采矿系统工程总结

1、2022-6-41总总 论论一、系统与系统工程一、系统与系统工程1、系统的基本概念1.1 系统的概念 系统这一概念来源于人类长期的社会实践 ，朴素的系统概念朴素的系统概念，在古代的哲学思想中得到了反映。 “宇宙大系统”、“事物的整体性、目的性、组织性、相互关系”、“自然界的整体性与统一性”、“阴阳五行”、“浑天说”、“齐民要术”、“黄帝内经”。 现代系统的概念现代系统的概念：“能量守恒、细胞、进化论”、“辩证唯物主义”、“系统思想和系统工程”。 系统思想的发展：经验哲学科学。2022-6-42总论 一、系统与系统工程1.2 系统的定义 一般系统论的创始人贝塔朗菲（奥地利）认为：“系统可以定义为

2、相互关联的元素的集合。” 前苏联学者AN乌约莫夫关于系统的定义是，“可以把系统定义为客体的集合，在这个集合上实现着带有固定性质的关系。” 日本工业标准对系统的定义是，“许多组成部分保持着有机的序，并向着同一个目标行动，就称作系统。” 韦氏辞典把系统定义为：“系统是有组织的或是组织化了的总体，以及构成总体的各种概念、原理和规则的相互作用及相互依赖诸要素的集合。” 钱学森等学者对系统的定义是，“系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体。” 2022-6-431.3 系统的特征与复杂性 对于这些定义，尽管表述不同，但是他们都共同地指出了系统的三个基本特征，第一，系统是

3、由元素所组成的；第二，元素间相互影响、相互作用、相互依赖所构成的元素关系；第三，由元素及元素间关系构成的整体具有特定的功能。 系统无所不在，各种系统组成客观世界。 系统的具体特征： 系统的复杂性： （1）整体性； （1）构成系统的元素往往是个系统( （2）相关性； 子系统），系统的多层次性； （3）目的性； （2）系统涉及的因素往往是多维的； （4）有序性； （3）系统是由不同质的要素集合； （5）动态性； （4）系统可以是包括人在内的人-机 （6）环境适应性。 系统。总论 一、系统与系统工程2022-6-44二、采矿系统工程二、采矿系统工程1、采矿系统工程的内涵 采矿系统工程是由采矿工程学与

4、系统工程学相结合面形成的一个新的学科分支，已成为系统工程在各行各业中开展较为充分的一大分支。 采矿工程学与系统工程学的结合，是从50年代运筹学用于采矿业的研究开始的。随着计算机技术的迅速发展，60年代将运筹学原理与计算机技术综合应用于矿业研究的批成果涌现出来，使采矿系统工程作为个新兴学科逐渐形成，并得到蓬勃发展。 采矿系统工程、矿业系统工程、矿山系统工程 传统的矿业工程学“硬科学”。 矿业系统工程是把“矿业”看作是一个系统，它注重研究矿业系统的行为与功能，协调系统与子系统、系统与大系统的关系，处理各种矿业系统的组建、运行与管理问题。从这个意义上讲它是矿业开发的“软科学”。总论 二、采矿系统工程

5、2022-6-45总论 三、系统模型及其建立2、系统模型2.1 系统模型的定义 系统模型是把系统的各个构成要素通过适当的分解、筛选、抽象和归纳等工作系统模型是把系统的各个构成要素通过适当的分解、筛选、抽象和归纳等工作之后，用某种表现形式描述出来的简明映象之后，用某种表现形式描述出来的简明映象。即模型是系统理想化的抽象抽象或简化表简化表示示，是实际系统的代替物，它描述了现实世界的某些主要特点，一般地说，模型具有以下三个持征： （1）模型是现实世界的一部分的抽象或模仿； （2）模型是由那些与分析的问题有关的因素所构成； （3）模型表明了有关因素之间的逻辑关系或定量关系。 总之，由于模型是现实世界的

6、一种描述，必须反映实际，要具有现实性；又由于它是现实世界的抽象，所以就不应等同于实际，而要比客观实际简单、抽象，具有近似性，即模型中只能包括现实系统中的主要因素，而把非本质的因素排除在模型之外，以便于模型处理；由于系统存在于一定外界环境之中，这就要求模型对环境有定的适应能力。因此，一个较好的模型应具有现实性、易处理性和适应性现实性、易处理性和适应性。2022-6-46总论 三、系统模型及其建立3.2 系统建模的主要方法 （1）推理法 （2）实验法 （3）统计分析法 （4）混合法 （5）类似法 3.3 构造模型的基本步骤 (1)明确系统的目的和要求，即明确系统要解决的问题是什么； (2)建定语言

