楚金旺， 劉 誠， 李少輝， 龐 慧， 翟建波， 張 偉

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

1 研究背景

開拓運輸系統(tǒng)是地下礦山的重要環(huán)節(jié)，直接影響著礦山產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。礦山地下運輸系統(tǒng)的環(huán)節(jié)多，制約影響因素多且隨機性強，系統(tǒng)瓶頸難以識別，運輸能力難以驗證。近年來，運籌學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、遺傳算法和系統(tǒng)工程等學(xué)科被用來解決礦山運輸系統(tǒng)問題[1-2]，系統(tǒng)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(tǒng)進行了仿真研究,Jacobs[4]對南非某地下礦山的礦石裝運系統(tǒng)進行了模擬研究,確定了鏟運機的數(shù)量、破碎機和膠帶機的能力及礦倉的容量,Hoare[5]通過系統(tǒng)仿真分析了澳大利亞Elura地下鉛鋅礦不同卡車數(shù)量條件下的鏟車及礦石破碎系統(tǒng)，楊成林[6]對云錫集團松樹腳礦運輸系統(tǒng)進行了仿真分析。目前，大部分學(xué)者主要針對地下運輸系統(tǒng)的某個環(huán)節(jié)或某幾個環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)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(tǒng)進行建模和仿真分析，比選中段運輸方案，驗證運輸能力，優(yōu)化設(shè)備匹配，消除系統(tǒng)瓶頸。

2 地下礦山運輸系統(tǒng)仿真原理

2.1 離散事件

系統(tǒng)仿真主要包括離散事件仿真、系統(tǒng)動力學(xué)仿真和多智能體仿真等多種建模方法。離散事件是系統(tǒng)仿真的一個重要組成部分，在生產(chǎn)和生活中常見，例如銀行、酒店、機場、地鐵、超市、理發(fā)店等業(yè)務(wù)，礦山運輸系統(tǒng)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(guī)則而相互作用、關(guān)聯(lián)集合在一起的系統(tǒng)，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(fā)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(tài)、進程、仿真鐘等特征來定義。實體是指系統(tǒng)中的對象，是有可區(qū)別性且獨立存在的某種事物。事件是引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)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(zhì)，實體的狀態(tài)由它的屬性集合來描述。系統(tǒng)狀態(tài)是指在某一確定時刻系統(tǒng)中所有實體的屬性集合。活動指實體在兩個時間之間保持某一狀態(tài)的持續(xù)過程。進程由和某類實體相關(guān)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(tǒng)到離開系統(tǒng)所經(jīng)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(tǒng)運行時間在仿真過程中的表示，而不是計算機執(zhí)行仿真過程的時間長度[8]。

2.2 Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)是研究信息系統(tǒng)及其相互關(guān)系的數(shù)學(xué)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)，表示系統(tǒng)中的并行、同步、沖突和因果依賴等關(guān)系，并以網(wǎng)圖的形式直觀地模擬離散事件系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的動態(tài)性質(zhì)，在所構(gòu)造的模型基礎(chǔ)上直接實現(xiàn)控制系統(tǒng)。Petri網(wǎng)是離散事件系統(tǒng)的主要建模工具[9]。

2.3 排隊系統(tǒng)

排隊系統(tǒng)是研究“服務(wù)”系統(tǒng)的“服務(wù)”與“需求”關(guān)系的一種數(shù)學(xué)理論，它包含到達、排隊等候服務(wù)、離去三個環(huán)節(jié)。排隊系統(tǒng)的排隊規(guī)則包括先到先服務(wù)(FIFO)，后到先服務(wù)(LIFO)，隨機服務(wù)(SIRO)，優(yōu)先權(quán)服務(wù)(PR)，最短處理時間先服務(wù)(SPT)等。排隊系統(tǒng)通常用顧客在系統(tǒng)內(nèi)停留的時間、系統(tǒng)中的平均顧客數(shù)和服務(wù)員利用率等性能指標來評價。排隊系統(tǒng)最基本的模型是單隊列單服務(wù)臺模型[9]。

3 工程算例

3.1 運輸系統(tǒng)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(tǒng)仿真，例如某地下銅礦規(guī)模10 000 t/d無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)仿真、某大型地下鐵礦(規(guī)模46 455 t/d)物流運輸系統(tǒng)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(chǎn)規(guī)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(tǒng)采用塔式布置，鋼絲繩罐道，內(nèi)設(shè)1套雙箕斗提升系統(tǒng)。坑內(nèi)礦、廢石通過膠帶斜井與主井接力提升至地表。坑內(nèi)礦石經(jīng)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(jīng)給礦膠帶機轉(zhuǎn)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(tǒng)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(shè)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(jīng)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(jīng)鏟運機運至采場溜井下放到-1 480 m中段。每個中段各設(shè)2個礦石卸載站、1個廢石卸載站。兩個運輸中段的礦石經(jīng)電機車運至卸載站，經(jīng)2條礦石集中溜井下放至破碎站，在-1 530 m水平設(shè)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(tǒng)進行了仿真建模，仿真模型見圖1。

圖1 系統(tǒng)仿真模型

3.3 仿真結(jié)果分析

本研究對整個地下礦山運輸系統(tǒng)進行了聯(lián)合仿真、多方案比較和仿真結(jié)果分析。

3.3.1 最優(yōu)電機車數(shù)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(shè)計運輸量礦石為6 000 t/d，廢石為1 200 t/d。根據(jù)運輸量要求，對3個不同運輸車輛分配方案進行系統(tǒng)仿真分析和方案比選。仿真結(jié)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(jù)中段運輸最優(yōu)電機車數(shù)量方案，即每個中段設(shè)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(lián)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(lián)合運輸能力和豎井提升能力匹配良好，不存在瓶頸環(huán)節(jié)，運輸系統(tǒng)運行良好。該地下礦山的整體運輸能力比生產(chǎn)設(shè)計能力高出21.5%，為后期采礦工序的擴產(chǎn)提能留有一定余量。

表1 電機車數(shù)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(fā)

對地下礦山運輸系統(tǒng)進行了二次開發(fā)，形成地下運輸系統(tǒng)計算軟件包，主要功能包括參數(shù)設(shè)置、控件封裝、平面仿真、三維仿真、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和仿真實驗等。設(shè)計人員特別是生產(chǎn)人員等可通過該軟件包自行設(shè)置回采盤區(qū)、機車數(shù)量等參數(shù)，進行運輸方案的驗證和優(yōu)化。

圖6 卸載站礦倉存儲量

圖7 二次開發(fā)軟件包

4 結(jié)語

地下礦山開拓運輸系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)化了設(shè)備匹配，消除了系統(tǒng)瓶頸。