紫金山金銅礦單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性研究

李鵬

摘要： 為提高露天開采工藝的可靠性和適應(yīng)性，在確保生產(chǎn)能力完成的同時，降低生產(chǎn)成本，對單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析，建立了單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性模型。以紫金山金銅礦為例，對工藝系統(tǒng)設(shè)備故障率和維修率進(jìn)行統(tǒng)計分析，最終確定開采工藝系統(tǒng)可靠度為0.973，研究成果為紫金山金銅礦工程公司考核管理、設(shè)備選型、開采工藝系統(tǒng)布置及生產(chǎn)運(yùn)行保障提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 露天礦;開采工藝;單斗-卡車開采;設(shè)備選型;可靠性

中圖分類號：TD854 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）11-0049-04 doi：10.11792/hj20201109

引 言

露天礦開采工藝是結(jié)合地質(zhì)條件、氣候條件、設(shè)備類型、產(chǎn)量規(guī)模等因素綜合選擇的結(jié)果，是礦山生產(chǎn)的主體，其可靠性是影響礦山勞動生產(chǎn)率、正常生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益的重要因素[1-3]。隨著設(shè)備大型化，智能化的發(fā)展，國內(nèi)外諸多礦山在設(shè)計及技改中紛紛選用單斗-卡車開采工藝，該工藝已然成為未來發(fā)展趨勢，因此研究單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

可靠性理論是工程領(lǐng)域的一門獨(dú)立基礎(chǔ)學(xué)科，國內(nèi)外學(xué)者將系統(tǒng)可靠性工程理論逐漸應(yīng)用于礦業(yè)系統(tǒng)工程研究中并取得了很好的效果。白曉平等[4-6]應(yīng)用排隊(duì)理論，提出了半連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)中連續(xù)環(huán)節(jié)前間斷部分可靠性分析的處理辦法，全面分析了整個半連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性;王喜富等[7-8]定性分析了露天礦綜合開采工藝系統(tǒng)中，開采工藝子系統(tǒng)的制約與聯(lián)系，對采用綜合開采工藝露天礦的剝采工程可靠性進(jìn)行了研究;盧明銀等[9-10]用可修排隊(duì)系統(tǒng)及向量馬爾可夫過程理論研究了電鏟-卡車工藝系統(tǒng)可靠性的新方法，導(dǎo)出了電鏟-卡車系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)作業(yè)有效度的計算公式。本文借鑒前人研究成果，分析了單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性，建立了單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性模型，并以紫金山金銅礦為例，進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。

1 單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性分析

可靠性有狹義和廣義之分。狹義可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。廣義可靠性是指產(chǎn)品在其整個壽命期限內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，它包括狹義可靠性和維修性。

可維修系統(tǒng)的可靠度可分為瞬時可靠度、平均可靠度、穩(wěn)態(tài)可靠度和能力可靠度。其中，最為常用的是穩(wěn)態(tài)可靠度和能力可靠度。對于單一開采工藝系統(tǒng)而言，穩(wěn)態(tài)可靠度是指當(dāng)時間趨于無限時系統(tǒng)有效度的極值，是系統(tǒng)的固有屬性，僅與作業(yè)條件、設(shè)備性能、組織方式等因素有關(guān);能力可靠度是指一段時間內(nèi)（通常為1年）系統(tǒng)實(shí)際完成工程量大于等于指定生產(chǎn)能力的概率，能力可靠度不僅與作業(yè)條件、設(shè)備性能、組織方式等因素有關(guān)，還與指定生產(chǎn)能力的大小有關(guān)。其中，穩(wěn)態(tài)可靠度是連續(xù)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，如輪斗-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)連續(xù)開采工藝系統(tǒng); 能力可靠度是非連續(xù)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，如單斗-卡車開采工藝。因此，本文主要研究能力可靠度。

