（采矿工程专业论文）振动出矿溜井专家系统的设计研究.pdf

南人掌硕十学位论文 摘要 摘要 振动出矿技术是项高效、经济、安全的采矿技术，为我国矿山的经 济建设创造了数亿元的效益。振动出矿技术在溜井中的应用，改善了放矿 地点的作业环境，减轻了出矿工人的劳动强度，人大减少了溜井口堵塞现 象的发生。但实践也证明，应用振动出矿机并不能完全杜绝堵塞现象，这 是因为在设计时缺乏对矿岩物理力学性质的全面考虑。本研究以振动出矿 溜井专家系统设计为主要对象，对影响振动出矿溜井设计的矿岩物理力学 性质等进行了研究，并利用计算机手段，结合专家系统，数据库技术和 c a d 技术设计了振动出矿溜井设计专家系统。主要研究工作如下： 系统分析了溜井内矿岩流动性的影响因素。矿岩本身的物理力学性质 是影响矿岩流动性的根本原因，而溜井的形式、参数和采用的动力方式可 根据矿岩的物理力学性质进行选择和调节。 首次提出了矿岩流动性系数k ，。针对矿岩的流动性受其含水率、大 块含量、粒级组成、大块尺寸、孔隙度、粘结力、粉矿含量等多方面因素 的影响，本文首次提出了矿岩流动性系数足，对影响矿岩流动性的因素 进行综合表征，并采用灰色关联度分析计算了各影响因素的权重大小，消 除了传统设计中因对矿岩物理力学性质考虑不全带来的误差。同时，本文 利用矿岩流动性系数对振动出矿溜井设计时所涉及的溜井断面尺寸、溜口 最小高度、振动出矿机的眉线高三个主要参数进行了修正。 利用计算机手段设计实现了振动出矿溜井专家系统。振动出矿溜井专 家系统分成两个子库：溜并结构设计和振动出矿机参数选择。根据其知识 库特点，采用关系型数据库对振动出矿溜井知识库进行管理，数据库与专 家系统的结合采用系统耦合中的弱耦合。陔专家系统还结合a u l l o c a d 成熟的c a d 技术，实现了其自动成图功能。 振动出矿溜井专家系统实现了振动出矿溜井的智能化设计。它不仅可 以进行溜井的设计和溜井中振机参数的选择，还可以为溜井中存在的结 拱、卡堵和跑矿等问题提供专家咨询；同时该系统还可以为其他料仓、溜 槽及其振动给料设备的设计提供参考。振动出矿溜井专家系统的实现，可 使振动出矿溜井的设计更准确、更迅速，将大大节约设计人员的人力、物 力，具有较大的工程意义。 关键词：振动出矿，溜井设计，专家系统，数据库，c a d 技术 主妻盔堂堡主堂生丝苎一一垒壁坚垦垒竺! a b s t r a c t b r a t i n go r e d r a w i n gt e c l l l l 0 1 0 9 y i sa ne 虢c t i v e ，e c o n o m i c ，a 1 1 ds a f e 1 1 1 i n i n gt e c h n o l o g y i th a sm a d e m i l l i o n so fy _ u a nf o re c o n o m yc o n s t r u c t i o ni n o u rc o u n 时si i l i n e s v i b r a t i n go r e - d r a w i n gt e c h n 0 1 0 9 yi sa p l p l i e di nt h es h a f t ， w h i c hh a sm e n d e dt h ec o n d i t i o no ft h ed r a wp o i n t ，h a sl i 曲t e l l e dt h e1 a b o r i n t e n s i o no fw 讲k e r s ，a n dh a s 筝e a t l yr e d u c e dt l eb o t t o i n sb l o c k a g ei nt 1 1 e s h a r b u ti t sa l s op r o v e dm a tm e b l o c k a g ew i l ln o td i s a p p e a ra b s 0 1 u t e l ya n e r t h e v i b r a t i n go r e d r a w i n g f e e d e rw a sa p p l j e d r i 陆si sb e c a u s et h eo r e s c h a r a c t 两s t i ci ss h o no f 向1 1c o n s i d e r a t i o n t h et h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g l lo f e x p e r ts y s t e m f o r v i b r a t i n go r e - d r a w i n g s h a n i th a ss t u d i e dm eo r e s c h a r a c t e r i s t i c sm a ti n n u e n c et h ed e s i 印o f v i b r a t i n go r e d r a w i n gs h a r a n di t h a sc o m b i n e dt h ee x p e r ts y