薄煤層工作面高效開(kāi)采效果計(jì)算機(jī)模擬

張 飛 武 磊 王 強(qiáng)

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

1 國(guó)外薄煤層開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

在前蘇聯(lián)，薄煤層的煤層采煤法主要是走向長(zhǎng)壁后退式。在前蘇聯(lián)機(jī)械化程度已超過(guò)82%，薄煤層主要是淺截式采煤機(jī)，液壓支架已成系列。1937年德國(guó)工程師Peter Behrens已經(jīng)建立了有關(guān)薄煤層開(kāi)采的高效開(kāi)采，在奧德?tīng)柮禾锕伯a(chǎn)黨員礦井中進(jìn)行了薄煤層水力采煤試驗(yàn)。試驗(yàn)薄煤層傾角應(yīng)該小于為64～66°，厚度也應(yīng)該小于為 0.6～0.7m。試驗(yàn)結(jié)果為，水槍的能力為20～24t/h，為了進(jìn)一步擴(kuò)大水力落煤的效率，對(duì)開(kāi)采煤層實(shí)施了震動(dòng)放炮，水槍的生產(chǎn)率增加到31t/h。

在薄煤層采煤機(jī)的發(fā)展方面，20世紀(jì)80年代后期，西德的薄煤層采煤機(jī)主要有EDW230-2LN和EDW300-LN兩種。英國(guó)薄煤層采煤機(jī)主要有Andson AB16、AS-Euskara和B61。Andson AB16型爬底板采煤機(jī)，適用于厚度為0.9～1.2m的煤層，總功率達(dá)到150kW。AS-Euskara采煤機(jī)是在Andson AB16采煤機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，這種采煤機(jī)對(duì)工作面的風(fēng)流阻力小并且有效風(fēng)量大。B61采煤機(jī)是建立在B57的基礎(chǔ)上的，過(guò)橋使用懸臂式不與運(yùn)輸機(jī)連接，采煤機(jī)擁有較大的操作空間。

2 國(guó)內(nèi)薄煤層開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)薄煤層分布地域廣泛、資源豐富，國(guó)內(nèi)薄煤層的可采儲(chǔ)量約為60多億噸，約占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的19%，而產(chǎn)量只占總產(chǎn)量的10.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于儲(chǔ)量所占比例，并且產(chǎn)量的比重還有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)。煤炭資源合理利用是我國(guó)能源安全及經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，研究薄煤層的開(kāi)采技術(shù)，提高煤炭資源利用率，提高礦井的回采率和延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，對(duì)我國(guó)煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 薄煤層開(kāi)采存在的問(wèn)題

(1)受開(kāi)采空間的限制，設(shè)備安裝、維護(hù)操作及行人困難。

(2)綜采配套設(shè)備對(duì)薄煤層厚度變化和地質(zhì)條件變化的適應(yīng)性差。

(3)相對(duì)于厚煤層，薄煤層工作面開(kāi)采效率低、產(chǎn)量低。

(4)薄煤層工作面回采儲(chǔ)量小，推進(jìn)速度快，由于設(shè)備功率和開(kāi)采空間的限制，通常工作面長(zhǎng)度設(shè)計(jì)較小，掘進(jìn)率相對(duì)較高，使得采掘接替變得緊張。

(5)薄煤層工作面工作環(huán)境惡劣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

(6)薄煤層具有兩硬特點(diǎn)，加大了薄煤層開(kāi)采的難度。

4 工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件開(kāi)發(fā)目的

薄煤層工作面開(kāi)采效率受諸多因素的影響，有些對(duì)于中厚或厚煤層開(kāi)采影響較小或沒(méi)有影響的因素，對(duì)于薄煤層開(kāi)采卻有很大影響，如煤層硬度、煤層厚度局部的起伏變化、小斷層等，分析各影響因素對(duì)開(kāi)采效率的影響工作較復(fù)雜。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以研究復(fù)雜的對(duì)象，為了詳細(xì)分析各影響因素對(duì)薄煤層工作面開(kāi)采效率的影響，將影響薄煤層工作面開(kāi)采效率的因素及影響程度分析清楚，應(yīng)用計(jì)算機(jī)較強(qiáng)的仿真性，重復(fù)再現(xiàn)工作面的生產(chǎn)過(guò)程，達(dá)到研究目的。

