鈾礦山開采系統工藝流程可靠性分析*

戴劍勇　李海濤

(南華大學核資源工程學院)

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鈾礦山開采系統工藝流程可靠性分析*

戴劍勇李海濤

(南華大學核資源工程學院)

摘要根據地下鈾礦山開采中各作業系統的可靠性邏輯關系，應用系統可靠性構建了地下鈾礦山開采系統的可靠性模型，分析其可靠性指標，為地下鈾礦山開采提供新的思路和方法，對促進礦山開采的自動化，智能化有一定的參考價值。

關鍵詞開采系統可靠性地下鈾礦山工藝流程

礦井開采系統主要包括開拓、采準、回采三大部分，涉及到開拓巷道、地壓管理、穿孔、爆破、裝巖、充填，供風、供水等安全作業問題。各個作業系統的高效運行是一個礦井能夠達到設計規模的前提。因而,必須對其運行情況進行預測和分析。在現有礦山開采工藝流程、開采設備的情況下,如何充分利用地下礦山開采過程信息,合理確定開采過程參數,并使地下礦山開采系統運行于最佳狀態，是目前我國地下礦山開采最為關注并亟待解決的關鍵問題之一。

上世紀80年代以來，中國對礦山系統的可靠性研究取得了豐富的實踐性研究成果，通過用計算機模擬的方法來分析礦倉位置、容量以及提升機和軌道運輸系統列車運行等情況，為礦山的安全生產和效率提升作出了貢獻，提高了礦山生產系統的可靠性。但隨著科技的進步和智能化管理的發展，出現了一些對系統可靠性要求更高的高產高效礦井，使得人們對礦山系統的可靠性進行了更進一步的分析與研究。袁艷斌等[1-4]運用模糊數學思想對運輸系統可靠性進行了模糊綜合評判，建立了評判因素體系，分析了運輸系統當前可靠性狀況及其存在的問題和不足，使得評判結果更加客觀與科學。申瑩等[5]利用Agent模擬系統，對運行任務過程的可靠性進行了仿真，并分析基于Agent面向任務環境的裝備系統可靠性，研究系統可靠性在不同環境條件下的特征，為構建通用、實用的系統可靠性理論與方法奠定了基礎，提供了裝備系統可靠性工程設計、研制與論證的依據。羊帆[6]運用線性模糊數法，確定與門模糊算子和或門模糊算子，并通過Fussell-Vesely值衡定法來計算風路的重要度，在此基礎上建立了通風網絡模糊故障樹模型，通過具體實例計算了通風模糊故障樹模型，得出了故障樹基本事件的失效數據和重要度分析結果，以此來驗證模糊故障樹模型。代景霞等[7]利用可靠性理論和計算機仿真方法，建立了煤礦井下帶式運輸機可靠性仿真模型，計算了系統的可靠性指標，并根據可靠性模型對平煤某礦井下帶式輸送機進行數值仿真，利用計算機對其結果計算分析，證明此方法是可行的。劉福明等[8]通過分析出倉前系統、倉后系統與緩沖倉所處的3種作業關系及其相互轉化規律，建立了柔性串聯系統，并分析其可靠性數學模型，得出了計算柔性串聯系統可靠度的計算公式。并且根據露天礦采煤強度的要求，利用倉前系統與倉后系統修復時間的分布規律，得出了緩沖倉在系統正常運行條件下的最優的存料量，以及最優的剩余空間量。

在國外，20世紀60年代美國、澳大利亞等發達國家，開始使用計算機模擬方式來解決地下礦山的局部生產技術問題，沒有對采礦系統進行比較全面的研究分析。隨著計算機模擬技術的日益發展，在采礦系統得到了廣泛應用，開始出現了基于整個礦井生產過程的專業模擬軟件，促進了企業經濟效益和現代化管理水平的提高。70年代初期，西德Essen礦業研究所針對礦山運輸，模擬研制出了后來被作為常用標準軟件的通用軌道運輸系統模擬模型，該模型后來也作為必要組成部分被集成到礦井生產總系統模擬模型中。80年代美國ISI和某礦業公司采用專業計算機模擬語言GPSS，結合當時礦山提運系統軟件的經驗，合作研制開發了一款用于井下提運系統的通用模擬軟件[9-11]。

