采矿系统工程复习PPT课件

2020 4 23 0 1 3系统的特征与复杂性对于这些定义 尽管表述不同 但是他们都共同地指出了系统的三个基本特征 第一 系统是由元素所组成的 第二 元素间相互影响 相互作用 相互依赖所构成的元素关系 第三 由元素及元素间关系构成的整体具有特定的功能 系统无所不在 各种系统组成客观世界 系统的具体特征 系统的复杂性 1 整体性 1 构成系统的元素往往是个系统 2 相关性 子系统 系统的多层次性 3 目的性 2 系统涉及的因素往往是多维的 4 有序性 3 系统是由不同质的要素集合 5 动态性 4 系统可以是包括人在内的人 机 6 环境适应性 系统 总论一 系统与系统工程 总论 2020 4 23 1 总论一 系统与系统工程 2 2系统工程在现代科学技术中的地位 1 系统工程的特点 系统工程不是某一类系统的工程技术 而是研究各种系统的普遍规律的一门学问 系统工程具有多学科综合性的特点 是现代自然科学发展高度综合的产物 系统工程从整个系统的最优出发 首先确定整体的目标 然后决定各元素所必须的性能 并利用各元亲间的巧妙联系和协调运转来实现总体目标 2020 4 23 2 总论一 系统与系统工程 霍尔的 三维结构 指的是 对于所处理的系统问题 从所需要专业知识 处理问题的思维步骤和处理问题的工作程序阶段 即相应称之为 知识维 逻辑维 和 时间维 的三维结构的系统工程工作模型 2020 4 23 3 总论一 系统与系统工程 三维结构中的时间维 表示系统工程工作的各个阶段 一般分为七个阶段 1 规划阶段按客观需要 探索应建立什么样的系统 提出建立这个系统的目的 定出系统工程活动的规划 2 拟定方案提出具体的计划方案 3 研制阶段根惦拟定的方案进行系统研制 并制定出生产计划 4 生产阶段生产和加工出系统的全部零 部件 并提出安装计划 5 安装实验阶段把制成的零部件按照计划组装成系统 并完成调试工作 6 运行阶段系统按照预定的功能投入使用 7 更新阶段根据系统运行情况 对原系统不断地进行改进 或取消旧系统以新系统代之 2020 4 23 4 总论一 系统与系统工程 三维结构中的逻辑维 亦称思考过程 是指实施系统工程的每一个工作阶段所要经历的步骤 它也是运用系统工程方法进行思考 分析和处理问题时遵循的一般程序 一般分为七个步骤 即 1 摆明问题按系统的观点 弄清需要解决什么问题 希望达到什么要求 尽量全面地收集有关要解决问题的历史 现状和发展趋势的资料和数据 2 系统指标设计提出所解决问题希望达到的目标 并制定出衡量是否达到目标的评价指标 3 系统综合按照问题的性质和系统目标的要求 提出若干个替代方案 对每个替代方案都列出其费用 资源消耗 功能等指标 并说明其优缺点 4 系统分析通过建立模型 把所有替代方案与系统的评价指标联系起来 以便对这些方案进行分析比较 2020 4 23 5 5 系统优化精心选择方案中的参数 使各替代方案都尽量均衡地满足系统的评价指标最优 6 决策根据系统优化的结果 选出最优方案 若最优方案有多个时 进一步考虑一些定性目标 最后决策出一个或几个方案 7 实施计划根据最后选定的方案 拟定具体的实施计划 并组织实施 如果实施中遇到问题 则需返回到相应的步骤 不断修改 直到完善为至 三维结构中的知识维 是指为完成上述各阶段 各步骤的工作所需要的各种专业知识和技术知识 霍尔把这些知识分成工程 医学 建筑 商业 法律 管理 社会科学和艺术等 应该强调指出的是 由于系统的综合性 除了包含系统的专门知识外 还包括跨学科的知识 钱学森教授认为 系统工程的理论基础 除了共同性的基础之外 每门系统工程又有各自的专业基础 这是因为对象不同 当然要掌握不同对象本身的规律 例如工程系统工程要靠工程设计 军事系统工程要靠军事科学等 总论一 系统与系统工程 2020 4 23 6 2 矿业系统工程的特点 1 矿山开采的工作地点是不断推移变化的 即一个矿山开发的全过程是一个 时序 发展过程 所以矿业系统工程的对象系统是一个时序变化的系统 具有更大的综合性和复杂性 2 矿山工程的主要对象是地下矿物资源 而矿物资源在地下的赋存状况和围岩条件是变化多端的 矿业系统工程研究和处理的系统是一个随机性很强 复杂多变的人工一自然复合系统 