薄煤層綜采開(kāi)采效率計(jì)算機(jī)模擬研究

劉鵬飛　朱福文

摘 要：薄煤層的開(kāi)采效率受多種條件的影響。本文以寶雨山煤礦薄煤層開(kāi)采為例，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)模擬現(xiàn)場(chǎng)的停開(kāi)機(jī)時(shí)間、工藝參數(shù)及采煤機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)過(guò)程的再現(xiàn)。模擬研究指出，影響81102工作面開(kāi)采效率的主因素為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備因素，次因素為工序安排因素以及工序操作因素。

關(guān)鍵詞：薄煤層開(kāi)采;數(shù)據(jù)處理;計(jì)算機(jī)模擬

中圖分類號(hào)：TD823.251 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）13-0065-03

Computer Simulation Study on Fully Mechanized Mining

Efficiency of Thin Coal Seam

LIU Pengfei ZHU Fuwen

（Henan Baoyushan Coal Industry Co.， Ltd.，Yichuan Henan 453700）

Abstract： The mining efficiency of thin coal seam is affected by many conditions. Taking the mining of thin coal seam in Baoyushan coal mine as an example， this paper used computer simulation technology to simulate the on-site shutdown time， process parameters and shearer speed， so as to realize the reproduction of the working face production process. The simulation study indicates that the main factors affecting the mining efficiency of 81102 working face are production equipment and auxiliary equipment， and the secondary factors are process arrangement and process operation.

Keywords： thin coal seam mining;data processing;computer simulation

與中厚煤層及厚煤層相比，薄煤層工作面開(kāi)采難度相對(duì)較大[1]。為了研究影響薄煤層工作面的開(kāi)采效率，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的仿真性，對(duì)當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行重現(xiàn)。

1 寶雨山煤礦81102工作面概況以及開(kāi)發(fā)模擬軟件

寶雨山煤礦81102工作面以15號(hào)煤層為回采煤層，其傾角為4°，平均煤層厚度在1.35 m左右，粉細(xì)砂巖為直接頂，厚度維持在1.65～8.60 m，工作面走向長(zhǎng)度為707 m，而工作面長(zhǎng)135 m。該煤礦的工作制度是“四六制”，即每天1班檢修，3個(gè)班采煤，每班工作6 h。采煤機(jī)進(jìn)刀方式選擇斜切式，割煤時(shí)采取雙向割煤，保持截割深度在0.65 m。

這里模擬軟件開(kāi)發(fā)以工作面生產(chǎn)系統(tǒng)為例，其編寫(xiě)時(shí)采用的是Visual Basic語(yǔ)言。生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研生產(chǎn)班停開(kāi)機(jī)時(shí)間和采煤機(jī)速度，把礦山更多調(diào)研參數(shù)輸入后，通過(guò)用戶選取的生產(chǎn)條件和模擬時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成每個(gè)薄煤層工作面生產(chǎn)班集體生產(chǎn)狀態(tài)及開(kāi)機(jī)率，等到模擬的班次全部結(jié)束后，系統(tǒng)可以輸出最后結(jié)果，進(jìn)而能從客觀上了解不同因素對(duì)81102工作面生產(chǎn)效率的影響程度，為以后的優(yōu)化打好基礎(chǔ)。

該模擬軟件通常由兩部分構(gòu)成，其一是主程序，其二是5個(gè)子程序。其中，主程序的具體情況如圖1所示。子程序主要由移架子程序、系統(tǒng)可靠性分析子程序、運(yùn)行狀態(tài)子程序、割煤子程序、故障狀態(tài)子程序組成，在軟件的輸入窗口中設(shè)置了7個(gè)可變參數(shù)（模擬班數(shù)、采出率、煤的容重、斜切進(jìn)刀長(zhǎng)度、工作面長(zhǎng)度、采煤機(jī)截深、采高）。一旦模擬結(jié)束，就可以查看工作面的故障時(shí)間及生產(chǎn)時(shí)間分布結(jié)果和產(chǎn)量情況結(jié)果。

其中，[T0]代表斜切進(jìn)力時(shí)間;[Ts]表示采煤機(jī)正常割煤所需時(shí)間;[L]代表工作面長(zhǎng)度;[W]指的是采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行、停機(jī)）累計(jì)時(shí)間;[Tr]表示采煤機(jī)停機(jī)時(shí)間。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理

2.1 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

相關(guān)調(diào)研組工作人員從2013年6月12日至2012年10月15日對(duì)81102工作面進(jìn)行跟班調(diào)研，對(duì)其工作面停機(jī)原因、停開(kāi)機(jī)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為進(jìn)行模擬準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。

影響81102工作面生產(chǎn)的因素較多，主要包括5大類，分別為工序操作因素、工序安排因素、地質(zhì)因素、生產(chǎn)設(shè)備因素及輔助設(shè)備因素。其中，影響采煤機(jī)停機(jī)的因素占比最大的是生產(chǎn)設(shè)備因素、輔助設(shè)備因素、工序安排因素和工序操作因素。

