（采矿工程专业论文）极近距煤层采煤工艺特点及可靠性分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题的背景 第一章绪论 由于煤层成因的千差万别，煤层在地下的赋存条件比较复 杂，在回采工艺上受技术、经济的限制较多，如：有的煤层顶板 松软，易破碎，顶板管理困难：有的煤层间距近或者是复合煤层， 上下层采动影响大；有的煤层上层顶板坚硬、煤质硬不易采出； 有的煤层群上部顶板不稳定，煤层开采困难，造成矿井长期达不 到设计能力等。 特别是在层间距极近的条件f ，下部煤层工作面顶板受到上 部煤层采动而产生变形甚至破坏。上部煤层的区段煤柱对底板形 成的集中压力，将造成下部煤层工作面的巷道变形和破坏。因此， 下部煤层在开采过程中，工作面顶板跨落后，容易与上部煤层采 空区沟通，造成冒顶、漏项、漏风，影响工作面的正常生产。造 成下部煤层开采过程中其项板管理、巷道布置和支护、回采工艺 等方面均具有特殊性。 根据以上情况，要想让矿井达到预期开采效果，保证矿井的 经济效益，必须对采煤工艺系统进行可靠性研究，采取相应的技 术措旌，来提高工作面的回采率，减少煤炭资源的浪费。 可靠性工程作为一门独立的学科，是在美国形成。它的研究 起源于二十世纪3 0 年代机器适时维修和设备零件合理更换问 题，但对设备或系统的可靠性进行深入的研究是从本世纪四十年 1 太原理工火学硕士研究生学位论文 代开始的。从四五十年代对军用电子设备可靠性问题的研究丌 始，至今已近半个世纪，经历了萌生、发展的过程，在近2 0 年 中可靠性l ：程已发展成为较成熟的工程学科。从4 0 年代至今， 可靠性技术发展很快，它的应用已从军事部门扩展到国民经济的 许多领域，成为工程设计、科学管理中的一门重要技术。现在， 可靠性工程在美圈军、民用产品中得到了普遍的开展和认真的执 行，成为保证产品效能的有力手段。 我国在6 0 年代首先在电子工业部门进行了可靠性技术的开 拓性工作，经7 0 年代的逐步发展，到8 0 年代在现代武器装备的 研制中开始全而推广可靠性、维修性、保障性工作，取得了显著 的成绩。但是，我国的可靠性工程在国民经济中的发展落后丁世 界水平，我们需要做大量的工作，才能为国民经济的高速发展提 供有力的保证。 可靠性技术在我国是从7 0 年代开始应用到煤炭行业，其中 应用较早较有成效的是对综采工作面的可靠性分析，截止到目 前，在矿山企业中，可靠性技术已成功地应用于矿井备用工作面 的配置、矿井工艺有效度与稳态可用度的计算、矿井采运系统的 设计管理以及提高可靠性的措施与方法等方面。众所周知，产品 的可靠性是设引出来的，生产出来的、管理出来的，同理，煤矿 系统的可靠性也是设计管理出来的，对此必须予以高度重视，并 具有一定的现实意义。 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 生产系统可靠性分析。 1991年，王海桥老师研究了矿井通风系统有效度，建立了 通风系统的可靠度模型，求出了通风系统的合理参数。此后他研 究了矿井开采系统安全可靠性评价，影响矿井反风可靠性的分 析，氧气呼吸器可用度分析，矿井通风可靠性分析。 1993年，王小汀老师等人研究了倾斜长壁大倾角回采工艺系统及其特点，应用可靠性理论，对倾斜长壁综采工艺系统各环 节运行时间和故障时间的分布规律及系统呵靠性进行了分析，得 出了衡量系统可靠性的计算指标：司叫应用电子计算机模拟手 下系统各环节的开采特点进行了分析。 1 9 9 2 年，黄永刚老师研究了综采放顶煤工作面系统可靠性 统的关键环节，指出工作面可靠性的提高，工作面的日产量会进 一步提高。 1 9 9 4 年，阜新矿业学院马云东、孙保铮老师首次将可靠性 设计方法引入到矿井优化设计中，在分析矿井运输系统的基础 上，建立了可靠性最优分配的数学模型及最优生产系统可靠性设 计的数学模型。 1 9 9 5 年，中国矿业大学徐志胜、韩可i 奇老师等人从综采放 顶煤工作面人一杌r 环境系统入手，阐述了人一机环境系统的故 障机理和系统运行机制，探讨了人一机一环境系统模糊可靠性计 算方法及综采放顶煤工作面设备系统的可靠性。 1 9 9 7 年，中国矿业大学屠世浩、张先尘老师等人采用系统 分析方法和随机服务系统理论，通过对高产高效矿井煤流采运系 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 r e l i a b i l i t ya i l da v a i l a b i l i t ya j l a l y s i so f l l l i n i n gs y s t e m s 的研究。一 19 9 7 年，n j c kv a g e n a s ，n e i lr l l l l c i m a l la 1 1 ds e r g er c 1 啪e n t 做了am e t h o d o l o g yf o rm a i n 把n a n c ea l l a l y s i so fm i n i n ge q u i p m e n t 的研究。另外d u n l a p j 、t o p u z e 、硌吨血s m 等学者进行了这 方面的研究。 