因此 要综合运用多种方法 包括处理随机性和模糊性问题的定量和定性方法 处理这个特殊的人工一自然系统问题 3 矿山开发受到内外部环境多种因素的影响 同时又涉及一系列其他部门 仅矿山内部来说 它又是一个庞大的由多个子系统组成的复杂的人工一自然大系统 要解决的是一些复杂的多目标 多方案的系统决策问题 矿业系统工程的特点说明它处理的对象系统是复杂的多变的人工一自然大系统 要综合运用多种定量及定性方法和手段进行多方案比较来解决系统的分析与综合问题 单纯依靠定量的数学方法来处理矿业系统问题是难能有效的 总论二 采矿系统工程 2020 4 23 7 总论三 系统模型及其建立 三 系统模型及其建立 1 系统工程技术系统工程的主要内容包括系统分析 系统设计 系统模型化 系统的最优化 系统的组织管理 系统评价 系统预测与决策等 系统工程的基本任务是研究系统模型化 系统优化和系统评价 为了实现和完成系统目标及任务 系统工程的活动应按着其方法论的思想 方法和程序 运用一定的具体方法和手段 系统工程技术 常用的系统工程技术有系统辨识技术 系统组织管理技术 系统模型化技术 系统优化技术 系统评价技术 系统预测技术 大系统的分解协调技术 系统决策技术等等 1 1系统的辨识技术由于系统因素众多 结构复杂 目标多样 功能综合 因此需要共同理解 明确系统的总目标 分目标 以及相应的系统结构层次 通过系统的辨识来解决 目前用于大规模复杂系统辨识的常用方法是解析结构模型技术 即ISM 2020 4 23 8 1 2系统的模型化技术模型化是系统工程的核心内容 系统模型是系统优化和评价的基础 是系统工程的基本要求 按系统模型分类 系统模型化技术主要有结构模型化技术 分析模型技术 系统仿真模型技术 通过系统模型化 就可以对系统进行解剖 观测 计量 变换 试验 掌握系统的本质特征和运行规律 1 3系统最优化技术系统最优化是系统工程主要追求的目的之一 所以系统优化工作也是系统工程的重要工作内容之一 优化技术是应用数学的一个分支 有些优化问题可用微积分等基础工具去解决 而更多的问题需要用到专门的数学方法 系统工程所用的优化技术大多数集中在运筹学中 运筹学中的线性规划 非线性规则 整数规划 动态规划 多目标规划 排队论 对策论 储存论等 可应用于系统对有限资源进行统筹安排 为决策提供有依据的最优方案 在运筹学的应用中 往往是运用模型化方法 将一个已确定研究范围的现实问题 按预期目标 将现实问题中的主要因素及各种限制条件之间的因果关系 逻辑关系建立数学模型 通过模型求解寻求最优化 总论三 系统模型及其建立 2020 4 23 9 总论三 系统模型及其建立 1 4系统的计划评审技术大规模系统 从空间结构看 是多种因素组成的有机整体 从时间结构看 它又是多环节构成的有机序列 完整的系统空间结构与恰当优化的时间序列相结合 构成具有网络特征的流程图 这非常有利于大规模复杂系统的计划和控制 自1957年 关键路线法 CPM 在美国杜邦公司用于基建项目和1958年 计划评审技术 PERT 在北极星导弹计划应用以来 反映系统复杂关系的网络理论和技术得到了很大发展 由于PERT和CPM主要用于处理确定型的网络结构系统 在应用上受到限制 新的评审技术不断开发出来 其中比较成熟的是 图示评审技术 GERT GERT比PERT CPM更具应用的巨大潜力 更善于处理具有随机性和逻辑性的网络问题 GERT已成功地用于美国的阿被罗计划和航天飞机的发射与回收过程的网络计划中 1 5系统的评价技术系统评价就是对系统的价值进行评定 其主要作用是通过系统评价技术 将系统方案排序 以便从众多的可行方案中找出最优方案 为决策提供依据 迄今为止 评价方法技术已发展到数十种 但较为常用的有费用 效益分析 关联矩阵法 关联树法 层次分析法 模糊评价法 可能 满意度法等 2020 4 23 10 总论三 系统模型及其建立 1 6系统预测技术系统预测是依据过去和现在的有关系统及其环境的已知材料 运用科学的方法技术 发现和掌握系统发展与运行中的固有规律 并按此规律去探求系统发展的未来 预测的主要作用是为决策者提供科学的预见和决策依据 同时为产生多个系统方案和优化系统方案提供方法手段 现今 预测方法技术已发展到上百种 