大爆破网络系统的可靠性研究.doc

大爆破网络系统的可靠性研究 lizhouli 摘要在实际的生产过程中，由于深孔硐室在空间上分布状况的不确定性，网络铺设也就相应的复杂起来。在本矿的采矿工艺特点下，这种复杂性主要体现在拉底层破柱硐室的网络的铺设，一种设计，往往是仁者见仁，智者见智。 关键字网络；大爆破；爆轰；导爆索；导爆管；流程；概率； 一、前言 矿山大爆破是我国中大型矿山生产环节的重要一环，而大爆破网络设计的合理与否将直接关系着大爆破的成败。本文就狮凤山铜矿大爆破网络设计过程中出现的问提，以流程图为模型，以系统工程理论为指引，运用概率论的相关知识来对各方案进行量化的比较，通过概率的大小来最终确定哪个方案最为可靠，从而来指导生产。 二、问题的提出 本矿的主要采矿工艺是有底柱水平深孔崩落法，其中拉底层为侧向崩落破柱，岩硐为水平崩落落矿，电耙出矿工艺。大爆破采用的炸药为1岩石柱状乳化炸药，雷管为非电毫秒导爆管雷管，偶尔也会使用半秒管，为孔口起爆技术。孔内在装入炸药的同时也装入了单根导爆索，直达孔底，并在孔口对同段别雷管的孔口导爆索进行了连接。网络的干线与支线皆为双股的导爆索。导爆索的激发装置为磁电雷管，由专用的磁电雷管起爆器控制其激发。网络如下图所示 图1 大爆破网络连接图 在实际的生产过程中，由于深孔硐室在空间上分布状况的不确定性，网络铺设也就相应显的复杂。在本矿的采矿工艺特点下，其复杂性主要体现在拉底层破柱硐室的网络的铺设，一种设计，往往是仁者见仁，智者见智。限于篇幅，在本文中，我们就结合两个典型特例来来进行说明。 1、大爆破网络的环形连接是否可行，即F1-F2可否连接，见图6。 2、大爆破网络局部T型三角连接是否可行，即D1-D2可否连接，见图9。 三、分析问题 为解决上面两个问题，有必要先对网络连接的基本常识做个介绍。网络连接的过程中主要涉及两个方面，即导爆管与导爆索的连接，导爆索与导爆索的连接。 导爆管与导爆索的连接分为正向连接，反向连接、垂直连接三种,如下所示 图2 导爆管雷管正向连接图 图3 导爆管雷管反向连接图 图4 导爆管雷管垂直连接图 导爆索与导爆索的连接也分为正向、反向、垂直连接三种,和以上简图同，只需把上述简图的导爆管看成导爆索即可。 正向连接与反向连接不是绝对的，可相互转换，主要取决于爆轰方向，若暴轰改向，则正向会变反向，反向则变正向。 在以上三种连接方法中，为我矿所使用的是正向连接，因为它更加可靠，而某些矿山使用的连接卡连接则为垂直连接，操作较麻烦，在我矿未得到推广。对于反向连接，则是完全禁止的。在本文中，因为我们研究的是一个网络，它的最终目的是要顺利传爆，若拒爆，则会带来巨大危险，这就必须考虑网络系统的可靠性，所以我们引入概率。再观察以上简图，同时综合暴轰传播的特点，很显然流程图是它的最佳模型，以上的正向与反向连接的等效流程图如下 图5 导爆管雷管正向、反向连接图（左正右反） 结合爆轰波的特点，这个流程图，最终无非是两个可能的结果 第一，A点到得了E、D两点，即传爆成功； 第二，A点到不了E、D点或E、D点中的一个，即传爆失败。 而我们的期望值是A点到得了E、D两点。事实上，正向连接相比于反向连接，其成功传爆的几率要高得多，但反向连接成功传爆的几率依然存在，只是稍低而已。为此，我们对正向与反向连接成功传爆概率与失败传爆概率赋指 1、正向连接成功传爆几率为 、， 失败的几率为1-、1-； 2、反向连接成功传爆几率为 、， 失败的几率为1-、1-； 3、10.50，10.50（实验观察所得）; 对于整个流程图，我们没有必要对所有的环节的概率进行计算，只需对关键环节进行计算即可。