李 迅,盛建龍,黃 澤

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北武漢 430081)

金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性研究

李 迅,盛建龍,黃 澤

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北武漢 430081)

論述了金屬礦山地下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性的定義,用有效度描述系統(tǒng)可靠性。分析了串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)以及柔性連接系統(tǒng)等常見系統(tǒng)有效度。在現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立了金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性模型,通過對(duì)模型的研究,計(jì)算得到系統(tǒng)有效度,驗(yàn)證了模型的正確性。

地下運(yùn)輸系統(tǒng);柔性連接系統(tǒng);可靠性模型;有效度

金屬礦山地下運(yùn)輸系統(tǒng)在整個(gè)礦山生產(chǎn)過程中占有重要地位。隨著采礦技術(shù)與采礦設(shè)備的發(fā)展,運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性日益受到重視?，F(xiàn)在可靠性已與性能、成本、時(shí)間等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一起,作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的主要指標(biāo)[1]?？梢娤到y(tǒng)可靠性在生產(chǎn)中發(fā)揮的作用也越來越大。井下運(yùn)輸環(huán)境的復(fù)雜性、局限性、不確定性,更是凸顯研究礦山地下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性的必要性。

地下運(yùn)輸系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持正常生產(chǎn)能力的概率稱為地下運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性[2]。金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的可修系統(tǒng),通常采用系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)有效度來描述系統(tǒng)的可靠性,而可靠度的高低通常取決于運(yùn)輸系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的故障率和修復(fù)率。

地下運(yùn)輸設(shè)備通常需要連續(xù)工作,若發(fā)生故障會(huì)造成一定損失,但一般不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果[1],如鏟運(yùn)機(jī)、電機(jī)車、箕斗等設(shè)備。對(duì)于這類設(shè)備通常采用預(yù)防維修,平時(shí)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的故障采用零修加以排除。

1 系統(tǒng)有效度模型

1.1 單個(gè)環(huán)節(jié)有效度

復(fù)雜的運(yùn)輸系統(tǒng)是由多個(gè)環(huán)節(jié)組合而成,計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的有效度需先獲得單個(gè)環(huán)節(jié)的有效度:

式中:A為單個(gè)環(huán)節(jié)的有效度;λ為單個(gè)環(huán)節(jié)的故障率;μ為單個(gè)環(huán)節(jié)的修復(fù)率。

1.2 可修硬性串聯(lián)系統(tǒng)

運(yùn)輸系統(tǒng)中若無緩沖設(shè)備,各環(huán)節(jié)均采用硬性連接,系統(tǒng)中每一部件都正常工作,系統(tǒng)才能正常工作,此類系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)有效度為:

式中:Ai為第 i環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)有效度;λi為第 i環(huán)節(jié)的故障率;μi為第 i環(huán)節(jié)的修復(fù)率。

1.3 可修硬性并聯(lián)系統(tǒng)

井下開采往往是多工作面同時(shí)進(jìn)行,當(dāng)其中一條支線發(fā)生故障時(shí),雖然不影響其他支線正常工作,但影響整個(gè)礦山的總生產(chǎn)能力,因此不能用簡(jiǎn)單的邏輯并聯(lián)來計(jì)算井下硬性并聯(lián)系統(tǒng)的有效度,需引入 1個(gè)權(quán)重因子來表示各支線的影響程度,用各工作面的能力貢獻(xiàn)率 (該分支生產(chǎn)能力占總生產(chǎn)能力的比重)表示。此類系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)有效度為:

式中:ωi為第 i條支線的權(quán)重因子;Ai為第 i條支線的有效度。

1.4 柔性連接系統(tǒng)

由于井下運(yùn)輸環(huán)節(jié)眾多,為減少各環(huán)節(jié)發(fā)生故障對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響,通常會(huì)設(shè)有緩沖倉,而金屬礦山常見的緩沖倉有溜井和礦倉。通過緩沖倉將前后運(yùn)輸環(huán)節(jié)連接的運(yùn)輸系統(tǒng)稱為柔性連接系統(tǒng)[3]。此類系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)有效度為:

式中:Aq為倉前運(yùn)輸環(huán)節(jié)有效度;Ac為緩沖倉有效度;Ah為倉后環(huán)節(jié)有效度;W為緩沖倉容量;q為倉前后運(yùn)輸設(shè)備每分鐘運(yùn)輸能力平均值;Qq為倉前運(yùn)輸環(huán)節(jié)運(yùn)礦時(shí)平均運(yùn)礦能力;Qh為倉后運(yùn)輸環(huán)節(jié)運(yùn)礦時(shí)平均運(yùn)礦能力。

2 實(shí)例分析

2.1 金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)概況

金山店鐵礦位于湖北省大冶市金山店鎮(zhèn),是武鋼礦業(yè)公司下屬大型地下礦山之一,采用無底柱分段崩落法進(jìn)行開采,階段高度 70 m,分段高度 14 m,進(jìn)路間距 16 m。礦山工作制度為年工作 306 d,每天 3班,每班 8 h?，F(xiàn)階段總生產(chǎn)規(guī)模為 300萬 t/a,其中包括:張福山礦區(qū)西區(qū) 125萬 t/a、張福山礦區(qū)東區(qū) 125萬 t/a、余華寺礦區(qū) 50萬 t/a。3個(gè)礦區(qū)在各自工作面用鏟運(yùn)機(jī)出礦,通過礦區(qū)溜井到 -340 m中段,用電機(jī)車牽引礦車將礦石集中運(yùn)到張福山礦石卸載站,經(jīng)溜破系統(tǒng)破碎后,下放到 -520 m裝礦水平的礦倉,通過膠帶運(yùn)輸,再經(jīng)箕斗運(yùn)輸?shù)降乇?。其?溜井和礦倉屬于緩沖設(shè)備。因此金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)可看做由鏟運(yùn)機(jī)、溜井、電機(jī)車、礦倉、膠帶、箕斗等部件組成的復(fù)雜柔性串并聯(lián)系統(tǒng) (見圖1)。

圖1 金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)組成

金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)各環(huán)節(jié) 1年內(nèi)實(shí)際故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1,由此可以得到各環(huán)節(jié)的故障率λ及修復(fù)率μ,由公式 (1)可計(jì)算出各環(huán)節(jié)有效度A。

2.2 模型建立

表1 金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)一年內(nèi)各運(yùn)輸環(huán)節(jié)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)際情況建立系統(tǒng)可靠性模型 (見圖2)。整個(gè)系統(tǒng)是由前半部分、礦倉與后半部分組成的柔性連接系統(tǒng),其中溜井和礦倉為緩沖倉,其前半部分可看做 3條支路并聯(lián),每條支路是由各礦區(qū)內(nèi)鏟運(yùn)機(jī)、溜井、電機(jī)車組成的柔性連接系統(tǒng);后半部分是由膠帶和箕斗組成的可修串聯(lián)系統(tǒng)。因此,系統(tǒng)可靠性模型可以簡(jiǎn)化為圖3。將前部分看做一整體后,整個(gè)系統(tǒng)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為一個(gè)柔性連接系統(tǒng) (見圖4)。

2.3 模型計(jì)算

2.3.1 支路有效度

各支路可看做由鏟運(yùn)機(jī)、溜井和電機(jī)車組成的柔性連接系統(tǒng),將表1統(tǒng)計(jì)所得結(jié)果帶入公式 (4):

圖2 金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性模型

圖3 可靠性模型簡(jiǎn)化

圖4 可靠性模型最終簡(jiǎn)化

(1)西區(qū)支路倉前運(yùn)輸強(qiáng)度為 170.21 t/h,倉后運(yùn)輸強(qiáng)度為 204.26 t/h,溜井容量為 4206 t,倉前倉后每分鐘運(yùn)輸能力平均值為 3 t。因此有效度為:

(2)東區(qū)支路倉前運(yùn)輸強(qiáng)度為 169.32 t/h,倉后運(yùn)輸強(qiáng)度為 205.17 t/h,溜井容量為 4100 t,倉前倉后每分鐘運(yùn)輸能力平均值為 3 t。因此有效度為:

(3)余華寺礦區(qū)支路倉前運(yùn)輸強(qiáng)度為 68.08 t/h,倉后運(yùn)輸強(qiáng)度為 82.64 t/h,溜井容量為 1682 t,倉前倉后每分鐘運(yùn)輸能力平均值為 1.5 t。因此有效度為:

2.3.2 前半部分系統(tǒng)有效度

前半部分可看做為 3條支路組成的一個(gè)可修并聯(lián)系統(tǒng),由各礦區(qū)年產(chǎn)量可得權(quán)重因子ω1=5/12、ω2=5/12、ω3=1/6,并將計(jì)算所得的 AⅠ、AⅡ、AⅢ帶入公式 (3),計(jì)算可得前半部分系統(tǒng)有效度:

2.3.3 后半部分系統(tǒng)有效度

后半部分可看做有環(huán)節(jié) 3和環(huán)節(jié) 4組成的可修串聯(lián)系統(tǒng),因此,將 A3和 A4帶入公式 (2)計(jì)算可得后半部分系統(tǒng)有效度:

2.3.4 總系統(tǒng)有效度

整個(gè)地下運(yùn)輸系統(tǒng)可看作由前半部分系統(tǒng)、礦倉和后半部分系統(tǒng)組成的一個(gè)柔性連接系統(tǒng),倉前運(yùn)輸強(qiáng)度為 492.07 t/h,倉后運(yùn)輸強(qiáng)度為 881.28 t/h,溜井容量為 11438 t,倉前倉后每分鐘運(yùn)輸能力平均值為 11.5 t。再將計(jì)算所得 AⅠ′和 AⅣ帶入公式 (4)計(jì)算可得總運(yùn)輸系統(tǒng)的有效度:

可見,有明確的系統(tǒng)可靠性定義和典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效度模型,便能建立金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性模型,計(jì)算有效度值為 0.9728,說明金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性較高,這一結(jié)果與實(shí)際情況比較吻合。

3 結(jié) 論

由于金屬礦山地下運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性,不能采用單一的串聯(lián)或并聯(lián)可靠性模型來計(jì)算整個(gè)地下運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性,需要根據(jù)實(shí)際情況,綜合典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效度模型,正確建立適合具體情況的可靠性模型。

分析可得,整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性從根本上取決于單個(gè)環(huán)節(jié)有效度,并聯(lián)系統(tǒng)有效度明顯高于串聯(lián)系統(tǒng)有效度,柔性連接系統(tǒng)有效度高低與緩沖倉容量有很大關(guān)系。因此,通過引進(jìn)有效度高的設(shè)備,加強(qiáng)對(duì)各環(huán)節(jié)設(shè)備的維護(hù)和檢修,在運(yùn)輸系統(tǒng)選擇時(shí)盡量避免單一串聯(lián),必要時(shí)設(shè)立緩沖倉,提高緩沖倉有效度和容積,可以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

本文研究了串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)以及柔性連接系統(tǒng)等常見系統(tǒng)有效度模型,通過實(shí)例分析加以綜合,建立了金山店鐵礦地下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性模型,模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較吻合。該方法還可以推廣到其他礦山。

[1]崔東亮.煤礦井下連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性分析及計(jì)算機(jī)仿真研究[D].太原:太原理工大學(xué),2006.

[2]任 江,等.鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性研究 [J].煤礦開采,2006,(4):9-26.

[3]左秀峰,等.礦井運(yùn)提系統(tǒng)可靠性模型[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2005,(3):133-139.

2010-10-20)

李 迅 (1987-),男,四川名山人,碩士生,研究方向?yàn)椴傻V工藝及礦山生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化,Email:lixun948@163.com。