s t e m ，d a t a b a s et e c h n 0 1 0 9 ya n dc a d t e c h n 0 1 0 9 y t o d e s i g n t h ee x p e r ts y s t e mf o rv i b r 撕n g o r e d r a w i n gs h a n t h em a i n c o n t e n t so f t h er e s e a r c ha r es u n n a r i z e da s 0 1 l o w s ： t h ef a c t o r s ，w h i c hi n n u e n c et h ef l u i d i t yo ft h ec r a c k e do r e 8i ns h a r ，a r e s y s t e m i c a l l ya n a l y s e d t h eo r e s c h a r a c t e r i s t i c sa r et 1 1 e 如n d 鲫n t a lf a c t o r s m a ti n f l u e n c em e n u i d i t yo f c r a c k e do r e s w h i l e ，m es h a p e ，p a r a m e t e r ，k i n e t i c m o d eo fm es h a f tc a nb ec h o s e na n d a d j u s t e da c c o r d i n g t h eo r e s d h a r a c t e r i s t i c s t h ec o e 炳c i e n to fc r a c k e do r e s f l u i d i t y 足r i sb r o u g h tf o n a r d 矗) rm e f i r s tt i m e a i m i n ga tt h a t 也ef l _ u i d i 妙o fc r a c k e do r e si si n n u e n c e d b y m o i s t u r e c o n t e l l t ，b o u l d e r 仃e q u e n c y ，g r a i ns i z ed i s t r i b u t i o n ，l u n l ps i z e ，p e r c e n t a g eo f p o r o s i 咄c o h e s i o n ，p o w d e rc o n t e n to fp o w d e ro r e ，e t c ，t h ec o e m c i e n to f c r a c k e d0 r e s n u i d 时k r i s b r o u 曲t f o r 、a r d a n dm ew e i 龇o fe a c h i n n u e n c ef a c t o ri sc a l c u l a t e du s i n gm ea s s o c i a t i o na n a l y s i so f 伊a y t h e o b y w h i c h ，t h ee r t o rt h a ts h o r t e do f c o n s i d e r a t i o no f t l l eo r e sc h 锄c t e r i s t i c si nm e t r a d i t i o n a ld e s i 星皿i se l i m i n a t e d a tm es 锄et i m e ，i th a sa m e n d e dt h r e em a i n p a r a m e t e r st h a ta r ei n v o l v e di nt h ed e s i g no fm ev i b r a t i n go r e - d r a w i n gs h a r ， i n c l u d i n g 1 ec m s sd i m e n s i o no fs h a r t h em i n i m a lh e i g h to ft h e s h a r s b o t t o m ，m eb r o w sh e i g h to f t h ef e e d e r u s i n gm ec o e 岱c i e n to fc r a c k e do r e s n u i d i t y - 中南大学硕+ 学位论文a b s t r a c t t h ee x p e r t s y s t 哪f o rv i b r a t i n go r e 一出a w i n g s h 撒i sd e s i g n e du s i n g c o m p u t e r i ti sd i v i d e di n t ot w os u b b a s e s ，t h ed e s i g no f s h a r ss n l l c t u r ea n d 也ec h