区域矿山建矿的系统观模式分析_高峰.pdf

Series No. 481 July2016 金属矿山 METAL MINE 总 第481 期 2016年第 7 期 收稿日期2016- 05- 08 基金项目国家自然科学基金项目 编号 51204205 ， “十二五” 国家科技支撑计划项目 编号 2013BAB02B05 。 作者简介高峰 1981 ， 男， 博士， 副教授， 硕士研究生导师。 区域矿山建矿的系统观模式分析 高峰周科平 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083 摘要矿山系统工程是实现矿业现代化的必要工具， 对于矿山建设、 决策和管理具有重要的指导意义。从复 杂工程与复杂系统的角度阐述了矿山系统工程的基本特征即矿山工程系统的复杂性， 并给出了主要表现形式。以云 锡 “区域矿山” 建设过程为背景， 基于系统观， 从资源整合、 生产系统重构与优化及集约开采 3 个方面对 “区域矿山” 的 建矿模式进行了分析， 体现了系统工程的思想、 理论和方法在现代矿业工程中的具体应用。 关键词系统观矿山系统工程区域矿山建矿模式复杂性 中图分类号TD －05文献标志码A文章编号1001- 1250 2016 - 07- 054- 04 Analysis on Regional Mine Building Mode Based on Systems View Gao FengZhou Keping School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， China AbstractMining system engineering is a necessary tool for the modernization of mining industry and it plays an impor- tant role in the construction， decision and management of mine． Basic characteristics of mining system engineering， a kind of complexity， are described from the view of complex engineering and complex system， and its manifestation is given． Based on system view and with the background of construction of regional mine in the Yunnan Tin Corporation YTC ， the regional mine building mode is analyzed from three aspects of resources integration， reconstruction and optimization of production system and intensive mining． The regional mine building model embodies the practical application of thought， theory and of system engineering in modern mining engineering． KeywordsSystem view， Mining system engineering， Regional mine， Mine building model， Complexity 自上世纪 80 年代初以来， 利用系统工程科学来 指导采矿工程在国内矿业界得到广泛关注 ［1 ］。由矿 业工程学科与系统工程学科相结合的矿山 矿业或 采矿 系统工程已发展成为一门新的学科分支。从 系统的角度来审视和分析采矿工程中的科学与技术 问题已得到普遍认同。实质上， 客观存在的系统结构 自采矿活动伊始便逐渐形成和不断发展， 如在金属矿 山地下开采中， 将矿山生产系统划分为八大系统 ［2 ］。 而从广义的角度而言， 矿山系统工程则包含了采矿工 程、 矿山管理、 矿山安全、 矿业经济、 矿山生态环境等 诸多方面， 具有更广泛和深刻的内涵。因此， 系统工 程的思想、 理论和方法贯穿着矿业工程的全过程。 