7、模型，即用准确精炼的语言对系统进行描述； (3)将系统分解为若干子系统，弄清系统中的主要因素及其相互关系。 (4)明确系统的外部环境，系统环境产生的约束条件； (5)确定模型细构； (6)估计模型中的参数，用数量表示系统中的因果关系； (7)检验模型与现实情况的差异，根据检验结果，对模型做必要的修正。2022-6-47第一章第一章 矿床模型及矿床资源条件可开发性评价矿床模型及矿床资源条件可开发性评价第一节 地质统计学基础知识一、区域化变量理论1、定义 区域化变量在一定空间范围内既有随机性随机性又有结构性结构性的变量。 结构性受到同一成因作用而产生的(即服从一定的规律，相关性或连续性) 。 随机

8、性由于种种客观原因的影响，每一点的参数值又是随机的。 区域化变量只能用随机函数随机函数来进行研究。 在线性地质统计学中，一般只用到随机函数的一、二阶矩。对于具有相同的一、二阶矩的随机函数，可认为构成相同的数学模型。2022-6-481.1 一、区域化变量理论课本17页图1-1-62022-6-491.1 一、区域化变量理论4、变异函数的理论模型 不同的矿床具有不同的变异函数，按函数曲线形状的不同，变异函数主要可分为以下几种理论模型： （1）球状模型，如图 (a) 所示。ah , 2ah2a3h Cr(h)ah Cr(h)33（2）指数模型，如图 (b) 所示。 r(h) = C1exp(h/a

9、)（3）高斯模型，如图 (c) 所示。 r(h) = C1exp(h2 /a2)2022-6-4101.1 三、克里金法估值三、克里金法估值 克里金法是以地质统计学为理论根据，用被估块段附近(或内部)样品的线性组合，对块段进行最佳无偏的估值计算。niiinnxzxzxzxzVz12211*)()(.)()()(估值公式：nii11无偏条件：2 *2)()( VzVzEE估计方差：ninjjijiniiiExxVVrVxr1112),(),(),(2niiininjjijiEVxCVVCxxC1112),(2),(),(2022-6-4111.1 三、克里金法估值克里金法的实质，是求满足无偏条件

10、，并使得估计方差为最小的一组权系数i。niinjijijVxCxxC11n , 1i , 1),(),(克里金方程组：nikiiEVxCVVC122),(),(克里金方差：niinjijijVxrxxr11n , 1i , 1),(),(nikiiEVVrVxr122),(),(2022-6-4121.1 三、克里金法估值 估计临域的选择，首先应保证该估块段的估计参数具有足够的精度，其次，应尽量简化计算以缩减机时。 由前述可知，区域化变量在变程 a 范围内有明显的相关性，超出变程 a 则可认为不再相关。因此，对某一块段做克里金估值时，其估计邻域一般限制在不超过以被估点为中心，以变程 a 为半径

11、的空间范围内。当变异函数呈各向同性时，这一空间范围为一球体或立方体，当各向异性时，为一椭球休或长方体。 鉴于“屏蔽效应”等现象，在选择估计邻域时应考虑样品点分布的各向均匀性。一般是将估计邻域的空间按不同方位划分成若干个空间域，在每个域中选择距离最近的一两个样品点参与估值。2022-6-4131.1 三、克里金法估值 克里金估值的可靠性要利用已有样品的信息来交叉验证。为此，针对矿床各样品点，用其周围样品点数据进行克里金估值，然后把这一估值与其真实取样值做比较，得出估计误差（或方差），并做统计分析。 又可将估计误差与克里金方差相比较，以验证二者是否相符。 用克里金法对地质参数估值，较之其他传统方法

12、(例如多边形法、距离加权法等)，有以下明显优点： 可提供最佳无偏的内插估计。这里“最佳”意味着可获得最小估计方差。用克里金法估值的精确性，业经许多矿床应用实例的对比分析所证实。 能定量地给出计算精度，即计算克里金方差，作为衡量估计误差的尺度。 可用以判断勘探取样网格的合理性，为钻孔布置方案的优化提供理论根据。第二章 矿田开采境界与产量规模的优化 矿田开采境界与矿山产量规模，是在矿山设计中非常重要的两项决策要素。 矿山产量规模是矿山诸多决策要素中的核心要素之一，合理确定矿山的产量规模直接影响矿山的经济效益、投资规模以及建设速度等。因此，矿山产量规模的优化，应该成为矿山诸多要素中重点优化对象。第二