o j c eo ft h ev i b r a t i n go r e d r a w i n gf e e d e f sp a f a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fm e r e p o s i t o r y t h er e p o s i t o r yo fv i b r a t i n go r e d r a w i n gs h a ri s m a n a g e db y r e l a t i o nd a 协b a s e t h ec o m b i n a t i o no fd a 劬a s ea n d e x p e ns y s t e m i sw e a k c o u p l i n g i ns y s t e m c o u p l i n g t h ee x p e ns y s t e m i sa l s oc o m b i n e dw i t h t h e r i p e c a dt e c h n o i o g yo fa u t o c a d ，a 1 1 da c h i e v e st h e 如n c t i o no f a u t o m a t i c a l l y d r a w t h ee x p e r t s y s t e m f b r v i b r a t i n go r e d r a w i n g s h a rh a sa c h i e v e dm e i n t e j l i g e m l yd e s i g i lo fv i b r a t m go r e d r a 、v i n gs h a 矗nn o to n l yc a nd e s i g l lt h e s h a r8 n dc h o o s et h e p a 捌e t e r so f 也ef e e d e r ，b u t a l s oc a no f 凳r e x p e r t c o n s u n a t i o nf o rt h ea r c h i n g ，b l o c k a g e 柚d n l n n i n g o fo r e si nt 1 1 es h a r a sw e l l a s ，t h e 掣s 钯mc a n o 妊hr e f e r e n c e sf o rt h e d e s i g n o f m 鑫t e r i a 王h o p p e r ，c h u t ea n d a t l l e r v i b r a t i n ge q u i p m e n t 西ei m p l e m e n t o r e x p e ns y s t e m f o rv i b r a t i n g o r e d r a w i n gs h a rw i l li n c r e a s et h es p e e da n de x a c t n e s so f 也ed e s i g no f 也e v i b r a t i n go r e d r a w i n gs h a r a n d i tw i l lg r e a t l ys a v et h em a i l p o w e r ，m 纳嘶a l r e s o u r c e so f t h e d e s i g n e r i t h a sg r e a t e n g i n e e r i n gm e a n i n g k e yw o r d s ： v i b r a t i n go r e - d r a t h ed e s i g n o fs h a f t ，e x p e r t s y s t e m ， d a 协a s e ，c a dt e c h n o l o g y i i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：撕 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：蚶翩签烨胍一年月雄臼 中南人学硕一z _ _ 7 ：论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 以地下会属矿为代表的硬岩回采方法和所采用的技术手段，是衡肇一个国家采矿 工艺技术水平最重要的标志。研究高效率连续强化回采的采矿方法，已成为采矿技术 发展的火趋势。在金属矿床的地下开采中，崩矿和出矿是两个主要的生产环节。5 0 年代以来，深孔技术发展较快，在厚大矿体中产生了高效率大量崩矿法，使采矿劳动 生产率得到显著提高，矿石开采量大幅度增长，如何顺利的出矿就尤显重要。溜井以 其吞吐能力大、耗电少、生产经营费用少、运矿成本低等优点在地卜矿山垂直运输系 统中广泛运用，如湖南桃林铅锌矿采用在倾斜矿体底盘沿走向布置电耙道，为了满足 年产量1 0 0 万t 的生产能力，生探、采准、备采和出矿的矿块共有2 8 个，而出矿溜 井竞达1 1 9 个之多。