本研究结合云南锡业集团 控股 有限责任公司 下称 “云锡” 区域矿山创建这一案例， 分析系统思 想和方法在实际矿山工程中的应用， 为区域矿山建矿 模式提供理论支撑。 1系统与系统观 “一般系统论” 创始人贝塔朗菲将“系统” 定义为 “相互联系相互作用的诸元素的综合体” ［3 ］， 强调元 素间的相互作用以及系统对元素的整合作用， 提出了 “整体不可分性” 的“机体论” 和“整体论” 原则。钱 学森 ［4 ］扩展了贝塔朗菲系统论的基本思想， 认为系 统是由许多部分所组成的整体， 系统思想和学说的科 学概念就是要强调事物的整体， 即强调事物是由相互 关联、 相互制约的各部分组成的具有特定功能的有机 整体。局部与全部的对立统一， 是系统概念的精髓。 同时， 系统是一个十分复杂的概念， 它是一种复杂思 维或高级思维的基本模型。 系统观是基于系统论而提出的一种观点， 通常指 以系统的观点看待自然界的事物， 把研究对象看成由 若干个相互联系的要素构成的系统。现代系统观认 为， 事物的普遍联系和永恒运动是一个总体过程， 全 45 ChaoXing 面把握和分析对象， 综合探索系统中要素与要素、 要 素与系统、 系统与环境、 系统与系统的相互作用和变 化规律， 即把握住对象与内外环境的关系， 才能有效 地认识与改造对象 ［5 ］。 2矿山工程系统基本特征分析 矿山工程系统是一个极其复杂的系统， 其复杂性 既在于开采结构的复杂性， 也在于工程所处的环境与 条件的复杂性 ［6 ］。因此， 矿山工程系统具有复杂性 的本质特征。 2． 1矿山工程是 “复杂工程” 矿山工程有着直观的复杂性， 如矿山开发投资 大， 建设周期长， 井下工作环境“恶劣” ， 生产系统中 的提升、 运输、 通风、 排水、 供电、 压气、 供水、 充填八大 基本系统涉及的学科内容非常广泛等等， 但仅以此来 概括矿山工程是远远不够的。 1 矿山工程的开放性更强， 与工程环境的关联 性十分密切。矿山工程涉及的环境主要包括岩体工 程环境和矿区生态环境。矿山的建设、 生产与矿区周 边生态环境的对立与统一问题一直是人们关注的焦 点， 传统粗放的矿山开采模式造成的大量环境污染与 灾害事故严重制约和影响着矿业的可持续发展。 “绿色矿山 ” 、 “生态文明” 的提出， 使人们认识到必须 注重矿山开采与环境之间的友好与和谐， 并将此作为 工程管理的重要目标。 2 矿山工程的规划、 设计与论证， 首先要审视 工程的科学原理和技术可行性， 其次要考虑在一定时 期内的经济效益， 最后还应从更广的社会层面进行综 合评估。例如， 由于矿产资源的不可再生性， 必须评 估矿山开采对国家资源保障与社会经济发展的协同 作用， 对子孙后代资源利用的可持续意义。 3 矿山工程活动的目标具有多元性。由于岩 体工程环境的复杂性和不确定性， 影响目标决策的影 响因素十分复杂， 存在许多未知因素、 定性和定量共 存因素、 矛盾和对立因素， 难以完全顾及。因此， 工程 设计和施工方案具有“多解性” ， 不存在“绝对最优 解” 。每个方案都只能是特定条件和时间下的“最优 解” ， 最终方案的确定， 是基于工程主体的理念、 价值 观和经验共同作用的结果。 2． 2矿山工程是 “复杂系统” 1 矿山工程是一个动态的、 成等级的、 有层次 的、 可实行反馈的开放系统。 2 矿山工程是一个多变量的、 多维的非线性动 力学系统， 具有自组织性。 因此， 矿山工程系统的复杂特征决定了对矿山工 程系统的研究必须采用复杂系统的理论方法。但值 得注意的是， 如果只是将现代系统科学、 非线性科学、 复杂性科学等有关概念和名词引入到矿业工程学科 中， 而忽视利用复杂系统研究方法解决和指导矿业工 程中的具体科学技术问题， 那么复杂性科学的理论和 方法只会停留在矿业工程学科的表面和外围， 而不会 触动矿业工程学科的核心 ［7 ］。 3区域矿山建矿模式的系统观 “区域矿山” 概念来自于云锡个旧矿集区实施资 源整合、 系统重构与优化、 集约化开采的实践总结。 其基本涵义是指在矿集区内， 为了规模化开发利用区 内赋存的多、 小、 散矿群， 进行矿区资源整合， 全区统 一规划， 在合理确定矿山生产建设规模、 优化资源配 置、 简约区内矿山及选厂数目的基础上， 进行全区的 开拓、 运输、 通风及生产辅助系统的优化设计， 由此建 设集约化的现代化矿山。 3． 1云锡区域矿山建矿模式 1 个旧矿区基本情况。我国金属矿产资源 特 别是有色金属和黄金 的主要特点， 是大矿少、 中小矿 多 约占 80 ， 并以多、 小、 散矿群的形态产出， 个旧 矿区就是典型之一。