隨著計算機技術的飛速發展以及智能計算技術的不斷涌現，智能優化技術成為解決礦山開采設計的主要技術，多智能體系統(Multi-Agent System，MAS)采用分布式體系結構，具有敏捷、靈活、實時的優點，其每個智能體皆有一定的獨立功能，而且單個Agent與Agent之間的結構關系是可動態調整的，不同功能的Agent耦合組成的礦山開采系統體系結構具有自適應、自組織和良好的協調性能，可以通過不同的協商方式完成繁雜的整體運作。因此，應用多智能體技術對解決礦山開采系統的分布式自治和集成優化問題，具有重要的現實意義。

1　礦山開采系統設計

多智能體系統建模方法，首先根據研究的系統對單個的Agent進行定義，給每個Agent賦予一定的行為及參數，然后根據Agent之間及Agent與環境之間的關系，確定交互規則，通過交互，將各個Agent聯結成一個整體，構成一個完整的Multi-Agent系統。

本文根據地下鈾礦山的開采工藝流程及特點，結合混合式多智能體結構，建立基于多智能體技術的地下鈾礦山開采系統，將礦山開采過程中設計的各工藝作業流程分解為相應的Agent模型，主要是由人機交互界面、主控Agent、開拓Agent、采準Agent、回采Agent、通風Agent、供電Agent、供水Agent、穿爆Agent、采裝Agent、運提Agent、支護Agent等Agent組成，具體結構如圖1所示。

圖1　地下鈾礦山多智能體開采系統工藝流程結構模型

對該地下鈾礦山多智能體開采系統模型進行分析，主要有以下3種Agent結構。

1.1主控Agent

主控Agent屬于管理層，負責接收人機界面輸入的初始信息和其他Agent的反饋信息，同時還需要發布開采信息給其他Agent，因此需要有信息處理和推理決策的能力。其內部結構如圖2所示。

圖2　主控Agent內部結構

1.2開拓Agent、采準Agent、回采Agent

開拓Agent、采準Agent、回采Agent既具有主控Agent的功能，也具有一定的規劃功能，它們接收主控Agent發布的任務，同時又給穿爆Agent、采裝Agent、運提Agent、支護Agent發布相應的任務，并根據穿爆Agent、采裝Agent、運提Agent、支護Agent反饋的信息，進行進一步的規劃決策，并把最優方案分別反饋給相關Agent。其內部結構如圖3所示。

1.3其他Agent

通風Agent、供電Agent、供水Agent、穿爆Agent、采裝Agent、運提Agent、支護Agent只需要接收相應的任務信息，根據自身知識庫進行合理的推理、規劃決策，得到該Agent最優運行方案，并反饋給對應的任務發布Agent。其內部結構如圖4所示。

圖3　開拓Agent、采準Agent、回采Agent內部結構

圖4　其他Agent內部結構

2　礦山開采系統可靠性分析

2.1穿爆Agent可靠性

穿爆作業是地下鈾礦山開采過程中的先行作業，穿爆效果直接影響后續各項作業能否順利開展和成本開采。與穿爆Agent相關的因素很多：鉆孔設備、孔徑、孔間距、排間距、超深、落礦量和炸藥單耗等。這些因素之間關系復雜，目前仍無法用具體的函數表達式來表示，因此選擇自適應模糊推理方法進行建模。

本文采用地下鈾礦山的主要爆破參數，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：產生訓練數據和測試數據。

Step2：確定輸入變量的隸屬度函數的類型以及個數。

Step3：由非聚類函數(genfis1)或聚類函數(genfis2)產生最初的 ANFIS結構。

Ii=genfis2(trnData,bounds)

