乡宁县台头煤矿综采工作面的可靠性分析.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 乡宁县台头煤矿综采工作面的可靠性分析 姓名王栋 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师陈鸿章 20050101 太原理工人学硕士研究生学位论文 乡宁县台头煤矿综采工作面的可靠性分析 摘要 在统计分析综采工作面大量数据的基础上，得出其工艺系统 运行时间和故障时间的分布规律，建立了综采工作面工艺系统 的计算机数值模型并进行了模型检验。利用该模型对综采工作 面生产能力及工作面的可靠性进行探讨和分析。 综采工作面的生产能力受地质、设备、采煤工艺、人员素质、 管理水平等一系列因素的影响。其中许多因素是随机的，因此， 综采工作面的整个生产过程是一个随机性的生产过程。本文在 分析大量工作面数据后，在取得了工作面的可靠性数据分布规 律的基础上，建立了工艺系统计算机数值模型，对采煤工作面 进行动态模拟，再现了回采工作面的生产过程。模拟中，以工 作面现有条件为基础，通过分析工作面的影响因素，找出主要 因素和次要因素，在现场条件允许的范围内，提出合理化建议， 以及使得大步长模拟和小步长模拟能有机的结合起来，力争使 煤矿的产量能更上一个新台阶。 太原理I 人学硕士研究生学位论文 关键词综采工作面可靠性随机模拟 C O U N T YX I A N GN I N GT A I T O UC O L L I E R Y T H ER E L I A B I L I T YS T U D Y0 FT H EF U L L y M E C H A N I C A LM I N I N GF A C E A B S T R A C T W i t h p l e n t y o fa c t u a lm a t e r i a l sc o l l e c t e df r o m f u l l y m e c h a n i z e dm i n i n gw o r k i n gf a c e ，d i s t r i b u t i o nl a w so fr u n n i n ga n d f a i l u r et i m eo ft h ep r o d u c t i o ns y s t e ma r ea b s t a i n e d ，ac o m p u t e r s i m u l a t i o nm o d e lo ft h i sp r o d u c t i o ns y s t e mi sa l s oe s t a b l i s h e da n d a p p l i e d o nt h e s p o t ．O n t h i s b a s i s ，p r o d u c t i v i t yc a p a c i t y a n d r e l i a b i l i t yo ft h i sp r o d u c t i o ns y s t e ma r ee x p l o r e da n da n a l y z e dw i t h t h i sm o d e l T h ep r o d u c t i v i t yc a p a c i t yo ft h ef u l l ym e c h a n i z e da n dm i n i n g w o r k i n gf a c e d e t e r m i n e so n m a n yf a c t o r s s u c ha sg e o l o g y 、 e q u i p m e n t 、m i n i n gt e c h n o l o g y 、p e r s o n n e la b i l i t y 、m a n a g e m e n tl e v e l a n dS Oo n ．M a j o r i t yo ft h e s ef a c t o r sa r es t o c h a s t i c ，t h e r e f o r e ，t h e I I I 太原理_ r 大学硕士研究生学位论文 w h o l ep r o d u c t i o np r o c e d u r ei ss t o c h a s t i c ．