9 0 年代，国外开始研究应用于生产的专家系统。在1 9 9 1 年， 美国人b r i t t o n s g 研制成了l o t i l s l _ 2 3 微机分析系统，对工作 面的数据可以进行及时处理，产生日报表、周报表、月报表，得 出系统参数，管理人员可以及时了解实际情况做出快速反应。 1 3 本文研究的目标和内容 1 3 1 研究的目标 针对大同矿区“两硬”( 项板坚硬、煤层坚硬) 极近距煤层下 层煤综采工作面的开采条件，在对采煤工艺特点及可靠性分析的 基础上，找出系统巾的薄弱环节加以改造，提高系统可靠性，优 化系统结构，为今后工作面采煤工艺的设计、生产和管理提供有 力的依据，对指导现场工作具有一定的现实意义。 1 3 2 论文研究的内容以及方法 ( 1 ) 通过系统可靠性理论，建立采煤工艺系统可靠性结构 与数学模型； ( 2 ) 针对极近距离煤层开采特点，进行采煤工艺系统分析； 6 太原理工人学硕士研究生学位论文 第二章煤矿系统可靠性理论 2 1 可靠性的基本概念 2 1 1 可靠性的定义 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能 的能力。这里的产品可以泛指任何系统、设备和元器件。产品可 靠性定义的要素是三个“规定”：“规定条件”、“规定时间”、“规 定功能”f 例。 “规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件。一个产品 规定的工作条件是非常重要的，达不到规定工作条件的产品不能 正常工作，不能保证寿命。没有一种可工作予任何条件的产品。 规定的工作条件通常指的是环境条件( 如温度、湿度、冲击、噪 音、磁场、灰尘) 、维修条件( 如维护保养措施、修理技术 水平、可修性与不修性) 和使用条件( 如使用者的操作技术 水平、连续工作和非连续工作) ，这三方面的条件对产品的可靠 性有着直接影响。条件不同，虽是同一产品，可靠性大不一样。 所以，不在规定的相同条件下讨论或比较系统的可靠性指标就没 有意义。 “规定时间”是指产品规定了的任何时间。时间参数可以用 周期、次数、里程或其他单位代替。时间概念可以包括被研究产 品的任何观察期间或是实际的工作期间和贮存期等。规定时间的 太原理 一人学硕士研究生学位论文 运输机、采区煤仓和大巷皮带运输机组成。怎样将子系统预期达 到的可靠性分配到每个部件上去? 以便为工艺选择、设备选型提 供依据； 根据煤矿系统现有部件的可靠性与系统的结构，经过计 算，当系统的可靠性达不到预定的要求时，寻找提高系统可靠性 的途径与方法； 在采取各种措施，提高煤矿系统可靠性的同时，要付出代 价，比如增加了部件的数量、部件的体积和重量。最终反映在费 用增加。如何在限定费用或限定部件数量、重量与体积条件下， 使得煤矿系统的可靠性提高? 或者，在煤矿系统达到预定可靠性 指标条件下，使得煤矿系统所耗费用最少。 2 2 系统的可靠。| 生 2 2 1 系统可靠性数量指标 可靠性是以研究部件( 系统) 寿命特征等为主的学科，用可 靠度作为它的量度。部件分为可修复部件和不可修复部件两类。 部件丧失规定功能的状态，对于不可修复部件称为失效，对可修 复部件称为故障。 可修复部件从开始工作到首次故障( 对不可修复的部件则是 到失效) 前的一段时间称为部件的寿命。由于部件发生故障( 失 效) 是随机的，所以寿命x 是一个随机变量。只有通过大量的统 计分析，得出其分布函数，才能得出部件得平均寿命指标。 采煤工作面生产系统的组成部件大部分都是可修复的。对于 】2 太原理工大学硕十研究生学位论文 ( f ) = e k ( r ) 】= 女- 只( ，) ( 2 _ 6 ) ( 4 ) 有效度 对可修复系统，任意时刻，只有正常工作和故障修理两个状 态，我们引用二值函数s ( ，1 描述系统的状态，记 跗，= j ：黧鬈囊蒜 c z 一， 爿( f ) = p s ( f ) = 1 ( 2 8 ) 称彳( f ) 为可修复系统在时刻f 的瞬时有效度。爿( ，) 只能说明 系统在时刻，正常的概率。 若极限爿= l i m 一( ，) 存在，则称此极限爿为系统的稳态有效 度，它表示系统经长期运行，处于工作状态的时间百分比。 2 2 2 系统的可靠性结构及其特点 系统可靠性结构是从町靠性角度出发来表示系统各环节之 间的逻辑和“概念”关系。并通过框图来直观地表示出系统各环节 之问的逻辑关系与层次关系。运t 可靠性数学公式表示出系统与 各环节之间的函数关系，以此求解系统的可靠性指标值。 典型系统的可靠性逻辑结构有串联结构、并联结构、串并混 联结构、表决及复杂结构等多种类型。下面简要说明最常用的可 靠性结构及其特点。 ( 1 ) 串联系统的可靠性结构 在组成系统的所有环节中，任一环节的故障( 或失效) 都会 导致整个系统发生故障( 或失效) 的系统称为串联系统。串联系 统中只有每个坏节都不失效，系统才能不失效。串联系统是最常 14 太原理工大学硕士研究生学位论文 见和最简单的模式。 它属于非储备可靠性结构。