我们所研究的流程所包含的环节为爆轰在导爆索中的传递、在导爆索与导爆索连接处的传递、在导爆管与导爆索连接处的传递、在导爆管中的传递等。其中在导爆管中的传递的过程是属于流程范围之外的范触，不予考虑。在导爆索内的传递，考虑到成功传爆的几率与导爆索的长度成反比，而实际过程中支线的长度并不长且又为双线，只要不是转角太大，其在完整的导爆索中成功传爆的几率是很高的，我们都可以作近似处理，直接认为它成功传爆的概率为100。所以在研究网络系统的可靠性时，我们只需要考虑其余两个环节，即有接头处的部位即可。 四、解决问题 网络设计的最终目的是导爆管能成功的接受从起爆点传递来的爆轰，再经由导爆管传至起爆药包中的导爆管雷管，从而引爆起爆药包。根据爆轰特点结合网络设计的最终目的，传爆的结果，最终只可能是以下的几种情况 A、传爆成功，达到设计期望值。此结果的也是设计者的期望结果。 B、传爆成功，但非期望值。此结果能满足爆破要求，但对网络设计人员来说，这是一种意外的成功。 C、传爆失败，背离期望值。此种结果又分完全传爆失败，和部分支线传爆失败，不管哪种，它都可认为是爆破失败。 有了以上三种结果，就可以分别计算这三种结果的概率，然后与其对应的传统的方案进行比较，概率大者为最可靠方案。 （一）、环形网络系统图 此种网络系统图的争议点在于，大爆破网络的两支线或更多的支线，能否在爆轰方向的末端互连，能否形成闭合环路，即FI与F2可否连接。如图所示，其中E1、E2点为支线的最末段的导爆管雷管连接处。 图6 环形网络连接图 1、等效流程图 图7 环形网络连接等效流程图 2、三种结果分析 A结果 导爆管在E1点顺利接受A→B→C→D1→E1→F1线路的爆轰，同时导爆管在E2点顺利接受A→B2→C2→D2→E2→F2线路的爆轰，其概率为。 B结果 此种结果又分为四种情况 ①、导爆管在E1点顺利接受A→B→C→D1→E1→F1线路的爆轰，同时导爆管在E2点未能成功接受A→B2→C2→D2→E2→F2线路的的爆轰的情况下，却顺利接受A→B→C→D1→E1→F1→F2→E2线路的爆轰，其概率为。 ②、导爆管在E2点顺利接受A→B2→C2→D2→E2→F2线路的爆轰，同时导爆管在E1点未能成功接受A→B→C→D1→E1→F1线路的爆轰的情况下，却顺利接受了A→B→C→D2→E2→F2→F1→E1线路的爆轰，其概率为。 ③、导爆管在E1点顺利接受A→B→C→D1→E1→F1线路的爆轰，同时导爆管在E2点还未来得及接受A→B2→C2→D2→E2→F2线路的的爆轰的情况下，却顺利接受A→B→C→D1→E1→F1→F2→E2线路的爆轰，其概率为。 ④、导爆管在E2点顺利接受A→B2→C2→D2→E2→F2线路爆轰，同时导爆管在E1点还未来得及接受A→B→C→D1→E1→F1线路的爆轰的情况下，却顺利接受了A→B2→C2→D2→E2→F2→F1→E1线路的爆轰，其概率为。 B结果的总的概率为 C结果 E1、E2至少有一点未接受到任何方向的爆轰，其概率为。 以上的三种结果，B结果最为复杂，我们可以对其进行压缩。事实上，在考虑其可能出现的结果时，我们只要考虑两支线爆轰完毕时的爆轰时间差即可，而时间差与支线线路距离有关，为此，必须得验证，、 、d三者之间的距离关系。很显然，爆轰在支线中若不出现传递失败的情况下，当时，就意味着，爆轰方向会与预想的方向相同；当时，就意味着，其中的某条支线的爆轰方向会与预想的方向反向，必须分别予以考虑。 3、概率计算 根据概率的相关理论有1。