I nt h i st h e s i s ，w i t hm a n y a c t u a lm a t e r i a l sf r o mf u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gw o r k i n gf a c eb e i n g a n a l y z e d ，t h ep r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n sl a w so ft h ep r o d u c t i o n s y s t e ma r ea b s t a i n e d ，ac o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e lo ft h i sm i n i n g f a c ei se s t a b l i s h e da n di ss i m u l a t e dd y n a m i c a l l yo nt h es p o t ．S o ，t h e m i n i n gp r o c e d u r eo ft h i sf a c ec a nb er e a p p e a r e d ．I nt h es i m u l a t i o n p r o c e d u r e ，t h r o u g ha n a l y s i s o fr e l a t i v ef a c t o r su n d e ra c t u a l c o n d i t i o n s ，m a i nf a c t o r sa n ds u b o r d i n a t ef a c t o r s a r ef o u n da n d s e v e r a l r e a s o n a b l ea d v i s ea r eg i v e n ，i no r d e rt o c o m b i n el a r g e d i s t a n c es i m u l a t i o na n ds m a l ld i s t a n c es i m u l a t i o na n dt h e r e f o r e i n c r e a s ep r o d u c t i o no fm i n e si nl a r g es c a l e K E YW O R D S w o r k i n gf a c e o ff u l l ym e c h a n i z e dm i n i n g ， r e l i a b i l i t y ，s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n I V 太原理] i 大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 ．1 选题的背景与意义 1 ．1 ．1 选题的背景 能源问题不仅关系到国家的经济安全，而且还涉及到国家的政治安全。 根据有关机构统计与预测，在我国的能源消费结构比例中化石能源的比重 很大，而且我国的化石能源中煤炭资源则占据着极其重要的地位，结合我 国的实际国情及广大民众的能源消费习惯和消费偏好，毋庸置疑，在未来 相当长的～段历史时期内，煤炭仍旧是我国能源消费结构中的主要能源， 煤炭产业仍将是我国一些地区产业结构中的支柱产业。但我国的煤炭资源 在新的形势下，受到了前所未有的挑战。 煤炭工业是中国重要的基础产业。长期以来，煤炭在中国一次能源生产 和消费构成中均占2 ／3 以上。中国煤炭资源丰富，在未来的相当长的时间内， 以煤为主的能源供应格局不会改变。随着加工转换和利用技术水平的提高， 煤炭可以成为高效、清洁利用的能源。“十五”时期是中国煤炭工业结构调 整的重要时期，要通过实施大集团、科教兴煤、洁净煤、综合经营四大战 略，促进煤炭工业健康发展。 现在在煤炭行业中还存在着一些主要的问题，它们直接影响到煤炭行 业的产量和效益，主要表现在 ①组织结构不合理。