铀矿山开采系统工艺流程可靠性分析*

戴剑勇　李海涛

(南华大学核资源工程学院)



铀矿山开采系统工艺流程可靠性分析*

戴剑勇李海涛

(南华大学核资源工程学院)

摘要根据地下铀矿山开采中各作业系统的可靠性逻辑关系，应用系统可靠性构建了地下铀矿山开采系统的可靠性模型，分析其可靠性指标，为地下铀矿山开采提供新的思路和方法，对促进矿山开采的自动化，智能化有一定的参考价值。

关键词开采系统可靠性地下铀矿山工艺流程

矿井开采系统主要包括开拓、采准、回采三大部分，涉及到开拓巷道、地压管理、穿孔、爆破、装岩、充填，供风、供水等安全作业问题。各个作业系统的高效运行是一个矿井能够达到设计规模的前提。因而,必须对其运行情况进行预测和分析。在现有矿山开采工艺流程、开采设备的情况下,如何充分利用地下矿山开采过程信息,合理确定开采过程参数,并使地下矿山开采系统运行于最佳状态，是目前我国地下矿山开采最为关注并亟待解决的关键问题之一。

上世纪80年代以来，中国对矿山系统的可靠性研究取得了丰富的实践性研究成果，通过用计算机模拟的方法来分析矿仓位置、容量以及提升机和轨道运输系统列车运行等情况，为矿山的安全生产和效率提升作出了贡献，提高了矿山生产系统的可靠性。但随着科技的进步和智能化管理的发展，出现了一些对系统可靠性要求更高的高产高效矿井，使得人们对矿山系统的可靠性进行了更进一步的分析与研究。袁艳斌等[1-4]运用模糊数学思想对运输系统可靠性进行了模糊综合评判，建立了评判因素体系，分析了运输系统当前可靠性状况及其存在的问题和不足，使得评判结果更加客观与科学。申莹等[5]利用Agent模拟系统，对运行任务过程的可靠性进行了仿真，并分析基于Agent面向任务环境的装备系统可靠性，研究系统可靠性在不同环境条件下的特征，为构建通用、实用的系统可靠性理论与方法奠定了基础，提供了装备系统可靠性工程设计、研制与论证的依据。羊帆[6]运用线性模糊数法，确定与门模糊算子和或门模糊算子，并通过Fussell-Vesely值衡定法来计算风路的重要度，在此基础上建立了通风网络模糊故障树模型，通过具体实例计算了通风模糊故障树模型，得出了故障树基本事件的失效数据和重要度分析结果，以此来验证模糊故障树模型。代景霞等[7]利用可靠性理论和计算机仿真方法，建立了煤矿井下带式运输机可靠性仿真模型，计算了系统的可靠性指标，并根据可靠性模型对平煤某矿井下带式输送机进行数值仿真，利用计算机对其结果计算分析，证明此方法是可行的。刘福明等[8]通过分析出仓前系统、仓后系统与缓冲仓所处的3种作业关系及其相互转化规律，建立了柔性串联系统，并分析其可靠性数学模型，得出了计算柔性串联系统可靠度的计算公式。并且根据露天矿采煤强度的要求，利用仓前系统与仓后系统修复时间的分布规律，得出了缓冲仓在系统正常运行条件下的最优的存料量，以及最优的剩余空间量。

在国外，20世纪60年代美国、澳大利亚等发达国家，开始使用计算机模拟方式来解决地下矿山的局部生产技术问题，没有对采矿系统进行比较全面的研究分析。随着计算机模拟技术的日益发展，在采矿系统得到了广泛应用，开始出现了基于整个矿井生产过程的专业模拟软件，促进了企业经济效益和现代化管理水平的提高。70年代初期，西德Essen矿业研究所针对矿山运输，模拟研制出了后来被作为常用标准软件的通用轨道运输系统模拟模型，该模型后来也作为必要组成部分被集成到矿井生产总系统模拟模型中。80年代美国ISI和某矿业公司采用专业计算机模拟语言GPSS，结合当时矿山提运系统软件的经验，合作研制开发了一款用于井下提运系统的通用模拟软件[9-11]。

随着计算机技术的飞速发展以及智能计算技术的不断涌现，智能优化技术成为解决矿山开采设计的主要技术，多智能体系统(Multi-Agent System，MAS)采用分布式体系结构，具有敏捷、灵活、实时的优点，其每个智能体皆有一定的独立功能，而且单个Agent与Agent之间的结构关系是可动态调整的，不同功能的Agent耦合组成的矿山开采系统体系结构具有自适应、自组织和良好的协调性能，可以通过不同的协商方式完成繁杂的整体运作。因此，应用多智能体技术对解决矿山开采系统的分布式自治和集成优化问题，具有重要的现实意义。

