戴劍勇　李海濤

(南華大學(xué)核資源工程學(xué)院)

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鈾礦山開(kāi)采系統(tǒng)工藝流程可靠性分析*

戴劍勇李海濤

(南華大學(xué)核資源工程學(xué)院)

摘要根據(jù)地下鈾礦山開(kāi)采中各作業(yè)系統(tǒng)的可靠性邏輯關(guān)系，應(yīng)用系統(tǒng)可靠性構(gòu)建了地下鈾礦山開(kāi)采系統(tǒng)的可靠性模型，分析其可靠性指標(biāo)，為地下鈾礦山開(kāi)采提供新的思路和方法，對(duì)促進(jìn)礦山開(kāi)采的自動(dòng)化，智能化有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞開(kāi)采系統(tǒng)可靠性地下鈾礦山工藝流程

礦井開(kāi)采系統(tǒng)主要包括開(kāi)拓、采準(zhǔn)、回采三大部分，涉及到開(kāi)拓巷道、地壓管理、穿孔、爆破、裝巖、充填，供風(fēng)、供水等安全作業(yè)問(wèn)題。各個(gè)作業(yè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行是一個(gè)礦井能夠達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模的前提。因而,必須對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。在現(xiàn)有礦山開(kāi)采工藝流程、開(kāi)采設(shè)備的情況下,如何充分利用地下礦山開(kāi)采過(guò)程信息,合理確定開(kāi)采過(guò)程參數(shù),并使地下礦山開(kāi)采系統(tǒng)運(yùn)行于最佳狀態(tài)，是目前我國(guó)地下礦山開(kāi)采最為關(guān)注并亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

上世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)對(duì)礦山系統(tǒng)的可靠性研究取得了豐富的實(shí)踐性研究成果，通過(guò)用計(jì)算機(jī)模擬的方法來(lái)分析礦倉(cāng)位置、容量以及提升機(jī)和軌道運(yùn)輸系統(tǒng)列車(chē)運(yùn)行等情況，為礦山的安全生產(chǎn)和效率提升作出了貢獻(xiàn)，提高了礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。但隨著科技的進(jìn)步和智能化管理的發(fā)展，出現(xiàn)了一些對(duì)系統(tǒng)可靠性要求更高的高產(chǎn)高效礦井，使得人們對(duì)礦山系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了更進(jìn)一步的分析與研究。袁艷斌等[1-4]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)思想對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了模糊綜合評(píng)判，建立了評(píng)判因素體系，分析了運(yùn)輸系統(tǒng)當(dāng)前可靠性狀況及其存在的問(wèn)題和不足，使得評(píng)判結(jié)果更加客觀與科學(xué)。申瑩等[5]利用Agent模擬系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行任務(wù)過(guò)程的可靠性進(jìn)行了仿真，并分析基于Agent面向任務(wù)環(huán)境的裝備系統(tǒng)可靠性，研究系統(tǒng)可靠性在不同環(huán)境條件下的特征，為構(gòu)建通用、實(shí)用的系統(tǒng)可靠性理論與方法奠定了基礎(chǔ)，提供了裝備系統(tǒng)可靠性工程設(shè)計(jì)、研制與論證的依據(jù)。羊帆[6]運(yùn)用線性模糊數(shù)法，確定與門(mén)模糊算子和或門(mén)模糊算子，并通過(guò)Fussell-Vesely值衡定法來(lái)計(jì)算風(fēng)路的重要度，在此基礎(chǔ)上建立了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模糊故障樹(shù)模型，通過(guò)具體實(shí)例計(jì)算了通風(fēng)模糊故障樹(shù)模型，得出了故障樹(shù)基本事件的失效數(shù)據(jù)和重要度分析結(jié)果，以此來(lái)驗(yàn)證模糊故障樹(shù)模型。代景霞等[7]利用可靠性理論和計(jì)算機(jī)仿真方法，建立了煤礦井下帶式運(yùn)輸機(jī)可靠性仿真模型，計(jì)算了系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，并根據(jù)可靠性模型對(duì)平煤某礦井下帶式輸送機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其結(jié)果計(jì)算分析，證明此方法是可行的。劉福明等[8]通過(guò)分析出倉(cāng)前系統(tǒng)、倉(cāng)后系統(tǒng)與緩沖倉(cāng)所處的3種作業(yè)關(guān)系及其相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立了柔性串聯(lián)系統(tǒng)，并分析其可靠性數(shù)學(xué)模型，得出了計(jì)算柔性串聯(lián)系統(tǒng)可靠度的計(jì)算公式。并且根據(jù)露天礦采煤強(qiáng)度的要求，利用倉(cāng)前系統(tǒng)與倉(cāng)后系統(tǒng)修復(fù)時(shí)間的分布規(guī)律，得出了緩沖倉(cāng)在系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下的最優(yōu)的存料量，以及最優(yōu)的剩余空間量。