没有形成产、运、销一体化综合经营体系，经营效 益受外部条件制约严重。 ②技术和装各水平低。全国煤矿非机械化采煤占6 0 ％以上，大中型矿井 1 太原理l 人学硕士研究生学位论文 设备老化，，J 、型矿井生产技术装备水平极低。煤矿用人多、效率低。乡镇煤 矿生产工艺落后，破坏和浪费资源现象十分严重。 ⑨产品结构单一。大量原煤未经加工直接燃烧，洁净煤技术开发和应用 进展缓慢。煤炭产业链短，高附加值产品少。 ④煤矿安全事故居高不下。“安全第一的思想意识淡薄，安全生产责任 制不落实，管理不到位，安全技术与装备水平低，事故隐患多，矿井防灾抗 灾能力差。部分地区煤矿，特别是不具备安全生产基本条件的小煤矿，重 大、特大事故频繁发生，造成人民生命、财产重大损失。 ⑤资源枯竭矿区转产困难。长期以来，大部分煤矿企业靠国家财政补贴 维持生产及职工生活，没有资金积累，资源枯竭煤矿自身难以退出或进行 结构调整，实现产业转移。绝大多数煤矿处于经济不发达地区，且远离城市 富余人员就业困难，影响社会稳定。 ⑥矿区环境综合治理进展缓慢。煤矿地表塌陷面积同益扩大，煤矸石堆 积占地增加，部分矸石山自燃，矿区瓦斯排放量大，粉尘浓度高，生态环境 恶化的势头没有得到遏制。 实施科教兴煤战略，采用先进适用技术和高新技术，推进大型煤矿改造 建设高产高效矿井，推进企业节能降耗，保护矿区生态环境，促进煤炭工业 的可持续发展，将对我国社会和经济的长远发展产生积极的影响。 1 ．1 ．2 选题的目的和意义 采矿系统工程是系统工程与采矿工程两个学科的交叉结合。系统工程 是以研制大系统为对象的- - f ] 跨学科的边缘学科，它用数学方法和计算机 等工具对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分 析、设计、制造和服务，从而达到最优控制和最优管理的目标。以便充分 地发挥人力、物力的潜力，通过各种组织管理技术，使局部和整体的关系 2 太原理j 1 大学硕 研究生学位论文 协调配合，以实现系统的综合最优化。 综合机械化采煤技术在我国的研究试验、使用、发展，彻底改变了我 国煤炭工业的面貌，降低了工人的劳动强度，提高了劳动效率和企业效益， 提高了产量，满足了国民经济建设对煤炭的需求。 目前，对综合机械化采煤技术研究的重点主要是加大综采工作面设备 生产能力和提高采煤机丌机率，而把综采工作面设备与操作人员看作一个 整体、一个系统 即人机系统 来研究。本课题基于人机工程学理论和方法， 采用计算机模拟技术，对练采工作面人机系统进行分析研究，以提高人、 设备和环境之问的相互协调性．使设备充分发挥出其效能，工作环境更加 安全和舒适。o ” 综合机械化采煤的评价指标为系统的可靠性。对可靠性的分析，实际 上就是找出工艺系统的薄弱环节和有利因素，有针对性的改进和选择，这 样可以取得较高的经济效益和较优的工艺系统。 1 ．2 国内外研究现状 国内对综采工作面可靠性的研究起步于8 0 年代中期，文献主要把可靠 性的概念以及有关的计算方法引入煤炭行业，这为可靠性在煤炭中的应用 起到了入门作用。“1 但是该书未能就我国目前综采系统可靠性低下原因以 及综采系统可靠性规律等作深入研究。随着实践的不断发展，唐祖章、俞 书伟教授等对综采系统可靠性进行了进一步的研究。他们把综采生产系统 看作是一个可修复系统，从功能上看，是多功能的串并联系统，通过调查 综采工作面采煤机、刮板运输机、支架、转载机、工作面运输巷、上、 下山胶带输送机、煤仓、电器设备的故障率以及故障时间来简要的分析系 3 太原理I 火学硕十研究生学位论文 统的可靠性问题。 国外综采工艺，美国和澳大利亚在8 0 年代初才丌始发展长壁综采，但 欧洲则比中国要早，“”对露天煤矿连续丌采工艺系统可靠性研究相对较 多。 捌有世界先进采煤技术和设备的国家，通过技术改造，实现了集中高 效生产。德国矿井平均生产规模达N 2 8 0 万吨，波兰2 0 0 万吨，英国1 8 0 万吨。 高新技术的应用改变了煤炭工业的面貌。发达国家在实现煤炭生产工艺综 合机械化的基础上，向遥控和自动化发展，煤炭工业由劳动密集型向资本 及技术密集型转化。2 0 世．g s o 年代以来，美国、澳大利亚、南非、加拿大 等困家劳动生产率提高了l ～2 倍。 