其發(fā)熱量越大，經(jīng)濟(jì)價(jià)值越大，因此動(dòng)力煤生產(chǎn)礦井多以煤的發(fā)熱量作為一個(gè)重要的煤質(zhì)指標(biāo)，礦井配煤發(fā)熱量為各單一煤種發(fā)熱量以產(chǎn)量配比為權(quán)的加權(quán)平均值[6]。

1) 礦井配煤發(fā)熱量應(yīng)不低于礦井計(jì)劃發(fā)熱量，即滿足洗選或銷售要求。

2) 礦井配煤發(fā)熱量應(yīng)設(shè)定上限，否則可能會(huì)造成高熱值煤采面過早收作，出現(xiàn)配煤發(fā)熱量指標(biāo)過高的情況，這樣既不經(jīng)濟(jì)又不利于下一步配采。

1.2　配采目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)劣，決定了配采數(shù)學(xué)模型的優(yōu)劣，目標(biāo)函數(shù)不合理可能出現(xiàn)相反的結(jié)果。本配采模型設(shè)計(jì)原則是通過合理配采，在滿足產(chǎn)量和煤質(zhì)約束的條件下，使得礦井綜合回采工效最高，勞動(dòng)強(qiáng)度最低?；谏鲜鲈瓌t，以礦井總循環(huán)數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù)，并考慮礦井回采工效，由此引入一個(gè)工效系數(shù)ai，取采面循環(huán)工效的倒數(shù)，目的是盡可能提高高產(chǎn)高效工作面推進(jìn)度，從而確保礦井綜合回采工效最大化，其中i為采面序號(hào)(以下類同)。

由約束條件和目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

Ni≤Ni，max

Ni≥Ni，mini=1，2，…，n

(2)

(3)

非負(fù)和整數(shù)約束：Ni≥0且為整數(shù)，i=1，2，…n

(4)

由于式(3)為非線性形式，將其轉(zhuǎn)為線性形式為

(5)

2工程實(shí)踐

2.1　礦井簡介

國投新集能源有限公司新集一礦為多水平多煤層聯(lián)合開采，共有可采煤層11 層，核定生產(chǎn)能力為3.9 Mt/a。目前主采煤層為13煤(13-1煤、13-1下煤合并開采)、11-2煤、9煤、8煤、6-1煤。

各主采煤層煤厚參數(shù)：13煤為厚煤層，平均厚6.15 m；11-2煤、8煤、6-1煤為中厚煤層，平均煤厚分別2.64 m、2.66 m、2.60 m；9煤為薄～中厚煤層，平均煤厚1.48 m。

各主采煤層的干燥基高位發(fā)熱量參數(shù)：13-1煤層為25.91 MJ/kg、13-1下煤層為23.34 MJ/kg、11-2煤層為26.22 MJ/kg、9煤層為24.22 MJ/kg、8煤層為27.58 MJ/kg、6-1煤層為25.59 MJ/kg，因此13-1下煤層、9煤層為中熱值煤，13-1煤層、11-2煤層、8煤層、6-1煤層為高熱值煤。

各煤層瓦斯、煤塵等自然災(zāi)害情況：各開采煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類，自燃傾向性為自燃，煤層自然發(fā)火期一般3～6個(gè)月；煤塵具有爆炸性，煤塵爆炸指數(shù)為：42.78%～57.34%；礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為59.47 m3/min，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為8.43 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井

目前全礦井有兩個(gè)綜采面和一個(gè)炮采面維持礦井產(chǎn)能，生產(chǎn)格局為“一條薄煤層綜采線，一條中厚或厚煤層綜采線和一條滑移支架放頂煤炮采線”，炮采面主要回采13煤殘采邊角塊段，由于三條線煤層參數(shù)和回采工藝差別較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從直觀上進(jìn)行配采難以做到合理優(yōu)化，因此采用整數(shù)規(guī)劃法優(yōu)化配采方案。