2.2 處理數(shù)據(jù)

在模擬工作面生產(chǎn)時(shí)，要確定采煤機(jī)在任意時(shí)刻的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)間隔時(shí)間、運(yùn)行速度所遵從的概率分布規(guī)律。在這里，運(yùn)行速度是隨機(jī)變量，而且連續(xù)，其遵從正態(tài)分布，運(yùn)行速度概率密度函數(shù)公式為：

其中，[v]代表采煤機(jī)運(yùn)行速度;[σ]為標(biāo)準(zhǔn)差;[μ]表示均值。

由調(diào)研數(shù)據(jù)分析得出，采煤機(jī)停頓時(shí)間和每次運(yùn)行時(shí)間也是隨機(jī)變量，即[x]，而且其遵從負(fù)指數(shù)分布，具體函數(shù)公式為：

其中，[λ]表示的是采煤機(jī)運(yùn)行以及停機(jī)時(shí)間的負(fù)指數(shù)分布特征值。經(jīng)過(guò)對(duì)81102工作面采煤機(jī)36次故障停機(jī)事件進(jìn)行研究可知，采煤機(jī)運(yùn)行速度遵從正態(tài)分布，而停開(kāi)機(jī)時(shí)間遵從負(fù)指數(shù)分布。同時(shí)，通過(guò)卡方x擬合檢驗(yàn)法對(duì)結(jié)果和理論進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算得出，81102工作面停機(jī)時(shí)間遵從[λ]=0.4為參數(shù)的負(fù)指數(shù)分布，其停機(jī)時(shí)間期望是25 min。而81102工作面開(kāi)機(jī)時(shí)間遵從[λ]=0.071 4為參數(shù)的負(fù)指數(shù)分布，其運(yùn)行時(shí)間期望是14 min。另外，81102工作面機(jī)組的運(yùn)行速度遵從[σ]=1.1為參數(shù)的正態(tài)分布，其運(yùn)行速度期望是每秒3.5 m，方差為每秒1.1 m。

3 生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)例研究

3.1 對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行開(kāi)采效果模擬

通過(guò)工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件，將上述計(jì)算結(jié)果作為基礎(chǔ)參數(shù)（停開(kāi)機(jī)時(shí)間期望值、機(jī)組運(yùn)行速度期望值、方差），進(jìn)而研究工作面的生產(chǎn)情況。把各參數(shù)輸入系統(tǒng)后，模擬輔助設(shè)備因素、工序操作因素、工序安排因素以及生產(chǎn)設(shè)備因素在一個(gè)月內(nèi)對(duì)81102工作面開(kāi)機(jī)率和產(chǎn)量的影響程度。

81102工作面實(shí)際每月產(chǎn)煤14 868.3 t，年產(chǎn)量為17.8萬(wàn)t，開(kāi)機(jī)率維持在32%，81102工作面自從投產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)量和模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2。

3.2 生產(chǎn)條件不同的模擬效果

81102工作面因?yàn)槭懿煌蛩氐挠绊懀怨ぷ髅骈_(kāi)機(jī)率相對(duì)較低。上述也提出，占比比較大的因素為生產(chǎn)設(shè)備因素、工序安排因素、工序操作因素以及輔助設(shè)備因素。通過(guò)工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件，對(duì)不同條件下81102工作面進(jìn)行產(chǎn)量分析。

有研究表明，就我國(guó)而言，中厚煤層綜采工作面采煤機(jī)最大開(kāi)機(jī)率能夠達(dá)到90%，而開(kāi)采條件和管理不錯(cuò)的礦井，其開(kāi)機(jī)率維持在30%～50%，但薄煤層工作面采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率就相對(duì)較低，只有25%～35%[2]。

通過(guò)研究81102工作面模擬結(jié)果得出，開(kāi)機(jī)率為32%的前提下，模擬的實(shí)際產(chǎn)量在每月產(chǎn)煤14 868.3t，年產(chǎn)量為17.8萬(wàn)t，基本上和實(shí)際產(chǎn)量相吻合;如果開(kāi)機(jī)率為45%，模擬產(chǎn)量達(dá)到每月47 898.7 t，年產(chǎn)量為57.5萬(wàn)t;如果開(kāi)機(jī)率為85%，模擬產(chǎn)量達(dá)到每月70 523.5 t，年產(chǎn)量為84.6萬(wàn)t。

3.3 模擬相關(guān)因素對(duì)開(kāi)采效果的影響

通過(guò)分析其中某一因素降低，會(huì)對(duì)薄煤層工作面產(chǎn)生怎樣的影響，然后以點(diǎn)帶面來(lái)分析不同因素對(duì)工作面開(kāi)采效率的影響情況，以及降低不同因素對(duì)工作面產(chǎn)生影響后，其產(chǎn)量范圍和增產(chǎn)的幅度。研究表明，對(duì)81102工作面開(kāi)采效率影響最嚴(yán)重的因素為生產(chǎn)設(shè)備因素、工序安排因素、工序操作因素及輔助設(shè)備因素。