综采工作面则是⋯个重要的组成部分，它包括工作面采煤机、液压支 架、采面刮板输送机、转载机、顺槽胶带机和上 下 山胶带机等各环节。 这些环节工作质量的好坏将直接影响到采煤机的丌机率，从而影响工作面 单产和一系列技术经济指标。综采工作面上述各环节在生产过程中所遇到 的问题属随机性事件，充分认识和掌握这些随机事件的分布规律，减少各 设备的故障时问，提高采煤机的有效工作时间，对综采工作面高产稳产、 提高效率将起到很大的作用。 随着煤炭科学技术的发展，我国综采设备的性能得到相当程度的改 善，其可靠性大大提高。然而，综合设备可靠性的提高却没有带来矿井产 量、经济效益的同步增长，同种型号的设备的生产效率与r U l , 相比相差较 大。因此，改善工作面的作业环境，提高人的作业可靠性，对于提高整个 综采系统的可靠性是至关重要的。 N 2 0 0 , 5 年，煤矿生产技术和装备水平进一步改善，安全生产可靠性明 显增强。大型煤矿采掘机械化程度达至1 J 9 0 ％以上，中型煤矿达到6 0 ％以上， 小型煤矿机械化、半机械化开始起步。大中型煤矿科技进步贡献率达4 0 ％ 4 太原理’l 大学硕十研究生学位论文 以上。 提高煤矿采掘机械化水平，重点支持主要产煤地区、煤炭出口基地和 西部丌发地区的大型煤炭企业，采用先进技术，对超期服役和年久失修的 综采、综掘装备实施升级改造，实现采掘、运输等环节高效机械化。 1 ．3 本文研究的主要内容 在运用随机模拟技术的前提下，本课题着重设计完成综合机械化采煤 可靠性的随机模拟。主要通过采矿工程和数学模型的有机结合，然后对综 采面进行随机模拟，分析综采面的可靠性。 1 研究的具体内容 ①矿井和工作面进行调查研究 工作面的可靠性分析，首先要对矿井和工作面进行调查研究，熟 悉矿井和工作面的具体情况，收集对分析可靠性有价值的一些 资料。 ②建立模型、程序，用可靠性理论进行分析 通过对矿井和工作面的实地调查研究，建立起矿井和工作面的 模型，编制分析工作面可靠性的程序，然后用可靠性的理论进行 分析。 ⑨实际的数据采集和分析 对矿井和工作面资料的收集，主要是对现场实地数据的采集，然 后对所收集的数据进行分析，通过数理统计的方法来进行假设 检验，观察它们服从什么样的概率分布，为计算机的模拟奠定基 础。 5 太原理I ．人学硕十研究生学位论文 ④提出改进意见 通过以上多方面的工作，对综采工作面的可靠性进行分析和随 机模拟，然后对矿井提出系统合理的改进意见，最终目的能够提 高单产，增加效益。 2 重点解决的内容 ①利用随机模拟的手段对综合机械化采煤的可靠性进行分析研究， 通过收集和分析可靠性数据，建立可靠性模型，然后进行可靠性 设训和评价，最终得出最优化方案。 ②通过对综合机械化采煤的可靠性分析，能够把‘‘／J 、步长，，模拟和“大 步长”模拟有机的结合起来。 6 太原理一l 人学硕士研究生学位论文 第二章可靠性理论 矿井生产系统是多工序、多环节、多设备组成的复杂系统，加之地下作 业的特殊环境和作业场所的动态性，因而存在着许多影响生产的随机因 素。因此，从设计生产和管理都要求有较高的可靠性。 随着煤炭科学技术不断发展和装备的更新，矿井生产集中化程度的提 高，出现了许多高产高效的工作面，但与国外高产高效综采工作面相比， 在产量、开机率等方面仍有很大差距。“⋯’分析其原因，系统可靠性低占 很大的比重。“。可见，要想提高综采面产量效益提高其系统可靠性是其重 要环节之一。这样就必然要求工作面具备高可靠性的生产系统，来确保高 产高效矿井的产量。因此研究综采工作面生产系统的可靠性有很大理论价 值和工程实践价值。 2 ．1 矿井设备的可靠性 矿井生产系统是由机电设备群 如采煤机、胶带运输机、电气开关等 为主体所组成的，设备的可靠与甭直接影响到矿井系统可靠性的高低。本 节对矿井设备的可靠性进行探讨。 2 ．1 ．1 可靠性定义 可靠性是指部件 元件、设备或系统 在规定条件下和规定时间内， 完成规定功能的能力。它是产品的一种内在属性，表征产品保持其性能指 标的能力。”3 可靠性的高低，与产品所处的工作环境和规定的工作时问有 着密切的关系。所处的工作环境愈恶劣，所规定的工作时间愈长，对于同 7 太原理J 人学硕士研究生学位论文 类产品来讲，其可靠性就愈低。