2.2　配采方案確定

礦井配采工作面參數(shù)如表1所示。

表1　回采面參數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)煤日產(chǎn)量T掘?yàn)? 000 t，根據(jù)上級(jí)下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃，礦井計(jì)劃日產(chǎn)量T計(jì)劃為10 000 t，因此確定礦井回采工作面日產(chǎn)量不得低于9 000 t，即T1+T2+T3≥9000。

根據(jù)表1中各采面采煤工藝、面長、采高、地質(zhì)復(fù)雜程度以及瓦斯涌出量等參數(shù)[2-5]，結(jié)合一礦回采實(shí)際，確定150905工作面日循環(huán)上限為8刀，131305工作面日循環(huán)上限為5刀，261308工作面日循環(huán)上限為2硐。另據(jù)《國投新集公司“一通三防”管理規(guī)定》第9章第121條規(guī)定：炮采工作面月推進(jìn)度不得少于45 m，綜采(放)工作面月推進(jìn)度不得少于60 m，因此確定150905和131305工作面日循環(huán)下限均為2.5刀，261308工作面日循環(huán)下限為1.5硐。

即(N1，max，N2，max，N3，max)=(16，10，4)

(N1，min，N2，min，N3，min)=(5，5，3)

據(jù)統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)煤原煤發(fā)熱量Q掘?yàn)? 559 MJ/kg，根據(jù)上級(jí)下達(dá)的原煤發(fā)熱量為15.07 MJ/kg，因此確定礦井配煤發(fā)熱量Qmin下限15.07 MJ/kg，取高于下限的10%作為發(fā)熱量上限Qmax。

根據(jù)表1中各采面循環(huán)工效的倒數(shù)確定工效系數(shù)，即(a1，a2，a3)=(0.337，0.201，0.277)。

將表1中各采面的循環(huán)產(chǎn)量和原煤煤質(zhì)參數(shù)以及上述各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)代入數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用分枝定界法[1]，使用計(jì)算機(jī)編程解得：

N1=8，N2=10，N3=3。

故確定，150905工作面日進(jìn)4刀，131305工作面日進(jìn)5刀，261308工作面日進(jìn)1.5硐，滿足推進(jìn)度上限和下限要求。

相應(yīng)指標(biāo)：礦井總產(chǎn)量T總=10 100.8t，礦井配煤發(fā)熱量Q配=15.14 MJ/kg，符合上級(jí)下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃指標(biāo)。由此可見，該配采方案滿足配采要求，所建立的數(shù)學(xué)模型是合理可行的。

3結(jié)語

應(yīng)用整數(shù)規(guī)劃可對(duì)多煤層聯(lián)合開采礦井進(jìn)行優(yōu)化配采，并能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，尤其各采面回采技術(shù)參數(shù)、工藝方法差別較大時(shí)更能凸顯該方法的優(yōu)勢，做到人、財(cái)、物的合理搭配。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳戈止.管理運(yùn)籌學(xué)[M]. 成都：西南財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社，2006：130-134.

[2]徐永圻.煤礦開采學(xué)[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004：54-55.

[3]張?jiān)匍F，楊勝強(qiáng)，程健偉，等.高瓦斯礦最大生產(chǎn)能力核定的理論分析及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)， 2007， 24(1)：114-116

[4]吳玉國，王俊峰，周春山，等.綜放工作面瓦斯涌出量與生產(chǎn)能力的關(guān)系研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)， 2011， 39(2)：43-45.

[5]國家發(fā)展和改革委員會(huì). 煤礦生產(chǎn)能力核定標(biāo)準(zhǔn)[DB/OL]. (2012.11.27)[2014.11.19]http：//www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel-5826/2012/1127/187439/content-187439.htm.

[6]邢誠.動(dòng)力配煤原理在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)，2006.

(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

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

作者簡介：杜寶同(1980-)，男，山東棗莊人，工程師，碩士，研究方向：采礦設(shè)計(jì)。

收稿日期：2014-11-19

中圖分類號(hào)：TD80-9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098(2015)04-0049-03