因此，溜井作为出矿系统中的一个重要环节，对矿山产量和矿 山开采的技术经济指标有着巨大的影响。 长期以来溜井都沿用重力放矿，并进行过许多研究改进工作，但在生产中仍然存 在以下难以解决的问题： ( 1 ) 溜井的磨损问题，主要是溜井设计不合理造成； ( 2 ) 溜井放矿时的结拱、卡堵和跑矿问题，影响正常生产，甚至造成重大安全事 故。 为此，采矿界进行了大量的分析研究，直至振动出矿技术在溜井放矿中应用后， 才解决了根本问题。 振动出矿技术是借助强力振动机械对矿岩散体的有效作用，以强化出矿过程，完 善采矿方法和促进工艺系统变革的采矿新技术。它从根本上解决了深孔落矿高效率与 重力放矿低效率之间的矛盾，对采矿技术进步起着重要的推动作用： ( 1 ) 振动出矿技术使出矿工艺得到较大的发展。保障了出矿系统畅通，出矿效率 成倍增长，并降低了工人劳动强度，改善了安全生产条件； ( 2 ) 振动出矿技术推动了采矿方法的完善和发展。简化了采场底部结构，可以增 大矿块尺寸，减少采切工作量，有利于降低矿石的损失贫化，提高采矿强度，实现合 理的集中作业； ( 3 ) 振动出矿技术展示了金属矿山实现地下采矿连续作业的前景。 实践表明，矿山溜井系统在采用了振动出矿作业后，堵塞和跑矿事故大大减少， 中南大学硕士学位沦文 第一章绪论 出矿效率成倍提高，特别是对于矿石中含有较多粉矿、泥矿以及透水性差的矿山，采 用振动出矿作业后，出矿效果得到了本质改善。 振动出矿溜井要达到良好的技术经济效果，不但要求溜井和振动出矿机的结构设 计合理，振动出矿机的动力参数和埋设参数也要选用得当。振动出矿溜井的设计与矿 山的生产能力、矿石的运输方式、所溜放矿石的最大块度，矿石的颗粒组成情况、湿 度、内摩擦角、黏结力、外摩擦角、粉矿含量等因素有关。而在利用这些设计资料进 行振动出矿溜井设计时，既要依赖于科学、合理的计算，又依赖于丰富的经验。随着 计算机科学的发展，特别是专家系统在人工智能领域的飞速发展和c a d 技术的广泛 应用，为振动出矿溜井设计提供了有益的手段。 1 2 专家系统的引入 专家系统( e s ，e x p e ns y s t 锄) 是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程 序系统。专家系统内部含有大量的某个领域的专家水平的知识和经验，能够运用人类 专家的知识和解决问题的方法进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决该 领域的复杂问题。自从1 9 6 5 年第一个专家系统d e n d r a l 在美国斯坦福大学问世以 来，各种专家系统已广泛应用于医疗诊断、金融决策、地质勘探、岩土工程和矿业工 程等领域，并取得了很大的成功i 7 0 朋7 4 1 。 专家系统可以处理非结构化决策问题，可进行知识表达，运用启发式搜索和推理 处理某些专家水平的困难问题，同时具有知识获取和解释功能，但缺乏有效地搜索和 利用大型知识库的能力，知识库管理能力较差、工作效率较低，这些问题阻碍了专家 系统的发展和应用。目前试图从根本上解决传统方法所存在问题的主要方向是“集成 分布式智能系统”和“神经网络专家系统”，但尚处于研究阶段【7 “7 2 j ，在短期内难以 取得突破和进展，而且这两种理论与方法并不能简单的替代现有方法，其相互之间也 不是完全分离的。而目前应用最广泛的数据库管理系统用于解决结构化决策问题，在 数据共享、并发控制、数据存取与查询方面功能很强，具有低冗余的特点，但缺乏数 据抽象能力，不能处理知识，没有推理演绎能力，缺乏自然语言理解能力。 而在数据库管理系统中引入专家系统的方法，使得数据库管理系统由处理数据上 升到处理知识的高层次，具有高智能性。专家系统与数据库技术的结合近年来已成为 当前计算机发展的一个重要领域，这种结合将从根本上改变目前基于非结构化决策支 持的专家系统与基于结构化决策支持数据库技术分离的局面，可以使得人机交汇从数 据上升为知识。 在长期的溜井振动出矿工程实践中，科学技术人员和现场工程师通过运用和改进 传统的溜井放矿设计、施工方法，取得了大量的成功经验，并涌现出了具有坚实理论 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 基础和丰富实践经验的专家。利用专家系统获取这些经验，在计算机上实现推理过程， 使一般工程技术人员能够像专家那样进行工程决策，具宵重大意义。另一方面，由r 像振动出矿溜井设计这类采矿工程问题，是一门经验性较强的学科，而且每个矿山的 地质条件，矿石性质等因素小尽相同，所以在进行振动出矿溜井设计时，单凭一个专 家是难以决策的，需将不同的专家知识有机的结合起来，进行分析推理，而专家系统 在这方面具有得天独厚的条件。 1 - 3 国内外研究现状 1 3 1溜井放矿技术的发展 溜井在矿山生产中占有重要地位，因为它与其他动力运输( 提升或下放) 相比较， 具有吞吐能力大，生产均衡，耗电少，生产经营费用小，运矿成本低等许多优点，所 以，在金属矿山垂直运输系统中被广泛采用。它作为出矿运输系统中的一个环节，对 矿【i | 产量和矿床开采的技术经济指标起着直接影响。 