所处的工作环境愈优越，所规定的工作时 间愈短，对于同类产品来讲，其可靠性就愈高。 2 ．1 ．2 矿井设备可靠性的数量指标 从可靠性角度看，矿井设备可分为不可修设备或元件 如照明灯管、 控制设备的晶体管、电容、电阻等 和可修设备 如采煤机、输送机、支 架等 。对于不可修设备，可用可靠度和平均寿命来描述其可靠性特征。 通常用一个非负随机变量X 来描述设备的寿命，x 相应的分布函数为 E x 2 f 胛o 汜1 有了寿命分布函数， f ，就知道设备在时刻t 以前都正常的概率为 尺 f 尸{ x ，f } 1 - ， f 2 ．2 式巾尺 f 称为设备的可靠度函数或可靠度，是指设备在规定的条件下 和规定的时瞄内，完成规定功能的概率。 随机变量x 的均值E ∽ ，就是设备的平均寿命 ￡ 工 ；f 胛o 2 ．3 寿命分布函数F f 的具体形式可根据经验推断，或用数理统计知识进 行假设检验。矿井设备中大部分都是可修的。对于可修设备，其可靠性数 量指标主要有可靠度、维修度和可用度。 1 可靠度 设备无故障工作时间x 的分布函数为 F f P 忸s f } 2J ，m ，f o 2 ．4 式中， r 故障密度函数。 设备的可靠度为 8 太原理一1 ．人学硕士研究生学位论文 R o P “ ￡} _ 1 - J ，m 2 ．5 国内为大量统计资料表明，大部分矿井设备的故障密度函数服从负指 数分布，即 ， f 儿～ 2 ．6 式中 故障率，即单位时间内设备发生故障的次数。 三 正 2 ．7 式中F 设备的平均无故障工作时间。 将 2 ．8 式代入 2 ．7 式得 R o 1 一J 血“拈e - 2 a 2 ．8 2 维修度 维修度表征设备维修的程度，是指设备在规定的条件下和规定的时 间内完成维修的概率。维修度用M r 表示，设备维修时间用随机变量Y 表 示，则有 M r P { ys f J Ⅲm 2 ．9 式中m 1 1 维修密度函数。 大部分矿井设备的维修密度函数服从负指数分布，即 m t 胆⋯ 2 ．i 0 式中“修复率，即单位时间内设备被修复的次数。 1 “ 一 一 式中L 设备的平均维修时间。 9 2 ．1 1 太原理。I 人学硕十研究生学位论文 将 2 ．1 0 式化入 2 ．9 式得 M f J 胆”d t 1 彳” 2 ．1 2 3 可用度 对于绝大多数矿井可修设备来说，只有正常和故障两种状念，这样就 可以用一一个二值函数工 f 来描述，x C t2o ，令 f o 时刻I 设备『F 常 “一1 1 时刻t 没备故障 2 ．1 3 没备在时刻t 的瞬时可用度定义为 爿O P 忸 f o 2 ．1 4 即时刻t 设备处于『F 常状态的概率。 稳态可用度 下称可用度 是可修设备重要的可靠性指标之一，它表 示设备经长期运行大约有A 的时问比例处于『F 常状态。 当设备的故障密度函数和维修密度函数均服从负指数分布时，则其可 用度为 A 。上 A p 2 ．1 5 2 ．2 矿井系统可靠性模型 设备或系统经过一段时间连续工作后往往会发生故障，一般经过修理 就能恢复到工作状态。例如，采煤机连续工作一段时问后，由于某个零部 件损坏或故障，会使采煤机产生故障而停止运行，在修理工对其进行修理 后，又恢复到『F 常工作状态。矿井系统中绝大部分子系统及设备属于可修 系统。 1 0 太原理一1 人学硕士研究生学位论文 2 ．2 ．1 可修系统的一般模型 大量观测及统计数据表明，矿井中的许多系统或设备的连续无故障工 作时间及故障时问服从负指数分布，因此，可以用马尔可夫过程来分析矿 井系统，求出系统的可靠性指标。“3 2 ．2 ．2 单一系统 本节讨论的单一一系统，可以指一台设备 如采煤机 、一个环节 如采 运系统中上山运输环节 ，也可以指一个系统 如工作面系统 。单一系统 的工作时问x 服从负指数分布“⋯，即 P ‘vs f l 1 一e 一“，t ≥0 ， 0 2 ．1 6 系统故障后的修理时涮Y 也服从负指数分布，即 P { ys f } 1 一e ⋯，f ≥0 ，舻0 2 ．1 7 式中A 系统的故障率“系统的修复率。 根据可修系统的一般模型，定义系统状态，单一系统有工作和故障两 种状态，用状态1 表示系统『F 常，用状态O 表示系统故障，因此 E ；{ 1 ，o ，W { 1 } ，F ；{ o 2 ．