基于生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的綜采工作面長度優(yōu)化

康云鵬，張 健

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191;2.鄭州煤業(yè)集團，河南鄭州 45000）

基于生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的綜采工作面長度優(yōu)化

康云鵬1，張 健2

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191;2.鄭州煤業(yè)集團，河南鄭州 45000）

隨著采煤機械化程度越來越高，組成工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的人、機、環(huán)境系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性的高低將直接影響工作面的產(chǎn)量，同時工作面長度的不同又將對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響。結(jié)合晉煤集團寺河煤礦實際，基于工作面單產(chǎn)與系統(tǒng)可靠性關(guān)系對大采高綜采工作面長度進行了詳細(xì)的分析研究，得到此條件下保證高產(chǎn)高效的工作面最優(yōu)長度，以期對條件相似礦井開拓布置有一定的借鑒或參考意義。

系統(tǒng)可靠性;大采高綜采;工作面長度

Optim ization of Full-mechanized Mining Face Length Based on Mining System Reliability

晉煤集團寺河煤礦是年產(chǎn)超過千萬噸的特大型現(xiàn)代化礦井，主采煤層為3號煤層，平均厚度為6m，為中等變質(zhì)優(yōu)質(zhì)無煙煤，采用一次采全高綜合機械化開采工藝，工作面長度220m左右。

大采高綜采工藝是國外高產(chǎn)工作面采用的主要采煤工藝之一。其主要特點是:工作面單產(chǎn)高，效率高;工作面設(shè)備功率大，性能可靠。雖然大采高綜采在國內(nèi)外均有成功的經(jīng)驗，同時積累了豐富的可供借鑒的生產(chǎn)管理經(jīng)驗，但大采高綜采目前也面臨著一個亟待解決的問題，即為滿足高產(chǎn)高效礦井簡化系統(tǒng)、提高效率的要求，布置大采高綜采工作面的礦井地質(zhì)條件要相對較好，且大型設(shè)備多，噸位重，工作面推進速度較快，對工作面接替準(zhǔn)備和搬家倒面能力要求較高。因此，適當(dāng)加大工作面長度可相對減少巷道掘進量和降低掘進費用、減少搬家倒面次數(shù)及減少端頭支護、進刀等輔助作業(yè)時間，提高資源采出率、綜采設(shè)備的工時利用率和開機率，為實現(xiàn)大采高綜采高產(chǎn)高效奠定基礎(chǔ)。

綜采工作面產(chǎn)量和效率在一定程度上隨工作面長度的增加而提高，但并非工作面長度越長越好。確定綜采工作面合理長度除地質(zhì)條件、礦山壓力狀況、煤層瓦斯含量以及工作面通風(fēng)等因素外，還應(yīng)充分考慮工作面的單產(chǎn)水平、技術(shù)裝備水平、生產(chǎn)管理水平等。

結(jié)合寺河礦生產(chǎn)工藝及工作面裝備情況，基于工作面單產(chǎn)與系統(tǒng)可靠性關(guān)系，對綜采大采高工作面長度進行詳細(xì)的分析研究，為寺河礦工作面長度的設(shè)計、設(shè)備的選型及改進提供參考。

1 工作面單產(chǎn)、系統(tǒng)可靠性及工作面長度關(guān)系

1.1 工作面單產(chǎn)與系統(tǒng)可靠性的關(guān)系

采區(qū)巷道布置及采煤工藝等確定后，工作面生產(chǎn)能力取決于工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。因為反映工作面正常工作時間比例的可靠性指標(biāo)是系統(tǒng)的“有效度”（又稱為“可用度”），用As表示，因此系統(tǒng)的有效度越高，系統(tǒng)正常生產(chǎn)的時間比例就越大，工作面單產(chǎn)就越高;反之，工作面單產(chǎn)就越低。其關(guān)系如下:

式中，Qd為工作面日產(chǎn)量，t;T為工作面日允許出煤時間，min;qg為采煤機割煤能力，t/min;As為工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的有效度;nd為工作面日進刀次數(shù)，次;qd為每次斜切進刀割煤量，t。

其中工作面日允許出煤時間T是指一天24h除去檢修班時間、交接班時間及采煤機進刀時間后的其余時間。公式 （1）中的第1項是正常割煤量，第2項是采煤機斜切進刀割煤量。

1.2 生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性與工作面長度的關(guān)系

在其余條件不變的情況下，隨著工作面長度的變化，如加長工作面，則某些設(shè)備的工作負(fù)荷將加大 （如工作面輸送機，負(fù)荷中心——供電系統(tǒng)），必然引起相應(yīng)設(shè)備的故障率增大。而且，工作面加長后，煤層在工作面的暴露面積增大，造成瓦斯絕對涌出量增大，增加了工作面瓦斯超限的可能性，致使工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性降低。

工作面設(shè)備或單元的調(diào)整故障率隨工作面長度變化的關(guān)系為:

