矿井可采煤量与采掘计划.pdf

年月 第三期 山 东矿业学院学报和 矿井可采煤量与采掘计划 蒋国安 摘要 用存贮理论求出 了井下开采中最佳矿井生产周期和 在该周期中应准备的可采煤 量的计算公式 。 用动态规划技术可以获得同样的结果 。 亚建议以控制回采工作面总 长度 来确保矿井生产的稳定性和连续性 。 一 、 引言 矿井的计划工程师必 须根据采煤的需要及时安排掘进工作 , 做到采掘并举 , 掘进先行 。 但是 , 在许多矿井中 , 由于种种原因 , 没有及时安排好掘进工作而常常遭受采掘失调之苦 。 为了及 时掌握和检验各矿井的采掘关系是否合理 , 煤炭工业部制定了关于开拓煤量 , 准 备煤量和回采煤量简称 “ 三量 ” 的统一指标和规定 , 要求各矿井的现有三个煤量符合规 定的可采期 , 即开拓煤量可采期一年准备煤量可采期年以上 , 回采煤量可采期 一 个月以上 , 业要求各局 、 矿在每个季度末报告本局 、 矿 “三 量 ” 实际存有情况 。 那 末 , 这 个可采期是否合理各种不同的地质条件和开采方法是否可以有不同的 “三量” 要求本文 试图讨论这一 问题 。 二 、 矿井可采煤量的确定 、 以最优存贮策略来确 定矿井可采 煤量 矿井主要生产活动有两种掘进准备和回采生产 。 其中回采生产煤量即月产量 , 年产 量的多少取决于 国家计 划或是说市场需要 , 并受洗选设备和运输设备能力的限制 。 因此 , 一般来说 , 从管理和计划角度出发 , 人们可以认为回采生产煤量是 由外部因素决定的 , 叫外 部决策变量 。 而掘进准备工作则是 内部的事 , 是矿井负责计划的采矿工程师必须处 理的工 作 。 根据经验所知 , 在整个矿井服务年限中 , 巷道掘进量是煤层和矿井几何形状的函数 , 是 不断变化的 。 要直接控制巷道掘进量比较困难 , 而控制一定数量的可采煤量比较方便 。 这正 象工厂中贮备一定数量 的原料和商店里贮存和及 时补足商品一样 , 是一个存贮问题 。 对于我 们这个课题 , 就是要根据回采生产煤量如月产量 奔构造二个存贮模型 , 求得一个最优存 贮策 略 , 决定多少时间为一个生产周期 , 每个周期中应该准备出多少可采煤量 , 能使所花费 用是最小的 。 年一月日收到 山 东矿业学 院 学报 年 日 一 一一 晓,口口 为了简化模型及计算 , 作如下假设 回采所需要的可采煤量能及时准备出来 , 不允许出现 “ 缺货 ” 现象 回采生产煤量是均匀的 , 连续的 。 即吨月为常数 , 则生产周期 时间内的 产量是 巷道的掘进费和维护费 。 对于给定的地质条件是不变的 在给定的开采方法条件下 , 掘进工作面装备费不变 。 显然 , 在采掘关系中 , 如果推迟新工作面 的准备 , 则将减少回采工作面的总长 度 , 就 不能满足已定的可采煤量的要求 , 出现采掘关系紧张的局面相反 , 如果巷道掘进超 前 很 多 , 则增加巷道维护费和提前使用基建投资 。 因此 , 可以提出如下模型 一 , 「 火 人 应⋯ 可采煤量的存贮模型 设为需要准备的可采煤量万吨 为矿井回采生产煤量万吨月 为矿井平均万吨煤巷道掘进率米万吨 为采准巷道的掘进费元米 为采准巷道的维护费元年 米 从 图可见 , 可采煤量由于回采随时间不断减少然后 又由新的可采煤量准备出来而得到补 充 。 