紫金山金铜矿单斗-卡车开采工艺系统可靠性研究

李鹏

摘要： 为提高露天开采工艺的可靠性和适应性，在确保生产能力完成的同时，降低生产成本，对单斗-卡车开采工艺系统可靠性进行分析，建立了单斗-卡车开采工艺系统可靠性模型。以紫金山金铜矿为例，对工艺系统设备故障率和维修率进行统计分析，最终确定开采工艺系统可靠度为0.973，研究成果為紫金山金铜矿工程公司考核管理、设备选型、开采工艺系统布置及生产运行保障提供了重要依据。

关键词： 露天矿;开采工艺;单斗-卡车开采;设备选型;可靠性

中图分类号：TD854 文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2020）11-0049-04 doi：10.11792/hj20201109

引 言

露天矿开采工艺是结合地质条件、气候条件、设备类型、产量规模等因素综合选择的结果，是矿山生产的主体，其可靠性是影响矿山劳动生产率、正常生产、经济效益的重要因素[1-3]。随着设备大型化，智能化的发展，国内外诸多矿山在设计及技改中纷纷选用单斗-卡车开采工艺，该工艺已然成为未来发展趋势，因此研究单斗-卡车开采工艺系统可靠性具有重要的现实意义。

可靠性理论是工程领域的一门独立基础学科，国内外学者将系统可靠性工程理论逐渐应用于矿业系统工程研究中并取得了很好的效果。白晓平等[4-6]应用排队理论，提出了半连续运输系统中连续环节前间断部分可靠性分析的处理办法，全面分析了整个半连续运输系统的可靠性;王喜富等[7-8]定性分析了露天矿综合开采工艺系统中，开采工艺子系统的制约与联系，对采用综合开采工艺露天矿的剥采工程可靠性进行了研究;卢明银等[9-10]用可修排队系统及向量马尔可夫过程理论研究了电铲-卡车工艺系统可靠性的新方法，导出了电铲-卡车系统稳态作业有效度的计算公式。本文借鉴前人研究成果，分析了单斗-卡车开采工艺系统可靠性，建立了单斗-卡车开采工艺系统可靠性模型，并以紫金山金铜矿为例，进行了实例应用。

1 单斗-卡车开采工艺系统可靠性分析

可靠性有狭义和广义之分。狭义可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。广义可靠性是指产品在其整个寿命期限内完成规定功能的能力，它包括狭义可靠性和维修性。

可维修系统的可靠度可分为瞬时可靠度、平均可靠度、稳态可靠度和能力可靠度。其中，最为常用的是稳态可靠度和能力可靠度。对于单一开采工艺系统而言，稳态可靠度是指当时间趋于无限时系统有效度的极值，是系统的固有属性，仅与作业条件、设备性能、组织方式等因素有关;能力可靠度是指一段时间内（通常为1年）系统实际完成工程量大于等于指定生产能力的概率，能力可靠度不仅与作业条件、设备性能、组织方式等因素有关，还与指定生产能力的大小有关。其中，稳态可靠度是连续系统的可靠性指标，如轮斗-带式输送机-排土机连续开采工艺系统; 能力可靠度是非连续系统的可靠性指标，如单斗-卡车开采工艺。因此，本文主要研究能力可靠度。

单斗-卡车开采工艺中，一台电铲与固定的若干卡车匹配形成一个工作组，其中任何一台设备发生故障，均对该工作组的生产能力及可靠度产生影响。假设某工作线上布置有m台电铲和m×n辆卡车进行采运作业，电铲与卡车型号均为单一型号，每台电铲配套n辆卡车组成m个相互独立的工作组。该工作线上的单斗-卡车开采工艺系统可靠性框图见图1。

由图1可知，单斗-卡车开采工艺系统的可靠性模型为混联系统，一年中采装工作线具备作业条件的时长、电铲正常作业小时数、卡车正常作业小时数、卸载点具备作业条件的时长等均为连续随机变量。其中，电铲与卡车的故障时间和故障间隔时间服从指数分布，采装工作线与卸载点具备作业条件的时间和不具备作业条件的时间也服从指数分布。