主要可分为定性预测技术和定量预测技术两大类 1 7系统决策技术 系统决策是指决策者根据系统的各种行动方案及其可能产生的后果信息所作的判断或决定 决策分析是比较规范的技术 它所起的主要作用是使决策过程得到数据和定量分析的支持 使决策所需的信息全面而清晰地展现给决策者 从而有助于决策者正确决策 决策技术按决策环境可分为三种类型 即确定型决策 风险型决策 不确定型决策 2020 4 23 11 总论三 系统模型及其建立 2 系统模型2 1系统模型的定义系统模型是把系统的各个构成要素通过适当的分解 筛选 抽象和归纳等工作之后 用某种表现形式描述出来的简明映象 即模型是系统理想化的抽象或简化表示 是实际系统的代替物 它描述了现实世界的某些主要特点 一般地说 模型具有以下三个持征 1 模型是现实世界的一部分的抽象或模仿 2 模型是由那些与分析的问题有关的因素所构成 3 模型表明了有关因素之间的逻辑关系或定量关系 总之 由于模型是现实世界的一种描述 必须反映实际 要具有现实性 又由于它是现实世界的抽象 所以就不应等同于实际 而要比客观实际简单 抽象 具有近似性 即模型中只能包括现实系统中的主要因素 而把非本质的因素排除在模型之外 以便于模型处理 由于系统存在于一定外界环境之中 这就要求模型对环境有 定的适应能力 因此 一个较好的模型应具有现实性 易处理性和适应性 2020 4 23 12 总论三 系统模型及其建立 2 3模型的作用在现实生活中 系统模型及建模技术起着十分重要的作用 这主要体现在 1 模型比实际系统容易操作 尤其是一些参数值的改变在模型中操作比实体系统中操作要容易一些 2 对系统中难以定量的主要因素 需要进行模拟分析 而要实现模拟分析 就必须建立模型 3 可以用最少的时间和费用可靠地开发最优的系统 4 有些系统很难或根本就不能用以做试验 如生态系统 社会系统 宏观经济系统等 只有通过建立模型才能解决这个困难 5 通过灵敏度分析 可以看出哪些要素对系统的影响更大 以便对系统的行为进行控制 6 便于了解系统的整体结构 便于研究系统的特征 便于预测未来的趋势 便于对方案进行评价 2020 4 23 13 总论三 系统模型及其建立 3 2系统建模的主要方法 1 推理法 2 实验法 3 统计分析法 4 混合法 5 类似法3 3构造模型的基本步骤 1 明确系统的目的和要求 即明确系统要解决的问题是什么 2 建定语言模型 即用准确精炼的语言对系统进行描述 3 将系统分解为若干子系统 弄清系统中的主要因素及其相互关系 4 明确系统的外部环境 系统环境产生的约束条件 5 确定模型细构 6 估计模型中的参数 用数量表示系统中的因果关系 7 检验模型与现实情况的差异 根据检验结果 对模型做必要的修正 2020 4 23 14 第一章矿床模型及矿床资源条件可开发性评价 第一节地质统计学基础知识 一 区域化变量理论1 定义 区域化变量 在一定空间范围内既有随机性又有结构性的变量 结构性 受到同一成因作用而产生的 即服从一定的规律 相关性或连续性 随机性 由于种种客观原因的影响 每一点的参数值又是随机的 区域化变量只能用随机函数来进行研究 在线性地质统计学中 一般只用到随机函数的一 二阶矩 对于具有相同的一 二阶矩的随机函数 可认为构成相同的数学模型 2020 4 23 15 1 1一 区域化变量理论 2020 4 23 16 1 1一 区域化变量理论 2020 4 23 17 1 1一 区域化变量理论 2 变异函数在原点处的性状可反映变量的空间连续性按变异函数在原点处的性状可分为四种主要类型 每种类型反映了变量的不同程度的空间连续性 抛物线型 或称连续型 线性型 间断型 或 有块金效应型 随机型 或 纯块金效应型 r h 0h 0C0 0 h 0 2020 4 23 18 1 1一 区域化变量理论 4 变异函数的理论模型 不同的矿床具有不同的变异函数 按函数曲线形状的不同 变异函数主要可分为以下几种理论模型 1 球状模型 如图 a 所示 2 指数模型 如图 b 所示 r h C 1 exp h a 3 高斯模型 如图 c 所示 r h C 1 exp h2 a2 2020 4 23 19 1 1三 克里金法估值 三 克里金法估值 