在七十年代末以前，溜井放矿是用重力放矿工艺，一般采用风动扇形闸门和指状 气动闸门。根据1 9 8 1 年武钢金山店提供的资料，溜井中使用风动扇形闸门与指状闸 门的技术性能表如表1 1 所示f 1 3 】。 表1 1 扇形闸门与指状闸门技术性能表 项目风动扇形闸门指状气动闸门 放矿口尺寸( m m ) 8 0 0 6 0 01 6 0 0 1 1 0 0 装满一矿车 ( o 7 m ) 1 0 _ 一1 2 0 s ( 6 m ) 2 8 m i l l 装满系数o 6 5 1o 7 一o 8 作业人员数( 人) 44 堵塞情况经常堵塞，跑矿经常堵塞，跑矿 设备重量伥g ) 1 5 0 01 0 0 0 0 从表1 1 可以看出，使用重力放矿工艺的溜井，不管是风动扇形闸门还是指状 气动闸门，都经常堵塞和跑矿。根据一些矿山生产经验和对各矿溜井生产中发生的重 大跑矿事故的统计和分析【6 j ( 见表1 2 ) ，重大的跑矿事故一一般都是伴随堵塞事故而 来的。堵塞是重大跑矿事故的起因，跑矿是堵塞事故的后果，一般是先堵塞后跑矿， 而且往往是堵塞一跑矿一再堵塞一再跑矿反复出现，形成堵、跑的恶性循环。跑矿事 故一次比一次大，后果一次比一次严重，直至产生重大的跑矿事故为止。这种重大的 跑矿事故严重影响溜井放矿工作的正常进行，并且威胁人身和设备安全。 中南人学颂 学位论文 第章绪论 表l 一2 重大跑矿事故统计表 矿山名称某铁矿禁铁矿某铜矿某i i 灰石矿 溜升名称2 ”溜井1 。溜什2 4 溜井1 ”溜井 停产时间( 月)3 4 5 56 地点溜井井筒中溜升井筒中溜井井筒中溜井井筒中 堵 类型平衡拱平衡拱平衡拱平衡拱 塞 粉矿多，水多，粉矿多，矿石粘， 原冈矿石中含混 矿i i 中含混 溜井直径小溜井直径小 跑矿肇( m 3 )2 0 0 04 5 0 01 4 0 3 事 堵塞平峒长 敌8 01 5 01 0 7 ( m ) 后 殴备破坏冲坏挡板冲坏闸门和汽缸 果 人身事故1 人3 人1 人 使用重力放矿的溜井，如果不采用贮矿措施，还容易造成严重的磨损和破坏。如 承德钢铁厂大庙铁矿主溜井，由于该井穿过的岩层不稳定，溜井结构不合理，又没有 采取贮矿措施，仅放1 0 0 万t 矿石，溜井井壁就遭到严重磨损、片帮和破坏【矾，见图 图1 一l 承德钢铁厂大庙铁矿主溜井磨损示意图 溜井放矿时，矿石堵塞形式有两种。对于块矿来说，表现为放矿口内大块的卡阻 和大块的组拱；对于粉矿来说，则表现为放矿口内粉矿的结拱和放矿口的粉矿堆滞。 4 中南人学硕仁f 口论文 第一学绪论 8 0 年代初，溜矿井放矿逐渐由振动机取代风动扇形闸门和指状闸门。 采用振动h 矿时，振动出矿机产生的振动在溜井中以波的形式自台面向溜井中的 矿岩传播。台幢i 的振动使溜井内矿岩产生惯性，矿岩的这种惯性力，在矿岩散体中表 现为矿岩之问的相互作用力。由于矿岩散体中矿粒的形状、大小和方位不同，每个矿 粒与相邻矿粒有多个接触点，因此，矿粒问相互作用力的数目、大小和方向具有随机 性。对于单个矿粒来说，承受的作用力是三维的，这些大小不同的作用力，其合力可 能通过该矿粒的质心或偏离质心，促使矿粒失去平衡，矿粒间出现滚动或滑动。散体 中大量矿粒失去平衡，矿粒之间产生相对运动，由静摩擦过渡到动摩擦，散体的抗剪 强度下降，从而有效的改善矿岩的流动性。 另外，溜井采用振动出矿机出矿时，放矿口的有效高度可以大大增加i ”，从而减 少堵塞事故的发生，如图卜一2 所示。 a 滞 火门 爿li 一il j l j l 一 b 图1 2 重力赦矿与振动放矿的对比图 ( a ) 一重力放矿( b ) 一搌动放矿 根据图l 一2 的几何关系可得出放矿口的有效高度的计算公式。 重力场放矿： ：= 月c o s 妒一，i s i n 妒 振动场放矿： o = c o s 妒+ ，s i n 9 式中： 昧一重力放矿的放矿口有效高度； 。一振动出矿的放矿口有效高度； 一出矿巷道高度： 妒一重力放矿静止角； ( 1 2 ) 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 r 电耙的斗川长度； 振动出矿的眉线高度； 驴一振动放矿静止角； ，振动放矿机的埋设深度。 振动放矿时，放矿口的有效高度为重力放矿时的三倍。 由湖南桃林铅锌矿提供的比较资料【蚓如表1 3 所示。 表l 一3 振动放矿与重力放矿比较 序号项目振动机放矿重力放矿 风闸漏斗混凝十漏斗木漏斗 l悬拱， 斗情况很少 较多多多 2 放矿劳动强度很低较高高高 3 作业安全性很好较好较差差 4 放矿工人数( 人) l22 32 3 5矿车装满系数o ，8 - 0 9o 7 0 8o 7 o 8o 7 0 8 6技术生产能力3 4 0 l o o2 5 0 3 5 08 0 1 2 08 0 1 2 0 7 钢材消耗量( k g ) 1 5 9 31 3 5 94 7 47 2 8木材消耗鹫( t )0 4 8 +0 4 8 +o ，4 8 +1 7 + 9水泥消耗量( 1 )2 52 52 5 1 0混凝土：程及设备安6 86 65 11 3 装工班数( ，班) 1 l直接费用( 元)3 3 8 9 5 02 4 8 9 8 06 5 0 0 72 2 7 6 7 其中设备费 2 4 6 8 1 01 7 0 3 1 0 安装费 1 6 9 0 01 “4 01 2 9 8 11 1 7 5 其他 7 7 2 ，6 06 2 2 3 05 2 0 2 62 1 59 2 1 2 使用次数”四次以上仅一次仪一次仅一次 注：+ 做混凝土背板用，可重复使用。 