于 是 , 其生 产周期为 子 厂 每周期的巷道掘进装备投资及掘进费用 忆 、 如果 如果 每周期平均巷道维护量为 。。 百 ‘乙 十盲 ‘乙‘乙 式中左 边第一项为掘进准备期的巷道维护量 左边第二项为回采生产期的巷道维护量 二 , 二 ,,,、 、 , 。、二、 , 。 , 每周期平均非省维护弗为 。 森 二森 共一、 , ⋯』, 。, 。 , 。 ,, ,‘ ’ 一 鬓 一 飞 几 第三期 矿井可采煤量与采掘计 划 每周期的总费用为 、 。 十 乙 十 币又 艺 艺 巷道掘进装备费为 一 ’ 而一 生全 尸 其 中琴仁一为需要的掘进头数 。 一为每个掘进头的装备投资 、 综时指每套设备的单价元套 、 普掘时指每头设备总 费用元头 一为每个掘进头每月推进速度米月 套头 一为设备重复使用次数 于是每周期 的总费用翔 徐 ‘ , 鑫 。 单位时间的费用为 今 , 万寸 十 乙 。 万踌 很明显 , 要求得使为最小的值假定为 ’ 应令 翼 一。即 器一会荞 十粉一。 所 以 一 、 丝卫 界 一红丝些 这里 , ‘ 就是要求的生产周期 , ‘ 就是应在该生产周期 内准备出来的可采煤量 。 现以年产万吨年的矿井为例 , 分两种情况计算其可采煤量和生产周期 。 综掘综采 设综合掘进机单价 一 , 元套 掘进速度 二 米月 煤层采准巷道维护费取断面全米的拱形金属支架巷道 沮二 元年 米 矿井平均月产量 二 万 吨月 于是 一 。 穿 互卫 一,。。 , 。。 心 , 口 , , 义 吨全万川 山 东矿业学院学报年 一 一石 一一月 普掘普采 没每掘进头装备费为 一 , 元头 掘进速度米头月 煤层采准巷道维护费取断面 二一 米 “ 的拱形金属支架巷道 二 元年 米 矿井平均月产量万吨月 于是 一 。 。 , 。。 。导 万吨 个月 。 、 用动态规划确定矿井可采煤遥 。 上述公式是根据存贮论中著名的经济批量订购模型推导出来的 。 但这个模型是建立在固 定回采生产煤量的假设上 , 如果各个时期的产量不同 , 那么平方根公式就不能保证是最低费 用解 。 据调查 , 各局 、 矿在作生产计划时 , 首先将年产量计划分成四个季度的产量 , 然后 分 季度再安排月产量 。 而季度计划根据各季度特点业不是相等的 , 一般来讲 , 第一 季度因假日 较多 , 出勤率低 , 第三 季度因高温雨季 、 条件较差 , 故安排计 划产量略低 。 如某局逐年分季 产量统计如表 。 这种每季度产量计划不 同的情况 , 可以用动态规划求解 。 按表所列数字计算 , 第二 、 四季度比第一 、 三 季度每百 万吨多一万 吨 。 差额不太大 。 为计算方便起见 , 我们可以认 为每个季度的计划产量是相同的只是把四个季度当成四个阶段 。 于是 , 除有关符号 同前外 , 又设 表单位万吨 ⋯ 立 二 ⋯ ⋯二一 一二 一 门 万 一 竺一 ⋯ 一 些一卫些 一 竺竺 一 竺二 旦 一 卜 圣些 一些一匕生一⋯ 一性色 一 迎二一匕 少竺一卜汽 巴 一 一里竺一 卜 一 些 一 ⋯ 一 竺, 一 ⋯ 一些望 一三胜 一「 些毛 一 ’ ⋯ ‘ ‘ ‘ ‘ “‘ 注 、 年第一季度 计划的 制仃 先于全年计划 , 故稍高 。 年为预计数字 。 ‘是第 个阶段开始时的存储煤量 , 是 个 阶段开始时已准备好的可采煤量 , 是 第 阶段内的回采生产煤量 , , 。 表示在给定初期存储量 , 和可采煤量情况下第 个阶段内的费用 。 