克里金法是以地质统计学为理论根据 用被估块段附近 或内部 样品的线性组合 对块段进行最佳无偏的估值计算 估值公式 无偏条件 估计方差 2020 4 23 20 1 1三 克里金法估值 克里金法的实质 是求满足无偏条件 并使得估计方差为最小的一组权系数 i 克里金方程组 克里金方差 2020 4 23 21 1 1三 克里金法估值 克里金估值的可靠性要利用已有样品的信息来交叉验证 为此 针对矿床各样品点 用其周围样品点数据进行克里金估值 然后把这一估值与其真实取样值做比较 得出估计误差 或方差 并做统计分析 又可将估计误差与克里金方差相比较 以验证二者是否相符 用克里金法对地质参数估值 较之其他传统方法 例如多边形法 距离加权法等 有以下明显优点 可提供最佳无偏的内插估计 这里 最佳 意味着可获得最小估计方差 用克里金法估值的精确性 业经许多矿床应用实例的对比分析所证实 能定量池给出计算精度 即计算克里金方差 作为衡量估计误差的尺度 可用以判断勘探取样网格的合理性 为钻孔布置方案的优化提供理论根据 2020 4 23 22 二 矿床模型的建立方法 1 2二 矿床模型的建立方法 1 地质界限法实质 确定矿区内地质界限的位置 以便圈定矿床 建立矿床模型 地质界线的表示法 二维网格 一元函数 三维块段 二元函数 函数拟合 由取样点进行线或面的拟合 全区 局部 分区 视地质条件而定 拟合方法 线性插值 最小二乘法 样条函数等 缺点 只能描述矿体轮廓 不能描述矿体内部的变化 如矿石的密度变化 矿石品位等质量的变化等等 适用范围 埋藏条件简单 矿石品种单一 质量波动不大的矿床 也可做为复杂矿床的辅助方法 2020 4 23 23 1 2二 矿床模型的建立方法 2 多边形法实质 利用钻孔资料来做为地质参数 在相邻两个钻孔的连线上做垂直平分线 这样构成了若干个多边形 每个多边形中都有一个钻孔 这个钻孔的资料就作为该多边形范围内的地质参数 缺点 误差大 3 三角形法实质 利用钻孔资料的算术平均值做为地质参数 以相邻两个钻孔之间的连线构成若干个以钻孔点位顶点的三角形 并以顶点钻孔资料的算术平均值作为该三角形范围内的地质参数 也可在三角形内部用线性插值法格网格或块段的地质参数 缺点 误差大 2020 4 23 24 1 2二 矿床模型的建立方法 4 距离加权法 此法以点的估计值做为块段的地质参数 考虑到被估块段地质参数与周围取样点参数有一定的联系 而且认为这种联系与其距离的n次方成反比 常取n 1或2 当n 1时称为距离反比法 当n 2时称为距离平方反比法 尽管距离加权法比的两种方法有所改进 但仍存在一些问题 如距被估块段多远的钻孔应该参与计算 仅以距离为权来计算合理吗 估值的可靠性有多大 这些问题距离加权法不能给予明确的答复 1矿山产量规模的影响因素 市场需求资源条件技术条件经济条件其他条件 第二章矿田开采境界与产量规模的优化 目前国内外关于优化矿山产量规模的主要方法有 泰勒准则 优化矿山生产能力的准则应使矿山投资取得不低于平均利润率的经济效益 即生产规模能保证矿产开采过程中正 负现金流量贴现值平衡 最小费用法 或称计算成本法 最佳经济效益规模 优化矿山生产能力和服务年限的目标应使矿石储量的终值最大 矿山最优服务年限或生产能力的确定应使其净现值或内部收益率达到最大 核心问题 建立矿山开采成本与产量规模之间的函数关系 或是收益与规模的函数关系 然后取最优值 3规模经济理论与经济规模 规模经济师经济活动中的一种规律性现象 规模经济是指建设项目在一定的范围内扩大生产规模而使单位生产成本下降获得的利益 经济规模是指在产品生产系统各生产要素合理配置的情况下 能取得经济效益的生产规模 4井田划分及井型的优化确定 井田划分方案要满足以下基本要求 以影响开拓巷道布置的落差大的断层 地质构造 河流湖泊作为井田境界 考虑地形 地貌 地物的实际情况力求同一井田内德煤层开采条件相近井田走向长度与井型相适应有足够的可采储量初期浅部井田与后期深部井田的分界线 1 井田划分的技术分析 3 井型方案的校核 矿井提升 运输 通风 排水 地面生产系统等辅助环节的生产能力 基本上不足以制约矿井生产能力 通常不必校验 相应的设备可以根据井型需要井型配备 选取或者研制 关键是要具有一定的服务年限 