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摘 要：采煤工作面设备配套是否合理是提高煤炭产量以及采煤机开机率的关键。通过对工作面生产过程中设备故障时间及故障原因的统计分析，对设备适应性及其配套合理性进行评估，以使综采工作面配套设备适应于开采条件和采煤工艺，减少其对采煤工艺的影响时间，从而提高设备配套的可靠性和工作面的生产效率。
关键词：工作面；设备配套；可靠性
1引言
工作面设备的合理配套是提高工作面产量、效率及采煤机开机率的基本保证。通过对平沟煤矿大采高综采工作面生产过程中设备故障时间及故障原因的统计分析，对设备适应性及其配套合理性进行评估，以使综采面成套设备与开采条件及采煤工艺相适应，从而提高设备配套的其可靠性，减少对采煤工序及辅助工艺的影响时间，提高工作面的可靠性和生产效率。
为统计综采工作面生产系统的可靠性，在试验工作面对设备可靠性进行了以下研究。
①工作面生产系统各环节运行可靠性研究；
②工作面生产系统设备配置的可靠性研究；
③工作面生产主运输系统可靠性研究。
2设备可靠性统计原理
2.1设备可靠性概述
设备的可靠性指标是指在有效寿命内实现其使用功能的可能性指标，或称设备在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。
一般情况下，设备的成本费用随其可靠度R的增长而增长，而设备的维修费用却随可靠度的上升而下降，如图 2 1所示。总费用最低处的可靠度是最优的。
工作面设备及系统可靠性是工作面设备装备水平、开采煤层条件及组织管理水平等因素的综合反映。工作面设备及生产系统属可修复系统，在可靠性分析和评价中，利用工作面设备及系统处于正常状态的概率即有效度A进行评判。
2.2 工作面设备单元及生产系统可靠性数据整理
设备及生产系统单元可靠性数据统计内容包括：
①单元无故障时间（正常开机时间、无故障停机时间、停机原因）；
②单元故障（修复）时间（故障环节、修复情况）。
工作面生产系统主要的设备有：液压支架、采煤机、刮板运输机、胶带输送机、转载机、供电、泵站和煤仓共8个单元。根据许多研究资料表明，这8个单元的故障都服从负指数分布，故障后修理恢复时间也服从负指数分布。
维修度则是指在规定的条件下和规定的时间内，使设备保持或恢复到规定的功能的概率。各分布函数如下：
故障密度函数为：
修复密度函数为：
可靠度函数为：
维修函数为：
需要计算各单元可靠性参数，包括单元平均无故障间隔时间（MTBF）、单元故障平均维修时间（MTTR），计算各单元平均故障率λ、平均维修率μ及单元有效度Ak。
k单元平均无故障间隔时间MTBF由下式确定
，min
式中 tfi——单元第i次无故障时间，min；
n——统计的单元无故障次数。
k单元平均故障率λk为:
，min-1
k单元故障平均维修时间MTTR由下式确定：
式中 : trj——单元第j次维修时间，min；
n——统计的单元维修次数。
k单元平均维修率μk为：
,min-1
k单元的有效度Ak为：
工作面生产系统是由采煤机、刮板输送机等若干个可修复的单元组成的串联系统，系统的有效度为：
式中: A——系统的有效度；
Ak——系统中k单元的有效度；
μk——系统中k单元平均维修率，min-1；
λk——系统中k单元平均故障率，min-1。
利用上述整理结果分析各单元运行可靠性及主运输系统的可靠性，判定设备配置可靠性，并确定系统的薄弱环节，为综采工作面确定最佳配套方案。
3设备可靠性观测结果及分析
工作面设备及生产系统由采煤机、刮板输送机、顶板和液压支架、泵站、供电系统、转载机及破碎机、带式输送机、煤流外运系统、供水通风系统等单元构成。
3.1工作面开机率统计分析
依据试验综采工作面6月11日至7月31日的统计结果分析，得出观测期间工作面日开机率分布如图 3 1所示。工作面日平均开机率为70.5%，大致可分为两个阶段：第一阶段为工作面推进至245.7m，该阶段平均开机率为64.5％，属于设备磨合期；第二阶段为工作面推进245.7～398.6m，该阶段平均开机率为81.6%，工作面装备已度过磨合期，发挥了正常生产能力。