第一，生產(chǎn)設(shè)備因素減少后81102工作面開(kāi)采效果模擬。由模擬結(jié)果可知，倘若81102工作面的生產(chǎn)和生產(chǎn)設(shè)備因素?zé)o關(guān)，那么月產(chǎn)量就能夠達(dá)到23 005.915 t，開(kāi)機(jī)率維持在50%，相比實(shí)際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約8 100 t，開(kāi)機(jī)率增加18%。

第二，工序安排因素減少后82203工作面開(kāi)采效果模擬。由模擬結(jié)果可知，倘若81102工作面的生產(chǎn)和工序安排因素?zé)o關(guān)，那么月產(chǎn)量就能達(dá)到21 193.12 t，開(kāi)機(jī)率維持在46%，相比實(shí)際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約6 300 t，開(kāi)機(jī)率增加13%。

第三，工序操作因素減少后81102工作面開(kāi)采效果模擬。由模擬結(jié)果可知，倘若81102工作面的生產(chǎn)和工序操作因素?zé)o關(guān)，那么月產(chǎn)量能夠達(dá)到21 518.6 t，開(kāi)機(jī)率維持在42%，相比實(shí)際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約6 100 t，開(kāi)機(jī)率增加9%。

第四，輔助設(shè)備因素減少后81102工作面開(kāi)采效果模擬。由模擬結(jié)果可知，倘若81102工作面的生產(chǎn)和輔助設(shè)備因素?zé)o關(guān)，那么月產(chǎn)量就能夠達(dá)到22 834.54 t，開(kāi)機(jī)率維持在49%，相比實(shí)際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約7 900 t，開(kāi)機(jī)率增加17%。

將4種主要因素對(duì)81102工作面產(chǎn)生的影響度按照25%—50%—70%遞增，通過(guò)工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件得到的模擬結(jié)果可知，首先，影響81102工作面開(kāi)采效率最主要因素是生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備因素。倘若81102工作面的生產(chǎn)和生產(chǎn)設(shè)備因素?zé)o關(guān)，那么月產(chǎn)量就能夠達(dá)到23 005.915 t，開(kāi)機(jī)率維持在50%，年產(chǎn)量達(dá)到27.61萬(wàn)t，相比實(shí)際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約8 100 t，開(kāi)機(jī)率增加18%。倘若81102工作面的生產(chǎn)和輔助設(shè)備因素?zé)o關(guān)，那么月產(chǎn)量就能夠達(dá)到22 834.54 t，開(kāi)機(jī)率維持在49%，年產(chǎn)量能夠達(dá)到27.4萬(wàn)t，相比實(shí)際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約7 900 t，開(kāi)機(jī)率增加17%。其次，影響81102工作面開(kāi)采效率的因素為工序安排，倘若81102工作面的生產(chǎn)和工序安排因素?zé)o關(guān)，那么月產(chǎn)量就能夠達(dá)到21 193.12 t，開(kāi)機(jī)率維持在46%，年產(chǎn)量能夠達(dá)到25.43萬(wàn)t，相比實(shí)際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約6 300 t，開(kāi)機(jī)率增加13%。再次，影響81102工作面開(kāi)采效率的因素為工序操作，倘若81102工作面的生產(chǎn)和工序操作因素?zé)o關(guān)，那么月產(chǎn)量能夠達(dá)到21 518.6 t，開(kāi)機(jī)率維持在42%，年產(chǎn)量能夠達(dá)到25.8萬(wàn)t，相比實(shí)際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約6 100 t，開(kāi)機(jī)率增加9%。

4 結(jié)語(yǔ)

第一，通過(guò)調(diào)研得出，影響薄煤層開(kāi)采效率的因素主要是生產(chǎn)設(shè)備因素、工序操作因素、工序安排因素、輔助設(shè)備因素以及地質(zhì)因素。第二，通過(guò)模擬軟件對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，不同因素對(duì)薄煤層工作面開(kāi)采效率的影響也不同，這為其開(kāi)采效率的提高、工作面的優(yōu)化都奠定了基礎(chǔ)。第三，模擬研究指出，影響81102工作面開(kāi)采效率的主因素為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備因素，次因素為工序安排因素以及工序操作因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]張飛，武磊，王強(qiáng).薄煤層工作面高效開(kāi)采效果計(jì)算機(jī)模擬[J].河南科技，2013（10）：31.

[2]劉曉鵬.薄煤層綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2017（6）：121-122.

收稿日期：2020-04-01

作者簡(jiǎn)介：劉鵬飛（1986—），男，本科，機(jī)電工程師，研究方向：煤礦綜合自動(dòng)化應(yīng)用。