合理的回采方案对控制矿山压力提高资源回收的应用研究与分析

　　摘要：本文从指导思想、采用的手段、工具和方法等方面对矿山压力与回采方案优化设计技术现状进行了分析和评述，给出了理想的矿山回采方案优化设计技术——全盘全过程的优化设计，提出模型构建及方案实施效果的计算机模拟是其中的核心问题。采用这种全盘全过程的设计路线，可以改变传统的以专家经验和直觉判断、定性分析为主的回采方案优化设计模式，提高回采方案设计的科学性、实施效果的可预知性和可调控性，使矿山的管理和决策模式发生由经验到科学、静态到动态、分散到集中、杂乱到系统、缓慢到快速的根本性转变。
　　
　　关键词：矿山压力,回采方案,资源回收
　　
　　矿山是一个开放的复杂的系统!在整个矿山系统内包括矿山回采方案优化设计在内的支持系统处于基础性地位，是矿山组织生产的前提和依据!回采方案的合理性和优越性对矿山的生产效率和效益具有关键性作用!而方案设计和优化所依赖的手段与工具采用的方法依据的基础信息的准确性和全面程度是制定最佳方案的决定性因素!
　　
　　一、矿山压力及矿压显现与控制
　　煤矿开采必然破坏原来的应力平衡状态，并导致应力再分布。从而形成了应力增高区与应力降低区。支承应力的形成将是采矿过程中一系列动力现象的根源。矿山压力是矿山开采时引起的岩层压力，一般解释为：由于矿山开采活动的影响，在采掘巷道（工作面）围岩中所形成的力。矿山压力是无形的，由于它的作用，引起岩体的变形、破坏、冒落以及支撑物的变形、破坏与折损，并会在岩体中产生一系列动力现象，凡此种种由于矿山压力的作用，表现出的有形现象，称为矿压显现。
　　在大多数情况下，矿压显现会给地下开采工作造成不同程度的危害。为使矿压显现不致影响正常的开采和保证生产安全，就必须采取各种技术措施使矿压显现控制在一定范围内。对矿山压力的控制不仅在于消除和减轻矿山压力对开采工程形成的危害，还包括合理地利用矿山压力的内在能量为开采服务。凡是减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的方法，均为矿压控制。
　　
　　二、落后时期的核算方式
　　在以往的设计计划和生产管理工作中，由于对赖以做出决策的关于地层深处矿床地质条件和开采环境信息的掌握程度不足!通常采用取其平均值和不可预计值的方法来比较或核算各种方案的计划产量和工程进度等!这是必要的!在一定情况下!也是足够的，之所以说在一定情况下是足够的，是因为早期设备和技术落后!生产能力及采场结构参数均很小!生产粗放!作业不集中!部分采场或某些环节出现问题!可以在其他地方快速地准备并予以补充!不会造成太大的影响。随着矿山机械化水平的提高!以及大规模和高强度集中生产的采矿方法在地下矿山中的应用!传统模式存在的弊端便凸现出来!导致方案实施过程中经常遇到各种各样的问题!延误了方案的实施!甚至需要重新制定方案。但是!由于受传统思维习惯的影响!以及计算机技术在矿业中的应用相对较为落后!尽管有不少学者做出过尝试!却一直没有从根本上改变传统模式被动滞后、以经验为主!以及不能考虑和反映采矿过程的动态本质的状况!
　　
　　三、回采过程模拟系统体系及功能模块
　　回采过程模拟系统的体系结构过程模拟系统，该系统采用后台数据库模拟与控制数据库直接对后台数据库进行操作!后台数据库中关于资源和工程信息的数据来自于资源与开采环境三维模型模拟结果有关的数据则在合理剔除后提交给结构稳定性分析系统(作为工程和开挖和充填的输入参数)。回采过程模拟与控制数据库中的数据主要由一、模拟对象，如盘区或阶段采场的相关参数，这些数据直接来自于资源与开采环境三维模型属于静态数据；二是与生产设备和队伍等有关的信息，如各工序的作业能力和每个采场不同工序的作业时间等，同样属静态数据；三是与模拟过程及模拟结果相关的信息反映了模拟期内采场的时空变化情况属动态数据共同完成。过程模拟机采用模块化结构为其功能模块结构的核心回采过程模拟，总体思想是以采场为中心，时间为主线，采用时间步长法，以天为单位模拟各作业采场施工情况，并计算其产量。该功能模块又由主控工序状态转变为各工序继续作业子模块等组成!