一已有一台振动机先后在三个溜井使用。 由表1 3 可以看出，采用溜井振动出矿后，很少出现堵塞现象，减少了安全事 故的隐患，使放矿的技术生产能力提高2 4 倍。 溜井振动出矿的应用，实用了远距离操纵，消除了繁重而危险的人工放斗作业， 使劳动条件得到根本改善，减少了操作工人，使放矿工人劳动生产率提高了5 倍以上。 振动放矿机向矿车装矿时，启、停准确、可靠，不撒矿，减少了清道工作量。矿 车装满系数增大了，相应地提高了井下运输效率。 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 2国外振动出矿技术发展 振动出矿技术产生于前苏联。第_ 二次世界大战，前苏联需要大量的钢铁：当时， 前苏联对于不稳固的上部矿体未找到有效的采矿法，高成本、效率低、作业条件差的 分层崩落法是一个主要方法，后来演变为有假顶的分段崩落法和无假顶覆岩下放矿的 有底柱分段崩落法( 如封闭矿房、梨形进路方案) 。为了提高崩矿效率，5 0 年代出现 f a 1 0 0 ( t q 一1 0 0 ) 潜孔钻，崩矿效率大大提高，出现了阶段强制崩落法等大量落矿采 矿法，同时带来了落矿高效率与出矿低效率的矛盾。大量崩矿采矿法产生的大块使得 放矿时经常堵塞，出矿成为了矿体回采过程中的一个“瓶颈”。直到1 9 5 7 年，第一台 振动出矿机的研制成功才从根本上解决了出矿效率的问题f “玉5 引。 振动出矿技术在前苏联的发展主要分为三个阶段。第一阶段( 5 0 年代末一6 8 年) ， 探索、研制各种振动出矿机型，发展溜井振动出矿技术。这阶段研制的振动出矿机结 构复杂，重量大，工作状态不稳定，经不住大块冲击，而且主要用于溜井放矿。第二 阶段( 6 8 7 8 年) ，在各种采矿法中试验和推广振动出矿。6 0 年代后期，振动出矿技 术从溜井应用发展到采场，到7 0 年代发展很快，1 9 7 5 年黑色矿山使用振动出矿机9 6 9 台，在留矿法、阶段矿房法特别是阶段崩落法中得到广泛应用。第三阶段( 7 8 9 0 年初) ，振动出矿流水作业工艺研究阶段。连续作业首先在阶段强制崩落法中进行， 其基本特点有：采用阶段或高分段单步骤连续开采，不留矿柱；矿石合格块度提高 1 1 2 米；从采场到破碎站，出矿、运矿全线连续作业。【1 5 2 m 2 1 】 前苏联振动出矿技术的研究主要取得了以下成果：1 ) 大力推广了a 山nbn p 一4 和b 且ny 一4 t m 振动出矿机；2 ) 振动出矿的阶段强制崩落法得到广泛应用；3 ) 试验了双阶段回采的振动出矿阶段强制崩落法；4 ) 在无底柱高分段( 或阶段) 崩落 采矿法中试验了连续作业系统：5 ) 在厚矿体有底柱阶段强制崩落法中( 磷石矿) 试 验了连续作业；6 ) 在有底柱的各类采矿法中推广了振动出矿：7 ) 采用大容积矿车 与振动机套配，实现连续装载。 目前，随着计算机技术在采矿领域的应用逐渐成熟，俄罗斯已经开始了振动出矿 半自动化与自动化作业线的研究，使用计算机对振动出矿流水作业进行管理和监控， 实现振动出矿流水作业的半自动化与自动化i ”l 。 1 3 3国内振动出矿技术发展 我国于1 9 7 4 年由中南矿冶学院( 中南大学前身) 与湖北长石矿研制成功第一台 振动出矿机。随后，出于作业条件的不同、应用范围的扩大和新工艺设想的提出，在 振动出矿工艺中，出现了各种振动设备，如振动出矿机、振动给矿筛分机、大块物料 振动运输机和振动筛，以及由它们组成的出矿、装载、运输联合机组等。与前苏联多 采用功率1 0 一2 2 k w 、机重3 6 t 的重型机相比，我国一般采用功率为1 5 1 3 k w 、机 中南人学硕e 学位论文 第一章绪论 重为o ，5 3 t 的轻型机，而且绝大多数为非定向振动机型。从单位功率和机重来看， 我国的机型一般比前苏联机型要高。我国在振动出矿机轻型化、组合化和多功能方面 取得了突出的成绩i l j 。 我国的振动出矿技术是从研究溜井振动出矿起步的。颠振型振动出矿机诞生以 后，很快在全国许多矿山企业的采场溜井和阶段溜井中得到推广。小铁山矿、白鱼口 粘土矿、云锡老厂矿、金山店矿等由于矿石粘结性很大，过去放矿很大程度靠压风吹、 人工扒，采用振动出矿后，堵塞、跑矿等问题基本上得到了解决。随着溜井振动出矿 i 乞技术的完善，主溜井振动出矿也逐步得到推广。如凡口铅锌矿，在4 号、5 号大 运量高溜井中，采用组合式振动装置，圆满地解决了粘性粉矿的堵塞、跑矿问题，溜 井壁受矿石冲击而磨损的情况也大大减少。 在发展溜井振动出矿的同时，与溜井出矿条件相似的粗矿仓和粉矿仓，采用各种 振动出矿机或振动给矿筛分机取代风动闸门、电磁振动给矿机和板式给矿机等也取得 了很大成绩。新型的振动出矿设备与汽车、火车、胶带运输机、索道矿斗和破碎机等 设备配套，创造了许多成功的实例。 振动出矿机进入采场是振动出矿技术发展的新阶段。