薄煤層綜采開采效率計算機模擬研究

劉鵬飛　朱福文

摘 要：薄煤層的開采效率受多種條件的影響。本文以寶雨山煤礦薄煤層開采為例，利用計算機模擬技術(shù)模擬現(xiàn)場的停開機時間、工藝參數(shù)及采煤機速度，實現(xiàn)工作面生產(chǎn)過程的再現(xiàn)。模擬研究指出，影響81102工作面開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：薄煤層開采;數(shù)據(jù)處理;計算機模擬

中圖分類號：TD823.251 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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，薄煤層工作面開采難度相對較大[1]。為了研究影響薄煤層工作面的開采效率，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮計算機的仿真性，對當(dāng)時的生產(chǎn)過程進行重現(xiàn)。

1 寶雨山煤礦81102工作面概況以及開發(fā)模擬軟件

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

這里模擬軟件開發(fā)以工作面生產(chǎn)系統(tǒng)為例，其編寫時采用的是Visual Basic語言。生產(chǎn)系統(tǒng)計算機模擬軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是現(xiàn)場調(diào)研生產(chǎn)班停開機時間和采煤機速度，把礦山更多調(diào)研參數(shù)輸入后，通過用戶選取的生產(chǎn)條件和模擬時長，系統(tǒng)能夠自動生成每個薄煤層工作面生產(chǎn)班集體生產(chǎn)狀態(tài)及開機率，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，進而能從客觀上了解不同因素對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個可變參數(shù)（模擬班數(shù)、采出率、煤的容重、斜切進刀長度、工作面長度、采煤機截深、采高）。一旦模擬結(jié)束，就可以查看工作面的故障時間及生產(chǎn)時間分布結(jié)果和產(chǎn)量情況結(jié)果。

其中，[T0]代表斜切進力時間;[Ts]表示采煤機正常割煤所需時間;[L]代表工作面長度;[W]指的是采煤機運行狀態(tài)（運行、停機）累計時間;[Tr]表示采煤機停機時間。

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81102工作面進行跟班調(diào)研，對其工作面停機原因、停開機時間進行統(tǒng)計，為進行模擬準(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，影響采煤機停機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，要確定采煤機在任意時刻的連續(xù)運行時間、停機間隔時間、運行速度所遵從的概率分布規(guī)律。在這里，運行速度是隨機變量，而且連續(xù)，其遵從正態(tài)分布，運行速度概率密度函數(shù)公式為：

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

由調(diào)研數(shù)據(jù)分析得出，采煤機停頓時間和每次運行時間也是隨機變量，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]表示的是采煤機運行以及停機時間的負(fù)指數(shù)分布特征值。經(jīng)過對81102工作面采煤機36次故障停機事件進行研究可知，采煤機運行速度遵從正態(tài)分布，而停開機時間遵從負(fù)指數(shù)分布。同時，通過卡方x擬合檢驗法對結(jié)果和理論進行驗證。

經(jīng)過一系列計算得出，81102工作面停機時間遵從[λ]=0.4為參數(shù)的負(fù)指數(shù)分布，其停機時間期望是25 min。而81102工作面開機時間遵從[λ]=0.071 4為參數(shù)的負(fù)指數(shù)分布，其運行時間期望是14 min。另外，81102工作面機組的運行速度遵從[σ]=1.1為參數(shù)的正態(tài)分布，其運行速度期望是每秒3.5 m，方差為每秒1.1 m。

3 生產(chǎn)系統(tǒng)計算機模擬實例研究

3.1 對實際情況進行開采效果模擬

通過工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計算機模擬軟件，將上述計算結(jié)果作為基礎(chǔ)參數(shù)（停開機時間期望值、機組運行速度期望值、方差），進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)備因素在一個月內(nèi)對81102工作面開機率和產(chǎn)量的影響程度。

81102工作面實際每月產(chǎn)煤14 868.3 t，年產(chǎn)量為17.8萬t，開機率維持在32%，81102工作面自從投產(chǎn)實際產(chǎn)量和模擬結(jié)果對比見圖2。

3.2 生產(chǎn)條件不同的模擬效果

81102工作面因為受不同因素的影響，所以工作面開機率相對較低。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。通過工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計算機模擬軟件，對不同條件下81102工作面進行產(chǎn)量分析。

有研究表明，就我國而言，中厚煤層綜采工作面采煤機最大開機率能夠達到90%，而開采條件和管理不錯的礦井，其開機率維持在30%～50%，但薄煤層工作面采煤機開機率就相對較低，只有25%～35%[2]。

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

3.3 模擬相關(guān)因素對開采效果的影響

通過分析其中某一因素降低，會對薄煤層工作面產(chǎn)生怎樣的影響，然后以點帶面來分析不同因素對工作面開采效率的影響情況，以及降低不同因素對工作面產(chǎn)生影響后，其產(chǎn)量范圍和增產(chǎn)的幅度。研究表明，對81102工作面開采效率影響最嚴(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)量就能夠達到23 005.915 t，開機率維持在50%，相比實際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約8 100 t，開機率增加18%。

第二，工序安排因素減少后82203工作面開采效果模擬。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)量就能達到21 193.12 t，開機率維持在46%，相比實際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約6 300 t，開機率增加13%。

第三，工序操作因素減少后81102工作面開采效果模擬。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)量能夠達到21 518.6 t，開機率維持在42%，相比實際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約6 100 t，開機率增加9%。

第四，輔助設(shè)備因素減少后81102工作面開采效果模擬。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)量就能夠達到22 834.54 t，開機率維持在49%，相比實際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約7 900 t，開機率增加17%。

將4種主要因素對81102工作面產(chǎn)生的影響度按照25%—50%—70%遞增，通過工作面生產(chǎn)系統(tǒng)計算機模擬軟件得到的模擬結(jié)果可知，首先，影響81102工作面開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)量就能夠達到23 005.915 t，開機率維持在50%，年產(chǎn)量達到27.61萬t，相比實際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約8 100 t，開機率增加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)量就能夠達到22 834.54 t，開機率維持在49%，年產(chǎn)量能夠達到27.4萬t，相比實際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約7 900 t，開機率增加17%。其次，影響81102工作面開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)量就能夠達到21 193.12 t，開機率維持在46%，年產(chǎn)量能夠達到25.43萬t，相比實際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約6 300 t，開機率增加13%。再次，影響81102工作面開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)量能夠達到21 518.6 t，開機率維持在42%，年產(chǎn)量能夠達到25.8萬t，相比實際生產(chǎn)情況，月產(chǎn)量增加約6 100 t，開機率增加9%。

4 結(jié)語

第一，通過調(diào)研得出，影響薄煤層開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，通過模擬軟件對樣本數(shù)據(jù)進行分析可知，不同因素對薄煤層工作面開采效率的影響也不同，這為其開采效率的提高、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：

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

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

收稿日期：2020-04-01

作者簡介：劉鵬飛（1986—），男，本科，機電工程師，研究方向：煤礦綜合自動化應(yīng)用。