李 迅,盛建龙,黄 泽

(武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北武汉 430081)

金山店铁矿地下运输系统可靠性研究

李 迅,盛建龙,黄 泽

(武汉科技大学资源与环境工程学院, 湖北武汉 430081)

论述了金属矿山地下运输系统可靠性的定义,用有效度描述系统可靠性。分析了串联系统、并联系统以及柔性连接系统等常见系统有效度。在现场统计数据的基础上,建立了金山店铁矿地下运输系统可靠性模型,通过对模型的研究,计算得到系统有效度,验证了模型的正确性。

地下运输系统;柔性连接系统;可靠性模型;有效度

金属矿山地下运输系统在整个矿山生产过程中占有重要地位。随着采矿技术与采矿设备的发展,运输系统的可靠性日益受到重视。现在可靠性已与性能、成本、时间等技术经济指标一起,作为评价系统优劣的主要指标[1]。可见系统可靠性在生产中发挥的作用也越来越大。井下运输环境的复杂性、局限性、不确定性,更是凸显研究矿山地下运输系统可靠性的必要性。

地下运输系统在规定的条件下和规定的时间内保持正常生产能力的概率称为地下运输系统的可靠性[2]。金山店铁矿地下运输系统是一个复杂的可修系统,通常采用系统稳态有效度来描述系统的可靠性,而可靠度的高低通常取决于运输系统各环节的故障率和修复率。

地下运输设备通常需要连续工作,若发生故障会造成一定损失,但一般不会导致严重后果[1],如铲运机、电机车、箕斗等设备。对于这类设备通常采用预防维修,平时生产过程中产生的故障采用零修加以排除。

1 系统有效度模型

1.1 单个环节有效度

复杂的运输系统是由多个环节组合而成,计算整个系统的有效度需先获得单个环节的有效度:

式中:A为单个环节的有效度;λ为单个环节的故障率;μ为单个环节的修复率。

1.2 可修硬性串联系统

运输系统中若无缓冲设备,各环节均采用硬性连接,系统中每一部件都正常工作,系统才能正常工作,此类系统稳态有效度为:

式中:Ai为第 i环节的稳态有效度;λi为第 i环节的故障率;μi为第 i环节的修复率。

1.3 可修硬性并联系统

井下开采往往是多工作面同时进行,当其中一条支线发生故障时,虽然不影响其他支线正常工作,但影响整个矿山的总生产能力,因此不能用简单的逻辑并联来计算井下硬性并联系统的有效度,需引入 1个权重因子来表示各支线的影响程度,用各工作面的能力贡献率 (该分支生产能力占总生产能力的比重)表示。此类系统的稳态有效度为:

式中:ωi为第 i条支线的权重因子;Ai为第 i条支线的有效度。

1.4 柔性连接系统

由于井下运输环节众多,为减少各环节发生故障对系统生产力的影响,通常会设有缓冲仓,而金属矿山常见的缓冲仓有溜井和矿仓。通过缓冲仓将前后运输环节连接的运输系统称为柔性连接系统[3]。此类系统稳态有效度为:

式中:Aq为仓前运输环节有效度;Ac为缓冲仓有效度;Ah为仓后环节有效度;W为缓冲仓容量;q为仓前后运输设备每分钟运输能力平均值;Qq为仓前运输环节运矿时平均运矿能力;Qh为仓后运输环节运矿时平均运矿能力。

2 实例分析

2.1 金山店铁矿地下运输系统概况

金山店铁矿位于湖北省大冶市金山店镇,是武钢矿业公司下属大型地下矿山之一,采用无底柱分段崩落法进行开采,阶段高度 70 m,分段高度 14 m,进路间距 16 m。矿山工作制度为年工作 306 d,每天 3班,每班 8 h。现阶段总生产规模为 300万 t/a,其中包括:张福山矿区西区 125万 t/a、张福山矿区东区 125万 t/a、余华寺矿区 50万 t/a。3个矿区在各自工作面用铲运机出矿,通过矿区溜井到 -340 m中段,用电机车牵引矿车将矿石集中运到张福山矿石卸载站,经溜破系统破碎后,下放到 -520 m装矿水平的矿仓,通过胶带运输,再经箕斗运输到地表。其中,溜井和矿仓属于缓冲设备。因此金山店铁矿地下运输系统可看做由铲运机、溜井、电机车、矿仓、胶带、箕斗等部件组成的复杂柔性串并联系统 (见图1)。