在此文中，为了比较方案的优劣，则只需对新方案和传统方案的、即成功的几率进行计算然后进行大小比较即可。 1）、新方案A结果与B结果的计算 当时，此时，B结果只会出现B①、B②两种情况，A、C结果也成立，此时有 A结果计算 此结果的条件是流程A→B→C→D1→E1→F1与A→B2→C2→D2→E2→F2必须保证两个同时成立。 对于A→B→C→D1→E1→F1，其成功概率为，则 ** 1*1*1* 对于A→B2→C2→D2→E2→F1，其成功概率为，则 ** 1**1* 所以 * ** B结果计算 计算包括，的计算。 的计算 其条件是 a、B→C→D1→E1 传爆成功； b、B2→C2→D2→E2 传爆失败； c、B→C→D1→E1→F1→F2→E2 传爆成功（后部分爆轰反向）； b条件只需考虑在B2-C2过程中的失败。a、c则可合成一个考虑。 所以 的计算 其条件是 B2→C2→D2→E2 传爆成功； B→C→D2→E2 传爆失败； B2→C2→D2→E2→F2→F1→E1 传爆成功（后部分爆轰反向）； B条件只需考虑在B-C-D1过程中的失败。如图所示，B-C-D1为一根完整的且不是很长的双股导爆索，它传爆失败的机率非常低，所以我们可近似的当0处理，即 所以 A结果与B结果合计 综上，可以计算出新方案成功的总的概率为 当时，若连接成闭合回路，此时，B结果只会出现B③、B④两种情况，C结果也成立，A结果只会在E1F1F2E2意外传爆失败的条件下才会发生，其概率是极低的。我们知道，在三种结果中，理想爆轰的A结果的几率是占大部分的，在上述意外的A结果的情况下，此时成功传爆的几率是远小于非闭合网络系统时的概率，在此我作计算。所以，在网络系统设计中，当时，网络的环行连接必须严格禁止。 2）、传统方案概率计算 同样的计算办法，若F1-F2不存在，如图所示 图8 导爆索局非环形网络连接图 则其成功传爆的结果只有上述的A结果，即此方案成功传爆的几率为 显然，在时的闭合的网络相对于非闭合网络，其成功的概率多了B结果的一部分，所以时的闭合的网络系统成功的概率就大于非闭合的网络系统，所以时的闭合的网络系统比非闭合的网络系统更加可靠。 4、选择方案 综合上面分析，相比于非环形网络系统方案，环形网络系统方案的优劣是有条件的，即 在时，其传爆成功的机率明显大于非环形网络，它是更可靠的。 在时，其传爆成功的机率明显小于非环形网络，它是不可靠的。 这就是我们的最终结论。 （二）、局部T型三角连接网络图 此种网络图的争议点在于，支线分别垂直的向两个不同方向转弯时，即两边都需要爆轰的情况下，其连接处，可否连接成三角状，即DI与D2可否连接。如图所示 图9 导爆索局部T型三角连接图 1、等效流程图 图10 导爆索局部T型三角连接等效流程图 2、三种结果分析 A结果 导爆管在F1点顺利接受A→B→C→D1→E1→F1线路的爆轰，同时导爆管在F2点顺利接受A→B2→C2→D2→E2→F2线路的爆轰，其概率为。 B结果 此种结果又分两种情况 ①、导爆索在F1点顺利接受A→B→C→D1→E1→F1线路的爆轰，同时导爆索在F2点未能成功接受A→B2→C2→D2→E2线路的的爆轰的情况下，却顺利 接受A→B→C→D1→D2→E2→F2线路的爆轰，其概率为。 ②、导爆管在F2点顺利接受A→B2→C2→D2→E2→F2线路的爆轰，同时导爆管在F1点未能成功接受B→C→D1→E1线路的爆轰的情况下，却顺利接受了A→B2→C2→D2→D1→E1→F1线路的爆轰，其概率为。 B结果的总的概率为 C结果 F1与F2至少有一点未接受到任何方向的爆轰，其概率为。 