保证矿井和矿井内水平的正常接替 使矿井生产获得较好的技术经济效果 并要取用标准的井型 对已经划定的井田 可采储量Z是已知的定值 则矿井服务年限 从以下几个方面进行校核 满足设计规范对矿井最低服务年限的要求 按采区一水平正常接替所需的年限校核同时生产的采区数目 井型的标准化 0 3Mt a 0 45Mt a 0 6Mt a 0 9Mt a 1 2Mt a 1 5Mt a 1 8Mt a 2 4Mt a 3 0Mt a 4 0Mt a 5 0Mt a 采区设计优化的目的 在各种可供选择的定性方案和定量参数中选取最优方案和参数 1 优化内容 采区设计内容包括两个方面 一是选择采煤方法 采区机械设备 二是确定巷道布置系统及其主要参数 以采区巷道布置及其主要参数选择为核心的采区设计优化内容有 采区类型 采准巷道的数目和位置 联络巷道形式 采区走向和倾斜角度 采煤工作面长度和区段数目 同时生产的工作面数目和采区生产能力等 第三章矿井开采设计综合优化 目标函数 约束条件 模型中所涉及的参数还有工作面推进速度v0 采区生产能力A 采区回收率K0 均可由S l n0以一定的计算式来表示 第三章矿井开采设计综合优化 一 矿井设计优化内容和方法 1 井田开拓方式与井筒位置 2 巷道网络的最优断面和开拓系统 3 矿井通风系统 4 井田采区划分 5 采区巷道布置系统及主要参数 6 矿井设计能力 二 矿区规划的主要内容 分析矿区自然 地质 资源 技术 生产经营和经济特点 分析各矿井生产发展的技术可能性和经济合理性论证新井建设和生产矿井改扩建的必要性和合理性选择矿井的开采工艺方式和机械化水平确定矿区的矿井布局及井田划分规划煤的洗选与加工论证并确定矿区建设规模与建设顺序规划矿区的多种经营和环境保护矿区建设的经济分析预测规划期内矿区主要技术经济指标的逐年变动值 第四章矿区开发规划优化 2 评价指标 1 矿区规模和产量 2 矿区经济效益 3 矿区的社会效益 4 矿区基本建设投资 5 矿区生产的机械化水平 6 矿区全员效率 第五章矿山开采工艺选择 影响露天开采工艺选择的因素 1 界面特征 界面系指松软物料层 岩石层和有用矿物层的上下界面 2 物料性质 主要包括开采物料的切割阻力 承载能力和含水性 3 赋存状态 为了较准确地描述开采物料的结构特征 对各个研究层的不同的物料组分按其构成比例 对工艺影响程度的大小分为主采层和辅助层 4 运排条件 包括采场深度 平面尺寸 内外排比例 拍土运输距离等指标 5 剥采强度 指松软物料层 岩石层和有用矿物层的年剥采量 6 气候条件 包括年平均降水量 冻结天数 最大冻结深度等 反映气候对设备作业的影响程度 二 采煤工艺及其设备的优选 对具体矿井的某一煤层 可能有若干种可供选择的采煤工艺和设备 需要综合分析生产条件和可能带来的技术经济效果 从中选取最优方案 评价和选择采煤工艺及其设备 按多项指标综合优化的准则 所选用的指标主要有 1评价指标 采煤工作面单产水平 t d 工作面工人效率 t 工 工作面吨煤成本 元 t 设备投资 万元 生产的可靠性 影响采煤工艺及其设备选择的主要因素有 开采煤层厚度及厚度变动范围 煤层倾角 煤的硬度 夹矸层厚度 硫铁矿含量 顶板类别 底板类别 断层等地质构造 瓦斯涌出量 涌水量 第六章矿山生产系统分析与优化 第一节矿山生产工艺系统模拟 一 系统模拟方法基础知识 1 基本概念系统模拟或称系统仿真 是通过观测系统结构及其随时间的变化而建立起一个模型并对其求解的一种技术 利用这种模型 可以再现系统的状态及特性 实际上 系统模拟大多用于动态数学模型 用数值方法求解 6 1一 系统模拟方法基础知识 根据直接测定所得到的资料 可做进一步加工处理 以找出其概率分布规律 为此 针对某项待定指标 按测定数据做出频数直方图 使其拟合某种概率密度函数 然后进行X2检验或其他检验 例题 P186 X2检验法 3 均匀随机数及随机变量的产生产生随机变量抽样序列的方法是 第一步 产生均匀随机数抽样序列 第二步 由均匀随机数产生一定分布的随机变量抽样序列 1 均匀随机数的产生所谓均匀随机数 是指服从均匀分布的随机变量 为了模拟工作的方便 一般使用 0 1 区间的均匀随机数 其概率密度函数 分布函数 6 1一 系统模拟方法基础知识 