其可靠性结构模式如图2 一l 所 刁io 图2 1串联系统的可靠性结构 f i 蜉一1t h er e l i a b i 岫栅咖托0 f t h es e r i e ss y s l e m 假设串联系统结构中有厅个环节，并且它们都是相互独立 的，若每个环节的可靠度为置( ，) 。根据概率论的乘法规则，其 串联系统的可靠度为： r s ( ，) = r - ( ，) r 2 9 ) 马o ) 盘。( ，) = r 1 r ，( f ) ( 2 9 ) | ；l 式中 玛( f ) 系统的可靠度； r ，( ，) 系统中第i 个部件的可靠度。 当各部件的寿命分布均为指数分布时，即置( f ) = p 一扣，则系 统的可靠度为： 凡( ，) = 兀p 叫= f “一( z 一】o ) j = l 厶= + 2 + 厶+ + = 丑( 2 一1 1 ) l ，l 式中。五表示失效率。所谓“失效率”，是指系统在规定的条 件下和规定的时问内丧失功能的概率。如果系统中的每个环节都 由”种设各组成，而每种设备都有一定的失效率矗和数量葺，并 且都是串联的，则该部件的失效率为： 五= 世l + 世2 五+ 玛五+ + 蚝矗( 2 一1 2 ) 1 5 太原理t 大学硕十研究生学位论文 都有较高可靠度时，系统失效分布近似服从威布尔分布。 综上所述，串联系统的可靠度好像一个链条的可靠度，构成 链条的环节只要有一个断开，真个链条就被破坏。因此链条的寿 命有寿命较短、强度最弱的某个环节决定i 并联系统的可靠度好像由许多钢丝组成的钢丝绳的可靠度 (这种比喻不是非常恰当，因为其中一根钢丝断了会增加其他一些钢丝的负担) 。因此钢丝绳的寿命由寿命最长、强度最大的钢 丝决定。 串联结构和并联结构是舡霸； i i 鞘龟莓剥薤黼群m i 辇通缉瑚骂臻琅峨崾省追摧灌逝秦囊， ：i 吲驯引泰裂矿惠蛐剥 i l 氍霄卸争霸扣 铂”三j 弛珀臻抽针醵靳醋h g 静一殖”强妊j 拜随地蓬符扪 鲥氮稚雕f 襄冀萄班露鬻翌驰孵碟弭鞫鹑螳鬣鼗箍鞫鬈渚渤 噬刊浮器嚣! i 1 j 系统的平均季命钧奠箨# 秀 秘签擎i i i 、系统失效率2 。( f ) 。 串联系统 设n个元件寿命分别为。，五，以，并且相互独立。 其失效率分别为 ( f ) ，丑：( ，) ，以( f ) ，在，= o 时刻所有元 件都是新的，并同时h ：始工作。 则n个元件的可靠度r ( f ) 为： r 。( f ) = p x ， = e x p 一j ( “) 幽) 串联系统寿命x ；为： x 。= m i n x l ，z 2 x 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 串联系统可靠度r ( f ) 为： r ，( ，) = j p x 。 b = p m i n ( 爿i ，x 2 ，x 。) ， = p ( l f ，x 2 ，x 。 ，) = 兀p r ) = n 量( f ) = 兀e x p 一f 以( “) 幽 = e x p 一f 宝丑( ”) 幽 ( 2 一1 9 ) 串联系统失效率以( f ) 为： 以( f ) = ( ，) ( 2 _ o 串联系统的平均寿命肘研e 为： m 7 1 7 e = r r ( r ) 办= f e x p 一i 五( ) 咖) m ( 2 2 1 ) 并联系统 设n 个元件寿命分别为墨，x 。，。，并且相互独立。 其失效率分别为丑( ，) ，如( f ) ，九( f ) ，在，：o 时刻所有元 件都是新的，并同时开始工作。 则n 个元件的可靠度r ( f ) 为： e ( r ) = p 置 f = e x p 一f 五( ) 和 并联系统寿命以为； x = m a ) ( x i ，z 2 j 。) 并联系统可靠度r ( f ) 为： ( 1 ，2 ，疗) ( 2 2 2 ) r ，( ，) = p x ， ，) = p m a ) 【( 置，z 2 ，爿j ) f = 1 一尸 m a x 瞄，j 2 ，以) ， = 1 一， x l f ，x 2 f ，一，爿j f ( 2 2 3 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 4 可修复系统与马尔柯夫过程 ( 2 2 4 ) ( 2 _ 2 5 ) ( 1 ) 可修复系统 可修复系统是指系统的组成环节发生故障后，经过修理，使 系统恢复正常工作状态。系统发生故障后，一般要寻找故障部位， 对其进行修理或更新，一直到最后验证系统确已恢复到正常工作 状态，这一系列的工作就称为修复过程。 山于故障发生的原因、部位、程度不同，系统所处的环境不 同，以及维修设各及维修人员水平不同，因而修复所用的时间是 。个随机变量。人们需要研究修复时问这随机变量的变化规 律。修复时间的长短和修复质量高低都将影响系统可靠性的水 平。因此，研究可修复系统的可靠性，不仅包含系统的狭义可靠 性，而且还应包括维修因素在内的广义可靠性。可修复系统可靠 性特征量主要有首次平均无故障时间、平均故障间隔时间、平均 修复时间、修复率及系统的有效度等。显然，由于可修复系统的 修复作用，使得对可修复系统的可靠性分析研究要比不可修复系 统复杂得多。 研究可修复系统的主要数学工具是随机过程理论。