第三期 矿井可采煤量与采掘计划 , ‘, 厂 ‘ 。 一 , 如果 , 褚 仁 。 一 , 如果 若设 , ‘ 表示从第个阶段开始到整个计划末了的总费用 , 业以表 示〔 , 〕 , 那 么递 归公式 , 〔 ‘ , 。 ‘ 」,‘‘一 〕 ‘之 之 , 一 对于 ,,, 且 。‘ 一 可以用来计算每个阶段的最优策略 。 现仍以万吨年的矿井为例 , 全年分四个季度即四个阶段 , 每季要求产 量为 吨 。 根据前一节计算 , 综合机械化掘进时的掘进装备费为 竺 一 万元 业设采准巷道掘进费取断面全米 “的拱形金 属支架巷道时 二 元米 , 其维护费 。二。 元年 米一元季 米采用逆序解法 , 即 二二二 全 全 〔 , 、 〕 第一次迭代应是第四季度的情况 。 其运算结果是 一 ‘ 瓜 一 第二次迭代求解从第三季度初到第四季度末的最优策略这时 〔 。。, 。七 全 一 。 。一。 夕 山 东 一 矿业学 院 学报年 , ‘ , 州护, ,代,尸,叫,吮叫, 户 , 户 ,, , 吧月,, 州甲,,‘,,,尸月户, ,月 尸一, , 映, 其计算结果是 万一其中某一项 的计算说明如 下设万吨 , 。 万吨 , 掘进装备费 一 万元 , 米万吨 , 于是巷道掘进费是 、 一 万元 , 巷道维 护费为 又 二 万元 所以 。 ,。 二 万元 而 ’ 。 。 一 。 二 举 一 ‘ 二 所以 夸 二 万元 。 第三次迭代求解从第二季度开始到第四季度末的最优 策略 , 这时 , ‘ 二 〔 , ‘ 全 全 一 一 〕 计算结果如下 第三期 矿井可采煤量与采掘计划 一 曰护,,匆月峨场,洲目‘为 ,勺, 一 创如,曰,弓 ,叨 , ,,、、,,别 护 , 十 。一 ⋯ ⋯ 一 一 一 革夺 一 一 一一一 「 昼 , 一 。 一 ﹄ 八匕即成 八口︸ 翻 一 一 。。 一 八 ,自 内‘ ,占,一上 吕 ⋯⋯⋯⋯ 一 一一 一一 ⋯⋯一 一一一一一一 一一 一一一 一一一 一一一 ⋯⋯⋯ 一一一一 ⋯ ” 一一 最后 一次迭代就是求解从第一季度开始到第四季度末的最优策略 , 这 时 , 〔 , , , ‘ 一 〕 七 , 计算结果如下 , ’ , 一 , 一荃 生卜⋯ 竺巴 ⋯ 兰 ⋯ 兰⋯ 幼 ⋯赢 ⋯ 渝 “ 一 一‘ 又 一 , 一一 ⋯ 。 一 , 一 从计算结果可以看出 , 最优的生产周期是个月 , 亦即在第一季度开始前准备好万吨 可采煤量和第三季度开始前准备好另一万吨 的可采煤量 , 其总费用为万元 。 普掘普采的情况可以用 同样的方法求解 , 在假设 一 米月头 , 设备重复使用率 , 丧备单价 一 。元 , 巷道掘进费在断面为 一 一米 “的拱形金属支架时 一 元米 , 维护费 。 元年 米一元季 米 , 掘进装备费万元计算结果其最 优 生产周期也是个月 , 其总费用为万元 、 确定可采煤纽的简化计算法 动态规划方法用计算机计算是很快的 , 而且可以设定更多的阶段 , 也可以安排矿井整个 服务年限的生产计划 。 当然这时用手算就很繁琐甚至是不可能的 。 为 了便于计算 , 以利推广使 山乐矿 业宇院 ,,口,州啼 一 一 一 一 峨二同十一, ,舰 ‘ 竺,,电一只生竺, ,色竺 学报年 用 , 可采用更简化的方法 , 其原理如下 狱无 任恒吵塑 采生产煤量不月产量或年产晕 , 在掘 进芳鱼费旦定租缘性弯些丝鱼誉考嶙坦费鲍惫少 匕斤 , 早有当夺吃煤量蒸铡才直最焦童照 。’ 