在國(guó)外，20世紀(jì)60年代美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家，開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)模擬方式來(lái)解決地下礦山的局部生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題，沒(méi)有對(duì)采礦系統(tǒng)進(jìn)行比較全面的研究分析。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的日益發(fā)展，在采礦系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，開(kāi)始出現(xiàn)了基于整個(gè)礦井生產(chǎn)過(guò)程的專(zhuān)業(yè)模擬軟件，促進(jìn)了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)代化管理水平的提高。70年代初期，西德Essen礦業(yè)研究所針對(duì)礦山運(yùn)輸，模擬研制出了后來(lái)被作為常用標(biāo)準(zhǔn)軟件的通用軌道運(yùn)輸系統(tǒng)模擬模型，該模型后來(lái)也作為必要組成部分被集成到礦井生產(chǎn)總系統(tǒng)模擬模型中。80年代美國(guó)ISI和某礦業(yè)公司采用專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)模擬語(yǔ)言GPSS，結(jié)合當(dāng)時(shí)礦山提運(yùn)系統(tǒng)軟件的經(jīng)驗(yàn)，合作研制開(kāi)發(fā)了一款用于井下提運(yùn)系統(tǒng)的通用模擬軟件[9-11]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及智能計(jì)算技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，智能優(yōu)化技術(shù)成為解決礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)的主要技術(shù)，多智能體系統(tǒng)(Multi-Agent System，MAS)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，具有敏捷、靈活、實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，其每個(gè)智能體皆有一定的獨(dú)立功能，而且單個(gè)Agent與Agent之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系是可動(dòng)態(tài)調(diào)整的，不同功能的Agent耦合組成的礦山開(kāi)采系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)具有自適應(yīng)、自組織和良好的協(xié)調(diào)性能，可以通過(guò)不同的協(xié)商方式完成繁雜的整體運(yùn)作。因此，應(yīng)用多智能體技術(shù)對(duì)解決礦山開(kāi)采系統(tǒng)的分布式自治和集成優(yōu)化問(wèn)題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　礦山開(kāi)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多智能體系統(tǒng)建模方法，首先根據(jù)研究的系統(tǒng)對(duì)單個(gè)的Agent進(jìn)行定義，給每個(gè)Agent賦予一定的行為及參數(shù)，然后根據(jù)Agent之間及Agent與環(huán)境之間的關(guān)系，確定交互規(guī)則，通過(guò)交互，將各個(gè)Agent聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，構(gòu)成一個(gè)完整的Multi-Agent系統(tǒng)。

本文根據(jù)地下鈾礦山的開(kāi)采工藝流程及特點(diǎn)，結(jié)合混合式多智能體結(jié)構(gòu)，建立基于多智能體技術(shù)的地下鈾礦山開(kāi)采系統(tǒng)，將礦山開(kāi)采過(guò)程中設(shè)計(jì)的各工藝作業(yè)流程分解為相應(yīng)的Agent模型，主要是由人機(jī)交互界面、主控Agent、開(kāi)拓Agent、采準(zhǔn)Agent、回采Agent、通風(fēng)Agent、供電Agent、供水Agent、穿爆Agent、采裝Agent、運(yùn)提Agent、支護(hù)Agent等Agent組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　地下鈾礦山多智能體開(kāi)采系統(tǒng)工藝流程結(jié)構(gòu)模型

對(duì)該地下鈾礦山多智能體開(kāi)采系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，主要有以下3種Agent結(jié)構(gòu)。

1.1主控Agent

主控Agent屬于管理層，負(fù)責(zé)接收人機(jī)界面輸入的初始信息和其他Agent的反饋信息，同時(shí)還需要發(fā)布開(kāi)采信息給其他Agent，因此需要有信息處理和推理決策的能力。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　主控Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2開(kāi)拓Agent、采準(zhǔn)Agent、回采Agent