当构成系 统各环节的寿命分布和发生故障后修复时问的分布以及其他出 现的有关分布都为指数分布时，这样的系统通常可以用马尔柯夫 过柙来描述。 1 o 川， or l u p 一 ，、 r l = r 命 讲 一 葡 句 0 m 。；| ! 肛 卜 统 | | = 系 e 联 玎 并 m 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 马尔柯夫过程 马尔柯丈过程是在1 9 0 7 年由俄国人马尔柯夫提出来的。它 是研究系统“状态”与“状态”之间的相互转移的关系。假如关系完 全由定义为“状态”的变量取值来描述的时候，则说系统处于一个 “状态”。假如描述系统的变量从一个状态的特定值变化到另一个 状态的特定值时，则说系统实现了状态的转移。例如，某一系统， 它只有正常工作状态s 和故障状态f 两种情况。当系统是可修复 时，处于s 状态的系统由于故障会转移到f 状态。相反，处于f 状态的系统经过修复又会转移到s 状态。 其状态转移图如图2 _ 3 所示。 ( 适i 孽) ( ：0s ) i f 上| 、 77 一 修复 图2 3 状态转移图 f i 9 2 3s t a t e st r a n s t e r 这就说明一个状态转移到另一个状态完全是随机，因此称这 种状态问随机转移的过程为随机过程。 在一个随机过程中，如果在某一时刻，由一种状态转移到另 一种状态的转移概率只与现在处f 什么状态有关，而与在这时刻 以前所处的状态完全无关，即这种转移概率只与现在状态有关， 与有限次之前的状态完全无关，这种过程就称为马尔柯夫过程。 ( 3 ) 马尔柯夫过程的基本假设 马尔柯夫过程是具有这样一种性质的随机过程，即如果过程 在某一时刻，。的状态已知，那么在r ，以后任意时刻，过程处于 2 2 太原砸营。鲤觚o “拍嚣蓬丽誊等 静魁鍪泡滔埤瑾嶂撼j 培燃蓬强渍黟型j 骥啼嘤受， l ? 1 ：粤1 1 1 1 豢羹 ；i j | | 羹嚣州地簸鹾“穹翳f t j 擒譬蔫蕊绪酆碳州滂j 溺 蠼髫翁懵碜j 喜循铃帚g ? i i 二i 坦j 止单l 一! “；曙孽 岳墨一盈| 推得系j 砖弛捌醵i s 。j 绸措5 j 攀萋三三l l l 曩 薹ii j _ 囊：? i i 。i h 圣；薹ii _ 薹善? j ；i 雾；翼囊差可越渗覃 单一设备情况的有效度分析结果均可以用到这里，只是把改成” 丑即可。故；1 个相同环节的有效度、稳态有效度分别为：j j ( f )：i f _ + ：生e 一一2 ” (230)疗+“ 胛；i + “爿( 自)= 当 ( 2 3 1 ) 吸收状态 时，系统可靠度及首次故障前平均作时间分别为：尺(r ) = 8 1 “ (232)目：士 (233) 个不同环节、一组维修人员的情况当l 个环节故障分别为五(f=l，2，n)，修复率分别为，。 ，(i：l，2，盯)时，其状态转移如图25所示。定义：( ，= 侈筹；善筹篓糯其余正常。扛，z ，。，2 x 太原理= 人学硕士研究生学何论文 a = p j 一 五 l ，一l o 以 0o 0 ： 心 利用拉普拉斯变换可求出系统的稳态有效度 彳( o 。) 1 + 玉+ - + 五 p ip 。 1 + 窆矾1 + 呷 ( 2 _ 一3 7 ) 其中吼：生表示第f 个环节的维修系数，持1 ，2 ，玎 p 。 叩= 矾表示系统的维修系数，即 可= 昙= 喜矾= 喜去一 由于系统的故障率旯= ，丁- 是系统的平均修复时间： 立 ：要：挚( 2 一o ) ，= 1 若系统的可靠度仍为系统的状态i 处于吸收状态时的可靠 度，则得到： r ( f ) = p = e x p ( 一 f ) ( 2 _ 4 1 ) l = l 系统首次故障前平均工作时间为： 口：上 z 2 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章极近距煤层采煤工艺 3 1 极近距煤层的定义 所谓极近距煤层，“煤矿安全规程”( 2 0 0 1 版) 附录中的解释 为“煤层群层间距离较小，开采时相互有较大影响的煤层”。 极近距煤层的相互影响包括对工作面及巷道围岩控制影响， 包括对煤层开采过程中自然灾害防治的影响等。其产生的根本原 因主要是由 i 煤层间开采引起的围岩应力重新分布引起邻近煤 层顶( 底) 板的塑性屈服。到目前为止，近距离煤层的判别标准 仍是定性的。 从定性分析的角度，根据煤( 岩) 层的赋存条件和煤层层间 距离的，1 i 同，煤层层间距对开采的影响程度不同，随着煤层层间 距离的减小，煤层洲的影响程度增大，特别当煤层层间距离小到 一定程度时，邻近煤层间开采的相互影响将非常显著，严重影响 到采区巷道布置方式和回采工艺的选择。 故此，将煤层层间距离很近，开采时相互间具有显著影响的 煤层划分为极近距煤层。 从定量分析的角度考虑，由于上部煤层的开采，引起其底板 中应力的重新分布，应力集中程度随底板深度的增加而衰减，当 应力哀减至底板岩层的承载能力时，此时底板岩层深度为九( 定 义为损伤深度) ，以九作为划分极近距煤层的依据，定义当煤层 太原理丁大学硕士研究生学位论文 一：蔓：上( 2 _ 2 6 ) f o，i + 乞 式中，o 为总工作时间；，为能工作时间：，：为不能工作时 闻。 