系統仿真技術在地下礦山運輸中的應用

楚金旺， 劉 誠， 李少輝， 龐 慧， 翟建波， 張 偉

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.北京科技大學， 北京 100083)

1 研究背景

開拓運輸系統是地下礦山的重要環節，直接影響著礦山產量和生產成本。礦山地下運輸系統的環節多，制約影響因素多且隨機性強，系統瓶頸難以識別，運輸能力難以驗證。近年來，運籌學、模糊數學、遺傳算法和系統工程等學科被用來解決礦山運輸系統問題[1-2]，系統仿真是其中重要方法之一。Turner[3]對錫興鐵礦的破碎、堆存及運輸系統進行了仿真研究,Jacobs[4]對南非某地下礦山的礦石裝運系統進行了模擬研究,確定了鏟運機的數量、破碎機和膠帶機的能力及礦倉的容量,Hoare[5]通過系統仿真分析了澳大利亞Elura地下鉛鋅礦不同卡車數量條件下的鏟車及礦石破碎系統，楊成林[6]對云錫集團松樹腳礦運輸系統進行了仿真分析。目前，大部分學者主要針對地下運輸系統的某個環節或某幾個環節進行系統仿真分析。本文將對采礦溜井、中段運輸、礦石破碎、皮帶運輸和豎井提升等整個地下礦山運輸系統進行建模和仿真分析，比選中段運輸方案，驗證運輸能力，優化設備匹配，消除系統瓶頸。

2 地下礦山運輸系統仿真原理

2.1 離散事件

系統仿真主要包括離散事件仿真、系統動力學仿真和多智能體仿真等多種建模方法。離散事件是系統仿真的一個重要組成部分，在生產和生活中常見，例如銀行、酒店、機場、地鐵、超市、理發店等業務，礦山運輸系統也適用離散事件建模仿真分析。離散事件指的是一組實體為了完成某些目標，以某些規則而相互作用、關聯集合在一起的系統，其主要特點有兩個，一是事件在時間上和空間上都是離散的，二是事件在發生順序和條件上都是隨機性的[7]。

離散事件建模通常用實體、事件、屬性、狀態、進程、仿真鐘等特征來定義。實體是指系統中的對象，是有可區別性且獨立存在的某種事物。事件是引起系統狀態發生變化的行為，它是在某一時間點上的瞬間行為。屬性用來反映實體的某些性質，實體的狀態由它的屬性集合來描述。系統狀態是指在某一確定時刻系統中所有實體的屬性集合?；顒又笇嶓w在兩個時間之間保持某一狀態的持續過程。進程由和某類實體相關的若干事件及若干活動組成，用于描述一個臨時實體從進入系統到離開系統所經歷的完整過程，仿真鐘用于表示仿真時間的變化，作為仿真過程的時序控制，它是系統運行時間在仿真過程中的表示，而不是計算機執行仿真過程的時間長度[8]。

2.2 Petri網

Petri網是研究信息系統及其相互關系的數學模型，是一種用簡單圖形表示的組合模型，能較好的描述系統的結構，表示系統中的并行、同步、沖突和因果依賴等關系，并以網圖的形式直觀地模擬離散事件系統，分析系統的動態性質，在所構造的模型基礎上直接實現控制系統。Petri網是離散事件系統的主要建模工具[9]。

2.3 排隊系統

排隊系統是研究“服務”系統的“服務”與“需求”關系的一種數學理論，它包含到達、排隊等候服務、離去三個環節。排隊系統的排隊規則包括先到先服務(FIFO)，后到先服務(LIFO)，隨機服務(SIRO)，優先權服務(PR)，最短處理時間先服務(SPT)等。排隊系統通常用顧客在系統內停留的時間、系統中的平均顧客數和服務員利用率等性能指標來評價。排隊系統最基本的模型是單隊列單服務臺模型[9]。

3 工程算例

3.1 運輸系統概況

作者已針對多個礦山項目進行了礦石廢石物流運輸系統仿真，例如某地下銅礦規模10 000 t/d無人駕駛電機車運輸系統仿真、某大型地下鐵礦(規模46 455 t/d)物流運輸系統仿真等，本文選取某地下金礦為例詳細說明。該地下金礦生產規模為12 000 t/d，用主井、副井、膠帶斜井、輔助斜坡道開拓，中段采用電機車有軌運輸方案，-1 300 m和-1 480 m兩個中段同時運輸。主井提升系統采用塔式布置，鋼絲繩罐道，內設1套雙箕斗提升系統?？觾鹊V、廢石通過膠帶斜井與主井接力提升至地表?？觾鹊V石經破碎機破碎后直接落到給礦膠帶機上，廢石由放礦機向給礦膠帶機給料，經給礦膠帶機轉載至斜井膠帶機，通過斜井膠帶機運至主井附近的礦石倉和廢石倉，再由豎井提升至地面。