3.2工作面系统单元故障因素分析
根据系统可靠性理论，将试验工作面生产系统分为以下七个系统单元：外部运输系统单元、内部运输系统单元、液压支架单元、采煤机单元、供电系统单元、大块引起的运输故障单元及其它单元。
以一天正常生产3个班，每班工作6小时，共计1080分钟作为每天生产总时间，通过对51天（153个生产班）观测数据的整理，分析得出系统各单元的故障时间占总时间的比例。如表 3 2所示，外运系统故障时间最多，占总时间的34.2%，平均每班影响时间为32.08分钟；内运系统故障时间占总时间的30.9%，平均每班影响时间28.92分钟。
⑴ 内运系统故障分析
内运系统主要包括运输顺槽二部、三部皮带，刮板输送机，除铁器，转载机、破碎机以及其它因素等。内运系统各单元故障时间分布如表 3 3所示。
在工作面初采期间，受顺槽坡度的影响，当运煤量较大时，顺槽二部、三部皮带经常出现“溜坡”现象，当工作面推进至85.7m之前，平均每个采煤班发生“溜坡”故障时间为58.3分钟；另外，顺槽皮带经常出现张紧，打滑等故障。经过厂家的仔细诊断，将部分顺槽皮带的托辊更换为托板，以增加皮带的摩擦力。改进后，顺槽皮带的故障时间有了大幅度的减少，平均每采煤班影响时间为6分钟。改造后内运系统故障因素分析见表 3 4。
刮板输送机故障时间不多，主要是刮板链和齿条销故障。转载机和破碎机主要是机组接地故障。
⑵ 外运系统故障分析
外运系统故障时间分析见表 3 5。
在工作面推进至85.7m之前，东胶皮带故障时间占外运系统故障时间的50％，其主要故障原因是制动装置、硫化接头管理问题、运量过载以及大块煤堵卡问题。为保证外运系统的安全稳定运行，矿领导组织相关专家进行诊断、研究和探讨，制定了十项东胶皮带改进措施：一是规定了“急停方式”停车的使用范围；二是对东胶皮带上煤量实现可控上煤；三是恢复东胶皮带中部、机尾制动装置；四是对皮带加装计量装置；五是对东胶皮带机头螺旋溜槽进行加宽改造；六是增加一套适用的皮带在线监测系统；七是对东胶落煤点缓冲装置进行改造；八是在掘进队增加破碎机；九是对东胶皮带硫化接头实现按号管理；定期监测，定期更换，建档分析；十是对东胶皮带进行逐步更换。观测表明，改进后东胶皮带的故障时间占整个外运系统故障时间的21.9％。
改造后的东胶皮带占整个外运系统的比例由改造前的50%降为21.9%，效果显著。为提高整个外运系统的安全稳定运行，建议对一部皮带进行改造。
一部皮带故障分析见表 3 6，其中机械故障占55.7%，平均每班故障时间为5.95分钟，主要是钢丝绳断、皮带开口、托辊脱以及重锤掉落等故障；电气故障占6.1%，平均每班影响时间为0.65分钟，主要是皮带负荷大，引起顶闸。
⑶ 支架故障因素分析
工作面使用ZY9400/28/62型支撑掩护式液压支架112架，ZYG9400/25.5/55型过渡架8架，ZYGT9400/25.5/55过渡架2架，ZYT9400/25.5/55端头架8架。支架最大端面距590mm，设计工作阻力9400kN，初撑力7140kN。
工作面支架自安装之日起即出现平衡千斤顶漏液情况，但是不太严重；基本顶来压时，漏液更加严重，所有支架平衡千斤顶漏液，移架时支架下面象“下雨”一样。观测期间，支架共更换电液控制阀及截止阀64块，36根液压管，4块立柱单向阀密封圈。
在工作面开采初期，经常由于害怕割到顶梁而达不到设计采高5.2m。分析可能原因有四个：第一，底板不平，刮板输送机机面不平，当采煤机机身向采空区侧倾斜时，滚筒容易割顶梁；第二，支架有低头现象，支架低头也易割顶梁；第三，刮板输送机弯曲段长度太短，采煤机在弯曲段进刀割煤时，也容易割顶梁；第四，支架设计梁端距较短。实际观测过程中发现，工作面较多地段出现采高受到限制问题，因此排除刮板输送机弯曲段过短的原因；同时，采煤机在很多情况下已经卧底开采，因此底板不平原因也可以排除。所以采高受到限制的可能原因有两个，第一，支架有低头现象；第二，设计梁端距较短。解决方法就是支架顶梁保持3～5°仰角，增加支架的梁端距。