2 3 串联系统 采区上山运输系统一般由多台带式输送机组成，其可靠性框图如图 2 1 。 这种系统称为串联系统。当所有带式输送机都正常时，则采区上山能 『F 常运煤；当某台带式输送机发生故障，则停止运煤，系 图2 1 串联系统可靠性框 r e l i a b l ef r a m ec h a r t o fs e r i e sc o n n e c t i o ns y s t e m 太原理一J 大学硕士研究生学位论文 统处于故障状念。此时修理工对故障的输送机进行修理，修复后系统进入 工作状态。在矿井系统中，有许多串联系统，如大巷带式运输系统是由多 台胶带机串联而成采区采运系统是由采煤机、工作面运输机、支架、顶 板、转载机、顺槽输送机、上山输送机和采区煤仓组成的串联系统。 2 _ 2 4 并联系统 矿井中有两套独立运煤系统的两个独立工作面为并联系统，其可靠性 框图如图所示。 图2 2 并联系统可靠性梃 】1 e l i a b l ef I ’k U l l ec h a r to fp a r a l l e lC O [ 1 i l a C t i o ns y s t e m l 系统状态定义为 状态0 两个工作面都正常，系统『F 常； 状态l 1 号工作面『F 常，2 号工作面故障，系统正常； 状态2 2 号工作面正常，1 号工作面故障，系统正常； 状态3 2 个工作面故障，系统故障。 2 ．2 ．5 一般系统 矿井系统中存在许多既非串联又非并联的一般系统，对于后者，其可 靠性模型较为复杂，本小节以一个采区两个工作面同时生产为例说明建立 一般系统可靠性模型的方法。 两个工作面同采的采区系统示意图及可靠性框图如下图所示。图中1 、 2 表示两个工作面 包括顺槽运输 ，3 表示上山输送机和采区煤仓。 系统共有如下7 种状态状念0 l 、2 、3 都正常；状态l 2 和3 正常，l 故障状态2 l 和3 诈常，2 故障状态3 1 和2 正常，3 故障状态4 l 正 1 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 常，2 和3 故障状态5 2 J 下常，1 和3 故障；状态6 3 正常，1 和2 故障。 P 3 3 b 2 幽2 3 两个T 作面同采的采区系统 t h em i n i n gs e c t i o ns y s t e mw i t ht W Ow o r k i n g f a c e sm i n gs i m u l t a n e o u s l y a 示意图b 可靠性框图 s k e t c hm a p t e l i a b i l i t yf r a m ec h a r t 系统状态转移矩阵为 1 3 酗 卢2 肛3 0 0 O ． 1 一∑ ，一Ⅳ O O O 掣3 解方程组 f b 。x ，，‘’’，x 。 P x ”x b 。 工。 ’’ 工n 1 O k 0 O O 孓白 p 卜 。k。。。n∥。 ㈣ m 一 ，“ r Z ． 卜 仫 汜 O 00善O O t o o 叫心 地o l ，．‘ k O A O 心O p屯。弘。心。“ 太原理一人学硕士研究生学位论文 铲h 坞 熹 蔫 篙 C 2 ． 九 A 3 一∥。一c ．肛一 得 ／l - 一J 22 0 得 ， ／ 2 ． A 2 ∥I 卢2 p ，X l F l 1 ∥3 2 ∥l 2 ∥3 ，． ∥l 3 ∥ 肛1 F 2 ∥l p ] 一2 口 口iJ q 。瓦面i 百压万瓦百瓦百百 A j Ⅳl A 3 Ⅳ ∥I 肛2 ∥I p 3 十p 2 Ⅳ3 Ⅳ； f 2 口 A 2 ／z 1 弘3 3 卢 丑] 肛1 ∥2 卢 Ⅳ 肛2 ＼ 【 口 口3 Ⅳl 卢 u 3 一c l l 卢l 卢2 一c I 1 ∥2 口3J A ， Ⅳ。 p X Ⅳ。 p ， 2 ．2 1 由于对系统规定的功能不同，其可靠性指标所表示的意义也不一样。 当要求两个工作而都能_ F 常生产时，采区系统的可用度、故障频率及平均 工作时问分别为 A 工” 2 ．2 2 M ． A 2 3 ．3 b 。， 2 ．2 3 M U T ； A l 2 2 ．2 4 当两个工作厩中的～个故障，并未导致整个采区系统故障，正常的工 作面还可以生产。