薄煤层综采开采效率计算机模拟研究

刘鹏飞　朱福文

摘 要：薄煤层的开采效率受多种条件的影响。本文以宝雨山煤矿薄煤层开采为例，利用计算机模拟技术模拟现场的停开机时间、工艺参数及采煤机速度，实现工作面生产过程的再现。模拟研究指出，影响81102工作面开采效率的主因素为生产设备和辅助设备因素，次因素为工序安排因素以及工序操作因素。

关键词：薄煤层开采;数据处理;计算机模拟

中图分类号：TD823.251 文献标识码：A 文章编号：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

與中厚煤层及厚煤层相比，薄煤层工作面开采难度相对较大[1]。为了研究影响薄煤层工作面的开采效率，应当充分发挥计算机的仿真性，对当时的生产过程进行重现。

1 宝雨山煤矿81102工作面概况以及开发模拟软件

宝雨山煤矿81102工作面以15号煤层为回采煤层，其倾角为4°，平均煤层厚度在1.35 m左右，粉细砂岩为直接顶，厚度维持在1.65～8.60 m，工作面走向长度为707 m，而工作面长135 m。该煤矿的工作制度是“四六制”，即每天1班检修，3个班采煤，每班工作6 h。采煤机进刀方式选择斜切式，割煤时采取双向割煤，保持截割深度在0.65 m。

这里模拟软件开发以工作面生产系统为例，其编写时采用的是Visual Basic语言。生产系统计算机模拟软件的基础数据是现场调研生产班停开机时间和采煤机速度，把矿山更多调研参数输入后，通过用户选取的生产条件和模拟时长，系统能够自动生成每个薄煤层工作面生产班集体生产状态及开机率，等到模拟的班次全部结束后，系统可以输出最后结果，进而能从客观上了解不同因素对81102工作面生产效率的影响程度，为以后的优化打好基础。

该模拟软件通常由两部分构成，其一是主程序，其二是5个子程序。其中，主程序的具体情况如图1所示。子程序主要由移架子程序、系统可靠性分析子程序、运行状态子程序、割煤子程序、故障状态子程序组成，在软件的输入窗口中设置了7个可变参数（模拟班数、采出率、煤的容重、斜切进刀长度、工作面长度、采煤机截深、采高）。一旦模拟结束，就可以查看工作面的故障时间及生产时间分布结果和产量情况结果。

其中，[T0]代表斜切进力时间;[Ts]表示采煤机正常割煤所需时间;[L]代表工作面长度;[W]指的是采煤机运行状态（运行、停机）累计时间;[Tr]表示采煤机停机时间。

2 数据准备和处理

2.1 准备数据

相关调研组工作人员从2013年6月12日至2012年10月15日对81102工作面进行跟班调研，对其工作面停机原因、停开机时间进行统计，为进行模拟准备好数据。

影响81102工作面生产的因素较多，主要包括5大类，分别为工序操作因素、工序安排因素、地质因素、生产设备因素及辅助设备因素。其中，影响采煤机停机的因素占比最大的是生产设备因素、辅助设备因素、工序安排因素和工序操作因素。

2.2 处理数据

在模拟工作面生产时，要确定采煤机在任意时刻的连续运行时间、停机间隔时间、运行速度所遵从的概率分布规律。在这里，运行速度是随机变量，而且连续，其遵从正态分布，运行速度概率密度函数公式为：

其中，[v]代表采煤机运行速度;[σ]为标准差;[μ]表示均值。

由调研数据分析得出，采煤机停顿时间和每次运行时间也是随机变量，即[x]，而且其遵从负指数分布，具体函数公式为：

其中，[λ]表示的是采煤机运行以及停机时间的负指数分布特征值。经过对81102工作面采煤机36次故障停机事件进行研究可知，采煤机运行速度遵从正态分布，而停开机时间遵从负指数分布。同时，通过卡方x拟合检验法对结果和理论进行验证。

经过一系列计算得出，81102工作面停机时间遵从[λ]=0.4为参数的负指数分布，其停机时间期望是25 min。而81102工作面开机时间遵从[λ]=0.071 4为参数的负指数分布，其运行时间期望是14 min。另外，81102工作面机组的运行速度遵从[σ]=1.1为参数的正态分布，其运行速度期望是每秒3.5 m，方差为每秒1.1 m。

3 生产系统计算机模拟实例研究

3.1 对实际情况进行开采效果模拟

通过工作面生产系统计算机模拟软件，将上述计算结果作为基础参数（停开机时间期望值、机组运行速度期望值、方差），进而研究工作面的生产情况。把各参数输入系统后，模拟辅助设备因素、工序操作因素、工序安排因素以及生产设备因素在一个月内对81102工作面开机率和产量的影响程度。