产生均匀随机数的方法可大致分为三类 第一类是使用随机数表 第二类是物理方法 第三类是数学方法 用离散分布的随机数来代替 伪随机数 产生伪随机数的常用方法 迭代取中法方法实质是 任取N位整数作为初始值 将此数经一定的计算 然后截头去尾取其中间的N位所组成的数作为一个随机数 然后继续迭代上述过程 得出一个随机数序列 这里有自乘取中法 中平方法 乘积取中法等 移位法利用数字计算机能够对数字进行前后移位和逻辑运算的特点 同余法包括和同余法 乘同余法 混合同余法和组合同余法等 6 1一 系统模拟方法基础知识 2 由均匀随机数产生随机变量 直接抽样如果随机变量 的概率分布函数F x 连续 则r F 是 0 1 上均匀分布的随机变量 变换抽样通常利用分布函数的逆变换公式来产生随机变量 有些分布函数难以找到其逆变换式 或虽能找到但极复杂 以致无法计算 这是此法的局限性 舍选取样这种方法是按一定的检验条件进行舍选 以得到某种概率分布的随机变量抽样值 此法由于方法灵活 计算简单 使用方便而得到较为广泛的应用 复合抽样此法是利用某些容易得到的随机变量值 来组合成所需的随机变量 近似抽样这种方法一般用于分布函数的计算式无法求出的情况 直接抽样 逆变换抽样 舍选抽样 6 1二 动态系统模拟方法 二 动态系统模拟方法 按照对时间进程的模拟方法的不同 可分为定时步长法与事件步长法两种基本模拟方法 1 定时步长法定时步长法是以等长的时间间隔 t把整个模拟过程划分为许多步 从所拟定的初始状态开始 逐个时间间隔 通过模拟各项活动 来描述系统内各个实体及其特征的发展变化 并记录此时间间隔内的所需信息数据 如此下去直到模拟时间结束 定时步长法的特点是定时推进模拟时钟 6 1二 动态系统模拟方法 例 原P13 6 1二 动态系统模拟方法 2 事件步长法所谓事件是指系统中某项活动的开始或结束 事件步长法是按照系统中依次发生的事件来推进模拟时钟的 即从所有事件中选取最近事件优先处理 所谓最近事件是指在所有事件中 此事件距离当前时刻最短 换句话说 从特定时刻算起该事件将最先发生 采用这种方法时 模拟时间间隔不是恒定的 而决定于前后两个事件发生的时间差 例 P195 定时步长法逻辑简明 使用方便 但由于定时步步推移 往往运算时间较长 而若将模拟时钟推进间隔加大时又会影响计算精度 事件步长法在系统不甚复杂时运算较快 也较准确 但因按依次发生的事件推移模拟时钟 故系统中间运转状态难以清晰表达 6 2一 线性规划在矿石质量优化搭配中的应用 第二节矿山生产工艺系统的数学规划 一 线性规划在矿石质量优化搭配中的应用 当一个矿山具有多个采区 各采区矿石质量差异较大时 为了满足用户对矿石质量和产量的要求 往往要解决矿石的综合搭配问题 例 某矿山企业 采出原矿供应钢铁厂冶炼 年产量要求为3 90Mt a 该矿山企业拥有两个主要生产矿山 后来又陆续探明8个储矿点 各矿点的矿石储量及品位见表 6 2一 线性规划在矿石质量优化搭配中的应用 钢铁厂对矿石品位提出了如下要求 在满足逐年产量 混合矿石品位条件和各矿点储量的前提下使10个矿点的总开采量为最大 线性规划的目标函数 满足矿石产量约束 对于矿石中有害成分 上式中 改为 即可 满足矿石储量约束 非负约束 可采用试算法 对于不同的N值 求得线性规划的综合最优解 第四节生产系统可靠性分析 一 矿山生产系统可靠性特点及研究内容 1 矿山生产系统可靠性特点 1 矿山生产系统是一个 人一自然一机器 系统 而不是一般的 人一机 系统 其作业对象是地下自然资源 即使在科学知识及技术都非常发达的今天 人们对矿体的认识仍然是模糊的 自然 包含的内容较广泛 通常有矿田地质构造 矿体产状 矿物储量及质量 矿岩特性 瓦斯及顶板压力 水文地质 气候条件及矿山环境等 显然 抛开 自然 而把矿山生产系统作为一般的 人一机 系统来研究 其结果将很难与矿山生产实际情况相符 2 矿山设备的作业条件和环境恶劣 且其作业对象多为坚硬而不规则的物料 耗损大 故障率高 加之设备数量 型号及种类多 调度组织及维修管理困难 故矿山设备及生产系统的可靠性比一般系统低 3 影响矿山生产系统可靠性的不确定因素多 如尚未查明的地质情况 气候条件 生产与经营管理决策 市场变化等 6 4一 