開(kāi)拓Agent、采準(zhǔn)Agent、回采Agent既具有主控Agent的功能，也具有一定的規(guī)劃功能，它們接收主控Agent發(fā)布的任務(wù)，同時(shí)又給穿爆Agent、采裝Agent、運(yùn)提Agent、支護(hù)Agent發(fā)布相應(yīng)的任務(wù)，并根據(jù)穿爆Agent、采裝Agent、運(yùn)提Agent、支護(hù)Agent反饋的信息，進(jìn)行進(jìn)一步的規(guī)劃決策，并把最優(yōu)方案分別反饋給相關(guān)Agent。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3其他Agent

通風(fēng)Agent、供電Agent、供水Agent、穿爆Agent、采裝Agent、運(yùn)提Agent、支護(hù)Agent只需要接收相應(yīng)的任務(wù)信息，根據(jù)自身知識(shí)庫(kù)進(jìn)行合理的推理、規(guī)劃決策，得到該Agent最優(yōu)運(yùn)行方案，并反饋給對(duì)應(yīng)的任務(wù)發(fā)布Agent。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3　開(kāi)拓Agent、采準(zhǔn)Agent、回采Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4　其他Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2　礦山開(kāi)采系統(tǒng)可靠性分析

2.1穿爆Agent可靠性

穿爆作業(yè)是地下鈾礦山開(kāi)采過(guò)程中的先行作業(yè)，穿爆效果直接影響后續(xù)各項(xiàng)作業(yè)能否順利開(kāi)展和成本開(kāi)采。與穿爆Agent相關(guān)的因素很多：鉆孔設(shè)備、孔徑、孔間距、排間距、超深、落礦量和炸藥單耗等。這些因素之間關(guān)系復(fù)雜，目前仍無(wú)法用具體的函數(shù)表達(dá)式來(lái)表示，因此選擇自適應(yīng)模糊推理方法進(jìn)行建模。

本文采用地下鈾礦山的主要爆破參數(shù)，孔徑、孔間距、排間距、超深、落礦量和炸藥單耗建立穿爆Agent模型，以落礦量為輸出，其余為輸入。

步驟如下：

Step1：產(chǎn)生訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)。

Step2：確定輸入變量的隸屬度函數(shù)的類(lèi)型以及個(gè)數(shù)。

Step3：由非聚類(lèi)函數(shù)(genfis1)或聚類(lèi)函數(shù)(genfis2)產(chǎn)生最初的 ANFIS結(jié)構(gòu)。

Ii=genfis2(trnData,bounds)

Step4：設(shè)定 ANFIS 中的各項(xiàng)參數(shù)。

Step5：運(yùn)用 anfis 函數(shù)訓(xùn)練 ANFIS。

[Oi,trnErr,stepSize,outfismat1,chkErr]…

=anfis([trndatin,trndatout],

[chkdatin,chkdatout])

Step6：檢驗(yàn) FIS 的性能。

Step7：調(diào)用 evalfis 函數(shù)獲得最終的輸出結(jié)果。

f=evalfis(X,O)

2.2采裝Agent可靠性

采裝作業(yè)指通過(guò)采掘設(shè)備將礦巖從爆堆挖掘出來(lái)并裝到運(yùn)輸設(shè)備的作業(yè)，是礦山全部生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)中心環(huán)節(jié)，其效率直接影響到礦山的開(kāi)采強(qiáng)度、生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益。所用設(shè)備主要有挖掘機(jī)、放礦漏斗、裝巖機(jī)、礦車(chē)等，可將其看做是一個(gè)由設(shè)備組成的可修復(fù)串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行分析?；谠O(shè)備故障率的串聯(lián)生產(chǎn)線，其可靠性指標(biāo)可以表示為

系統(tǒng)有效度A1

(1)

系統(tǒng)可靠度R1(t)

(2)

式中，n為采裝系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)，n=4；μi為第i臺(tái)設(shè)備的修復(fù)率；λi為第i臺(tái)設(shè)備的失效率。

2.3運(yùn)提Agent可靠性

運(yùn)提作業(yè)包括運(yùn)輸和提升兩部分，是礦山開(kāi)采過(guò)程中的重要組成部分，考慮運(yùn)提系統(tǒng)的可靠性很有必要。本文考慮兩條運(yùn)輸支路共用一個(gè)提升機(jī)的情況，運(yùn)輸子系統(tǒng)包括礦井、溜井等；提升子系統(tǒng)則由提升機(jī)、操車(chē)系統(tǒng)等組成。其可靠性模型與可靠性框圖如圖5、圖6所示。

圖5　運(yùn)提系統(tǒng)可靠性模型

圖6　運(yùn)提系統(tǒng)可靠性框圖

運(yùn)輸子系統(tǒng)中兩行子系統(tǒng)可靠度分別為

(3)

并聯(lián)組成的運(yùn)輸子系統(tǒng)可靠度為

R1R2+R3R4-R1R2R3R4,

(4)

那么，整個(gè)運(yùn)提系統(tǒng)可靠度為

R=R0R5R6=R1R2R5R6+R3R4R5R6-

R1R2R3R4R5R6.