f l = f 3 + ，2 = i + f 0 2 ( 2 - 2 7 ) 式中，为工作时间；f 4 为待命时删；f 。为总维修时间； 维修准备时间。 ( 5 ) 基于马尔柯夫过程的串联可修复系统 由n 个环节与一组维修人员组成的巾联系统。若门个环节都 正常工作时，系统处于工作状态，当某个环节故障时，系统就故 障，此时，一组维修人员立刻对故障的部件进行修理，其余环节 停止工作。故障的环节修复后，所有环节立即投入工作状态，此 时系统进入工作状态。修复后的环节寿命仍然服从指数分布。 门个环节、一组维修人员的情况 当n 个环节，在r 和h f 之问极小的，时间内，行个环节 故障率均为a ，修复率均为时，该系统状态转移图如图2 一 所示。 图 _ 4n 个相同环节串联系统状态转移图 f i 9 2 4 s t a t e st r a n s f e ro f ns i m i l a rl i n k sc o n n e c t e di ns e r i e s 2 4 j 2 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 近距煤层的开采特点，并提出相应的有效技术措施。 3 2 ，1 工作面概况 8 4 2 3 工作面为此矿井的首采工作面，丁作面地质条件复杂， 煤层产状不稳定，煤层厚度为2 6 6 6 8m ，平均4 3 8m ，中间 夹有一层o 3 m 的夹石，煤弛捌醵i s 。j 绸措5 j 攀萋彳彳l l | 曩 薹| | j _ 囊：? i i 。i h 圣；薹| | _ 薹善| | ；i 雾；翼囊差可越渗覃 单一设备 情况的有效度分析结果均可以用到这里，只是把 改成”丑即可。 故，2 个相同环节的有效度、稳态有效度分别为： 1 ( f )：f _ + ：生e 一一2 ”( 2 3 0 ) 疗 + “胛l + “ 爿( 0 0 )= 当( 2 3 1 ) 吸收状态时，系统可靠度及首次故障前平均 ：作时间分别 为： 尺(r ) = 8 1 “( 2 3 2 ) 目：士( 2 3 3 ) 个不同环节、一组维修人员的情况 当，?个环节故障分别为五( f = l ，2 ，n ) ，修复率分别为 ，f ，( f = l ，2 ，盯) 时，其状态转移如图2 5 所示。定义： ( ，= 侈筹；善筹篓糯其余正常。扛，z ，。， 2 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 近距煤层的开采特点，并提出相应的有效技术措施。 3 2 ，1 工作面概况 8 4 2 3 工作面为此矿井的首采工作面，丁萋蓥爹蔓誊薯麴蓬! 摹耋耋芝蠹享j1 萼毫耋照lj j ；一i 群；q = 一? j j ；= 衰誉 椿冻一雾哮私蕊蘸状态；鼹缝鬻髦；一k “；麓篓h 1 。秘鬟薛髂矍 藉建；弧l ? 一i ，；r 二琵弹弦刊驯矧：帝王萎晒醅曼维 修，则在r 和f + f 之 间极小的f 时间内的微系数矩阵为 p ( ，) 一 丑f f如f ， ，1 一l f o 五， 0 ，f 。f o0 l 一，岛f 尸( f ) 相应的，) 矩阵为 p = l 一五 五 ，z i1 一l o 熊 oo 转移率矩阵为 2 6 矗 o ： 太原理工大学硕士研究生学位论文 近距煤层的开采特点，并提出相应的有效技术措施。 3 2 ，1 工作面概况 8 4 2 3 工作面为此矿井的首采工作面，丁作面地质条件复杂， 煤层产状不稳定，煤层厚度为2 6 6 6 8m ，平均4 3 8m ，中间 夹有一层o 3 m 的夹石，煤层倾角1 6 。，平均3 。，直接顶为粉 砂岩，厚度1 7 3 1 6 牌，煤尘爆炸指数3 7 ，煤的自然发火期 为6 个月。上覆为1 0 号煤层为采空区，1 0 号煤层，平均厚度 】9 7 m 。 3 2 2 下部煤层采煤工艺特点及相应措施 ( 1 ) 由于极近距煤层开采工作面超前支撑压力对煤壁压酥 作用不大，煤壁、煤体坚硬，采煤机组截割困难。 为此采取以下措施： 在条件允许的情况下，增大采煤机机组功率，同时缩小滚 筒直径来减小截煤阻力。 采用对煤体松动爆破方法。在极近距离煤层下层煤开采 时，对煤体松动爆破既要起到煤体松动的作 j ，又不能破坏顶板 的完整性。经过分析和试验后，提出如卜爆破方案。 炮孔布置方法：在上下顺槽工作丽一侧采用岩石电钻打孔， 头部顺槽孔距3 m ，距底板1 2 m ，尾部顺槽孔距3 m ，距底板 o 7 5 珊。孑l 深3 0 ，钻孔倾角与底板平 j 。孔径m 6 8 脚卅。 装药量：爆破使用矿用高威力炸药，药卷长度为5 0 0 m 搠， 直径0 5 0 m m 。每孔装药长度2 2 m ，装药量4 4 蛔。 装药方法：每3 卷炮药为一组，将药卷放置孔口处，用接力 3 0 太原理工大学硕上研究生学位论文 送炮棒将药卷送到钻孔深处。 封孑l 方法：药卷装好后，先填充o 5 m 的黄土，再充填2 埘的 砂子与碎石块混合物和4 3m 的黄土，最后用水泥锚固剂封 o 8 m ，封孔长度为7 6 m 。 爆破方法：上、下顺槽的爆破都是孔口距工作面煤壁4m 处 放炮。 ( 2 ) 开采极近距煤层时，其下部煤层工作面的矿压显现规 律彳i 同于单一煤层工作面，其开采过程大致分为三个阶段：从实 体煤向采空区推进、在采空区下开采、从采空区向实体煤推进。 l 、从实体煤向采窄区推进 8 4 2 3 工作面实体煤卜推进时，支架阻力平稳，安全阀按周期 来压步距2 8 3 5m 均匀丌启；当工作面推进到上覆采空区前 3 0 7 棚时，工作面及巷道j l 帮严重，顶板压力增大，局部顶板 破碎冒落，支架阻j 增人到3 0 m 心左右，安全阀开启率逐渐增 加：当工作面推进至距采空区边界7 聊时，工作面进入煤体的塑 性变形区，顶板压力交小，煤壁片帮现象减轻，但是工作面的顶 煤无法留住；当工作面完伞推进至采空区下后，顶板压力小，煤 壁平直，煤质坚硬，截齿牙痕明显，支架阻力平稳，安全阀很少 开启，两巷压力也减小；当上作面推进至采空区范围外1 5 用时， 压力显现与工作面进入采空区时相似，强度稍弱。 根据此情况下的矿压显现规律采取如下措施： 在实体煤与采空区分界线前后2 0 m 范围内加强支护； 两巷安全出口处，支设抬棚，并与顺槽平行，抬棚梁使用 6 坍长钢轨，抬棚腿使用瞥体柱； 在端头支架与顺槽煤擘间，每根棚梁支设2 根单体柱； 3 l 太原理t 大学硕士研究生学位论文 工作丽所有的设备，安全阀打压必须达到2 9 5 朋m 以上，不合格 立即更换； 工作面采取双向割煤，支架移架采取超前及时擦项移架， 以缩短空项时| n j ，快速进入实体煤下； 进入实体煤2 0 肼范围内，一次性架设铁道抬棚，抬棚下 支设单体支柱。 ( 3 ) 极近距煤层开采下部煤层时，对支架的选型要求也不 同。按照“两硬”极近距煤层顶板分类和理论研究，块裂顶板条件 下，工作面宜选用支撑掩护式支架；碎裂顶板条件下，工作面宜 选用掩护式支架。 ( 4 ) 1 作丽顺槽两端头易形成冒落区并与上层采空区形成 漏风通道，严重影响工作面的运输和通风。 为此采耿以下措施： 在极近距煤层f 层煤开采时，为了防止工作而顺槽两端头形 成冒落区，根据j ：作面初、末采的位置相对上层采空区边界可以 选择外错或内错布置，不同的顺槽布置方式，超前支护的强度也 有所不i 司。 内错式巷道时，巷道是在减压区内布置，围岩压力、压力显 现、屈服范围均较小，易于施工和维护；外错式布置时，巷道布 置在煤柱集中应力区域之内，巷道压力显现明显，围岩屈服范闭 较大，顶板易受拉破坏，以致使巷道难以维护。 顺槽内错布置时，工作面端头顶板压力最小，内错距离散 不小于4 7 聊，开在原来的顺槽支护基础上，每隔1 历增加排 ( 支护断面内两个) 点柱对顶板进行加强支护即可，超前支护距 离一般可以控制在1 5 左右，切眼和停采位置围岩控制可选锚 太原理工大学硕士研究生学位论文 j | 作而顺槽布置如图3 一l 所示。 图3 18 4 2 3 工作面煤层巷道布置剖面图 f i g3 1t h es e c t i o n a ld r a w n go f 山el a n e so n8 4 2 3m i n i n gf a c e ( 5 ) 在，f 采下部煤层过程中，极易与上部煤层采空区沟通， 造成工作嘶漏风或上部煤层采空区有害气体侵入工作面，导致通 风系统紊乱，回采工作面无法形成正常的全风压通风系统。 为此采取以下措施： 在m 采j 作面回风顺槽安装局扇进行泄压，降低工作面回 风顺槽的压力； 同时，为，有效降低工作面及其回风顺槽的风流压力，减 少采空区漏风，存工作面进风顺槽再增设两道调节风门，这样保 证了工作面的风流按正常方向流动，消除了工作面中部的微风或 无风区，且减少了向采空区漏风。 3 5 a 原理工夫学硕士研究生学位论文 第四章采煤工艺系统可靠性分析 在对工作面采煤工艺系统进行可靠性分析前，为了简化起 见，做出以下四条假没： 系统和环节只具有正常或故障两种状态，没有中间状态； 各环仃之间是相互独立的，所有连接方框的线没有可靠性 值。即某一环节的正常或故障不会对另一带来影响； 环节故障的出现是随机的，其寿命服从指数分布，失效率 为定值； 只分析工艺中设备的可靠性，认为人员是完全可靠的，且 与设备之蚓没有相匾影响。 4 1 采煤工艺系统的组成结构 工作面采煤工艺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、电路、回采巷道、生产管理等元素 组成的系统。根捌泰统各环节之间的相互依赖关系，建立n r 靠性 层次结构和逻辑结构框图。一般情况下，框图的每一方框代表系 统的一个环节，f e i 有时为了简化分析，将几个环节组成的串联系 统用一个方框表卅i 。 工作面采煤l 艺系统的层次结构图如图4 1 所示。工作面 采煤工艺系统各环节的逻辑结构图如图4 _ 一2 所示。 3 6 a 原理工夫学硕士研究生学位论文 第四章采煤工艺系统可靠性分析 在对工作面采煤工艺系统进行可靠性分析前，为了简化起 见，做出以下四条假没： 系统和环节只具有正常或故障两种状态，没有中间状态； 各环仃之间是相互独立的，所有连接方框的线没有可靠性 值。即某一环节的正常或故障不会对另一带来影响； 环节故障的出现是随机的，其寿命服从指数分布，失效率 为定值； 只分析工艺中设备的可靠性，认为人员是完全可靠的，且 与设备之蚓没有相匾影响。 