1　矿山开采系统设计

多智能体系统建模方法，首先根据研究的系统对单个的Agent进行定义，给每个Agent赋予一定的行为及参数，然后根据Agent之间及Agent与环境之间的关系，确定交互规则，通过交互，将各个Agent联结成一个整体，构成一个完整的Multi-Agent系统。

本文根据地下铀矿山的开采工艺流程及特点，结合混合式多智能体结构，建立基于多智能体技术的地下铀矿山开采系统，将矿山开采过程中设计的各工艺作业流程分解为相应的Agent模型，主要是由人机交互界面、主控Agent、开拓Agent、采准Agent、回采Agent、通风Agent、供电Agent、供水Agent、穿爆Agent、采装Agent、运提Agent、支护Agent等Agent组成，具体结构如图1所示。

图1　地下铀矿山多智能体开采系统工艺流程结构模型

对该地下铀矿山多智能体开采系统模型进行分析，主要有以下3种Agent结构。

1.1主控Agent

主控Agent属于管理层，负责接收人机界面输入的初始信息和其他Agent的反馈信息，同时还需要发布开采信息给其他Agent，因此需要有信息处理和推理决策的能力。其内部结构如图2所示。

图2　主控Agent内部结构

1.2开拓Agent、采准Agent、回采Agent

开拓Agent、采准Agent、回采Agent既具有主控Agent的功能，也具有一定的规划功能，它们接收主控Agent发布的任务，同时又给穿爆Agent、采装Agent、运提Agent、支护Agent发布相应的任务，并根据穿爆Agent、采装Agent、运提Agent、支护Agent反馈的信息，进行进一步的规划决策，并把最优方案分别反馈给相关Agent。其内部结构如图3所示。

1.3其他Agent

通风Agent、供电Agent、供水Agent、穿爆Agent、采装Agent、运提Agent、支护Agent只需要接收相应的任务信息，根据自身知识库进行合理的推理、规划决策，得到该Agent最优运行方案，并反馈给对应的任务发布Agent。其内部结构如图4所示。

图3　开拓Agent、采准Agent、回采Agent内部结构

图4　其他Agent内部结构

2　矿山开采系统可靠性分析

2.1穿爆Agent可靠性

穿爆作业是地下铀矿山开采过程中的先行作业，穿爆效果直接影响后续各项作业能否顺利开展和成本开采。与穿爆Agent相关的因素很多：钻孔设备、孔径、孔间距、排间距、超深、落矿量和炸药单耗等。这些因素之间关系复杂，目前仍无法用具体的函数表达式来表示，因此选择自适应模糊推理方法进行建模。

本文采用地下铀矿山的主要爆破参数，孔径、孔间距、排间距、超深、落矿量和炸药单耗建立穿爆Agent模型，以落矿量为输出，其余为输入。

步骤如下：

Step1：产生训练数据和测试数据。

Step2：确定输入变量的隶属度函数的类型以及个数。

Step3：由非聚类函数(genfis1)或聚类函数(genfis2)产生最初的 ANFIS结构。

Ii=genfis2(trnData,bounds)

Step4：设定 ANFIS 中的各项参数。

Step5：运用 anfis 函数训练 ANFIS。

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

=anfis([trndatin,trndatout],

[chkdatin,chkdatout])

Step6：检验 FIS 的性能。

Step7：调用 evalfis 函数获得最终的输出结果。

f=evalfis(X,O)

2.2采装Agent可靠性

采装作业指通过采掘设备将矿岩从爆堆挖掘出来并装到运输设备的作业，是矿山全部生产过程中的一个中心环节，其效率直接影响到矿山的开采强度、生产能力和经济效益。所用设备主要有挖掘机、放矿漏斗、装岩机、矿车等，可将其看做是一个由设备组成的可修复串联系统进行分析。基于设备故障率的串联生产线，其可靠性指标可以表示为

系统有效度A1

(1)

系统可靠度R1(t)

(2)

式中，n为采装系统中的设备数，n=4；μi为第i台设备的修复率；λi为第i台设备的失效率。

2.3运提Agent可靠性

运提作业包括运输和提升两部分，是矿山开采过程中的重要组成部分，考虑运提系统的可靠性很有必要。本文考虑两条运输支路共用一个提升机的情况，运输子系统包括矿井、溜井等；提升子系统则由提升机、操车系统等组成。其可靠性模型与可靠性框图如图5、图6所示。

图5　运提系统可靠性模型

图6　运提系统可靠性框图

运输子系统中两行子系统可靠度分别为

(3)

并联组成的运输子系统可靠度为

R1R2+R3R4-R1R2R3R4,

(4)

那么，整个运提系统可靠度为

R=R0R5R6=R1R2R5R6+R3R4R5R6-

R1R2R3R4R5R6.