　　
　　四、合理的回采优化设计方案
　　（一）指导思想。传统的采矿设计多是采用经验类比法靠查手册来进行采矿方案的优化设计!随着计算机技术和数值分析技术的发展!在以经验类比为基础的回采方案优化设计过程
　　中，引进了各种各样的定量分析技术!使回采方案的优化设计一定程度地向定量化方向发展。
　　纵观回采方案优化设计的历史!不难发现其指导思想始终是一致的！即针对具体的矿床开采条件!抓住井下生产过程中的几个主要矛盾，产量(生产能力)、成本、效率、灵活性和结构稳定性(安全)等!提出经济技术上合理可行的回采方案!通过不同的分析方法或手段(如模糊数学、专家系统、神经网络、有限元分析和边界元分析等)。从不同的方面进行模拟分析，并做出方案优选!
　　（二）工具和手段。传统的回采方案优化设计主要通过手工完成!但随着计算机软硬件技术的发展，计算机辅助优化设计成为回采方案优化设计的主要工具和手段!得到了越来越多的应用。
　　1、三维矿床建模。对开采技术条件的理解和掌握是进行方案优化设计的前提和传统的方案。优化设计是在由地质钻孔解译得到的各种二维图件基础上进行的!这种方式要求设计者必须通过主观的空间想像形成关于地质体的空间印象!在此基础上进行方案的优化设计。很明显，在对开采技术条件的主观随意理解和掌握基础上所做出的设计是很难保证其可靠性的，构建矿床三维模型就是为克服主观随意性和提高对开采技术条件理解和掌握的准确程度而提出和发展起来的。
　　2、矿床。三维模型的功能反映地质体的空间位置和形态，反映品位等属性的空间分布,其涉及的主要技术也有地质体几何形体的构建技术、品位等属性信息的空间插值问题，当然!可视化技术也是一个难点!国外有许多可视化开发平台可供下载和利用。如软件包！
　　3、计算机模拟。计算机过程模拟是生产过程分析和方案优化设计的有效方法，基于模拟技术，通过全过程的关于产量“生产效率”故障因素的定量分析得到最佳方案，我们把这方面的模拟称为“基于产量稳定性的模拟!”目前地下金属矿山的计算机模拟主要是针对生产过程的某一方面进行!如运输系统的模拟、通风系统的模拟、爆破效果的模拟等。

　　（三）结构稳定性分析。采用有限元方法对回采方案进行优化设计，是基于结构稳定性分析进行的!本文把这方面的模拟称为“基于结构稳定性的模拟”虽然目前在岩土工程或矿业工程中可供采用的数值方法很多!如边界单元法、半解析法和离散元法等!但应用最为广泛的仍然是有限单元法或有限单元法与其他数值方法的耦合。原因是有限单元法分析的灵活性以及研究的深度和涉及的范围都是其他数值分析方法所不及的。特别在考虑岩体的非均质不连续特性模拟开挖，充填和支护施工步骤的力学响应及非线性分析等方面!有限元法显示出独特优势，回采方案设计和优化技术现状评述一直以来回采方案优化设计所遵照的指导思想是完全正确的!虽然在方案优化设计过程中受到较多技术和手段方面的限制!但结果基本上是可靠和相对合理的,但由于受到技术和手段的限制!目前回采方案优化方法在本质上仍然属于定性分析的范畴!
　　
　　结论:
　　采矿工程问题是一个开放的复杂巨系统问题!既具复杂性!又具不可确知性!使得以往的回采方案设计技术主要根据经验!以查手册和取平均数的方式进行，方案设计阶段缺乏对实施效果的全面理解和掌握"本文在对回采方案优化设计技术和手段进行系统综述和分析的基础上!结合采矿工程问题的本质特征!提出了理想的回采方案优化设计技术路线图，从结构稳定性的角度进一步模拟分析，基于定性与定量综合分析的全盘和全过程的优化设计技术集中区及其量值在空间上的分布做出了完善的说明。
　　
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