⑷ 采煤机故障分析
本工作面使用德国艾科夫SL-500采煤机，其故障因素分析见表 3 7。本单元中，采煤机左变压器发生两次故障，耽误时间共计659分钟；其余故障均为水压低或者无水以电缆故障，电缆及水压故障占采煤机总故障时间的63.6%。
⑸ 供电系统故障分析
供电系统故障时间不多，占总时间的2.7%。观测期间，放负荷中心出现一次故障，影响时间为190分钟。其余故障基本都是高开以及变电所跳闸，工作面闭锁等故障，影响时间较短。
⑹ 大块煤引起的故障分析
通过对观测数据的整理、分析，得到如表 3 8所示的大块煤引起的故障时间分析表。
当工作面推进到124m和397.4m的时候，故障时间分别达到两次峰值，但是故障时间最长的并不是支架工作阻力最大的，而是在支架工作阻力最大值之后的几天里，即20～30m之后故障时间达到最大值。其原因主要是工作面来压时，超前支承压力增加，工作面前方超前支承压力影响范围内的煤体受到高支承压力压缩后，导致裂隙发育，当工作面推进到此处时，片帮增多，大块块度增加，导致运输系统故障时间大幅度增加。
⑺ 瓦斯故障分析
瓦斯故障时间占总故障时间的1.2%。观测期间，共发生瓦斯超限引起的断电故障3次，累计19分钟；其余主要故障为探头浅脱以及显示故障等，其中影响最长的一次为50分钟。
4 小结
建设高产高效矿井要把采煤工作面放在优先地位。采煤工作面要在优化工作面设计、加强劳动组织和技术管理的基础上,重点抓好设备的维护与保养,大力增强系统的可靠性,努力改善设备性能,减少故障,提高开机率,确保高产高效的实现。提高工作面系统可靠性有利于提高工作面单产水平和回采工效,实现均衡生产,减少用工和降低生产成本,提高企业经济效益。
参考文献:
[1]徐永圻.采矿学[M].中国矿业大学出版社.2003：215-216.
[2]陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.
[3]孙钧.地下工程设计与实践[M].上海:上海科学技术出版社.1996.
作者简介：
郝全明（1957——），男，教授，硕士生导师。从教三十年，主要以本科教学、研究生教学为主，兼科研工作。
关键词：工作面；设备配套；可靠性
1引言
工作面设备的合理配套是提高工作面产量、效率及采煤机开机率的基本保证。通过对平沟煤矿大采高综采工作面生产过程中设备故障时间及故障原因的统计分析，对设备适应性及其配套合理性进行评估，以使综采面成套设备与开采条件及采煤工艺相适应，从而提高设备配套的其可靠性，减少对采煤工序及辅助工艺的影响时间，提高工作面的可靠性和生产效率。
为统计综采工作面生产系统的可靠性，在试验工作面对设备可靠性进行了以下研究。
①工作面生产系统各环节运行可靠性研究；
②工作面生产系统设备配置的可靠性研究；
③工作面生产主运输系统可靠性研究。
2设备可靠性统计原理
2.1设备可靠性概述
设备的可靠性指标是指在有效寿命内实现其使用功能的可能性指标，或称设备在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。
一般情况下，设备的成本费用随其可靠度R的增长而增长，而设备的维修费用却随可靠度的上升而下降，如图 2 1所示。总费用最低处的可靠度是最优的。
工作面设备及系统可靠性是工作面设备装备水平、开采煤层条件及组织管理水平等因素的综合反映。工作面设备及生产系统属可修复系统，在可靠性分析和评价中，利用工作面设备及系统处于正常状态的概率即有效度A进行评判。
2.2 工作面设备单元及生产系统可靠性数据整理
设备及生产系统单元可靠性数据统计内容包括：
①单元无故障时间（正常开机时间、无故障停机时间、停机原因）；
②单元故障（修复）时间（故障环节、修复情况）。
工作面生产系统主要的设备有：液压支架、采煤机、刮板运输机、胶带输送机、转载机、供电、泵站和煤仓共8个单元。根据许多研究资料表明，这8个单元的故障都服从负指数分布，故障后修理恢复时间也服从负指数分布。