实际上，人们往往所关心的是l 一3 分支的可靠性指标 A } 、M l 、M U L 及2 3 分支的可靠性指标爿2 、M 2 、M U T 2 。根据系统状 态的定义可知 A j2 。f l x z 2 ．2 5 1 4 太原理l 一人学硕士研究生学位论文 M ． ，b 。 z 2 ．2 6 删正2 焘 汜。，， 爿2 』 I 。l 2 ．2 8 M A A ，b 。 x 。 2 ．2 9 M U T , 。 二 3 2 ．3 0 2 ．2 ．6 冷储备系统 冷储备指储备元件在储备期间不失效也不劣化，储备期的长短对以后 工作时的寿命没有影响。矿井系统常当作冷储备系统来研究。“1 设系统由n 1 个元件组成，在初始时刻一个元件开始工作，其余n 个元 件储备。当工作元件失效时，储备元件逐个去替换，直到所有部件都失效 系统才失效。 在以下分析中，假定 1 储备元件替换失效元件时，转换丌关K 是完全可靠的； 2 转换开关K 的转换是瞬时完成的。 当系统中n 1 个部件寿命分别为x ，，x ，⋯⋯，X “，并且相互独立，则 冷储备系统寿命 X ， X l X 2 ⋯ X 。 X 川 2 ．3 1 寿命X t 分怖 只 f P 忸， x ⋯ x 。 x 。s f } 2 ．3 2 1 5 太原理一】人学硕士研究生学位论文 第三章综采面生产工艺系统模拟模型的建立 计算机仿真是2 0 世纪5 0 年代随着系统科学的发展和电子计算机的同益 完善而形成的一门新兴学科，就是建立计算机能够运算的模型，对实际系 统进行实验和研究，以便掌握实际系统运动变化的规律，找到最优的或满 意的解决实际问题的办法”1 。 采矿系统计算机仿真就是把采矿过程中遇到的技术、经济生产和管理 等问题作为一个系统，并对其进行模拟研究，以求找到一个妥善的满意的 解决办法。计算机在采矿系统中应用，国外从6 0 年代就开始了。美国、西 德、澳大利亚、南非等国家应用计算机仿真的方法解决了地下和露天矿的 局部生产技术问题。我国计算机模拟从七十年代开始，最先用于航空、航 天、原子反应堆等少数领域，煤炭工业在八十年代开始应用计算机模拟解 决露天和井下采运系统的模拟、生产计划编制等方面的研究。目前，计算 机模拟在采矿系统中的应用F 1 益广泛，为提高采矿企业的经济效益和管理 水平作出了贡献。 3 ．1 计算机模拟原理 3 ．1 ．1 综采工作面生产系统计算机的模拟可行性 采煤工作面是煤矿生产的主要场所，它的生产状况和单产高低，对全 矿技术经济效果影响非常大。在生产管理中，常常采用实际观测或统计资 料进行分析研究，找出问题所在，提出改进措施。这种方法花费的人力和 时阳J 较多，对将要采用的改进措施所能取得的效果也难以预计。采用计算 1 7 太原理『大学硕士研究生学位论文 机模拟的方法，可以再现回采工作面的生产过程，得到人们所需要的信息， 寻找回采工作面的生产规律，可以对现有的生产状况和改变内容或参数后 实施的结果进行预测，用来确定回采工作面的合理参数和劳动组织等。 采用计算机模拟的方法来确定综采工作面生产系统的可靠性其优点是 显而易见的，其模拟模型相对简单，它只要统计环节可靠性基本数据，找 出垓环节服从的分粕，从而产生服从该分布的随机变量，以一定的步长和 一定时间对系统运行情况进行模拟，通过各个状念的记时器就可等到整个 系统的可靠性指杯。模拟时，只要部件基本的可靠性参数有足够高的准确 性且有一定的模拟时间，模拟结果精度是可以满足矿井生产需要的。。”当 然计算机模拟也有它的缺点，如大型软件费机时多，其模拟结果的精度也 与模拟次数或模拟时间有关，并与输入数据的准确性有关等；要获得准确 的模拟原始数据，其实测统计工作量是很大的。 模拟技术在矿业工程系统中的应用自U 景将是令人振奋的。现有商业化 模拟软件系统的灵活性以及用户界面的友好性将得到进一步改善。譬如， 被广泛应用的 ；P S S ／H 模拟语- g 。的新～．f ℃产品s L x 将具有分层次模拟和用户 扩展等功能，构模的灵活性将得到加强，以支持面向特定应用领域的模拟 工具的丁I 发。基于图形菜单选择和鼠标拖拉操作的计算机辅助建模功能将 得到不断改善。构模调试手段将更便于使用。 互联网将象在其它领域中一样，电将会在矿山系统模拟中发挥重要作 用。