寧掌玄,馬迎松,馬志明

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西大同037003)

0 引 言

由于每條斜井施工原始條件的差異性,施工可選設(shè)備的多樣性,施工可選方案的多樣性,施工中的不確定影響因素的多樣性,使得我們對(duì)如何正確選擇設(shè)備及其性能參數(shù)、如何安排施工進(jìn)度、確定施工工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)、選擇勞動(dòng)組織、科學(xué)預(yù)測(cè)運(yùn)行情況、診斷存在問(wèn)題、進(jìn)行整體評(píng)價(jià)等等一系列問(wèn)題感到無(wú)從下手,這些工作要靠人工來(lái)完成難度很大,即使下了很大努力,也不一定會(huì)有好的結(jié)果,常常出現(xiàn)施工組織設(shè)計(jì)與實(shí)際施工相脫節(jié),不能很好地發(fā)揮指導(dǎo)作用,施工的盲目性大,科學(xué)性差,長(zhǎng)期以往造成了目前斜井施工速度普遍較慢、掘進(jìn)成本較高、工藝落后、管理落后、輔助工作量大、窩工嚴(yán)重、設(shè)備利用率低等等一系列問(wèn)題。為此,我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)斜井施工組織設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化、科學(xué)管理、科學(xué)施工方面的大力研究,找到制約系統(tǒng)之所在,突破約束之瓶頸,尋求開(kāi)拓發(fā)展的空間,找到一條快速的發(fā)展之路,在有限的空間內(nèi),規(guī)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全快速施工,提高工作效率,降低掘進(jìn)成本,使煤礦生產(chǎn)逐步邁向科學(xué)化、現(xiàn)代化的發(fā)展軌道[1-4]。

1 應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)斜井施工技術(shù)難題展開(kāi)系統(tǒng)研究

1.1 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究的對(duì)象是復(fù)雜系統(tǒng),平時(shí)人們很難將系統(tǒng)存在的問(wèn)題看清楚,而計(jì)算機(jī)模擬具有較強(qiáng)的仿真性,應(yīng)用起來(lái)靈活便利,目前已經(jīng)成為研究復(fù)雜系統(tǒng)的一種重要手段,成為人們決策的一個(gè)有效工具,應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)將這些無(wú)法重現(xiàn)的現(xiàn)象可以進(jìn)行反復(fù)的演練,事情解決起來(lái)就會(huì)變得簡(jiǎn)單而容易。為此,試圖應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)斜井施工這一復(fù)雜的問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)的研究,以便找到一條方便快捷的技術(shù)途徑[5-6]。

1.2 斜井施工系統(tǒng)劃分

通過(guò)對(duì)斜井施工的大量調(diào)研,將斜井施工劃分為生產(chǎn)準(zhǔn)備、破巖、裝巖運(yùn)輸、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)、其他輔助等六大子系統(tǒng)[7-10]。

1.3 模擬模型的建立

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中諸實(shí)體的屬性及它們之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析研究,建立了斜井施工模擬優(yōu)化分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬模型。模型由一個(gè)主程序、12個(gè)子程序和輸出打印程序組成,采用VB語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)[7-10]。

2 斜井施工優(yōu)化分析系統(tǒng)在東周窯礦副斜井施工中的應(yīng)用研究

2.1 東周窯礦副斜井施工概況

東周窯礦副斜井井筒設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度1 372.354 m,凈斷面15.15 m2,掘進(jìn)斷面18.0 m2,傾角22°。其中表土段長(zhǎng)56.9 m,風(fēng)化基巖段長(zhǎng)301.108 m,采用鋼筋混凝土砌碹支護(hù)?；鶐r段長(zhǎng)1 014.346 m,采用錨網(wǎng)噴支護(hù),錨桿為∮20 mm×2 000 mm螺紋鋼樹(shù)脂錨桿,間排距為800 mm×800 mm,噴射混凝土厚度為120 mm。井筒基巖段巖性主要為中粗細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖,基巖段富水性較弱。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)井筒施工設(shè)備配置

根據(jù)副斜井?dāng)嗝娲蟆⒕草^長(zhǎng)、傾角大等特點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)目前配備的相應(yīng)施工設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 主要施工設(shè)備一覽表

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工方案及施工工藝

基巖段施工根據(jù)副斜井掘進(jìn)斷面大的特點(diǎn),采用掘支平行作業(yè),采用“三大二光”即大絞車(chē)、大爬斗、大箕斗、光面爆破和激光指向作業(yè)線,勞動(dòng)組織為“三八”作業(yè)制,工作面用5臺(tái)YTP-28型風(fēng)錘鑿巖,配備∮42 mm一字型鉆頭,掘進(jìn)爆破采用直眼掏槽,反向裝藥,毫秒延期雷管串并聯(lián)起爆。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工結(jié)果