單斗-卡車開采工藝中，一臺電鏟與固定的若干卡車匹配形成一個工作組，其中任何一臺設(shè)備發(fā)生故障，均對該工作組的生產(chǎn)能力及可靠度產(chǎn)生影響。假設(shè)某工作線上布置有m臺電鏟和m×n輛卡車進(jìn)行采運(yùn)作業(yè)，電鏟與卡車型號均為單一型號，每臺電鏟配套n輛卡車組成m個相互獨(dú)立的工作組。該工作線上的單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性框圖見圖1。

由圖1可知，單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)的可靠性模型為混聯(lián)系統(tǒng)，一年中采裝工作線具備作業(yè)條件的時長、電鏟正常作業(yè)小時數(shù)、卡車正常作業(yè)小時數(shù)、卸載點(diǎn)具備作業(yè)條件的時長等均為連續(xù)隨機(jī)變量。其中，電鏟與卡車的故障時間和故障間隔時間服從指數(shù)分布，采裝工作線與卸載點(diǎn)具備作業(yè)條件的時間和不具備作業(yè)條件的時間也服從指數(shù)分布。

單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)屬于非連續(xù)系統(tǒng)，系統(tǒng)是否可靠的判據(jù)是能否在作業(yè)周期內(nèi)完成指定生產(chǎn)工程量。因此，確定單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)能力可靠度的過程就是確定其可靠度的過程。

2 單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性模型

在單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性模型中，采裝工作線、電鏟、卡車及卸載點(diǎn)均為可維修系統(tǒng)。假設(shè)所有電鏟的可靠度及維修率相同、所有卡車的可靠度及維修率相同、所有卸載點(diǎn)的可靠度及維修率也相同;那么，當(dāng)時間趨于無窮時，采裝工作線、電鏟、卡車及卸載點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)有效度分別為：

AdG= μdG λdG+μdG

AdD= μdD λdD+μdD

AdC= μdC λdC+μdC

AdX= μdX λdX+μdX

（1）

式中：AdG、AdD、AdC、AdX分別為采裝工作線、電鏟、卡車和卸載點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)有效度;λdG、λdD、λdC、λdX分別為采裝工作線、電鏟、卡車和卸載點(diǎn)的故障率（%）;μdG、μdD、μdC、μdX分別為采裝工作線、電鏟、卡車和卸載點(diǎn)的維修率（%）。

根據(jù)單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，單臺電鏟、卡車在一段時期內(nèi)可以正常工作的小時數(shù)是一種離散型隨機(jī)分布，服從二項(xiàng)分布。劉愛民等[11]的研究表明，“不可修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的可靠性多項(xiàng)式也適用于可修復(fù)網(wǎng)絡(luò)可用度的分析，只不過把多項(xiàng)式中的部件可靠度換成部件的可用度，把部件的不可靠度換成部件的不可用度”，其中可用度指穩(wěn)態(tài)有效度。單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)與可修復(fù)網(wǎng)絡(luò)具有相似性，采裝工作線、電鏟、卡車和卸載點(diǎn)等環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)性較弱，各環(huán)節(jié)失效互不相關(guān)，不具備馬爾科夫模型中“在很短時間間隔內(nèi)，只出現(xiàn)一次故障”的前提條件。因此，本文計算單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)的可靠性時，將可修系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)有效度作為不可修系統(tǒng)的環(huán)節(jié)可靠度，采用不可修系統(tǒng)的可靠性計算方法進(jìn)行計算。

分析圖1可知，單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)由若干電鏟工作組并聯(lián)后再與采裝工作線串聯(lián)組成，而每個電鏟工作組又由若干卡車并聯(lián)后再與電鏟、卸載點(diǎn)串聯(lián)組成。所以系統(tǒng)的能力可靠度計算應(yīng)當(dāng)先從各子系統(tǒng)的能力可靠度計算開始。本文中的單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)能力用卡車?yán)塾嫻ぷ餍r數(shù)與卡車小時運(yùn)輸能力的乘積計算，故進(jìn)行系統(tǒng)能力計算時只需計算卡車?yán)塾嫻ぷ餍r數(shù)，單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)能力可靠性計算程序框圖見圖2。