单斗-卡车开采工艺系统属于非连续系统，系统是否可靠的判据是能否在作业周期内完成指定生产工程量。因此，确定单斗-卡车开采工艺系统能力可靠度的过程就是确定其可靠度的过程。

2 单斗-卡车开采工艺系统可靠性模型

在单斗-卡车开采工艺系统可靠性模型中，采装工作线、电铲、卡车及卸载点均为可维修系统。假设所有电铲的可靠度及维修率相同、所有卡车的可靠度及维修率相同、所有卸载点的可靠度及维修率也相同;那么，当时间趋于无穷时，采装工作线、电铲、卡车及卸载点的稳态有效度分别为：

AdG= μdG λdG+μdG

AdD= μdD λdD+μdD

AdC= μdC λdC+μdC

AdX= μdX λdX+μdX

（1）

式中：AdG、AdD、AdC、AdX分别为采装工作线、电铲、卡车和卸载点的稳态有效度;λdG、λdD、λdC、λdX分别为采装工作线、电铲、卡车和卸载点的故障率（%）;μdG、μdD、μdC、μdX分别为采装工作线、电铲、卡车和卸载点的维修率（%）。

根据单斗-卡车开采工艺系统的结构特点，单台电铲、卡车在一段时期内可以正常工作的小时数是一种离散型随机分布，服从二项分布。刘爱民等[11]的研究表明，“不可修复网络的可靠性多项式也适用于可修复网络可用度的分析，只不过把多项式中的部件可靠度换成部件的可用度，把部件的不可靠度换成部件的不可用度”，其中可用度指稳态有效度。单斗-卡车开采工艺系统与可修复网络具有相似性，采装工作线、电铲、卡车和卸载点等环节关联性较弱，各环节失效互不相关，不具备马尔科夫模型中“在很短时间间隔内，只出现一次故障”的前提条件。因此，本文计算单斗-卡车开采工艺系统的可靠性时，将可修系统各环节的稳态有效度作为不可修系统的环节可靠度，采用不可修系统的可靠性计算方法进行计算。

分析图1可知，单斗-卡车开采工艺系统由若干电铲工作组并联后再与采装工作线串联组成，而每个电铲工作组又由若干卡车并联后再与电铲、卸载点串联组成。所以系统的能力可靠度计算应当先从各子系统的能力可靠度计算开始。本文中的单斗-卡车开采工艺系统能力用卡车累计工作小时数与卡车小时运输能力的乘积计算，故进行系统能力计算时只需计算卡车累计工作小时数，单斗-卡车开采工艺系统能力可靠性计算程序框图见图2。

一辆卡车正常工作小时数为ti的概率：

Pi（ti）=CtitmaxAtidC（1-AdC）tmax-ti（2）

式中：Pi（ti）为一个电铲工作组中第i辆卡车年正常工作ti个小时的概率;ti为一个电铲工作组中第i辆卡车年正常工作小时数，1≤i≤n，1≤ti≤tmax;tmax为每辆卡车的理论年最大工作小时数。

在一个电铲工作组中，由于电铲、卡车、卸载点为串联关系，电铲及卸载点的稳态可靠度将对卡车累计正常工作小时数产生影响，故第k电铲工作组中n辆卡车年度累计正常工作小时数可用下式计算：

tk=AdDAdX∑ n i=1 tk，i （3）

式中：tk为第k电铲工作组中n辆卡车年度累计正常工作小时数，1≤k≤m，1≤tk≤ntmax;tk，i为第k电铲工作组中第i辆卡车年正常工作小时数，1≤i≤n，1≤ti≤tmax。