这个特点可 以用来鉴别哪些策略不是最优的 , 同时 , 它也暗指对于任何阶段开始时的可采煤 量必须等于 。 , 或 , 或 ” ’ “ 一 设表示 当存贮煤量为零的那 个阶段开始到整个计划末了的最优策略下的总费用 。 、二 〔 、、、、 、 一 ⋯ 。 ,、 一 ,十。 , , ⋯⋯一 〕 对于 一 ,, ‘ ”, 表示在第阶段开始回采了 、、 ⋯ 、 产量之后第一次存贮煤量达到 零 的那 个阶段 。 我们仍 以上述例子为例来计算 首先考虑第四季度 , 其最优策略下 总费用是 又 二 第三 季度有两种情况存贮煤量在第三季度末等于零存贮煤量在第四季度 末等于零即 、 。 ‘ 。二 。。 。 二 、、 。 , 第二 季度有三种情况 , 即存贮煤量可 以分别在第二 、 三 、 四季度末等于零于是 。 一 二 。 。 ‘ 二 ,, 二 第一季度有四种情况 , 即存储煤量可以分别在第一 、 二 、 三 、 四季末等于零 , 于是 二 ,‘“, 二 , , 。 , 二 ‘’ 。 , 二 “ ’ , 。 。 , 二 ,,, 魂 本法 计算结果与上述动态规划计算结果完全一样 , 但计算过程却大大简化了 。 只要有加 减乘除的计算器就可计算 。 通过计算分析可以得出结论 、 综掘综采方法比普采方法的生产 周期要长 , 原因是掘进装备费用高 , 必须准备足 够 的可采煤量才能使 总费用最小 、 巷道掘进费对生产周期没有影响 , 因为巷道掘进费与可采煤量完全成正 比例关系 。 第三期 矿井可采煤量与采掘计划 这在存储公式 中也得到 了证 明 。 、 巷道维护费对生产 周期有明显的影响 , 巷道维护费小 , 说 明巷道容易维护 、 生 产周 期就可以长些相反 , 巷道维护费大 , 说 明地质条件差 , 巷道维护困难 , 生产周期就应该短 些 , 这是符合实际情况的 。 、 在其它条件已定情况下 , 掘进装备费有一个临界值 , 在该临界值上生产周期发生变 化 。 如本例 中 , 当万元时 , 生产周期为个月 , 而 当万元 时 , 生产周期 为个 月 , 当 一 万元时生产周期可以是个月也可以是个月 , 此时总费用为万元 。 根据以上 分析 , 应该允许各矿井根据其不同的地质条件和所采用的不 同的开采方法及设 备选择合理的生 产周期 , 以使生产总费用最小 三 、 采掘计划 上节所计算的生产周期可以和我们通常所说的回采煤量可采期相比拟 , 但两者意义 不 同 。 按生产周期的概念来看 , 就是在该周期开始前准备好所需要的可采煤量 , 供本周期回采生产 用 , 同时在本周期结束前为下一周期准备好可采煤量 , 如此循环下去 , 可以使生产总费用最 小 。 另外 , 为了更可靠起见 , 在一开始应多准备一个月矿井月产量的可采煤量 , 以便以 后各周期中都保持这个 富余煤量 。 但是 , 根据实际经验 , 在某些情况下 , 虽然有了可采煤量 “量” 的满足 , 还不能足以保 证矿井的正常接替 。 其原因 、 可 采煤层厚度大 , 采区走向长度长 , 准备一 个采区或区段可获得足够的可采煤量 , 但可能在配采上受开采程序的限制 , 不能安排需要的工作面回采 多 、 采厚留薄 , 吃肥丢瘦 , 可采煤量分布不合理 , 可采煤量虽合规定 , 而接续仍 难 保 证 。 