影響薄煤層工作面開(kāi)采效率的因素有地質(zhì)條件、開(kāi)采設(shè)備、工序安排、工藝操作、輔助生產(chǎn)設(shè)備、液壓泵站系統(tǒng)、供水供電系統(tǒng)等，各種因素對(duì)工作面的影響表現(xiàn)為工作面的停機(jī)，所以，工作面停開(kāi)機(jī)是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，統(tǒng)計(jì)工作面停開(kāi)機(jī)時(shí)間的數(shù)據(jù)是隨機(jī)數(shù)，可以應(yīng)用概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知識(shí)，分析工作面的停開(kāi)機(jī)時(shí)間數(shù)據(jù)(隨機(jī)數(shù))的分布規(guī)律，則計(jì)算機(jī)可以根據(jù)工作面停開(kāi)機(jī)時(shí)間數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，采用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生工作面生產(chǎn)過(guò)程的模擬數(shù)據(jù)，再現(xiàn)工作面的生產(chǎn)系統(tǒng)，輔助分析影響薄煤層工作面開(kāi)采效率的因素，為優(yōu)化工作面生產(chǎn)系統(tǒng)提供依據(jù)。

5 工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件介紹

使用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)了“工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件”，Visual Basic作為一套獨(dú)立的Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，可用于開(kāi)發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序，是一種可視化的、面向?qū)ο蟮?、采用事件?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，并使用Windows應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、對(duì)象的鏈接與嵌入(OLE)以及開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)(ODBC)等技術(shù)，可以高效、快速地編制出Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研生產(chǎn)班的停開(kāi)機(jī)時(shí)間以及采煤機(jī)速度作為模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，輸入工作面基礎(chǔ)參數(shù)后，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的生產(chǎn)條件及模擬時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)生成每個(gè)工作面生產(chǎn)班的生產(chǎn)情況與開(kāi)機(jī)率，待將用戶要求模擬的班次全部模擬完成后，系統(tǒng)自動(dòng)輸出全部班次的最后結(jié)果表，包括總進(jìn)刀數(shù)、工作面推進(jìn)度、開(kāi)機(jī)率、總產(chǎn)量，從而直觀定量的反映出地質(zhì)因素、生產(chǎn)設(shè)備因素、輔助生產(chǎn)設(shè)備因素、工序操作因素、工序安排因素等對(duì)工作面生產(chǎn)的影響程度。

6 不同生產(chǎn)條件下開(kāi)采效果模擬

工作面受各種因素影響，導(dǎo)致工作面產(chǎn)量和開(kāi)機(jī)率較低，其主要影響因素為地質(zhì)因素、生產(chǎn)設(shè)備因素及輔助設(shè)備因素。應(yīng)用“工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件”分析其開(kāi)采效果，分析不同生產(chǎn)條件下工作面的產(chǎn)量。

開(kāi)機(jī)率是采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間占工作面每日可利用生產(chǎn)時(shí)間的百分比，它是綜采工作面地質(zhì)條件、管理水平、設(shè)備運(yùn)行、工藝配合以及各生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的綜合反映。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)中厚煤層綜采工作面采煤機(jī)的最大開(kāi)機(jī)率可達(dá)75%～95%(神東礦區(qū))，開(kāi)采條件和管理水平較好的礦井開(kāi)機(jī)率為31%～51%，薄煤層工作面采煤機(jī)的平均開(kāi)機(jī)率更低一些，約在26% ～34%左右。所以，分別以開(kāi)機(jī)率84%、47%、31%三種分析工作面的開(kāi)采效果。

7 實(shí)際生產(chǎn)條件下開(kāi)采效果模擬

應(yīng)用“工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬軟件”，結(jié)合工作面的跟班調(diào)研數(shù)據(jù)，對(duì)工作面進(jìn)行模擬研究。工作面開(kāi)采煤層為3-2#煤層，煤層厚度平均為1.32m，傾角12°，直接頂為細(xì)砂巖及粉砂巖互層，厚度 4.12m，工作面長(zhǎng) 102.4m，走向長(zhǎng)度724m。工作面工作制度為七三制，四班采煤。采煤機(jī)采用斜切式進(jìn)刀方式，雙向割煤，截割深度0.73m。

輸入系統(tǒng)所需參數(shù)后，對(duì)地質(zhì)因素、生產(chǎn)設(shè)備因素和輔助設(shè)備因素在一個(gè)月內(nèi)對(duì)工作面開(kāi)機(jī)率和產(chǎn)量的影響程度分別進(jìn)行模擬。利用現(xiàn)場(chǎng)跟班調(diào)研的工作面機(jī)組停機(jī)時(shí)間、開(kāi)機(jī)時(shí)間的期望和機(jī)組運(yùn)行速度的期望和方差為基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)工作面實(shí)際開(kāi)采效果進(jìn)行模擬。