13、节 矿田划分与矿山产量规模的优化2 合理确定矿山产量规模 从确定矿山产量规模的角度出发，可将矿山规模划分为有约束规模和无约束规模两类。 有约束规模是指经过调查分析后对于矿山生产规模有明显的不可抗拒的约束条件。 无约束规模是指发现的大型矿田，在短期内尚难发现明显的制约其规模的约束条件。目前国内外关于优化矿山产量规模的主要方法有：泰勒准则42 . 015 . 6QT优化矿山生产能力的准则应使矿山投资取得不低于平均利润率的经济效益，即生产规模能保证矿产开采过程中正、负现金流量贴现值平衡最小费用法（或称计算成本法）最佳经济效益规模优化矿山生产能力和服务年限的目标应使矿石储量的终值最大矿山最优服务年限或

14、生产能力的确定应使其净现值或内部收益率达到最大核心问题： 建立矿山开采成本与产量规模之间的函数关系，或是收益与规模的函数关系，然后取最优值。矿田储量、矿山产量规模及其服务年限的合理匹配原则课本76页第三章 矿井开采设计综合优化第一节 采区设计优化一、采区设计优化内容和方法 矿山井工开采时通常讲井田划分为若干个采区，然后按一定的顺序进行开采。采区作为矿井生产的一个基本单元，划分时的尺寸大小、采矿方法、采区巷道布置以及有关参数的合理选择，既是新建矿井设计中所要解决的重要问题，也是生产矿井在开采过程中经常遇到的新采区设计时所要解决的重要问题，对矿井生产的技术经济效果有较大的影响。 采区设计优化的目的

15、：在各种可供选择的定性方案和定量参数中选取最优方案和参数。1、优化内容 采区设计内容包括两个方面，一是选择采煤方法、采区机械设备；二是确定巷道布置系统及其主要参数。 以采区巷道布置及其主要参数选择为核心的采区设计优化内容有：采区类型、采准巷道的数目和位置、联络巷道形式、采区走向和倾斜角度、采煤工作面长度和区段数目、同时生产的工作面数目和采区生产能力等。走向长臂开采采区巷道布置又可以分为：上山采区下山采区单翼采区双翼采区倾斜长臂开采采区巷道布置又可以分为：上山采区下山采区仰斜采区俯视采区跨越式开采采区巷道布置又可以分为：走向长臂时跨上（下）山倾斜长臂开采时的跨大巷近水平煤层采区开采时跨石门第三章

16、 矿井开采设计综合优化第二节 矿井设计方案优化一、矿井设计优化内容和方法（1）井田开拓方式与井筒位置（2）巷道网络的最优断面和开拓系统（3）矿井通风系统（4）井田采区划分（5）采区巷道布置系统及主要参数（6）矿井设计能力第四章 矿区开发规划优化 矿区是由若干个矿井或露天矿组成的具有较大规模的矿产资源生产基地。我国煤矿矿区数目最多、规模最大，近些年来在煤矿矿区进行了一些矿区开发规划的优化。 煤矿矿区既是煤炭资源丰富、煤矿布点集聚、生产和开发技术密切相关的地区，又是煤矿生产管理相对集中，划为矿务局或相对于矿务局一级进行管理的企业单位。 在生产技术和企业管理上，煤矿矿区是一个不断地发展着的复杂系统。

17、2、矿区系统特征 矿区这一复杂的采矿系统具有与其他系统显著不同的特点，矿区最优规划必须遵循矿区系统发展的规律。p系统性p综合性p动态性p各异性p随机性p后效性2、评价指标（1）矿区规模和产量（2）矿区经济效益（3）矿区的社会效益（4）矿区基本建设投资（5）矿区生产的机械化水平（6）矿区全员效率第五章 矿山开采工艺选择第二节 矿井开采方法选择一、采煤机生产过程的计算模拟分析1、采煤机运行状况 在机械化生产的采煤工作面中，所有工序都是以采煤机运行为核心的，采煤机运行状况代表着采煤工作面生产状况。 采煤机的运行状况受工作面地质条件，如煤层厚度、倾角、煤的硬度、夹矸、顶底板性质等。2、采煤机运行速度

18、采煤机在生产时间内的运行速度是个连续的随机变量，根据对一些实测资料的统计分析和检验结果，它服从正态分布，其概率密度函数为： 22221uvevf 根据已知的正态分布特征值，可以用下式得出某一时刻的采煤机运行速度v，使它服从正态分布。6132iiuv采煤机非生产时间的运行速度，如空行下放、变换位置方向时，通常取为定值。第六章 矿山生产系统分析与优化第一节 矿山生产工艺系统模拟一、系统模拟方法基础知识 1、基本概念 系统模拟或称系统仿真，是通过观测系统结构及其随时间的变化而建立起一个模型并对其求解的一种技术。利用这种模型，可以再现系统的状态及特性。实际上，系统模拟大多用于动态数学模型，用数值方法求