我国从1 9 8 0 年开始，分别 在厚矿体、急倾斜和倾斜中厚矿体、急倾斜和缓倾斜薄矿体丌采中采用振动出矿，应 用的采矿方法有阶段强制崩落法、v c r 法、分段空场法、爆力运搬的分段空场法( 倾 斜中厚矿体) 、浅孔留矿法和全面法等，都相应得到了良好的效果。同时，在无底柱 采矿方法中出现了在回采巷遒护顶柱下用联合机组出矿的商分段崩落法和阶段矿房 法方案。为了适应采场出矿效率的大幅度提高，还出现了双阶段回采方案，用切割槽 或贮矿溜井降送矿石到下部集矿水平，提高了采矿强度，降低了采矿成本。振动出矿 技术在采场中的应用有利于强化开采，实现合理的集中作业。 振动出矿技术的发展，使得地下金属矿山连续开采变成了现实。继前苏联开始研 究地下金属矿山的出、装、运连续作业后，我国在“七五”期间在连续开采的研究上 也取得了重大成就。国家“七五”科技攻关项目“地下矿连续开采工艺技术与装备的 研究”于1 9 9 0 年在铜陵有色金属公司狮子山铜矿全面完成。该项目成功的研制了具 有我国特色的连续出矿、运矿及原矿筛分等设备，为实现采场出矿、运矿连续作业提 供了全套国产设备；建成了两条采场出矿、运矿连续作业线，实现了大量落矿采矿法 的高强度出矿。 随着地下开采向深部推进，地压随之增大，通风将成为一个严重问题，无需大断 面巷道和无污染的振动出矿技术有其发展前景。如何实现深井开采的连续作业是目前 我困振动出矿技术领域的重点研究方向之一：另外，计算机在采矿领域的广泛应用， 通过计算机手段，变地下矿连续开采为半自动化或自动化开采是我国振动出矿技术领 域另外一个重点研究方向f 1 4 9 5 9 1 。 中南大学硕 j 学位论文 第一章绪论 1 3 4专家系统在矿业领域的应用现状 矿业是个复杂的系统，参变量大，时州长面滞后，随机干扰因素多，不确定性 数据多，直脱经验多，使得专家系统多用于工业过程，而在矿业领域的应用较少。1 9 7 9 年，矿业领域第一个专家系统p r o s p e c t o r 开发成功后，专家系统就迅速应用到矿 业领域的设计( 厂房、鼓风、坡度、基座) 、选择( 设备、炸药、药剂、采矿方法) 、 调度( 勘探、控制室、开发、生产、运输) 、监督( 坡度、设备、机械工况、过程工 况) 、过程控制( 碎磨、分选、解离、提取、能量管理) 、故障诊断( 运输设备、过程、 通风设备、冷却器) 、维护和维修( 线路、预测器、监察器) 、培训和咨询、决策、预 测( 矿石可选性、选别方式) 、模拟等许多方面。英国各家选矿厂使用矿石可选性技 术经济评估的决策支持系统，使企业工作效率提高2 7 4 5 。日本川崎钢铁公司千叶 厂应用专家操作指导控制系统，使其四号烧结机每个班减少两名操作者，焦粉消耗得 以降低，操作也更稳定。我国矿业专家系统虽起步较晚，但发展很快，已取得了很大 的经济效益。我国黄沙坪选矿厂初步采用碎磨流程选择及矿石可选性预测专家系统， 使广大技术1 ：人及工程师得到培训，随着矿石变化而做出灵活反应，很受欢迎。我国 鞍山钢铁公司使用专家指导控制系统，每年提高经济效益7 0 9 0 6 万元。因此，专家系 统已成为矿业领域提高效益的有力工具【7 37 4 1 7 9 。8 叭。 振动出矿作为矿业领域一门新兴技术，在溜井放矿中已日趋成熟，并取得了良好 的技术经济效果。但由于振动出矿溜井设计涉及到的因素较多，国内外在其专家系统 方面尚无较系统的研究和探讨。 1 4 研究内容、方法和意义 振动出矿技术是一项高效、经济、安全的采矿技术，为我国矿山的经济建设创造 了数亿元的效益。振动出矿技术在溜井和采场漏斗中的应用，改善了放矿地点的作业 环境，减轻了出矿工人的劳动强度，大大减少了溜井口或漏斗口堵塞现象的发生。但 实践也证明，应用振动出矿机并不能完全杜绝堵塞现象，这是因为不同矿山在进行振 动出矿溜井设计时，缺乏对矿岩性质等因素的全面考虑。 本文通过对振动出矿溜井各参数及其影响因素的分析和研究，并利用国内外在振 动出矿溜井殴计方面已有的资料和经验，研究和开发振动出矿溜井专家系统。利用专 家系统获墩已有的理论和经验，在计算机上实现推理过程，使一般工程技术人员能够 像专家那样进行工程决策，并实现振动出矿溜井的智能化设计。研究内容主要包括以 下几方面： 1 ，分析振动出矿溜井设计专家知识，确定振动出矿溜井专家系统总体设计方案， 并拟结合专家系统技术、数据库技术、c a d 技术实现振动出矿溜井的智能化 中南人学硕仁学位论文第一章绪论 设计； 2 对影响振动出矿溜井设计的专家知识进行分析，探讨矿岩物理力学性质包括其 含水率，矿岩大块含量，粒级组成，大块尺寸，孔隙度，矿岩粘结力，粉矿含 量等因素对振动出矿溜井参数设计与选择的影响；并采用灰色关联度分析计算 各因素对矿岩流动性大小的影响； 3 根据振动出矿溜井设计专家知识特点，建立振动出矿溜井专家知识库，并使用 关系型数据库对知识库进行统一管理； 4 振动出矿溜井专家系统推理机制的实现，以及振动出矿溜井设计中存在的大量 模糊性专家知识的处理； 5 专家系统与数据库接口的设计，专家系统与c a d 功能模块的接口设计，以及 c a d 自动制图功能的实现； 6 利用已有的工程实例，对专家系统的功能进行验证、补充和完善。 该系统不仅可以进行溜井的设计和溜井中振机参数的选择，还可以为溜井中存在 的结拱、卡堵和跑矿等问题提供专家咨询；同时该系统还可以为其他料仓、溜槽及其 振动给料设备的设计提供参考。