矿山生产系统可靠性特点及研究内容 4 矿山工程项目开发周期长 难以预先进行必要的可靠性实验 而设计方案一经实施就较难变更 大大缩小了可靠性调剂余地 矿山之间差异大 可靠性数据相关性差 很难被直接相互引用 相应地增加了矿山生产系统可靠性分析与设计的难度 5 构成矿山生产系统的环节或分系统数量较多 特性差异大 系统庞杂 相互间可靠性逻辑关系不容易确定 很难建立一个完整通用的可靠性数学模型来求解系统可靠性 6 由于矿物的市场价格严重扭曲 而矿用原材料及设备价格不断上涨 导致多数矿山企业经济效益不佳 后勤供应保障能力不足 因此 在对矿山生产系统进行可靠性与费用综合权衡时 其合理尺度难以确定 2 矿山生产系统可靠性研究的主要内容可靠性数据的采集与统计分析 可靠性量化指标的选取与计算 确定研究方法与手段 建立可靠性数学模型 求解设备或系统环节及整个系统的可靠性 提高矿山生产系统可靠性的方法与途径 6 4一 矿山生产系统可靠性特点及研究内容 6 4二 连续作业式生产系统可靠性分析 二 连续作业式生产系统可靠性分析 连续开采工艺系统中各组成环节之间为串联作业 为了使整个工艺系统达到应有的可靠度 则要求各工艺环节必须具有较高的可靠度 工艺系统所能达到的生产能力和作业成本除取决于设备本身的技术性能外 还取决于矿山的组织管理水平 地质条件 矿岩特性及气候影响等多种因素 它们既具有确定性又具有随机性 连续开采工艺系统是一种可修复系统 生产过程中或者处于工作状态或者处于非工作状态 故障和修复都是随机事件 采用以概率论 数理统计及随机过程等应用数学知识为基础的可靠性理论则可以解决此类问题 解决的步骤是 首先确定各随机事件的概率分布 并采用马尔可夫随机过程理论建立工作状态向故障状态转移及故障状态向工作状态转移的数学模型 然后 根据工艺系统中设备之间的可靠性逻辑关系 建立相应的系统可靠性数学模型 至此 可以对整个连续开采工艺系统及其设备的可靠度 维修度及有效度进行求解 进而计算其他有关作业参数 6 4二 连续作业式生产系统可靠性分析 3 生产系统的维修性矿山连续作业式生产系统及其组成设备都是可修复系统和产品 修复时间是服从某种统计分布的随机变量 维修性也是一种系统或产品的固有特性 是指在预定的维修级别上 由具有规定的技术水平的人员 利用规定的程序和资源进行维修 在规定的时间内使系统或产品保持或恢复到规定的功能的能力 维修度则是指在规定的条件下和规定的时间内 使系统或产品保持或恢复到规定的功能的概率 1 单台设备的维修度各单台设备的修复时间服从指数分布 其修复率 即由故障转移到正常状态的概率 为常数 即 维修概率密度函数 维修度函数 平均修复时间 6 4二 连续作业式生产系统可靠性分析 2 单台设备的可用度可用度也称为有效度 是指可修复产品或系统 在规定条件下和规定时间内保持其功能的概率 可用度是产品或系统效能的主要参数之一 综合反映了产品或系统的可靠性和维修性 是对可修复产品或系统可工作状态的定量描述 矿山连续开采工艺系统的作业过程是典型的时间连续 状态离散且有限的随机过程 时间参数为随机变量 在某一时刻系统或设备可能随机地处于某种状态 如处于工作状态 故障状态或维修状态等 由于状态转移是个随机过程 在进行定量描述时必然要用系统或设备在各种状态下的概率值 可用度是研究系统或设备开始工作后 在任一时刻处于可工作状态的概率 马尔可夫过程是具有这样性质的随机过程 即当过程在某一时刻t的状态已知时 那么它在t以后任一时刻所处各种状态的概率也就确定了 而与t之前任一时刻所处的状态无关 由于矿山连续开采工艺系统及其组成设备的故障问隔时间和故障后的修复时间均服从指数分布 且每次故障或修复事件的出现都是相互独立的 因而其作业过程是马尔可夫过程 把工艺系统中第i台设备在任一时刻t 0 的状态记为xi t 并约定 时刻t系统正常时刻t系统故障 6 4四 柔性生产系统可靠性分析 四 柔性生产系统可靠性分析 在连续运输系统的环节之间设置缓冲仓是提高系统可靠性的有效方法 通常把带有缓冲仓的连续运输系统称作柔性 或软性 生产系统 其主要特点是当仓前环节故障时仓后环节可继续运送仓中的存料 当仓后环节故障时仓前环节可继续往仓中存料 因此在一定时间内整个运输系统并没有故障 