每个电铲工作组中n辆卡车累计正常工作tk小时的概率可用下式计算：

Pk（tk）=∑∏ n i=1 Pi（tk，i） （4）

式中：Pk（tk）为第k电铲工作组中n辆卡车年度累计正常工作tk小时的概率，其中Pi（tk，i）与式（3）中的tk，i一一对应。

同理，单斗-卡车开采工艺系统由m个独立电铲工作组并联后再与采装工作线串联组成，采装工作线与电铲工作组为串联关系，采装工作线的稳态可靠度将对电铲工作组累计正常工作小时数产生影响，故单斗-卡车开采工艺系统中m×n辆卡车年度累计正常工作小时数可用式（5）计算：

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

式中：td为单斗-卡车开采工艺系统中m×n辆卡车年度累计正常工作小时数，1≤td≤mntmax。

单斗-卡车开采工艺系统中m×n辆卡车年度累计正常工作td小时的概率可由式（6）计算：

P（td）=∑∏ m k=1∑∏ n i=1 Pi（tk，i）  （6）

式中：P（td）为单斗-卡车开采工艺系统中m×n辆卡车年度累计正常工作td小时的概率，其中Pi（tk，i）与式（3）中的tk，i一一对应。

单斗-卡车开采工艺系统实际生产能力可由式（7）计算：

Qd（td）=tdQC（7）

式中：Qd（td）为单斗-卡车开采工艺系统实际生产能力（m3/a）;QC为每台卡车平均小时运输能力（m3/h）。

据此，可计算出单斗-卡车开采工艺系统中m×n辆卡车年度累计正常工作时间大于等于td小时的能力可靠度：

Rd（td）=∑ mntmax j=td P（j） （8）

式中：Rd（td）为单斗-卡车开采工艺系统中m×n辆卡车年度累计正常工作时间大于等于td小时的能力可靠度。

分析式（5）、式（6）、式（8）可知，当单斗-卡车开采工艺系统中m×n辆卡车年度累计正常工作小时数td为定值时，AdG、AdD、AdX中任意一个数值增大，将使得 ∑ m k=1 ∑ n i=1 tk，i 降低，P（td）增大，进而使得Rd（td）增大。

3 工程实例

紫金山金铜矿是一座上金下铜的特大型金属矿山， 目前以铜矿开采为主，剥采工程均采用液压反铲-卡车间断开采工艺，由新华都实业集团股份有限公司（新华都）、福建兴万祥建设集团有限公司（兴万祥）、紫金矿业建设有限公司（紫金建设）3家工程公司分包。 采掘设备主要有CAT374、CAT349、PC450、PC460、PC1250等液压反铲，斗容2～4.6 m3;运输设备主要有宇通K89、同力875、同力853、临工MT86、临工MT95等自卸式卡车，载重70～90 t。

本文分别统计了3家工程公司液压反铲和卡车2018年1月至6月平均每月采装工作线、电铲、卡车和卸载点的故障率和维修率，分别见表1、表2;跟蹤了247辆卡车每月累计工作小时数，见表3（部分数据略）。

根据表1、表2原始数据，以MATLAB为计算工具，最终得出紫金山金铜矿液压反铲-卡车间断开采工艺可靠度为0.973， 其中新华都、兴万祥、紫金建设3家工程公司工艺可靠度分别为0.954，0.844，0.982。 在设备大致相同的情况下，可以看出兴万祥系统工艺可靠度相比其他两家公司可靠度低。因此，应加强兴万祥日常管理并及时更新设备，以提高紫金山金铜矿系统整体可靠度。

4 结 语

本文对单斗-卡车开采工艺系统可靠性进行了分析，建立了单斗-卡车开采工艺系统可靠性模型，以紫金山金铜矿为例，最终得出紫金山金铜矿液压反铲-卡车间断开采工艺系统能力可靠度为0.973，整体可靠性较高。比较3家工程公司工艺系统可靠度，寻找出了管理薄弱点，为进一步提高工艺系统可靠度提供了重要参考。

[参 考 文 献]

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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