振动出矿溜井专家系统的实现，可使振动出矿溜井的 设计更准确、更迅速，将大大节约设计人员的人力、物力，具有较大的工程意义。 ! 塑查! 塑主兰堡堡墨 蔓兰兰堡塾些笙塑苎童塞墨堑堕璺壁塑 第二章振动出矿溜井专家系统的总体设计 2 1专家系统的发展及基本原理 2 1 1 专家系统的发展 专家系统的研究，可以上溯到上个世纪5 0 年代，当时的英国科学家t 皿n g 首先 提出所谓“智力机”的想法【7 0 。7 “4 “，并着手探索。人们将这一工作看作现代人工智 能( a n i f i c i a li n t e l l i g c e ) 研究的开端。早期的人工智能研究者认为，人的智能行为 总是遵循某种思维的“普遍定律”，因此，研究的重点也偏重于对这种“普遍定律” 的探索。后来的事实证明，虽然依照这条途径也取得了一些进展，但研究未取得实质 性的突破。专家系统的出现，从某种意义上说，也可看作人工智能在实用化研究中最 引人注目的成果。从本质上讲，专家系统反映了在该领域中对获取知识，表达知识以 及用计算机处理知识的能力的需求。于是，出现了“知识工程( k n o w l e d g e e n 百n e 翻n g ) ” 的概念。 知识工程是门以知识为研究对象的新兴学科，它将智能系统中那些共同的基本 问题抽出来，作为知识工程的核心内容，使之成为指导研制各类具体的智能系统的一 般方法和基本工具，成为一门具有方法论意义的科学。有人认为知识工程是研究知识 信息处理的科学，提供开发智能系统的技术，是人工智能、数据库技术、数理逻辑、 认知科学、心理学等学科交叉发展的结果。除了专家系统外，知识工程的研究范围还 可以包括决策支持系统、自然语言理解、智能机器人、智能计算机的声像识别等等， 但是，专家系统毕竟是对人工智能研究方法的一个最明显的突破，也可看作人工智能 在实用化研究中最引人注目的成果。 2 1 2 专家系统的基本原理 专家系统是一种计算机程序，它可以以人类专家的水平完成专门的、一般是困难 的专业任务。研制专家系统的目的，是要在特定的领域中起该领域人类专家的作用。 因此，设计专家系统的基本思想是使计算机的工作过程竭尽全力的来模拟人类专家， 并运用他的知识与经验来解决所要解决的问题的方法与步骤。 专家系统的基本结构大致包括以下五个部分： 其一，知识库这是专家知识、经验与书本知识、常识的存储器。由于知识库 中存放着专家求解问题的规则、事实与常用数据，丽不同的知识表示方法所构成的知 中南大学硕十学位论文第二章振动出矿溜井专家系统的总体设计 识库的形式是不同的，在对知识库进行检索、修改、删除操作时，需要保持知识库的 一致性和运行的高效性。 其二，总体数据库它用于存储领域内的初始数据和推理过程中得到的各种中 间信息，包括运行中所生成的假设和决策。系统内任何两个组成部分不能直接相互作 用，每个部分只能在总体数据库中“写”出信息或从总体数据库中“读”信息来进行 联系，因而总体数据库实际上是一个通讯连接设备，它的功能与网络传输系统中的邮 箱十分相似。规则的实际执行就是对总体数据库的不断修改。例如，在振动出矿溜井 设计专家系统中，数据库存放的是矿山的生产条件、矿岩的性质、溜井系统类型、溜 井结构参数、扳动出矿机的型号等与振动出矿溜井设计有关的信息及初步选择的结果 等等。 其三，推理机它是一组程序。由它控制、协调整个系统，并根据当前输入的 数据( 即数据库中的信息) ，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去解决当前 的问题。根据系统的要求，推理机选择合适的规则来进行匹配，通过事实与规则前件 的匹配与否，从而对规则的条件进行验证，以决定是否启动该规则，然后按规则的要 求对总体数据库作相应的修改，即用规则的动作部分代替出现在总体数据库中的事实 信息，由这里可以看出，规则连续不断执行实际上就是不断的用当前执行的规则的动 作对总体数据库中的信息进行修改。 如果系统在运行中，有两条规则同时满足当前的匹配事实，这就需要解决规则的 冲突问题，即系统要决定首先使用哪条规则。例如，系统的知识库中有如下两条规则； r 1 ：i faa n db t h e ne r 2 ：i fa a n db a n d ia n d i t h e n f 观察事实为：a ，b ，c ，i ，j 。此时规则r 1 和r 2 与观察事实都匹配，到底执行哪 一条规则? 目前，人工智能研究者和知识工程师提出多种规则冲突的消解策略，例如 “多条件原则”就是一个较好的策略。用此原则对上述冲突进行判断，可以看出应先 执行r 2 ，因为它的条件比r 1 的条件要多。 其四，解释部分它也是一组程序，负责对推理给出必要的解释，为用户了解 推理过程、向系统学习和维护系统提供方便，使用户易于理解与接受。通过这一设备 用户可跟踪系统所使用的知识和推理过程，并使用户知道为什么系统需要提供某一信 息，以及中间和最后结果是怎样获得的，从而使系统具有透明性，这一性能的好坏将 直接关系到系统是否能推广，是否能受到用户的理解和欢迎。一个没有解释设备的专 家系统( 或解释功能很差的专家系统) 是很难为用户所接受的，由于用户对专家系统 的行