由于T形三角连接，属于局部的网络连接方案，属于小范围的，在几何形状上它是个标准的三角行，根据三角型的两边之和必大于第三边的特征，它不可能出现在环行网络中结果B中的B③、B④两种情况。这就意味着，其中的某条支线的爆轰方向是不可能会与预想的方向反向。 3、概率计算 同理有1，在此例中，也仅需对成功结果的、进行计算即可。 1）、新方案A、B结果的计算 A结果计算 这个结果的条件是流程A→B→C→D1→E1，A→B2→C2→D2→E2要顺利传爆，并且必须保证，两个流程同时成立。 对于A→B→C→D1→E1→F1，其概率为，则 *** 1*1*1* 对于A→B2→C2→D2→E2→F1，其概率为，则 *** 1**1* 所以 ** B结果计算 同样，的计算也包括的计算与的计算 的计算 其条件为 a、B→C→D1→E1 传爆成功； b、B2→C2→D2→E2 传爆失败； c、B→C→D1→D2→E2 传爆成功（爆轰末端反向）； b可能存在的情况是B-C区间的失败，或D2-E2区间的失败。事实上，若在D2-E2区间失败，则D1-D2-E2区间某处断开的几率是很高的，若D1-D2-E2区间某处断开，则c就不可能成立，则D2-E2区间失败的可能性应予以排除；当然D2-E2区间的失败,还有个因素就是胶布未捆扎牢靠致使导爆索脱落，从而在D2-E2区间传爆失败，但这种几率相对较低 ,若出现了胶布未捆扎牢致使导爆索脱落，则会比后面我们计算的结果要大 ,在这里我们从简省去不计。所以，排除了D2-E2区间失败的可能 , 我们就只需考虑在B2-C2区间传爆失败即可。 的计算 其条件为 a、B2→C2→D2→E2 传爆成功； b、B→C→D1→E1 传爆失败； c、B2→C2→D2→D1→E1→F1 传爆成功（爆轰末端反向）； 由于A-B-C-D1为一根完整的传爆线，且为双线，所以可认为在此区间传爆失败的几率为0，则只可能会在D1-E1区间失败。同理，若D1-E1区间失败，则D1-D2-E2区间某处断开的几率是很高的，若D1-D2-E2区间某处断开，则c就不可能成立，所以D1-E1区间失败可以排除，所以我们可近似的把当0处理。 所以 。 A结果与B结果合计 所以，新方案成功的几率为 。 2）、传统方案A、B结果的计算 同样的计算办法，若D1D2不存在，如图所示 图11 导爆索局部T型非三角连接图 则其成功传爆的几率为 4、选择方案 至此，相关的数据已全部计算出来了，此时则只需比较与的大小就可。假设T型三角网络几率更大，则只需证明 即可。 即 ， 显然 ，，， 所以 所以假设成立。 相比于D1D2断开，很显然它传爆成功的几率更大，所以局部T型三角连接网络系统更加可靠。 五、结论 通过以上两个实例，我们得出两个很直观的结论，第一，环行网络系统并不是绝对不可取的，在一定条件下，它的可靠性比非环行网络系统更加可靠。第二，局部T形三角连接网络系统比非T型三角连接网络系统更可靠。如果再考虑井下的特殊环境和大爆破技术人员的专业技术水平因素，上述的指标将更加优越。事实上，在大爆破中，装药过程的控制、雷管的分段、雷管长短脚线的分布、孔口传爆线的连接、网络系统的某些局部、装药技术人员的空间分布等很多环节都可运用这种理论来进行分析，从而最大限度的提高大爆破成功爆破的几率。 参考文献 [1] 张幼蒂主编，采矿系统工程。北京中国矿业大学出版社，2000年 [2] 何书元主编，概率论。北京北京大学出版社，2006年 [3] 于亚伦主编，工程爆破理论与技术。北京冶金工业出版社，2004