承擔(dān)本井筒施工的隊(duì)伍是中煤五公司第四工程處,工程與2008年9月開(kāi)工,于2009年7月份完工。現(xiàn)將本工程逐月完成的實(shí)際工程進(jìn)度列表如下(見(jiàn)表2)。

表2 實(shí)際施工月進(jìn)尺

3 模擬試驗(yàn)研究

斜井施工優(yōu)化分析系統(tǒng)是針對(duì)斜井掘進(jìn)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、預(yù)測(cè)、診斷方面專門(mén)設(shè)計(jì)的一款應(yīng)用型軟件,詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9-10]。本論文主要是想通過(guò)軟件與工程實(shí)踐相結(jié)合,以便驗(yàn)證軟件的可行性和實(shí)用性。

3.1 工序時(shí)間分布規(guī)律研究

通過(guò)對(duì)東周窯礦副斜井2008年9月到2009年2月的施工參數(shù)實(shí)測(cè),取得了大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢驗(yàn),找到了各隨機(jī)變量的分布規(guī)律。將這些參數(shù)的特征值帶入專用設(shè)計(jì)軟件,便可進(jìn)行模擬施工。

各參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3～表6。

表3 各參數(shù)服從的分布規(guī)律一覽表

表4 服從正態(tài)分布工序參數(shù)分布表

表5 服從負(fù)指數(shù)分布參數(shù)表

3.2 模擬試驗(yàn)研究

將東周窯礦副斜井的原始參數(shù)及各隨機(jī)變量的分布特征值輸入斜井施工優(yōu)化分析系統(tǒng)(主界面見(jiàn)圖1),選擇正規(guī)循環(huán)作業(yè),采用指定掘進(jìn)范圍進(jìn)行模擬(對(duì)井筒基巖段進(jìn)行模擬,起始點(diǎn)為:710 m,模擬終點(diǎn)為1 372 m,模擬段長(zhǎng)度為663 m,即從2009年3月份開(kāi)始模擬,到井筒施工結(jié)束為止),模擬結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 服從均勻分布各工序參數(shù)分布表

圖1 斜井施工優(yōu)化分析系統(tǒng)主界面

表7 東周窯礦副斜井模擬結(jié)果總表

3.3 模擬結(jié)果分析

由表7可見(jiàn)其逐月的模擬進(jìn)尺。表中每個(gè)月的模擬天數(shù)均為30 d,而實(shí)際施工的天數(shù)為:2009年3月份為31 d,4月份為30 d,5月份為31 d,6月份為30 d,7月份為31 d。為了將模擬天數(shù)與實(shí)際施工天數(shù)相統(tǒng)一,按照正規(guī)循環(huán)平均進(jìn)尺為1.7 m進(jìn)行了調(diào)整,每天3個(gè)班,每班完成1.7 m進(jìn)尺,則1天共完成5.1 m進(jìn)尺。經(jīng)過(guò)天數(shù)統(tǒng)一調(diào)整后的模擬進(jìn)尺及實(shí)際施工結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表8。

表8 結(jié)果對(duì)比分析表

通過(guò)表8結(jié)果對(duì)比可見(jiàn),3月份、4月份的偏差率較大,分別為9%、7.65%,其他月份的偏差率均很小,5個(gè)月的總偏差率僅為0.47%,可見(jiàn)其最終模擬結(jié)果與實(shí)際施工結(jié)果十分相似,這一方面說(shuō)明采用斜井施工模擬優(yōu)化分析系統(tǒng)完全可以對(duì)真實(shí)的斜井施工進(jìn)行模擬研究,在井筒未施工前,通過(guò)模擬試驗(yàn),可以優(yōu)選作業(yè)線,避免設(shè)備選型不當(dāng)、施工工藝不合理、施工組織不當(dāng)而帶來(lái)的資源浪費(fèi)和效率低下,達(dá)到優(yōu)化之目的;另一方面也說(shuō)明該軟件的建模是正確的,是實(shí)用的,完全能夠用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際的斜井井筒施工。

4 模擬優(yōu)化研究

4.1 存在的主要問(wèn)題分析

根據(jù)表8和各參數(shù)的模擬結(jié)果表進(jìn)行分析(由于篇幅所限,各參數(shù)模擬結(jié)果表未列),發(fā)現(xiàn)主要問(wèn)題如下。

4.1.1 打眼輔助時(shí)間長(zhǎng)

采用YTP-28鑿巖機(jī)打一2.0 m深的炮眼,常規(guī)統(tǒng)計(jì)為260 s～300 s,而該工程隊(duì)卻用了490 s,比常規(guī)打眼多用了220 s～250 s,說(shuō)明該施工隊(duì)管理有問(wèn)題,或者是壓風(fēng)不足,或者是鉆工技術(shù)水平低下,有待進(jìn)一步培訓(xùn)。