个旧矿区总面积约 1 580 km2 ， 属 于世界特大型锡矿区之一。在个旧东区 600 km2范围 内有马拉格、 松树脚、 高松、 老厂和卡房 5 大矿田， 以 Sn、 Cu 等多金属矿床为主。已探明的矿体 900 余个， 锡资源储量大于1 万 t 的矿体仅有 20 余个， 约占 3， 且分布广， 不同矿床类型重叠产出 。“大矿床、 小矿体” 是个旧东区矿产资源赋存的主要特点。 2 云锡区域矿山的建矿。一直以来， 我国锡产 业集中度相对较低， 条块分割、 体制不顺、 重复投资较 为严重， 造成矿区矿业秩序极度混乱、 环境破坏严重以 及资源的极大浪费。2004 年， 个旧锡矿被列为全国首 批“资源危机矿山” 之一。2002 年， 云南省提出推进资 源重组、 行业整合措施， 以云锡为牵头单位， 对个旧矿 区资源进行重组整合。至2007 年， 通过对个旧市国有 矿山企业的大整合及民营矿山企业的连续整合和清理 整顿， 成功实现了个旧矿区资源整合， 形成了极具特色 的 “个旧模式” ［ 8 ］。资源整合促进了矿产资源的有效 保护和合理开发利用， 从根本上化解了资源矛盾和纠 纷， 抑制了重复投资和建设以及无序、 恶性竞争。 但是， 在资源整合即资源集中度普遍提高后， 矿 区并没有完全改变小矿开采模式， 存在如矿山布局不 合理、 生产系统复杂混乱、 采矿方法与装备条件相对 落后、 矿产资源勘探与难采矿体资源开采存在瓶颈等 诸多技术上的难题。这也是我国实施整顿与规范矿 业秩序和资源整合后亟待解决的普遍问题。为此， 云 锡公司从全局出发， 基于 “矿权归一， 集约开发” 的发 55 高峰等 区域矿山建矿的系统观模式分析2016 年第 7 期 ChaoXing 展思路， 提出了 “区域矿山” 建矿新模式， 实施了生产 系统的优化、 采矿技术与装备的革新、 数字化与信息 化建设等一系列举措， 历经近 10 a 的建设， 实现了矿 山可持续发展和质的飞跃。 3． 2区域矿山建设的系统观 1 矿产资源整合的系统观。矿产资源整合或 矿产资源开发整合就是通过组织、 协调等措施将区域 成矿区 带 相对分散的资源重新配置， 对现有生产 要素进行重组， 对矿山系统结构进行调整和优化， 即 从系统、 整体、 全局的角度出发， 开展矿产资源的合理 开发、 利用和保护。个旧矿区通过资源整合， 矿山企 业由 26 个优化为 4 个， 选矿厂由 14 座减少为 3 座， 生产辅助系统由 26 个整合为 3 个， 使资源集中度大 幅提升， 为规模化和集约化开采创造了条件。 矿产资源整合把握了系统的整体性， 是一个全方 位统筹优化的过程， 是系统论的思维方式。其整合要 素包括矿产资源、 技术、 人才和文化、 环境、 安全、 管 理、 经济等等， 是一个多层次组织， 多序列以及多因素 影响的极其复杂的系统工程。虽然区域内每个独立 的矿山企业具有相对完整的生产系统， 具有自己的生 产要素， 无论该系统要素是否合理和先进， 但从矿产 资源禀赋特征这一决定性要素来看， 区域内大矿小 开、 一矿多开、 群矿乱开的粗放模式人为割裂具有整 体性的区域矿床内相邻的矿种、 矿床类型和矿化信息 的联系， 违背系统论中的整体性原则， 致使边、 深部勘 探受到局限， 并导致资源浪费、 重复投资、 产能落后、 环境恶化， 出现资源危机和不可持续发展有其必然 性。因此， 矿产资源整合意义在于打破以矿体或矿段 为单元、 采选布局分散、 小而全的传统建矿理念， 从系 统整体性原理出发， 实现统筹规划下的采选产能合理 配置与资源集约开发利用。 通过资源整合， 云锡矿产资源保障能力大幅提 高。以锡资源为例， 矿区现保有 66． 1 万 t 锡金属， 是 10 a 前的 2 倍， 可延长矿山寿命 18 a， 摆脱了危机矿 山的困境。 2 区域矿山生产系统重构与优化的系统观。 在资源整合后， 生产系统基本覆盖了整个个旧东区， 形成了区域范围内众多上下重叠、 纵横交错的独立复 杂的生产及辅助系统， 严重制约了矿山的发展。为解 决资源整合后的资源集约开采瓶颈， 云锡实施了区域 内生产系统重构与优化， 创建了分区共享、 远程控制、 高效节能、 集中管理的 3 个集约化生产辅助大系统， 最终构建并形成了以“一中、 三平、 四斜、 五竖、 三区、 三厂、 四矿” 为骨干的“区域矿山” 工程结构 ［10 ］， 如图 1 所示。