因此 , 在以往的研究中 , 除了计算 “ 三量 ” 及其可采期外 , 人们还建议计算另外一些指 标 , 如矿井实际的掘进率 , 采掘面 、 头 比 , 采掘人员比 , 采掘时空关系系数等等 。 这些指标能说 明一些间题 , 但有些指标仍不能判明今后一段时间生产矿井的采掘关系是否协调 , 有些指标 业未 反映经济上 的合理性 , 有些指标则计算烦 琐 , 缺乏实用性 。 为此 , 本文建议以控制回采工作面总长度来保证矿井正常接替 。 所谓回采工作面总长度 是指某一回采期内保证矿井产量的各回采工作面长度之和 。 即 一 卫 艺 式 中一回采工作面数目 。一各工 作面长度 一某接替周期代号 , 以至少有一个工作面进行接替来划分 接替周期时间的长短是不一定的 。 但接替后的工作面总长应能保证矿井的产量 , 这时的 工作面长度应遵守下列关系 二 久 式中 山 东 ’ 矿业 一 学 院 学报 年 扭 叉 艺狱 七,。 。 。,。 一接替前后工作面采厚度 。 ,, 一接替前后工作面推进速度 , , , 一接替前后工作面煤的容重 。 , , 。 一接替前后工作面回采率 一接替前回采工作面总长度 艺 、 ,。 事实上 , 工作面之间的接替是一个一个进行的 , 很少有儿个工作面同时接替 , 那样对生 产影响太大 。 因此 , 计算只需在接替的工作面之间进行 。 即 。 入 ‘ 葱。 、二 ,、一 乙 、 式中 入 ’ 一 由公式可知 、 如果煤层斌存条件稳定 , 采区内也没有重大的地质构造的破坏 , 又采用同样的开采 方法和设备 , 那么入。 , 则工作面总长度不变 、 如果工作面接替是在 不 同条件的煤层之 间或即使同一层煤而煤层斌存情况变化很大 的情况下进行 , 而且采用不同的开采方法和设备 。 那么入或入 。 计 算所得的工作面 长度就会有变化 , 应根据实际情况考虑增减工作面数目 。 工作面总长度确定之后 , 掘进工作就应以保证准备出需要的工作面长度来安排 。 如何使 掘进工作安排得紧凑 , 可采用网络方法 , 此法将在另文 中叙述 。 值得注意的是在实际生产中 , 工作面长度往往在采区设计中已经确定 , 或由于客观条 件的 限制 , 可能布置的接替工作面 长度与计 算所需要的工作面 长度之间存在差异 , 如果差异 不大 , 可调整回采工作面推进度来弥补若差异较大 , 可 以允许在下一个接替工作面调整 。 当然应尽量避免这种情况 , 以防止矿井产量的波动 。 四 、 结论 采掘关系历来是煤矿矿井生产中比较难 处理 的问题 , 由于地质 、 技术 、 经济及生产管理 水平不同所造成的影响 , 使采掘关系复杂化了 。 但如果按本文建议的方法 , 以预定的生产周 期 , 一边准备足够的可采煤量一边进行回采生产 。 同时 , 在工作面接替时注意控制回采工作 面总长度 。 这样就既可以使矿井生产费用小 , 又能 保证矿井生产的连续性和稳定性 。 好第三期 矿井可来煤量与采掘计划 参考资料 中国矿业学院等院校编采煤学 苏〕布尔查科夫等著矿井设计 〔〔苏 〕布尔查科夫等著果矿工艺学 中国矿院 , 徐永沂采掘关系探讨及电子计算机应用 〔〕清华大学李德钱颂迪主编运筹学 〔〕 〔〕煤 炭部煤矿机械产品目录 , 〕煤炭部关于改革矿井开拓都置的若干技术规定试行 , 佣 〔〕 沈阳煤矿设计研究院矿井巷道维修 〔〕 。 ,五 “亡 五 了 纽 妞 住