4.1.2 裝巖機(jī)裝巖效率低下

常規(guī)情況下裝一箕斗時(shí)間為160 s～180 s,而該施工隊(duì)卻用了320 s,比常規(guī)裝巖多用了120 s～150 s。說(shuō)明裝巖工藝、司機(jī)水平、管理等存在問(wèn)題。

4.1.3 故障次數(shù)多,時(shí)間長(zhǎng)

4月份出現(xiàn)故障循環(huán)次數(shù)為32次,影響時(shí)間32 h,幾乎每天均有一個(gè)班出現(xiàn)故障,這很不正常,說(shuō)明管理、尤其是機(jī)電設(shè)備管理有問(wèn)題。

4.1.4 臨時(shí)支護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

每班臨時(shí)支護(hù)時(shí)間平均值為110 min(打8根錨桿掛網(wǎng)),與常規(guī)出入很大。

綜合分析認(rèn)為:管理存在問(wèn)題,如果采取積極有效的管理措施,將打眼時(shí)間、裝巖時(shí)間、臨時(shí)支護(hù)時(shí)間進(jìn)行有效利用,將故障時(shí)間、故障率有效的降低,本條作業(yè)線將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

4.2 模擬優(yōu)化

從實(shí)際出發(fā),對(duì)現(xiàn)有作業(yè)線的已選設(shè)備、勞動(dòng)制度、工藝等不變,僅僅通過(guò)加強(qiáng)管理、加大維修保養(yǎng)力度、加強(qiáng)職工的培訓(xùn)這一項(xiàng)措施,就可對(duì)現(xiàn)有作業(yè)線進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化參數(shù)選取值如下:打眼時(shí)間服從均值為400 s的正態(tài)分布、裝巖時(shí)間服從均值為220 s的正態(tài)分布、臨時(shí)支護(hù)服從80 s～100 s的均勻分布,每循環(huán)故障服從負(fù)指數(shù)分布,均值為1.5 h,故障率為15%,再增加一臺(tái)鑿巖機(jī)、炮眼深度提高到2.2 m,其他參數(shù)不變,模擬結(jié)果見(jiàn)表9。

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

由表9可見(jiàn),完成663 m(從井深710 m到1 372 m)的掘進(jìn)模擬天數(shù)總共為131 d,比實(shí)際施工天數(shù)(153 d)提前完工21 d,月進(jìn)尺得到了提高,掘進(jìn)效率提高了13.7%,模擬表中可以清楚地看到,循環(huán)時(shí)間、排矸時(shí)間基本上均控制在規(guī)定的時(shí)間,可見(jiàn)工時(shí)分配較為合理,各設(shè)備利用率較好,盡管每個(gè)循環(huán)的模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果會(huì)存在一定的偏差,但對(duì)整條斜井的模擬或者長(zhǎng)時(shí)間段的模擬影響不會(huì)很大。由此可見(jiàn)斜井模擬優(yōu)化分析系統(tǒng)的功效之所在。

5 結(jié) 論

(1)斜井施工模擬優(yōu)化分析系統(tǒng)可為大量的斜井施工方案的選擇和比較提供了一個(gè)方便快捷的模擬試驗(yàn)平臺(tái)。

(2)各工序的模擬結(jié)果清晰可見(jiàn),便于工程技術(shù)人員進(jìn)行逐項(xiàng)的系統(tǒng)分析,快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的問(wèn)題所在,解決了長(zhǎng)期以來(lái)找不準(zhǔn)問(wèn)題的困擾,解決了憑經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)工作的弊端,提供了科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的評(píng)價(jià)依據(jù)。

(3)根據(jù)問(wèn)題之所在,便于尋找施工優(yōu)化之途徑,如在工藝改進(jìn)、參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)選、科學(xué)管理、技能培訓(xùn)、技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化勞動(dòng)組織等方面便于尋找到突破點(diǎn)。解決問(wèn)題變得輕松快捷,便于抓住問(wèn)題的重點(diǎn)加以解決,提高工作效率和工作成效。

表9 優(yōu)化研究模擬結(jié)果一覽表

(4)通過(guò)模擬結(jié)果的分析,可快速地判斷所選作業(yè)線的施工速度是否可行,裝運(yùn)能力是否滿足、工期是否合理,設(shè)備能力是否配套,設(shè)備、人員效率是否較高,裝運(yùn)能力與掘進(jìn)能力是否配套、作業(yè)線是否最優(yōu)等等問(wèn)題,便于作業(yè)線的比較和優(yōu)選,便于施工組織設(shè)計(jì)的科學(xué)編制,解決長(zhǎng)期以來(lái)施工速度普遍較慢、掘進(jìn)成本較高、工藝落后、管理落后、輔助工作量大、窩工嚴(yán)重、設(shè)備利用率低等等一系列問(wèn)題[9-10]。

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