4 1 采煤工艺系统的组成结构 工作面采煤工艺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、电路、回采巷道、生产管理等元素 组成的系统。根捌泰统各环节之间的相互依赖关系，建立n r 靠性 层次结构和逻辑结构框图。一般情况下，框图的每一方框代表系 统的一个环节，f e i 有时为了简化分析，将几个环节组成的串联系 统用一个方框表卅i i 分咿a 狃；? 玺笾拶甄郛骄羁靖晰弱蔓謇 曩型；第磐i 堆夔芏安任堤萧m j 羽浦际前纾渤黼蹴噬一f 黜龋。 是 进至 太原理工大学硕士研究生学位论文 回采工艺过程：工作面割煤方式采j _ f j 单向割煤往返一次进一 刀。i ：作面生产过程分四个环节：割煤、装煤、支护、推溜。 工作面作业形式采用“三采一准”的四六制作业形式，即三个 生产班，一个准备检修班。 4 ，2 采煤工艺系统可靠性数学模型 极近距离煤层采煤工艺系统是一个由胛个f i 同环节和一个 采煤班组组成的串联可修复系统，在系统中，若每个环节的运 行时间f 的分布函数均为： l e 一犁( 旯 o ，f = 1 ，2 ，3 ，疗)( 4 1 ) 发生故障后，每个环节的故障时间f 的分布函数皆为： 1 e 州( o ，扛1 ，2 ，3 ，”) ( 4 2 ) 式中，允第f 个环节的故障率： h 第，个环节的修复率。 当，? 个环节都正常工作时，系统处于运行状态：当系统某一 环节发生故障时，系统失效，采煤机停止割煤，系统处于故障状 态。此时，对系统发生故障的环节进行处理，其余叫i 节停止运行， 当排除故障后，所有环节立即运行，系统返回运行状态，工作面 出煤。在整个系统的生产过程中，由一种状态转移到另一种状态 完全是随机的，并且各个环节处于什么状态也是相互独立的，所 有随机变量都是相互独立的。由于指数分布的无后效性，因此， 修复以后，环节的正常工作时间的分布不变。 按照以上条件，我们把极近距煤层采煤工艺系统t 一个齐次 3 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 m = * l + y 生 智“ 肘7 曰f ： 五+ 五+ - + 矗 ( 牛一1 9 ) 丑+ 生+ + 盈 卿：型l 生( 4 _ _ 2 1 ) 5 丑+ 五十- + + 式中4 系统有效度，； 4 第i 个环节有效度，； r ( f ) 系统可靠度， m 系统故障频率，l m i n ： 打b f 系统平均工作时间，m i n ： m 刀f 系统平均修复时间m i n ； 丑第f 环节运行时间负指数的参数； “第i 环节故障时间负指数的参数； 4 3 实例分析 4 3 18 4 2 3 工作面可靠性分析 ( 1 ) 工作面开采条件 8 4 2 3 工作面长1 3 4 珊，推进长度1 5 1 0 m 。进度5 6 朋d ， 日产量3 1 8 “日，回采工效3 0 6 f 工。 太原理工大学硕士研究生学位论文 m = * l + y 生 智“ 肘7 曰f ： 五+ 五+ - + 矗 ( 牛一1 9 ) 丑+ 生+ + 盈 卿：型l 生( 4 _ _ 2 1 ) 5 丑+ 五十- + + 式中4 系统有效度，； 4 第i 个环节有效度，； r ( f ) 系统可靠度， m 系统故障频率，l m i n ： 打b f 系统平均工作时间，m i n ： m 刀f 系统平均修复时间m i n ； 丑第f 环节运行时间负指数的参数； “第i 环节故障时间负指数的参数； 4 3 实例分析 4 3 18 4 2 3 工作面可靠性分析 ( 1 ) 工作面开采条件 8 4 2 3 工作面长1 3 4 珊，推进长度1 5 1 0 m 。进度5 6 朋d ， 日产量3 1 8 “日，回采工效3 0 6 f 工。 4 2 x 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 表4 2 8 4 23 工作面采煤工艺系统可靠性指标表 t a b l e 4 2 t h er e l i a b i i i t ys i a n d a r d so f 8 4 2 3m i n i n gf k et e c h n i c a ls y s t e m i q 靠性指标 工作面 编号系统有效度系统平均工作时问系统平均修复时间 ( )( m i n )( m i n ) 8 4 2 39 1 5 3 3 3 2 4 71 6 3 7 4 ( 3 ) 各环节主次因素分析 系统运用各环节中的丰次因素排列，寻找影响工作面采煤工 艺系统可靠性的主次因素，从中找出系统的薄弱环节，得到提高 系统可靠性的途径。 通过对8 4 2 3 工作面实测数据的整理计算，系统备环节停工 误时情况如统计表4 3 。 