81102工作面实际每月产煤14 868.3 t，年产量为17.8万t，开机率维持在32%，81102工作面自从投产实际产量和模拟结果对比见图2。

3.2 生产条件不同的模拟效果

81102工作面因为受不同因素的影响，所以工作面开机率相对较低。上述也提出，占比比较大的因素为生产设备因素、工序安排因素、工序操作因素以及辅助设备因素。通过工作面生产系统计算机模拟软件，对不同条件下81102工作面进行产量分析。

有研究表明，就我国而言，中厚煤层综采工作面采煤机最大开机率能够达到90%，而开采条件和管理不错的矿井，其开机率维持在30%～50%，但薄煤层工作面采煤机开机率就相对较低，只有25%～35%[2]。

通过研究81102工作面模拟结果得出，开机率为32%的前提下，模拟的实际产量在每月产煤14 868.3t，年产量为17.8万t，基本上和实际产量相吻合;如果开机率为45%，模拟产量达到每月47 898.7 t，年产量为57.5万t;如果开机率为85%，模拟产量达到每月70 523.5 t，年产量为84.6万t。

3.3 模拟相关因素对开采效果的影响

通过分析其中某一因素降低，会对薄煤层工作面产生怎样的影响，然后以点带面来分析不同因素对工作面开采效率的影响情况，以及降低不同因素对工作面产生影响后，其产量范围和增产的幅度。研究表明，对81102工作面开采效率影响最严重的因素为生产设备因素、工序安排因素、工序操作因素及辅助设备因素。

第一，生产设备因素减少后81102工作面开采效果模拟。由模拟结果可知，倘若81102工作面的生产和生产设备因素无关，那么月产量就能够达到23 005.915 t，开机率维持在50%，相比实际生产情况，月产量增加约8 100 t，开机率增加18%。

第二，工序安排因素减少后82203工作面开采效果模拟。由模拟结果可知，倘若81102工作面的生产和工序安排因素无关，那么月产量就能达到21 193.12 t，开机率维持在46%，相比实际生产情况，月产量增加约6 300 t，开机率增加13%。

第三，工序操作因素减少后81102工作面开采效果模拟。由模拟结果可知，倘若81102工作面的生产和工序操作因素无关，那么月产量能够达到21 518.6 t，开机率维持在42%，相比实际生产情况，月产量增加约6 100 t，开机率增加9%。

第四，辅助设备因素减少后81102工作面开采效果模拟。由模拟结果可知，倘若81102工作面的生产和辅助设备因素无关，那么月产量就能够达到22 834.54 t，开机率维持在49%，相比实际生产情况，月产量增加约7 900 t，开机率增加17%。

将4种主要因素对81102工作面产生的影响度按照25%—50%—70%递增，通过工作面生产系统计算机模拟软件得到的模拟结果可知，首先，影响81102工作面开采效率最主要因素是生产设备和辅助设备因素。倘若81102工作面的生产和生产设备因素无关，那么月产量就能够达到23 005.915 t，开机率维持在50%，年产量达到27.61万t，相比实际生产情况，月产量增加约8 100 t，开机率增加18%。倘若81102工作面的生产和辅助设备因素无关，那么月产量就能够达到22 834.54 t，开机率维持在49%，年产量能够达到27.4万t，相比实际生产情况，月产量增加约7 900 t，开机率增加17%。其次，影响81102工作面开采效率的因素为工序安排，倘若81102工作面的生产和工序安排因素无关，那么月产量就能够达到21 193.12 t，开机率维持在46%，年产量能够达到25.43万t，相比实际生产情况，月产量增加约6 300 t，開机率增加13%。再次，影响81102工作面开采效率的因素为工序操作，倘若81102工作面的生产和工序操作因素无关，那么月产量能够达到21 518.6 t，开机率维持在42%，年产量能够达到25.8万t，相比实际生产情况，月产量增加约6 100 t，开机率增加9%。

4 结语

第一，通过调研得出，影响薄煤层开采效率的因素主要是生产设备因素、工序操作因素、工序安排因素、辅助设备因素以及地质因素。第二，通过模拟软件对样本数据进行分析可知，不同因素对薄煤层工作面开采效率的影响也不同，这为其开采效率的提高、工作面的优化都奠定了基础。第三，模拟研究指出，影响81102工作面开采效率的主因素为生产设备和辅助设备因素，次因素为工序安排因素以及工序操作因素。

参考文献：

[1]张飞，武磊，王强.薄煤层工作面高效开采效果计算机模拟[J].河南科技，2013（10）：31.

[2]刘晓鹏.薄煤层综采工作面自动化技术[J].机械管理开发，2017（6）：121-122.

收稿日期：2020-04-01

作者简介：刘鹏飞（1986—），男，本科，机电工程师，研究方向：煤矿综合自动化应用。