图1 金山店铁矿地下运输系统组成

金山店铁矿地下运输系统各环节 1年内实际故障统计结果见表1,由此可以得到各环节的故障率λ及修复率μ,由公式 (1)可计算出各环节有效度A。

2.2 模型建立

表1 金山店铁矿地下运输系统一年内各运输环节故障统计结果

根据金山店铁矿地下运输系统实际情况建立系统可靠性模型 (见图2)。整个系统是由前半部分、矿仓与后半部分组成的柔性连接系统,其中溜井和矿仓为缓冲仓,其前半部分可看做 3条支路并联,每条支路是由各矿区内铲运机、溜井、电机车组成的柔性连接系统;后半部分是由胶带和箕斗组成的可修串联系统。因此,系统可靠性模型可以简化为图3。将前部分看做一整体后,整个系统可进一步简化为一个柔性连接系统 (见图4)。

2.3 模型计算

2.3.1 支路有效度

各支路可看做由铲运机、溜井和电机车组成的柔性连接系统,将表1统计所得结果带入公式 (4):

图2 金山店铁矿地下运输系统可靠性模型

图3 可靠性模型简化

图4 可靠性模型最终简化

(1)西区支路仓前运输强度为 170.21 t/h,仓后运输强度为 204.26 t/h,溜井容量为 4206 t,仓前仓后每分钟运输能力平均值为 3 t。因此有效度为:

(2)东区支路仓前运输强度为 169.32 t/h,仓后运输强度为 205.17 t/h,溜井容量为 4100 t,仓前仓后每分钟运输能力平均值为 3 t。因此有效度为:

(3)余华寺矿区支路仓前运输强度为 68.08 t/h,仓后运输强度为 82.64 t/h,溜井容量为 1682 t,仓前仓后每分钟运输能力平均值为 1.5 t。因此有效度为:

2.3.2 前半部分系统有效度

前半部分可看做为 3条支路组成的一个可修并联系统,由各矿区年产量可得权重因子ω1=5/12、ω2=5/12、ω3=1/6,并将计算所得的 AⅠ、AⅡ、AⅢ带入公式 (3),计算可得前半部分系统有效度:

2.3.3 后半部分系统有效度

后半部分可看做有环节 3和环节 4组成的可修串联系统,因此,将 A3和 A4带入公式 (2)计算可得后半部分系统有效度:

2.3.4 总系统有效度

整个地下运输系统可看作由前半部分系统、矿仓和后半部分系统组成的一个柔性连接系统,仓前运输强度为 492.07 t/h,仓后运输强度为 881.28 t/h,溜井容量为 11438 t,仓前仓后每分钟运输能力平均值为 11.5 t。再将计算所得 AⅠ′和 AⅣ带入公式 (4)计算可得总运输系统的有效度:

可见,有明确的系统可靠性定义和典型系统结构的有效度模型,便能建立金山店铁矿地下运输系统可靠性模型,计算有效度值为 0.9728,说明金山店铁矿地下运输系统可靠性较高,这一结果与实际情况比较吻合。

3 结 论

由于金属矿山地下运输系统的复杂性,不能采用单一的串联或并联可靠性模型来计算整个地下运输系统的可靠性,需要根据实际情况,综合典型系统结构的有效度模型,正确建立适合具体情况的可靠性模型。

分析可得,整个运输系统可靠性从根本上取决于单个环节有效度,并联系统有效度明显高于串联系统有效度,柔性连接系统有效度高低与缓冲仓容量有很大关系。因此,通过引进有效度高的设备,加强对各环节设备的维护和检修,在运输系统选择时尽量避免单一串联,必要时设立缓冲仓,提高缓冲仓有效度和容积,可以提高整个系统的可靠性。

本文研究了串联系统、并联系统以及柔性连接系统等常见系统有效度模型,通过实例分析加以综合,建立了金山店铁矿地下运输系统可靠性模型,模型计算结果与实际较吻合。该方法还可以推广到其他矿山。

[1]崔东亮.煤矿井下连续运输系统可靠性分析及计算机仿真研究[D].太原:太原理工大学,2006.

[2]任 江,等.乡镇煤矿井下运输系统可靠性研究 [J].煤矿开采,2006,(4):9-26.

[3]左秀峰,等.矿井运提系统可靠性模型[J].系统工程理论与实践,2005,(3):133-139.

2010-10-20)

李 迅 (1987-),男,四川名山人,硕士生,研究方向为采矿工艺及矿山生产系统优化,Email:lixun948@163.com。