表4 3 8 4 23 工作面采煤工艺系统各环节停工误时情况统计表 t 曲l e 4 - 3t 1 1 et i m ede l a ys t “s t j c so fe v e i y1 j n ki | lt h em j n i n gt e c h l l j c a l s y s t e mo f8 4 2 3m i n i n gf a c e 事故时间 序号造成事故原w比率( )累计( ) ( m i n ) 1顶板4 3 8 52 7 0 32 7 0 3 2液压支架3 1 7 01 9 5 34 6 5 6 3工作面输送机2 8 4 31 7 5 26 4 0 8 4采煤机2 6 8 11 6 5 2 8 0 6 5破碎机1 2 8 47 9 28 8 5 2 6电气 1 0 4 2 6 4 3 9 4 9 5 7转载机 8 2 15 0 51 0 0 合计 1 6 2 2 61 0 0 太原理上人学硕士研究生学位论文 冉：8 4 2 3 ：l 作面工时测定期间，统计系统各环节停工时间， 其顺序分别为顶板、液压支架、工作面输送机，各占2 7 0 3 、 1 9 5 3 、1 7 5 2 。 f 血将用主次图分析系统故障的主要原因。主次图又叫巴雷 特图或排列图，是一种分析、查找主要因素的直观图表。将要分 析的因素按主次从左向右排列作为横坐标，纵坐标为各因素所占 的百分比或累积百分比。由图可找到系统的主要影响因素，将其 用于系统的故障频数分析，则得到故障最多的关键系统。 分析中画出各因素的累积频率( 累积百分比) ，累积频率在 8 0 9 0 之问的因素为主要因素，在9 0 1 0 0 范围内的因素为 次要i 周索。在各种分析中，对主要因素应是重点研究的对象。 干目应 次因素排列图如图4 2 所示。 顶 扳燃磊薹要采煤机破碎机电 气转找机 图4 2 8 4 23 工作面相应主次因素排列图 f i 茸 _ 2t h ea m n g e m e n t o f m e c o r r c s p o n d i n gm a i n a n ds u b o r d i n a t ef a c t o f si n8 4 2 3m i n i n gf a c e l ( ) 踯 7 0 三 5 0 墼 _ 3 0 2 0 l o 0 。 从主次因素排列图中可以看出，影响8 4 2 3 工作面的主要因 4 6 太原理工大学硕十研究生学位论文 素为顶板、：r ：作面液压支架和工作面输送机环节，占事故影响时 间的6 4 0 8 。次主要因素为采煤机和破碎机环节，占2 2 4 4 ， 主要因素和次主要因素占总事故影响时间的8 8 5 2 。次要因素 为电气和转载机环节。 4 3 28 4 2 5 工作面可靠性分析 ( 1 ) 工作面开采条什 8 4 2 5 ： 作面为8 4 2 3 丁作而_ 丌采后开采的邻近工作面，8 4 2 5 工作面长度为1 3 1 ，推进长度为1 3 6 8m 。开采实体煤段见 顶见底，煤层厚度超过3 5 历，见顶留底，采高为3 5 所，开采 上覆采空区下块段时见底留顶，采高为2 5 埘。 工作面采用单一长壁后退式采煤方法，项板管理方法采用全 部跨落法，回采工艺采用综合机械化方式，巷道采用内错式布置。 工作面主要设备： 采煤机：m g t y 3 0 0 7 0 【卜- 1 1d 支撑掩护式液压支架：z z s 6 0 0 0 1 7 ，3 7 运输机：s g z 一8 3 0 6 3 0 ( 2 ) 系统可靠性数据收集与分析概述 由上一节分析可知，影晌8 4 2 3 工作面采煤工艺的主要问题 是顶板、液压支架和工作面输送机环节，顶板事故主要包括巷道 顶板和工作面顶板。根据这利叶奇况，存开采8 4 2 5 工作面时，将 采取超前加固及漏顶充填技术、改，变巷道支护、采取增大采煤机 功率，缩小滚筒直径和煤体爆破松动等参数等相应措施，通过观 测，发现顶板、工作面液压支架事故大大降低。对8 4 2 5 工作面 运行过程统计表见附录。这些町靠性数据记录了工作面系统运行 4 7 叫 蜊，、 辍摹 怛。 避 辂 划 剿 帐 薛 琼 螺 帐 回 嚣 蝰 掣 轵 皿 帐 岳 里 l 塔 瞩 太原理工大学硕士研究生学何论文 状态转移的过程，它是系统可靠性分析的基础数据。根据8 4 2 5 极近距离煤层工作面的实测数据，经过假设检验，得出工作面在 未考虑小于1 矗的故障影响和小事件影响的情况下系统各环节运 行时间和故障时间均服从负指数分布，统计计算结果见表4 4 所 示，以及工作面采煤工艺系统可靠性指标见表4 5 所示。 表4 58 2 5 工作面可靠性指标表 t a b l e 4 5m er e i i a b i l i t ys t a n d a r d so f 8 4 2 5m 岫gf a c et e c h n i c a ls y s l e m 可靠性指标 t 作面 编号 系统有效度系统平均寿命系统平均修复时间 ( )( m i n )( m i n ) 8 4 2 59 5 9 16 0 3 8 62 7 5 4 ( 3 ) 各环节主次因素分析 通过对8 4 2 5 工作面实测数据的整理计算，系统各环节停工 误时情况如统计表4 6 所示。 袁4 68 4 2 5 工作面采煤工艺系统各环节停工误时情况统计表 t a b l e 4 6t h et i m ed e l a ys t a t i s t i c so fe v e r yl i n ki nt h cm i n i n gt e c t h l i c a l 5 y s t e mo f8 4 2 5m m