3.2 仿真建模

地下礦山運輸系統屬于典型的離散事件，適合采用離散事件仿真模型進行建模與仿真分析。該地下礦山工程主井最大提升高度1 400 m，設計提升能力為礦石12 000 t/d，廢石2 400 t/d，箕斗容積28 m3，提升速度16 m/s。膠帶斜井底部標高為-1 543 m水平，斜井頭部標高為-1 280 m水平，水平長度約1 855 m，斜井角度8.5°，提升高度263 m，膠帶機帶速3.15 m/s。-1 300 m和-1 480 m為集中有軌運輸中段，每個段運輸量礦石為6 000 t/d，廢石為1 200 t/d。列車有效載量71.16 t，平均運行速度3 m/s。-1 300 m中段以上的礦石經鏟運機運至采場溜井下放到-1 300 m中段；-1 480 m中段以上的礦石經鏟運機運至采場溜井下放到-1 480 m中段。每個中段各設2個礦石卸載站、1個廢石卸載站。兩個運輸中段的礦石經電機車運至卸載站，經2條礦石集中溜井下放至破碎站，在-1 530 m水平設2個破碎站。對采礦溜井、中段運輸、礦石破碎、皮帶運輸和豎井提升等整個地下礦山運輸系統進行了仿真建模，仿真模型見圖1。

圖1 系統仿真模型

3.3 仿真結果分析

本研究對整個地下礦山運輸系統進行了聯合仿真、多方案比較和仿真結果分析。

3.3.1 最優電機車數量

中段運輸由-1 300 m和-1 480 m兩個中段同時運輸，每個中段設計運輸量礦石為6 000 t/d，廢石為1 200 t/d。根據運輸量要求，對3個不同運輸車輛分配方案進行系統仿真分析和方案比選。仿真結果顯示，方案3最合理，運輸能力既能滿足運能要求，又有檢修時間，見表1。

3.3.2 運輸能力驗證

根據中段運輸最優電機車數量方案，即每個中段設置3輛車(共計6輛)，進行運輸能力仿真驗證。-1 300 m中段運輸量為8 500 t/d(見圖2a)，-1 480 m中段運輸量為9 000 t/d(見圖2b)，兩個中段聯合運輸能力為17 500 t/d(見圖3)。豎井提升能力為17 500 t/d，見圖4。兩個中段的聯合運輸能力和豎井提升能力匹配良好，不存在瓶頸環節，運輸系統運行良好。該地下礦山的整體運輸能力比生產設計能力高出21.5%，為后期采礦工序的擴產提能留有一定余量。

表1 電機車數量方案對比表

圖2 中段運輸情況

圖3 中段運輸能力

圖5 溜井存儲量

圖4 豎井提升能力

3.3.3 礦倉儲量

溜井和卸載站礦倉存儲量波動范圍分別見圖5和圖6，-1 300 m中段溜井的最大存儲量為390 t，-1 480 m中段溜井的最大存儲量為410 t，卸載站礦倉最大存儲量為275 t。溜井和卸載站礦倉實際需要存儲量為波動范圍的最大存儲量+安全余量。

3.4 二次開發

對地下礦山運輸系統進行了二次開發，形成地下運輸系統計算軟件包，主要功能包括參數設置、控件封裝、平面仿真、三維仿真、數據統計分析和仿真實驗等。設計人員特別是生產人員等可通過該軟件包自行設置回采盤區、機車數量等參數，進行運輸方案的驗證和優化。

圖6 卸載站礦倉存儲量

圖7 二次開發軟件包

4 結語

地下礦山開拓運輸系統屬于典型的離散事件，采用離散事件模型，并通過工程案例對采礦溜井、中段運輸、礦石破碎、皮帶運輸和豎井提升等整個地下礦山運輸系統進行了建模和仿真分析，比選了中段運輸方案，驗證了運輸能力，優化了設備匹配，消除了系統瓶頸。