维修度则是指在规定的条件下和规定的时间内，使设备保持或恢复到规定的功能的概率。各分布函数如下：
故障密度函数为：
修复密度函数为：
可靠度函数为：
维修函数为：
需要计算各单元可靠性参数，包括单元平均无故障间隔时间（MTBF）、单元故障平均维修时间（MTTR），计算各单元平均故障率λ、平均维修率μ及单元有效度Ak。
k单元平均无故障间隔时间MTBF由下式确定
，min
式中 tfi——单元第i次无故障时间，min；
n——统计的单元无故障次数。
k单元平均故障率λk为:
，min-1
k单元故障平均维修时间MTTR由下式确定：
式中 : trj——单元第j次维修时间，min；
n——统计的单元维修次数。
k单元平均维修率μk为：
,min-1
k单元的有效度Ak为：
工作面生产系统是由采煤机、刮板输送机等若干个可修复的单元组成的串联系统，系统的有效度为：
式中: A——系统的有效度；
Ak——系统中k单元的有效度；
μk——系统中k单元平均维修率，min-1；
λk——系统中k单元平均故障率，min-1。
利用上述整理结果分析各单元运行可靠性及主运输系统的可靠性，判定设备配置可靠性，并确定系统的薄弱环节，为综采工作面确定最佳配套方案。
3设备可靠性观测结果及分析
工作面设备及生产系统由采煤机、刮板输送机、顶板和液压支架、泵站、供电系统、转载机及破碎机、带式输送机、煤流外运系统、供水通风系统等单元构成。
3.1工作面开机率统计分析
依据试验综采工作面6月11日至7月31日的统计结果分析，得出观测期间工作面日开机率分布如图 3 1所示。工作面日平均开机率为70.5%，大致可分为两个阶段：第一阶段为工作面推进至245.7m，该阶段平均开机率为64.5％，属于设备磨合期；第二阶段为工作面推进245.7～398.6m，该阶段平均开机率为81.6%，工作面装备已度过磨合期，发挥了正常生产能力。
3.2工作面系统单元故障因素分析
根据系统可靠性理论，将试验工作面生产系统分为以下七个系统单元：外部运输系统单元、内部运输系统单元、液压支架单元、采煤机单元、供电系统单元、大块引起的运输故障单元及其它单元。
以一天正常生产3个班，每班工作6小时，共计1080分钟作为每天生产总时间，通过对51天（153个生产班）观测数据的整理，分析得出系统各单元的故障时间占总时间的比例。如表 3 2所示，外运系统故障时间最多，占总时间的34.2%，平均每班影响时间为32.08分钟；内运系统故障时间占总时间的30.9%，平均每班影响时间28.92分钟。
⑴ 内运系统故障分析
内运系统主要包括运输顺槽二部、三部皮带，刮板输送机，除铁器，转载机、破碎机以及其它因素等。内运系统各单元故障时间分布如表 3 3所示。
在工作面初采期间，受顺槽坡度的影响，当运煤量较大时，顺槽二部、三部皮带经常出现“溜坡”现象，当工作面推进至85.7m之前，平均每个采煤班发生“溜坡”故障时间为58.3分钟；另外，顺槽皮带经常出现张紧，打滑等故障。经过厂家的仔细诊断，将部分顺槽皮带的托辊更换为托板，以增加皮带的摩擦力。改进后，顺槽皮带的故障时间有了大幅度的减少，平均每采煤班影响时间为6分钟。改造后内运系统故障因素分析见表 3 4。
刮板输送机故障时间不多，主要是刮板链和齿条销故障。转载机和破碎机主要是机组接地故障。
⑵ 外运系统故障分析
外运系统故障时间分析见表 3 5。
在工作面推进至85.7m之前，东胶皮带故障时间占外运系统故障时间的50％，其主要故障原因是制动装置、硫化接头管理问题、运量过载以及大块煤堵卡问题。为保证外运系统的安全稳定运行，矿领导组织相关专家进行诊断、研究和探讨，制定了十项东胶皮带改进措施：一是规定了“急停方式”停车的使用范围；二是对东胶皮带上煤量实现可控上煤；三是恢复东胶皮带中部、机尾制动装置；四是对皮带加装计量装置；五是对东胶皮带机头螺旋溜槽进行加宽改造；六是增加一套适用的皮带在线监测系统；七是对东胶落煤点缓冲装置进行改造；八是在掘进队增加破碎机；九是对东胶皮带硫化接头实现按号管理；定期监测，定期更换，建档分析；十是对东胶皮带进行逐步更换。观测表明，改进后东胶皮带的故障时间占整个外运系统故障时间的21.9％。