一輛卡車正常工作小時數(shù)為ti的概率：

Pi（ti）=CtitmaxAtidC（1-AdC）tmax-ti（2）

式中：Pi（ti）為一個電鏟工作組中第i輛卡車年正常工作ti個小時的概率;ti為一個電鏟工作組中第i輛卡車年正常工作小時數(shù)，1≤i≤n，1≤ti≤tmax;tmax為每輛卡車的理論年最大工作小時數(shù)。

在一個電鏟工作組中，由于電鏟、卡車、卸載點(diǎn)為串聯(lián)關(guān)系，電鏟及卸載點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)可靠度將對卡車?yán)塾嬚９ぷ餍r數(shù)產(chǎn)生影響，故第k電鏟工作組中n輛卡車年度累計正常工作小時數(shù)可用下式計算：

tk=AdDAdX∑ n i=1 tk，i （3）

式中：tk為第k電鏟工作組中n輛卡車年度累計正常工作小時數(shù)，1≤k≤m，1≤tk≤ntmax;tk，i為第k電鏟工作組中第i輛卡車年正常工作小時數(shù)，1≤i≤n，1≤ti≤tmax。

每個電鏟工作組中n輛卡車?yán)塾嬚９ぷ鱰k小時的概率可用下式計算：

Pk（tk）=∑∏ n i=1 Pi（tk，i） （4）

式中：Pk（tk）為第k電鏟工作組中n輛卡車年度累計正常工作tk小時的概率，其中Pi（tk，i）與式（3）中的tk，i一一對應(yīng)。

同理，單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)由m個獨(dú)立電鏟工作組并聯(lián)后再與采裝工作線串聯(lián)組成，采裝工作線與電鏟工作組為串聯(lián)關(guān)系，采裝工作線的穩(wěn)態(tài)可靠度將對電鏟工作組累計正常工作小時數(shù)產(chǎn)生影響，故單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)中m×n輛卡車年度累計正常工作小時數(shù)可用式（5）計算：

td=AdGAdDAdX∑ m k=1 ∑ n i=1 tk，i? ?（5）

式中：td為單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)中m×n輛卡車年度累計正常工作小時數(shù)，1≤td≤mntmax。

單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)中m×n輛卡車年度累計正常工作td小時的概率可由式（6）計算：

P（td）=∑∏ m k=1∑∏ n i=1 Pi（tk，i）? （6）

式中：P（td）為單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)中m×n輛卡車年度累計正常工作td小時的概率，其中Pi（tk，i）與式（3）中的tk，i一一對應(yīng)。

單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)能力可由式（7）計算：

Qd（td）=tdQC（7）

式中：Qd（td）為單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)能力（m3/a）;QC為每臺卡車平均小時運(yùn)輸能力（m3/h）。

據(jù)此，可計算出單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)中m×n輛卡車年度累計正常工作時間大于等于td小時的能力可靠度：

Rd（td）=∑ mntmax j=td P（j） （8）

式中：Rd（td）為單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)中m×n輛卡車年度累計正常工作時間大于等于td小時的能力可靠度。

分析式（5）、式（6）、式（8）可知，當(dāng)單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)中m×n輛卡車年度累計正常工作小時數(shù)td為定值時，AdG、AdD、AdX中任意一個數(shù)值增大，將使得 ∑ m k=1 ∑ n i=1 tk，i 降低，P（td）增大，進(jìn)而使得Rd（td）增大。

3 工程實(shí)例

紫金山金銅礦是一座上金下銅的特大型金屬礦山， 目前以銅礦開采為主，剝采工程均采用液壓反鏟-卡車間斷開采工藝，由新華都實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司（新華都）、福建興萬祥建設(shè)集團(tuán)有限公司（興萬祥）、紫金礦業(yè)建設(shè)有限公司（紫金建設(shè)）3家工程公司分包。 采掘設(shè)備主要有CAT374、CAT349、PC450、PC460、PC1250等液壓反鏟，斗容2～4.6 m3;運(yùn)輸設(shè)備主要有宇通K89、同力875、同力853、臨工MT86、臨工MT95等自卸式卡車，載重70～90 t。