Step4：設定 ANFIS 中的各項參數。

Step5：運用 anfis 函數訓練 ANFIS。

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

=anfis([trndatin,trndatout],

[chkdatin,chkdatout])

Step6：檢驗 FIS 的性能。

Step7：調用 evalfis 函數獲得最終的輸出結果。

f=evalfis(X,O)

2.2采裝Agent可靠性

采裝作業指通過采掘設備將礦巖從爆堆挖掘出來并裝到運輸設備的作業，是礦山全部生產過程中的一個中心環節，其效率直接影響到礦山的開采強度、生產能力和經濟效益。所用設備主要有挖掘機、放礦漏斗、裝巖機、礦車等，可將其看做是一個由設備組成的可修復串聯系統進行分析。基于設備故障率的串聯生產線，其可靠性指標可以表示為

系統有效度A1

(1)

系統可靠度R1(t)

(2)

式中，n為采裝系統中的設備數，n=4；μi為第i臺設備的修復率；λi為第i臺設備的失效率。

2.3運提Agent可靠性

運提作業包括運輸和提升兩部分，是礦山開采過程中的重要組成部分，考慮運提系統的可靠性很有必要。本文考慮兩條運輸支路共用一個提升機的情況，運輸子系統包括礦井、溜井等；提升子系統則由提升機、操車系統等組成。其可靠性模型與可靠性框圖如圖5、圖6所示。

圖5　運提系統可靠性模型

圖6　運提系統可靠性框圖

運輸子系統中兩行子系統可靠度分別為

(3)

并聯組成的運輸子系統可靠度為

R1R2+R3R4-R1R2R3R4,

(4)

那么，整個運提系統可靠度為

R=R0R5R6=R1R2R5R6+R3R4R5R6-

R1R2R3R4R5R6.

(5)

地下鈾礦山開采系統中的設備都是可修復的，且壽命分布服從指數分布，即

(6)

則提運系統可靠度為

(7)

在整個開采系統中，涉及到開拓、采準、回采等過程，可將各個過程中的采裝系統、運提系統統一看做是由n個設備組成的串聯可修系統，設每個設備可靠度為Ri(i=1,2,…,n)，i代表鉆機、裝巖機、挖掘機、提升機、礦車等。根據系統可靠性與費用關系分析，系統第i個設備的可靠性與維修費用Xi的關系模型：

(8)

式中，αi,βi為回歸系數。

轉化為在維修費用一定的條件下，求解R1,R2,…,Rn，約束條件為

(9)

則上述問題可改成

(10)

令

(11)

代入約束條件，有

(12)

(13)

2.4支護Agent可靠性

在地下鈾礦山開采過程中，影響井巷穩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、運輸等提供安全穩定的作業環境，就必須進行礦山巷道支護。常用的支護方式有錨桿支護和噴射混凝土支護，雖然二者都可獨立使用，但經常聯合使用，使支護效果更好。

錨桿支護的參數主要有錨桿長度、錨桿密度、桿體直徑、桿間排距、錨桿托盤面積等。噴射混凝土支護的工藝參數主要有噴射機的工作風壓、水壓、水灰比、噴頭與受噴面的距離及傾角、一次噴射厚度等。支護Agent可以設計如圖7所示。

圖7　支護Agent

可以根據當前的工作面各項參數作為判斷支護系統可靠性的條件，結合Matlab神經網絡工具箱進行數據訓練，得到比較合理的支護參數，為巷道支護提供理論支持。

3　結　語

通過將多智能體理論應用于到地下鈾礦山開采系統中，構建了地下鈾礦山開采系統的工藝流程多智能體結構，并對體系結構中的Agent類型、每一工藝流程的可靠性影響進行分析，促進礦山開采系統的多智能體分布式自治及其功能擴展，能有效地解決多智能體結構的地下鈾礦山開采系統的結構問題，從而為礦山開采設計提供參考，對實現礦山開采合理化、有效化，提高礦山經濟效益，具有重要的現實意義與應用前景。

參考文獻

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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

*國家自然科學基金項目(編號：51174116)。

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

·采礦工程·