例如，德I 蛋M a g d e b u r g 技术大学正在丌发互联网模拟支持软件，以使 模拟软件系统独立于支持平台，具有更好的可移植性，以便用户能在万维 网 W W W 上观察、运行和处理动画模拟。 模拟模块的可重用以及模拟过程的可视化技术必将得到进一步发展， 以解决模拟技术应用中现存的耗时长、费用大、操作难、灵活性有限等问 题，克服面向机械制造过程的主流模拟软件对采矿工程系统的诸多不适应 】8 太原理～I 人学硕士研究生学位论文 性，进而满足复杂多变的矿山系统的模拟需求。 矿山系统模拟工具与其它应用软件诸如矿山地质构模、采矿设计与生 产计划系统的有效集成，能够使矿体模型、采掘工程、设备以及工作人员 的一切开采活动尽揽其中。掘此采矿工程设计和计划将在投入时间与资金 而付于实施之6 n 便得到证实，带来采矿工程设计与计划手段的深刻变革。 可见，模拟技术在矿业工程与管理系统分析、规划与设计中的应用前景将 是十分令人鼓舞的。 综上所说，采用计算机模拟综采工作面生产系统在技术上是可行的。 3 ．1 ．2 模拟原理 模拟是通过模拟模型来进行的。基础是假定工作面工艺系统大多数环 节服从负指数分布，个别的环节服从正态分布。该假定可由软件中数据菜 单的参数来验证。并且也符合矿井实际情况。 就综采工作面工艺而占，是由多个子系统组成的复杂并且受多种随机 因素影响的动态系统，这些子系统互相联系、互相制约，可看成由围岩和 支架、采煤机、刮板输送机、转载机、胶带输送机、煤仓、电气、泵站等 组成的随机可修复系统。这个系统有两个状态运行和故障，系统始终处 于这两个状态的交替变换中。 系统运行时间，采用最短时间的事件步长法确定，即在所有事件中， 以最短时间的事件作为系统的运行时间。按它们各自的分布规律产生各环 节的运行时间x i ， i l ，2 ，⋯⋯，n 。记 m i n X i T ，，i l ⋯⋯n 为系统运行时问。 系统故障时I B J ，可由每个环节的运行时问分布 一、故障时间分布∥- ， 使用复合抽样法，确定发生故障的环节，然后根据该环节故障时问分布肛t ， 】9 太原理l 大学硕士研究生学位论文 利用随机数产生浚环节的故障时间，作为系统的故障时间。 3 ．1 ．3 随机变量的产生 在计算机模拟的过程中，除了要求输入的原始数据的准确之外，还有 一个很重要的方面，就是要产生符合～定分布规律的随机变量，在这里对 软件中所采用的产生随机变量的方法作一简介。 1 均匀分机随机变量 利用抽样公式产生均匀分布随机变量 x b a U n u 一[ O ，1 ] 区问上的均匀分m j 随机数。 2 负指数分布随机变量 利用抽样公式产生负指数随机变量 l n u X 2 一_ U - - [ 0 ，1 ] 区问上的均匀分布随机数。 一失效率或维修率。 3 正念分布随机变量 利用抽样公式产生『F 态随机变量 y p 盯√2 Fu ，一3 一 u ；一[ 0 ，1 ] 区f H Jk 酐j 均匀分布随机数，u 一期望值，仃一均方差。 3 ．2 综采工作面生产系统模型的建立 2 0 太原理1 - 大学硕 研究生学位论文 3 ．2 ．1 工作面工艺过程分析 综采工作面生产过程分五个工序破煤、装煤、运煤、支护、采空区 处理。工作面破煤和装煤采用双滚筒采煤机，采煤机前进中采用前滚筒割 顶煤，后滚筒割底煤。采煤机入刀方式采用割三角煤斜切入刀，当采煤机 割通机头 机尾 缺口后停机，采煤机后面的输送机移到距采煤机后滚筒 1 5 m 时停止，此时调换滚筒位置，沿输送机弯曲段返回割煤，采煤机逐渐 进入煤壁中，直至割到输送机直线段为止。同时，将输送机头推直，再调 换上下滚筒，返回割煤至输送机机头处，然后采煤机返程到正常割煤处割 煤，这时采煤机入刀的全部工作完成。 3 ．2 ．2 模拟模型的建立 l 、建立模型的思路 模拟模型是一个物理系统用数学逻辑关系的描述。借助于模拟模型， 可以对真实系统进行反复的试验操作，而对于真实系统进行的试验操作往 往是不可能或者是不经济的。模拟模型分为确定性模型和随机模型””1 。在 确定性模型中每个变量都赋于确定的值，可遵循一定的逻辑关系。而在随 机性模型中至少有一个变量是随机的。综采工作面生产系统受确定性因素 和随机性因素和影响，模拟模型包括确定性模型和随机性模型。要对一个 复杂系统进行模拟分析，首先应将系统划分为若干子系统，而各子系统的 行为和状态是可描述的。