本文分別統(tǒng)計了3家工程公司液壓反鏟和卡車2018年1月至6月平均每月采裝工作線、電鏟、卡車和卸載點(diǎn)的故障率和維修率，分別見表1、表2;跟蹤了247輛卡車每月累計工作小時數(shù)，見表3（部分?jǐn)?shù)據(jù)略）。

根據(jù)表1、表2原始數(shù)據(jù)，以MATLAB為計算工具，最終得出紫金山金銅礦液壓反鏟-卡車間斷開采工藝可靠度為0.973， 其中新華都、興萬祥、紫金建設(shè)3家工程公司工藝可靠度分別為0.954，0.844，0.982。 在設(shè)備大致相同的情況下，可以看出興萬祥系統(tǒng)工藝可靠度相比其他兩家公司可靠度低。因此，應(yīng)加強(qiáng)興萬祥日常管理并及時更新設(shè)備，以提高紫金山金銅礦系統(tǒng)整體可靠度。

4 結(jié) 語

本文對單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析，建立了單斗-卡車開采工藝系統(tǒng)可靠性模型，以紫金山金銅礦為例，最終得出紫金山金銅礦液壓反鏟-卡車間斷開采工藝系統(tǒng)能力可靠度為0.973，整體可靠性較高。比較3家工程公司工藝系統(tǒng)可靠度，尋找出了管理薄弱點(diǎn)，為進(jìn)一步提高工藝系統(tǒng)可靠度提供了重要參考。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 才慶祥，彭世濟(jì).提高露天礦工藝系統(tǒng)可靠性的途徑[J].中國 礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994（4）：64-69.

[2] 韓可琦，才慶祥，盧明銀.礦業(yè)系統(tǒng)可靠性[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[3] 羅周庸.露天礦設(shè)備系統(tǒng)可靠性研究[J].長沙礦山研究院季刊，1992，12（1）：53-59.

[4] 白曉平，才慶祥.露天礦半連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性研究[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2000，8（2）：40-43.

[5] 陸鳳山.排隊(duì)論及其應(yīng)用[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[6] 張國營，才慶祥，周偉，等.伊敏河露天煤礦自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)可靠性研究[J].煤炭工程，2010，1（7）：42-44.

[7] 王喜富，張達(dá)賢，彭世濟(jì).綜合開采工藝條件下礦山工程的可靠性[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），1997，16（1）：28-31.

[8] 王喜富.露天礦半連續(xù)工藝系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2000.

[9]盧明銀，張達(dá)賢，才慶祥.露天礦電鏟-卡車工藝系統(tǒng)的可靠性[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998，27（4）：425-427.

[10]張斌.露天礦間斷-連續(xù)工藝系統(tǒng)電氣設(shè)備的可靠性[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2013（9）：162-163.

[11] 劉愛民，劉有恒.可修復(fù)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)可用度分析[J].通信學(xué)報，1997，18（7）：15-19.

Research on reliability of single shovel-truck mining

process system in Zijinshan Gold and Copper Mine

Li Peng

（ Zijin Mining Group Co. ，Ltd. ）

Abstract： To improve the reliability and adaptability of the mining process and reduce production costs while ensure production capacity，the reliability of single shovel-truck mining process system is analyzed，and model of the reliability of single shovel-truck mining process system is established.With Zijinshan Gold and Copper Mine as the research subject，equipment failure rate and maintenance rate of the process system are statistically analyzed，and the final determination of the mining process system reliability is 0.973.The research results provide an important basis for engineering company assessment management，equipment selection，mining process systemlayout and production opera -tion guarantee of Zijinshan Gold and Copper Mine.

Keywords： open-pit;mining process;single shovel-truck mining;equipment selection;reliability