張崇欣，李克民，肖雙雙

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

自移式破碎系統(tǒng)作為近年發(fā)展迅速的一種半連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，受到業(yè)界越來越多的關(guān)注，在國(guó)內(nèi)礦山逐漸得到應(yīng)用。該系統(tǒng)可使礦山物料在運(yùn)輸過程中擺脫卡車的使用，避免了單斗卡車工藝昂貴的運(yùn)輸費(fèi)用和燃油費(fèi)用［1］。

自移式破碎系統(tǒng)的生產(chǎn)能力受眾多因素影響，系統(tǒng)的正常運(yùn)行需機(jī)械鏟、自移式破碎機(jī)和帶式輸機(jī)緊密配合，故其對(duì)礦山生產(chǎn)管理水平提出了更高的要求。管理者需要了解各因素對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的影響，并能有效預(yù)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力，才能合理調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃［2］。因此，建立各影響因素與系統(tǒng)生產(chǎn)能力之間的關(guān)系模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力對(duì)礦山正常生產(chǎn)具有重要意義。

1 自移式破碎機(jī)生產(chǎn)能力影響因素分析

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析，在設(shè)備參數(shù)和礦山地質(zhì)條件一定的情況下，影響自移式破碎機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的主要因素有：礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平、電鏟司機(jī)的操作水平、穿爆質(zhì)量、工藝參數(shù)設(shè)置、工作面準(zhǔn)備情況，而這五個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)又可用電鏟作業(yè)周期時(shí)間、炸藥單耗、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間三個(gè)指標(biāo)量化反映［3］。如圖1所示。

圖1 影響系統(tǒng)生產(chǎn)能力因素

1.1 礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平

自移式破碎機(jī)系統(tǒng)由電鏟、自移式破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)多個(gè)環(huán)節(jié)組成，每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備使用情況都直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的正常使用。只要一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)備出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)便無法使用，故礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)能力有很大影響。礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平越高，各設(shè)備正常使用時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)時(shí)間利用系數(shù)就越大，其生產(chǎn)能力便越大［3］。

1.2 電鏟司機(jī)操作水平

電鏟的滿斗系數(shù)、采裝周期等直接受電鏟司機(jī)操作水平的影響，電鏟司機(jī)的操作水平越高，平均滿斗系數(shù)就越大，采裝周期就越短，相同時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力也就越大［4］。同時(shí)，電鏟司機(jī)的操作水平還對(duì)工作面臺(tái)階的平整度有影響，這對(duì)后期系統(tǒng)工作面膠帶的移設(shè)效率有影響。

1.3 穿爆質(zhì)量

穿爆質(zhì)量主要體現(xiàn)在礦巖破碎塊度、爆堆幾何參數(shù)和爆堆松散程度［2］等指標(biāo)上。在礦山生產(chǎn)中，絕大多數(shù)物料都需先經(jīng)過爆破才能挖掘，爆破的質(zhì)量直接影響著物料塊度大小。在用電鏟進(jìn)行鏟裝操作時(shí)，其滿斗率受物料塊度的影響，故爆破質(zhì)量直接影響著系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。

在一定范圍內(nèi)，炸藥單耗越大，爆堆的松散性越好，礦巖的破碎塊度越小，電鏟的滿斗系數(shù)就越大，系統(tǒng)的生產(chǎn)效率也就越高。

1.4 工藝參數(shù)設(shè)置

在設(shè)備參數(shù)一定的情況下，自移式破碎機(jī)工藝參數(shù)主要包括臺(tái)階開采組合方式（單臺(tái)階開采或多臺(tái)階組合開采）、采掘帶寬度、工作面膠帶移設(shè)周期、臺(tái)階坡面角、臺(tái)階高度、爆堆尺寸等，這些因素都會(huì)對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)能力造成影響。只有根據(jù)具體設(shè)備設(shè)置合理的系統(tǒng)工藝參數(shù)，才能最大限度發(fā)揮設(shè)備能力，提高設(shè)備產(chǎn)量。

如合理采掘帶寬度能減少電鏟回轉(zhuǎn)周期時(shí)間，提高單位之間電鏟鏟裝量；合理的臺(tái)階開采組合方式能有效降低工作面膠帶移設(shè)次數(shù)，提高系統(tǒng)有效工作時(shí)間，從而增加系統(tǒng)產(chǎn)量。

1.5 工作面準(zhǔn)備情況

工作面膠帶是系統(tǒng)重要的組成部分，主要負(fù)責(zé)將經(jīng)自移式破碎機(jī)破碎的物料運(yùn)往端幫干線膠帶。工作面膠帶的特點(diǎn)在于其需隨著工作線的推進(jìn)周期性移設(shè)，這就要求在工作面待移設(shè)位置為其準(zhǔn)備好平整的基礎(chǔ)。因此，工作面的準(zhǔn)備情況將直接影響工作面膠帶的移設(shè)周期，從而影響系統(tǒng)的有效利用率。

工作面準(zhǔn)備情況主要與礦山爆破水平與采裝管理水平有關(guān)。爆破時(shí)產(chǎn)生拉底或采裝時(shí)下挖過深都會(huì)影響工作平盤的平整度，對(duì)工作面膠帶移設(shè)和系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