尤其是 “三平五竖” 的开拓系统整体架构， 纵 跨南北 30 多 km， 横贯东西 20 多 km， 垂高千米， 跨越 个旧 5 大矿田， 贯通各大矿山和选厂 如图 2 。 图 1云锡区域矿山基本结构 Fig． 1Basic structure of regional mine in YTC 图 2云锡区域矿山平面布置 Fig． 2Plane layout of regional mine in YTC 开拓运输系统是矿山工程系统的核心系统。区 域矿山生产系统重构与优化是推进资源整合从“物 理” 整合向 “化学” 整合的关键步骤， 是系统观整体性 原理的实际运用。1 800、 1 600 和 1 360 m 水平 3 大 主运输平巷 “三平” 是承上启下的枢纽工程， 是集 地质勘查、 开拓、 运输、 排水、 通风等功能为一体的多 功能综合平台。3 大主平巷与原竹叶山竖井、 西凹竖 井、 大马芦竖井及新建的卡房竖井将个旧东区“区 域” 生产及辅助系统联接为整体统一而又相对独立 的立体空间网络， 实现矿区深部勘探工程与深部开拓 工程的紧密结合， 加速资源勘探进度、 提高勘探质量、 减少勘探时间与投入。该过程是一个一般系统大 系统巨系统的多层次优化结构的形成过程。 在区域矿山的系统重构和优化过程中， 涉及大量 的系统分析、 评价、 决策、 仿真及优化的实际应用。如 竖井的选址， 不仅要考虑该竖井本身服务范围内各种 矿石资源、 人员材料、 设备等要素的影响与制约关系， 65 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 还要考虑与区域内各其他分矿山、 选厂布局的关系， 即外部要素与环境的关系， 整体与局部的关系， 定性 与定量的关系， 因此是一个多变量、 动态的、 非线性动 力学系统问题。每一项工程的决策都是多学科方法 的应用， 包括运筹学、 网络流理论、 蚁群算法、 遗传算 法、 神经网络、 计算机模拟与系统仿真等， 以及群体智 慧综合作用的结果。 3 区域矿山集约开采的系统观。集约化开采 是指以效益为本， 通过开采要素质量的提高、 投入的 集中以及要素组合方式的调整来增进效益的资源开 发方式， 实现经济、 社会和环境效益最大化。因此， 在 资源整合与和生产系统优化基础上， 通过变革和完善 采矿方法， 更新采掘设备和推广数字化矿山工程， 提 升了整体采矿技术水平， 使中小矿体开采规模化、 集 约化， 以降低开采成本， 扩大可经济利用资源量， 实现 了在资源开发中保护资源， 在资源保护中节约资源。 采矿方法的选择和设计传统上采用查手册、 经验 判断的方式进行。针对个旧东区典型的缓倾斜薄中 厚矿体， 缓倾斜多层松软破碎矿体、 残矿资源等开采技 术难题， 利用系统工程的方法 ［ 10 ］， 如模糊数学、 灰色理 论、 人工智能、 数值模拟等方法创新采矿技术， 实现了 安全、 高效开采。尤其是通过数字矿山技术建立的个 旧东区区域数字矿山系统， 加强了矿山地质数据系统 与开采系统的联系， 提升了矿山工艺系统与管理系统 的协同效应。计算机技术为实现动态仿真、 优化和决 策及定量化的系统思维方法提供了有力的工具。 采矿技术的提升主要依赖于采掘设备的机械化、 自动化、 智能化程度， 即外部要素质的提高， 但又与矿 山的开采环境， 即内部要素的岩石力学系统紧密相 关。岩石力学是认识和控制岩石系统力学行为和工 程功能的桥梁， 因此常采用岩石力学系统表征和研究 岩体工程系统的基本问题。所以， 采矿方法的选择实 质涉及岩石力学系统的边界、 结构、 参数、 反馈及功能 的基本问题， 不仅与单个采场的稳定性密切相关， 也 与矿山整体安全与环境问题息息相关， 是一个可实行 反馈的开放系统， 必须兼顾局部与整体的关联性， 考 虑当前与长远的利益。此外， 以云锡区域矿山的有轨 无轨运输系统的匹配和优化则体现了系统中要素组 合对于系统功能提升的重要作用。 4结语 云锡区域矿山的创建， 探索出一条符合我国国情 的资源型企业可持续发展的新模式， 回答了资源整合 后矿业企业如何继续发展的道路问题。本研究基于 系统观的角度， 从资源整合、 生产系统重构与优化及 集约开采 3 个方面对区域矿山的建矿模式进行了分 析和再认识。分析认为， 区域矿山创建是矿山系统工 程学科及理论的具体应用。对区域矿山的认识从矿 山工程环境、 作业条件复杂及技术复杂等“显性” 复 杂性上升到基于系统复杂性下的“隐性” 复杂性， 对 于区域矿山的建设和管理方法论具有指导意义。 