(5)

地下鈾礦山開(kāi)采系統(tǒng)中的設(shè)備都是可修復(fù)的，且壽命分布服從指數(shù)分布，即

(6)

則提運(yùn)系統(tǒng)可靠度為

(7)

在整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)中，涉及到開(kāi)拓、采準(zhǔn)、回采等過(guò)程，可將各個(gè)過(guò)程中的采裝系統(tǒng)、運(yùn)提系統(tǒng)統(tǒng)一看做是由n個(gè)設(shè)備組成的串聯(lián)可修系統(tǒng)，設(shè)每個(gè)設(shè)備可靠度為Ri(i=1,2,…,n)，i代表鉆機(jī)、裝巖機(jī)、挖掘機(jī)、提升機(jī)、礦車(chē)等。根據(jù)系統(tǒng)可靠性與費(fèi)用關(guān)系分析，系統(tǒng)第i個(gè)設(shè)備的可靠性與維修費(fèi)用Xi的關(guān)系模型：

(8)

式中，αi,βi為回歸系數(shù)。

轉(zhuǎn)化為在維修費(fèi)用一定的條件下，求解R1,R2,…,Rn，約束條件為

(9)

則上述問(wèn)題可改成

(10)

令

(11)

代入約束條件，有

(12)

(13)

2.4支護(hù)Agent可靠性

在地下鈾礦山開(kāi)采過(guò)程中，影響井巷穩(wěn)定性因素包括圍巖巖性、斷面形狀尺寸、井巷位置、破巖方式等。為了保證工作面頂板安全，為鑿巖爆破、采裝、運(yùn)輸?shù)忍峁┌踩€(wěn)定的作業(yè)環(huán)境，就必須進(jìn)行礦山巷道支護(hù)。常用的支護(hù)方式有錨桿支護(hù)和噴射混凝土支護(hù)，雖然二者都可獨(dú)立使用，但經(jīng)常聯(lián)合使用，使支護(hù)效果更好。

錨桿支護(hù)的參數(shù)主要有錨桿長(zhǎng)度、錨桿密度、桿體直徑、桿間排距、錨桿托盤(pán)面積等。噴射混凝土支護(hù)的工藝參數(shù)主要有噴射機(jī)的工作風(fēng)壓、水壓、水灰比、噴頭與受?chē)娒娴木嚯x及傾角、一次噴射厚度等。支護(hù)Agent可以設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7　支護(hù)Agent

可以根據(jù)當(dāng)前的工作面各項(xiàng)參數(shù)作為判斷支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件，結(jié)合Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，得到比較合理的支護(hù)參數(shù)，為巷道支護(hù)提供理論支持。

3　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)將多智能體理論應(yīng)用于到地下鈾礦山開(kāi)采系統(tǒng)中，構(gòu)建了地下鈾礦山開(kāi)采系統(tǒng)的工藝流程多智能體結(jié)構(gòu)，并對(duì)體系結(jié)構(gòu)中的Agent類(lèi)型、每一工藝流程的可靠性影響進(jìn)行分析，促進(jìn)礦山開(kāi)采系統(tǒng)的多智能體分布式自治及其功能擴(kuò)展，能有效地解決多智能體結(jié)構(gòu)的地下鈾礦山開(kāi)采系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，從而為礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采合理化、有效化，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用前景。

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(收稿日期2016-05-10)

Reliability Analysis of Uranium Mining Technological Process System

Dai JianyongLi Haitao

(School of Nuclear Resources Engineering, University of South China)

AbstractAccording to the reliability logic relationship of each operation system of underground uranium mine,the reliability model of underground uranium mine mining system is established,and the reliability index are analyzed to provide the new method for the mining of underground uranium mine.The above analysis results of the paper have some reference for the promoting the automation and intelligible of the mining of underground uranium mine.

KeywordsReliability of mining system,Underground uranium mine,Technological process

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51174116)。

戴劍勇(1969—)，男，教授，博士，421001 湖南省衡陽(yáng)市常勝西路28號(hào)。

·采礦工程·