改造后的东胶皮带占整个外运系统的比例由改造前的50%降为21.9%，效果显著。为提高整个外运系统的安全稳定运行，建议对一部皮带进行改造。
一部皮带故障分析见表 3 6，其中机械故障占55.7%，平均每班故障时间为5.95分钟，主要是钢丝绳断、皮带开口、托辊脱以及重锤掉落等故障；电气故障占6.1%，平均每班影响时间为0.65分钟，主要是皮带负荷大，引起顶闸。
⑶ 支架故障因素分析
工作面使用ZY9400/28/62型支撑掩护式液压支架112架，ZYG9400/25.5/55型过渡架8架，ZYGT9400/25.5/55过渡架2架，ZYT9400/25.5/55端头架8架。支架最大端面距590mm，设计工作阻力9400kN，初撑力7140kN。
工作面支架自安装之日起即出现平衡千斤顶漏液情况，但是不太严重；基本顶来压时，漏液更加严重，所有支架平衡千斤顶漏液，移架时支架下面象“下雨”一样。观测期间，支架共更换电液控制阀及截止阀64块，36根液压管，4块立柱单向阀密封圈。
在工作面开采初期，经常由于害怕割到顶梁而达不到设计采高5.2m。分析可能原因有四个：第一，底板不平，刮板输送机机面不平，当采煤机机身向采空区侧倾斜时，滚筒容易割顶梁；第二，支架有低头现象，支架低头也易割顶梁；第三，刮板输送机弯曲段长度太短，采煤机在弯曲段进刀割煤时，也容易割顶梁；第四，支架设计梁端距较短。实际观测过程中发现，工作面较多地段出现采高受到限制问题，因此排除刮板输送机弯曲段过短的原因；同时，采煤机在很多情况下已经卧底开采，因此底板不平原因也可以排除。所以采高受到限制的可能原因有两个，第一，支架有低头现象；第二，设计梁端距较短。解决方法就是支架顶梁保持3～5°仰角，增加支架的梁端距。
⑷ 采煤机故障分析
本工作面使用德国艾科夫SL-500采煤机，其故障因素分析见表 3 7。本单元中，采煤机左变压器发生两次故障，耽误时间共计659分钟；其余故障均为水压低或者无水以电缆故障，电缆及水压故障占采煤机总故障时间的63.6%。
⑸ 供电系统故障分析
供电系统故障时间不多，占总时间的2.7%。观测期间，放负荷中心出现一次故障，影响时间为190分钟。其余故障基本都是高开以及变电所跳闸，工作面闭锁等故障，影响时间较短。
⑹ 大块煤引起的故障分析
通过对观测数据的整理、分析，得到如表 3 8所示的大块煤引起的故障时间分析表。
当工作面推进到124m和397.4m的时候，故障时间分别达到两次峰值，但是故障时间最长的并不是支架工作阻力最大的，而是在支架工作阻力最大值之后的几天里，即20～30m之后故障时间达到最大值。其原因主要是工作面来压时，超前支承压力增加，工作面前方超前支承压力影响范围内的煤体受到高支承压力压缩后，导致裂隙发育，当工作面推进到此处时，片帮增多，大块块度增加，导致运输系统故障时间大幅度增加。
⑺ 瓦斯故障分析
瓦斯故障时间占总故障时间的1.2%。观测期间，共发生瓦斯超限引起的断电故障3次，累计19分钟；其余主要故障为探头浅脱以及显示故障等，其中影响最长的一次为50分钟。
4 小结
建设高产高效矿井要把采煤工作面放在优先地位。采煤工作面要在优化工作面设计、加强劳动组织和技术管理的基础上,重点抓好设备的维护与保养,大力增强系统的可靠性,努力改善设备性能,减少故障,提高开机率,确保高产高效的实现。提高工作面系统可靠性有利于提高工作面单产水平和回采工效,实现均衡生产,减少用工和降低生产成本,提高企业经济效益。
参考文献:
[1]徐永圻.采矿学[M].中国矿业大学出版社.2003：215-216.
[2]陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.
[3]孙钧.地下工程设计与实践[M].上海:上海科学技术出版社.1996.
作者简介：
郝全明（1957——），男，教授，硕士生导师。从教三十年，主要以本科教学、研究生教学为主，兼科研工作。