参考文献 ［ 1］齐国民， 任世熙， 丛善本． 论系统工程在矿业中的地位、 作用和 前景［J］． 系统工程， 1983， 1 2 49- 56． Qi Guomin， Ren Shixi， Cong Shanben． Discussing the position， con- tribution and prospect of system engineering in mining industry［J］． System Engineering， 1983， 1 2 49- 56． ［ 2］谢世俊． 金属矿床地下开采［M］． 北京 冶金工业出版社， 1986． Xie Shijun． Underground Mining of Metallic Mineral Deposit［M］． Beijing Metallurgy Industry Press， 1986． ［ 3］贝塔朗菲． 一般系统论［M］． 北京 社会科学文献出版社， 1987． Von Bertalanffy． General System Theory［M］． Beijing Social Sci- ences Academic Press， 1987． ［ 4］钱学森， 吴义生． 现代科学技术与技术政策［M］． 北京 中共中央 党校出版社， 1991． Qian Xuesen， Wu Yisheng． Modern Science and Technology and Technology Policy［M］． Beijing CPC Central Party School Press， 1991． ［ 5］刘大椿． 自然辩证法概论［M］． 北京 中国人民大学出版社， 2008． Liu Dachun． Introduction of Dialectics of Nature［M］． Beijing Chi- nese Peoples University Press， 2008． ［ 6］蔡美峰． 岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用［J］． 金属矿 山， 2006 1 28- 33． Cai Meifeng． Application of rock mechanics in mining engineering in metal mines［J］． Metal Mine， 2006 1 28- 33． ［ 7］周科平， 高峰， 古德生． 采矿环境再造与矿业发展新思路［J］． 中国矿业， 2007， 16 4 34- 36． Zhou Keping， Gao Feng， Gu Desheng． Mining environment regenera- ting and new thoughts on the development of mining industry［J］． China Mining Magazine， 2007， 16 4 34- 36． ［ 8］黄梓嘉， 杨雪峰． 云锡 “个旧模式” 整合治理进行时［N］． 中国有 色金属报， 2014- 12- 20 004 ． Huang Zijia， Yang Xuefeng． Integration and treatment of Gejiu Pat- tern of Yunnan Tin Corp YTC is going on［N］． China Nonferrous Metals News， 2014- 12- 20 004 ． ［ 9］周科平， 高文翔， 古德生， 等． 区域矿山创建与集约开采［M］． 长 沙 中南大学出版社， 2014． Zhou Keping， Gao Wenxiang， Gu Desheng， et al． Regional Mine Building and Intensive Mining［M］． Changsha Central south univer- sity press， 2014． ［ 10］张幼蒂． 矿业系统工程的发展与展望［J］． 金属矿山， 2003 1 1- 10． Zhang Youdi． Development and prospect of mining systems engi- neering［J］． Metal Mine， 2003 1 1- 10． 责任编辑徐志宏 75 高峰等 区域矿山建矿的系统观模式分析2016 年第 7 期 ChaoXing