(5)

地下铀矿山开采系统中的设备都是可修复的，且寿命分布服从指数分布，即

(6)

则提运系统可靠度为

(7)

在整个开采系统中，涉及到开拓、采准、回采等过程，可将各个过程中的采装系统、运提系统统一看做是由n个设备组成的串联可修系统，设每个设备可靠度为Ri(i=1,2,…,n)，i代表钻机、装岩机、挖掘机、提升机、矿车等。根据系统可靠性与费用关系分析，系统第i个设备的可靠性与维修费用Xi的关系模型：

(8)

式中，αi,βi为回归系数。

转化为在维修费用一定的条件下，求解R1,R2,…,Rn，约束条件为

(9)

则上述问题可改成

(10)

令

(11)

代入约束条件，有

(12)

(13)

2.4支护Agent可靠性

在地下铀矿山开采过程中，影响井巷稳定性因素包括围岩岩性、断面形状尺寸、井巷位置、破岩方式等。为了保证工作面顶板安全，为凿岩爆破、采装、运输等提供安全稳定的作业环境，就必须进行矿山巷道支护。常用的支护方式有锚杆支护和喷射混凝土支护，虽然二者都可独立使用，但经常联合使用，使支护效果更好。

锚杆支护的参数主要有锚杆长度、锚杆密度、杆体直径、杆间排距、锚杆托盘面积等。喷射混凝土支护的工艺参数主要有喷射机的工作风压、水压、水灰比、喷头与受喷面的距离及倾角、一次喷射厚度等。支护Agent可以设计如图7所示。

图7　支护Agent

可以根据当前的工作面各项参数作为判断支护系统可靠性的条件，结合Matlab神经网络工具箱进行数据训练，得到比较合理的支护参数，为巷道支护提供理论支持。

3　结　语

通过将多智能体理论应用于到地下铀矿山开采系统中，构建了地下铀矿山开采系统的工艺流程多智能体结构，并对体系结构中的Agent类型、每一工艺流程的可靠性影响进行分析，促进矿山开采系统的多智能体分布式自治及其功能扩展，能有效地解决多智能体结构的地下铀矿山开采系统的结构问题，从而为矿山开采设计提供参考，对实现矿山开采合理化、有效化，提高矿山经济效益，具有重要的现实意义与应用前景。

参考文献

[1]林井祥.矿井运煤系统可靠性优化研究[J].矿冶,2013(1):6-10.

[2]崔东亮,刘志河.煤矿柔性运输系统可靠性分析[J].山西煤炭,2005,25(4):9-11.

[3]白晓萍,张晓伟.含存储仓带式运输系统动态可靠性建模与评估[J].华中科技大学学报：自然科学版，2008,37(S1):284-288.

[4]袁艳斌,梁宵.矿山运输系统可靠性的熵权法模糊综合评判[J].金属矿山,2011(2):29-31.

[5]申莹,曹军海,吴俊伟.基于Agent的装备系统可靠性仿真机理研究[J].系统仿真学报,2013(S1):110-115.

[6]羊帆.矿井通风网络模糊可靠性研究[D].衡阳：南华大学,2013.

[7]代景霞,徐志凡.煤矿井下带式运输系统可靠性研究[J].煤炭工程,2012(10):77-79.

[8]刘福明,才庆祥,孙宇霆,等.带有缓冲仓的露天矿生产系统可靠性分析[J].煤矿安全，2014(11):218-220,224.

[9]CollinsJL,FytasK,SinghalRK.MinemaintenanceanalysisthroughMarkovchainschemes[J].InternationalJournalofSurfaceMiningReclamation&Environment,1992,6(1):47-56.

[10]EicelebiSG,YegulalpTM.Reliabilityandavailabilityanalysisofminingsystem[J].TransactionsoftheInstitutionofMining&Metallurgy(SectionA:MiningIndustry),1993,102(3):51-58.

[11]Mukhopadhyay.AK.OpenpitmineSystemReliability[J].Journalofmines,metals&fuels,1988,12(8):389-392.

(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

*国家自然科学基金项目(编号：51174116)。

戴剑勇(1969—)，男，教授，博士，421001 湖南省衡阳市常胜西路28号。

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