19、解。 2、随机变量概率分布函数的统计检验 为了进行系统模拟，以建立能够再现系统内部客观规律的模型，并用以分析与预见系统中的问题，首先必须深人系统的客观实践，收集有关的资料信息，并做加工处理。其中一项重要工作就是各项随机变量分布规律的统计检验。 6.1 一、系统模拟方法基础知识产生均匀随机数的方法可大致分为三类： 第一类是使用随机数表。 第二类是物理方法。 第三类是数学方法，用离散分布的随机数来代替伪随机数。产生伪随机数的常用方法 迭代取中法 方法实质是；任取N位整数作为初始值，将此数经一定的计算，然后截头去尾取其中间的N位所组成的数作为一个随机数，然后继续迭代上述过程，得出一个随机数序列。这里

20、有自乘取中法(中平方法)、乘积取中法等。 移位法 利用数字计算机能够对数字进行前后移位和逻辑运算的特点。 同余法 包括和同余法、乘同余法、混合同余法和组合同余法等。6.1 一、系统模拟方法基础知识(2)由均匀随机数产生随机变量 直接抽样 如果随机变量的概率分布函数F(x)连续，则rF()是0，1上均匀分布的随机变量。 变换抽样 通常利用分布函数的逆变换公式来产生随机变量。有些分布函数难以找到其逆变换式，或虽能找到但极复杂，以致无法计算，这是此法的局限性。 舍选取样 这种方法是按一定的检验条件进行舍选，以得到某种概率分布的随机变量抽样值。此法由于方法灵活、计算简单、使用方便而得到较为广泛的应用。

21、 复合抽样 此法是利用某些容易得到的随机变量值，来组合成所需的随机变量。 近似抽样 这种方法一般用于分布函数的计算式无法求出的情况。6.4 二、连续作业式生产系统可靠性分析二、连续作业式生产系统可靠性分析 连续开采工艺系统中各组成环节之间为串联作业，为了使整个工艺系统达到应有的可靠度，则要求各工艺环节必须具有较高的可靠度。 工艺系统所能达到的生产能力和作业成本除取决于设备本身的技术性能外，还取决于矿山的组织管理水平、地质条件、矿岩特性及气候影响等多种因素，它们既具有确定性又具有随机性。 连续开采工艺系统是一种可修复系统，生产过程中或者处于工作状态或者处于非工作状态。 故障和修复都是随机事件，采

22、用以概率论、数理统计及随机过程等应用数学知识为基础的可靠性理论则可以解决此类问题。 解决的步骤是：首先确定各随机事件的概率分布，并采用马尔可夫随机过程理论建立工作状态向故障状态转移及故障状态向工作状态转移的数学模型。然后，根据工艺系统中设备之间的可靠性逻辑关系，建立相应的系统可靠性数学模型。至此，可以对整个连续开采工艺系统及其设备的可靠度、维修度及有效度进行求解，进而计算其他有关作业参数。6.4 二、连续作业式生产系统可靠性分析1、各工艺环节设备的可靠度 矿山开采工艺系统的可靠性是指在给定的矿岩赋存形态与矿岩性质、开采程序与开采技术参数、组织管理与维修保障等条件下，在规定的时间内能够实现其设计

23、功能的能力。采矿工艺系统可靠性的高低取决于各组成设备的可靠性。 与其他产品一样，采矿设备故障率(t)随时间t的变化也遵循三阶段“浴盆曲线” 规律。 连续开采工艺系统在生产期中，各设备的故障间隔时间服从指数分布。/11)(1)()(1ttniietrtFetRtnMTBF 平均故障间隔时间为： 可靠度函数为： 故障间隔时间分布函数为：iititiitiiiietRetfetF/1)()(1)(连续开采工艺系统中第i台设备在时间t内的累积故障概率为： 概率密度函数为： 可靠度函数为：平均故障间隔时间为：第七章 矿山压力系统分析第一节 岩石移动规律的数值计算与系统模拟岩石移动规律的研究有理论分析法、实验室研究方法与数值模拟方法。 理论分析为实验研究与数值模拟提供了指导，对比较简单的问题通过分析推导可以得到解析解或闭合形式解，但能得到这种解的情况很少。对岩体介质物理性质的认识离不开实验研究。 现场原位实验与现场测试、实验室的岩石试件实验