即缓冲仓能够减小其前后环节故障对整个运输系统的影响 无论是元件 设备还是系统 发生故障就意味着不能继续作业 在此对缓冲仓的故障也按此逻辑定义 凡是因缓冲仓引起的系统停工就是缓冲仓失效 如冻仓 粘仓 堵仓及需要停工进行维修的机电故障等 柔性连接运输系统的工作原理如图 当缓冲仓有效容积足够大时 按照柔性连接运输系统的工作原理及缓冲仓的故障定义 得到柔性连接运输系统的可靠性模型 见图6 4 16 即当缓冲仓发生故障时整个系统就发生故障 当仓前环节与仓后环节同时发生故障时系统才发生故障 6 4四 柔性生产系统可靠性分析 带缓冲仓的生产工艺系统的系统可靠度 在环节1与环节2之间不设缓冲仓时系统的可靠度为 由于设置缓冲仓而引起的系统可靠度增量为 系统可靠度增量 Rs是缓冲仓可靠度Rh的线性函数 当仓前与仓后环节的可靠度不变时 Rs随着Rh的增大而线性增大 系统可靠度增量的斜率为k R1 R2 R1R2 k随着R1或R2的增加而增加 且当R1与R2不同时为0时 k 0 系统可靠度增量的变化还与仓前相仓后环节可靠度的大小有关 任一环节可靠度的提高都会引起 Rs的下降 反之亦然 把缓冲仓设在可靠度较低的运输环节之间 则效果更佳 6 4四 柔性生产系统可靠性分析 当R1与R2一定时 设置缓冲仓使系统可靠度增加的充要条件为 缓冲仓的临界可靠度 令 当Rh R0时 Rs 0 当Rh R0时 Rs 0 即只有当缓冲仓的可靠度Rh大于其临界可靠度R0时 设置缓冲仓才能使系统可靠度有所增加 R0的大小由仓前与仓后环节的可靠度所决定 柔性连接运输系统的可靠性模型反映了仓前环节与仓后环节同时故障的概率及所有单元状态组合引起的系统正常或故障的概率 缓冲仓的容积与其前后环节的故障时间有关 当仓前环行故障时系统仍能继续作业的时间为 设仓前环节故障时间为Gq 若Gq Tq 0 则系统停产时间为Gq Tq 当仓后环节故障时系统仍可继续工作的时间为 Th Vc Cq设仓后环节故障时间为Gh 当Gh Th 0时 系统停产时间为Gh一Th 第七章矿山压力系统分析 第一节岩石移动规律的数值计算与系统模拟 岩石移动规律的研究有理论分析法 实验室研究方法与数值模拟方法 理论分析为实验研究与数值模拟提供了指导 对比较简单的问题通过分析推导可以得到解析解或闭合形式解 但能得到这种解的情况很少 对岩体介质物理性质的认识离不开实验研究 现场原位实验与现场测试 实验室的岩石试件实验与相似材料的模拟实验 都是我们逐渐认识工程岩体介质不可缺少的途径 数值方法引入岩石移动规律的研究之后就成为了一种非常有效地研究手段 而且随着计算机及计算技术的发展 数值方法必将越来越显示其重要性 一 数值计算与系统模拟常用方法简介 1有限元法 有限元法分析问题的一般步骤为 将结构离散化 即将所分析的结构分割成有限元单元体 使相邻单元仅在节点处相连接 分析对象由这个单元结合体代替原有结构 单元分析 求单元刚度矩阵集合刚度矩阵及载荷向量 并引入支撑条件组成有限元方程组求解有限元方程 求得节点位移计算单元内部各点的应变及应力 2差分法 遵循力的平衡原理 加上组成结构材料的本构关系和应变 位移的几何协调关系可以导出微分方程 用差分来近似地表示各阶微分 对于每一个间距点可建立差分方程 结合边界条件则可得到以各间距点上函数值为基本未知量的代数方程组 解此方程组可得各间距点上的函数值 3 加权残值法 大量工程的分析问题 往往可归结为在一定边界条件或初始条件下求解微分方程 在实际工程中 由于结构的复杂性和边界条件的不规则性 通常需借助于数值解 加权残值法的基本思想是假设包含有特定常数的试函数 这一试函数当然不一定是 而且往往不是原微分方程的精确解 代回原方程时便出现误差 即残值 可以按一定的规则去消除残值 消除残值的过程可以得到一系列代数方程 求解这些代数方程组 便可求得试函数中的待定系数 从而求得近似解 4 边界元法 边界元法是一种解偏微分方程定解问题的数值方法 其特点是只对边界进行离散 可以降低问题的维数 从而提高了计算效率 节省工作量 此外还可适用于无限域 应力集中等问题 因而受到重视 边界元法要采用弹性力学问题的基本解 所以实质上也是一种半解析数值方法 5 离散元法 离散单元法由P A Cundall于1971年提出 这是一种不