式中，λi為因工作面變化后設(shè)備或單元的調(diào)整故障率，1/min;λi0為設(shè)備或單元的基準(zhǔn)故障率，1/ min;bi為因工作面變化后第i個設(shè)備或單元故障率的調(diào)整系數(shù)，bi=（L/L0）ai;L0為基準(zhǔn)工作面長度，m;L為變化后的工作面長度，m;ai為工作面長度變化指數(shù)，取值0.6～1.5，影響越大取值就越大。

2 寺河礦大采高工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析

2.1 生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析的理論模型

綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)由采運設(shè)備、頂板控制設(shè)備、電氣設(shè)備和配套設(shè)備等構(gòu)成，并受環(huán)境條件及人為因素所影響。其中采運設(shè)備包括采煤機、工作面輸送機、破碎機、轉(zhuǎn)載機和平巷輸送機;頂板控制設(shè)備包括支架和液壓泵站供液系統(tǒng);電氣設(shè)備包括變壓器、饋電開關(guān)和漏電繼電器等;環(huán)境條件包括頂板、瓦斯、煤層厚度變化、斷層和陷落柱等;人為因素包括人為誤工和人為操作失誤等。根據(jù)寺河礦的情況，大采高綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)由:采煤機、工作面輸送機、頂板及液壓支架、破碎機及轉(zhuǎn)載機、膠帶輸送機、瓦斯及通風(fēng)系統(tǒng)、乳化液系統(tǒng)、負(fù)荷中心 （供電系統(tǒng)）、煤流外運系統(tǒng)、其他等10個單元組成。這10個單元中任意一個發(fā)生故障都將影響工作面生產(chǎn)。根據(jù)隨機系統(tǒng)理論可推導(dǎo)出系統(tǒng)有效度的數(shù)學(xué)公式:

式中，λi為第i號單元故障率，λi=1/θi，1/min; μi為第i號單元維修率，μi=1/δi，1/min;θi為第i號單元平均連續(xù)無故障工作時間，min;δi為第i號單元故障后平均維修時間，min;n為單元數(shù)。

第i單元的有效度為:

2.2 寺河礦2307工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析

2.2.1 2307工作面概況

工作面走向長2984.18m，傾斜長221.5m。煤層平均厚度為6.6m，煤層傾角1～10°。工業(yè)儲量6369356.2t，可采儲量5923501.3t。工作面所采煤層為3號煤，一次采全高，設(shè)計采高6.2m，截深0.865m。設(shè)備配備除液壓支架外以進口設(shè)備為主。

2.2.2 2307工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的有效度

為分析這類大采高工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，對2307大采高工作面進行了現(xiàn)場觀測，經(jīng)統(tǒng)計整理后得到工作面單元的可靠性參數(shù)如表1。

將表1中各單元的故障率λi和維修率μi代入公式 （3）中計算得到2307工作面的有效度As= 0.802312，即在工作面日允許出煤時間內(nèi)的正常出煤時間比例為80.2312%。

表1 2307工作面各單元可靠性參數(shù)

3 工作面長度的優(yōu)化分析

3.1 工作面長度優(yōu)化模型的分析與建立

由前述工作面單產(chǎn)與系統(tǒng)可靠性間的關(guān)系式（1）可知，工作面生產(chǎn)系統(tǒng)有效度As是包含工作面長度L的函數(shù);工作面日允許出煤時間T中是包含工作面日進刀次數(shù)nd和工作面長度L的函數(shù);而工作面日進刀次數(shù)nd中又是包含工作面長度L的函數(shù)。分別分析如下:

3.1.1As與L的關(guān)系

如前1.2所述，工作面長度加長，使生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性降低，另外，隨著工作面長度加長，周期來壓步距會減短，對頂板及液壓支架單元有所影響，但影響非常小，可不予考慮。其余設(shè)備和單元隨工作面長度加長而沒有影響或影響極小。

為此，隨工作面長度加長而故障率變化的單元有:工作面輸送機、瓦斯超限及通風(fēng)系統(tǒng)、負(fù)荷中心系統(tǒng)。根據(jù)公式 （3）和 （2）得，隨工作面長度L變化的工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的有效度為:

以2307工作面的條件及數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，公式中的L0=221.5m，根據(jù)影響程度不同，工作面長度變化指數(shù)分別取a2=1.15，a6=1.35，a8=0.95，各單元的故障率λi和維修率μi的數(shù)值即為表1中的數(shù)據(jù)。

3.1.2T與nd的關(guān)系

工作面日允許出煤時間T由下式給出:

式中，1440是1d的分鐘數(shù);Tx是每天的檢修班時間，工作面采用“四六”工作制，所以檢修班時間為Tx=360min;Tj是每天的交接班時間，每次交接約15min，每天3個采煤班的交接班時間是45min;td為每次進刀平均時間，td=20min;nd為日進刀次數(shù)，是工作面長度L和有效度As的函數(shù)。將上述參數(shù)代入（6）式，得:

3.1.3nd與L的關(guān)系

日進刀數(shù)應(yīng)為每天采煤機有效正常割煤總長度除以工作面長度。每天采煤機有效正常割煤總長度=1035AsVg，其中Vg為采煤機的平均割煤速度，Vg=4.5m/min，則日進刀數(shù)為:

3.1.4Qd與L的關(guān)系

根據(jù)2307工作面的條件可得采煤機割煤能力qg和每次斜切進刀割煤量qd:

式中，M為正常采煤段采高，6.2m;Md為斜切進刀段的平均采高，4.85m;B為采煤機截深，0.865m;Vg為采煤機的平均割煤速度，4.5m/ min;ld為斜切進刀段的平均長度，20m/次;γ為煤的密度，1.46 t/m3;Km為工作面采出率，厚煤層取0.93。

由此得到工作面日產(chǎn)量與工作面長度的關(guān)系:

式中，工作面有效度As又是工作面長度L的函數(shù)，所以上式是一個較復(fù)雜的公式。

3.2 最優(yōu)工作面長度及范圍的確定

由于公式 （9）較復(fù)雜，若用微分求極值的方法，其導(dǎo)數(shù)很復(fù)雜，再令其導(dǎo)數(shù)等于0求解其根，得不到解析解。為此，可采用運籌學(xué)中黃金分割法或直接試探尋優(yōu)法來求得使工作面日產(chǎn)量最高的最優(yōu)工作面長度。如表2為直接試探尋優(yōu)法計算表。

表2 工作面長度尋優(yōu)計算

由表2可知，當(dāng)工作面長度為396m時，日產(chǎn)量達(dá)到最大。即基于工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性角度考慮的工作面最優(yōu)長度為396m。工作面日產(chǎn)量與工作面長度關(guān)系曲線見圖1。

由表2及圖1可知，在最優(yōu)長度396m左右較大范圍內(nèi)，工作面日產(chǎn)量的變化不大，具體來說，在日產(chǎn)量較最高產(chǎn)量低3%時，所對應(yīng)的工作面長度范圍在273～585m。因此，可行的方法是在其他方法優(yōu)化后以及在設(shè)備能力許可條件下，再在此范圍內(nèi)確定合理的工作面長度。

在工作面最優(yōu)長度 396m時，平均日產(chǎn)量21915.2t，與當(dāng)前2307工作面長度221.5m對應(yīng)的平均日產(chǎn)量20281t相比提高8.06%，若按每年300d生產(chǎn)計算，可增加產(chǎn)量約0.5Mt。

此外，在一定工作面長度的條件下，若減少檢修班時間，增加生產(chǎn)班時間，即增加采煤機的開機率，工作面日產(chǎn)量也會有較大幅度的提高;或者，在采煤機能力范圍內(nèi)提高平均割煤速度，也會大大提高工作面日產(chǎn)量。

圖1 工作面日產(chǎn)量與工作面長度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

（1）隨著工作面長度的加長，工作面輸送機，負(fù)荷中心——供電系統(tǒng)的故障率將增大;同時煤層在工作面的暴露面積增大，造成瓦斯絕對涌出量增大，增加了工作面瓦斯超限的可能性，致使工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性降低，這將導(dǎo)致工作面產(chǎn)量下降。但工作面加長后，采煤機進刀次數(shù)減少，減少了輔助生產(chǎn)時間，將導(dǎo)致工作面產(chǎn)量增加，在這有增有減之間，必然存在最優(yōu)的工作面長度。經(jīng)對寺河礦2307工作面條件研究分析得知，當(dāng)工作面長度達(dá)到396m時，工作面日產(chǎn)量達(dá)到最大。即基于工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性角度考慮的工作面最優(yōu)長度為396m。

（2）在最優(yōu)長度396m左右較大范圍內(nèi)，工作面日產(chǎn)量變化不大，在日產(chǎn)量較最高產(chǎn)量低3%時，所對應(yīng)的工作面長度范圍273～585m。因此，可行的方法是在其他方法優(yōu)化后及在設(shè)備能力許可條件下，再在此范圍內(nèi)確定合理的工作面長度。

［1］趙志清，張 悅.神東礦區(qū)300m加長綜采工作面應(yīng)用效果分析［J］.煤礦開采，2005，10（6）:25－30.

［2］朱川曲，魏方圖.礦井主采系統(tǒng)的可靠性及其生產(chǎn)能力的確定［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1992，7（1）:7－16.

［3］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.

［4］徐永圻.煤礦開采學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

TD823.97

B

1006-6225（2011）04-0040-04

2010－12－01

康云鵬 （1988－），男，河南焦作人，在讀研究生。

［責(zé)任編輯:周景林］