2 多元線性回歸分析

根據(jù)上文分析，由于各影響因素對(duì)目標(biāo)值產(chǎn)生直接影響，近似將其當(dāng)做線性關(guān)系處理［5］。將三個(gè)量化指標(biāo)作為自變量，以系統(tǒng)生產(chǎn)能力為因變量，構(gòu)建三元線性回歸模型。

2.1 多元線性回歸模型

多元線性回歸模型為

式（1）中，β0、β1、…、βm、σ2稱為回歸系數(shù)，現(xiàn)得到n個(gè)獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)（yi，xi1，…，xim），i＝1，…，n，n＞m，由式（1）得

2.2 參數(shù)估計(jì)

式（1）中，參數(shù)β0、β1、…、βm用最小二乘法估計(jì)，選取估計(jì)值，使當(dāng)βj＝，j＝0，1，2，…，m時(shí)，誤差平方和達(dá)到最小。誤差平方和計(jì)算公式見式（3）。

當(dāng)矩陣X為列滿秩時(shí)，XTX為可逆方陣，式（4）的解為

將伊敏露天煤礦某年月生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)帶入，則可求解此模型。如表1所示。

表1 伊敏露天煤礦自移式破碎機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)

計(jì)算得＝［327.12 －6.23 77.60 0.11］T，即。設(shè)顯著性水平α＝0.05，F(xiàn)＝87＞F0.05（3，8）＝4.07，所以拒絕H0，即自變量與因變量之間線性關(guān)系顯著，模型合理［6－7］。計(jì)算本模型模型誤差約為7%。

圖2 多元線性回歸模型預(yù)測(cè)結(jié)果

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型殘差修正

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在擬合數(shù)據(jù)時(shí)有三大優(yōu)點(diǎn)：可模仿包括非線性、分段等多種函數(shù)；不需要預(yù)先假設(shè)數(shù)據(jù)間的函數(shù)關(guān)系類型和參數(shù)分布；信息利用率高，避免了系統(tǒng)數(shù)據(jù)辨識(shí)方法在序列累加時(shí)因正負(fù)抵消而產(chǎn)生信息失真現(xiàn)象［8］。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與線性模型組合使用，可綜合反映數(shù)據(jù)線性及非線性特征，體現(xiàn)數(shù)據(jù)變化過程中的趨勢(shì)性、周期性和隨機(jī)性特征［9］。因此，本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)多元線性回歸模型進(jìn)行殘差修正，提出多元線性回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測(cè)模型。

3.1 模型建立

模型建立具體步驟如下所示。

2）BP網(wǎng)絡(luò)模型修正殘差序列。設(shè) ｛e（0）（T）｝為多元線性回歸模型的殘差序列，預(yù)測(cè)階數(shù)為S，即用e（0）（t－1）、e（0）（t－2）、…、e（0）（t－S）（t＝ 1，2，3…，n）的信息來預(yù)測(cè)t時(shí)刻的值，將e（0）（t－1）、e（0）（t－2）、…、e（0）（t－S）的值作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入樣本數(shù)據(jù)，e（0）（t）的值作為BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸出樣本。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法，通過一定量的殘差序列數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練這個(gè)網(wǎng)絡(luò)［10］。

3.2 模型求解

由前文多元線性回歸模型得出的殘差序列為

對(duì)式 ｛e（0）（T）｝建立BP網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)計(jì)采用輸入層3個(gè)節(jié)點(diǎn)，隱含層1層，隱含層7個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為1個(gè)，學(xué)習(xí)率為0.6，收斂率為0.01，均方差誤差限制在0.01的網(wǎng)絡(luò)［11］。利用 MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具性編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和測(cè)試，最后得出4～12月產(chǎn)量的殘差序列預(yù)測(cè)值。

組合模型模型預(yù)測(cè)值誤差為1.42%，明顯優(yōu)于多元線性回歸模型。組合模型模型預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比見圖3。

通過上面實(shí)例可見組合模型預(yù)測(cè)精度明顯提高。

圖3 組合模型預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

1）自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)作為一個(gè)生產(chǎn)能力受眾多因素影響的綜合系統(tǒng)，對(duì)其生產(chǎn)能力影響因素的分析以及對(duì)生產(chǎn)能力進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，對(duì)于合理安排露天礦生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃，保證露天礦生產(chǎn)的正常進(jìn)行具有重要意義。

2）影響自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的主要因素有：礦山設(shè)備管理與維護(hù)水平、電鏟司機(jī)的操作水平、穿爆質(zhì)量、工藝參數(shù)設(shè)置、工作面準(zhǔn)備情況，而這五個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)又可用電鏟作業(yè)周期時(shí)間、炸藥單耗和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間三個(gè)指標(biāo)量化反映。

3）自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)生產(chǎn)能力與影響因素之間既有線性關(guān)系，又有非線性關(guān)系，其中以線性關(guān)系為主。利用多元線性回歸-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型組合預(yù)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力，預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4）礦山管理人員可根據(jù)本文提供的方法對(duì)自移式破碎機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)能力進(jìn)行預(yù)測(cè)，也可以通過系統(tǒng)生產(chǎn)能力與各影響因素之間的關(guān)系，在系統(tǒng)生產(chǎn)能力及部分影響因素確定的情況下，通過對(duì)剩余指標(biāo)的調(diào)整使得系統(tǒng)順利完成既定生產(chǎn)任務(wù)。如某月設(shè)備出動(dòng)率不足，可適當(dāng)提高爆破質(zhì)量來保證系統(tǒng)完成計(jì)劃產(chǎn)量。

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