摘 要：大采高综采面生产能力大，回采率高，安全条件和经济效益好，是目前厚煤层开发技术的主要方向。本文采用可靠性统计学算法对白龙煤矿大采高综采设备的可靠性进行研究，结果表明：综采面生产设备的系统有效度较低，主要原因为采煤机和煤外流系统故障时间较长。采煤机和运载机失效的主要原因为机械故障，而刮板机失效的主要原因为电气原因。
关键词：大采高综采；设备可靠性；有效度
引言
大采高综合机械化开采是指综采工作面采煤机割煤高度大于3.5m[1]。目前大采高综采工作面最大支架高度在国外已达6m，我国最大设计高度为5.5m[2]。与分层开采相比，简化了巷道布置，减少了吨煤巷道掘进和维护量，有利于提高工作面产量及效率。与综采放顶煤开采相比，系统简单，设备少，没有拉后溜及放煤工序，有利于工作面的管理[3]。
高产高效大采高综采工作面生产能力大、回采率高、安全条件和经济效益好，是目前国内外厚煤层开采技术的主要发展方向之一，其优势使得在国内外被广泛采用。
国外大采高开采技术的研究始于20 世纪70 年代中期，1980 年前西德赫母夏特公司开发出G550－22／60 掩护式支架，最大高度为6 m，在威斯特伐伦矿使用，取得成功[4]。该支架曾出口到南斯拉夫的Veleng 矿，取得了良好成果。20 世纪70 年代末，波兰设计开发了P10MA 系列两柱掩护式大采高支架，高度为2.4~4.7 m， 也取得了较好的使用效果[5]。美国1983 年开始在怀俄明州卡邦县1 号矿用长壁大采高综采开采HananaN0.80 厚煤层，采高达4.5~4.7 m，取得单班生产日产量3 600 t， 两班生产日产量5 000 t，三班生产日产量6 200 t，工作面工效达210 t／工~360 t／工，实现了高产高效。另外法国、南非、澳大利亚等主要产煤国都进行了大采高综采实验并取得了成功[6]。澳大利亚有大量厚度4 m 以上的厚煤层，由于埋藏浅主要用露天开采方法[7]。近年来，随着露天开采的经济合理剥采比的限制和地下长壁开采技术的进步，厚煤层的地下开采方法逐步受到重视[8]。从20 世纪80 年代开始， 澳大利亚开始研究和发展大采高开采方法，但主要是针对厚度为4~4.5 m 的煤层。在澳大利亚认为大采高极限高度是6 m[9]。
一、设备可靠性分析原理
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。
设备的性能指标标志设备的技术水平，而可靠性指标标志着设备的质量水平。设备的其它性能好而可靠性差也使其技术水平发挥不出来，因此质量与可靠性是密切相关的。
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。总费用最低处的可靠度为最优。
矿山生产系统是多工序、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，因而存在大量影响生产的随机因素，致使设备常出现问题。因此，对设备出现故障影响生产做出评价是一个非常重要的过程。
对设备的故障失效评价采用系统有效度表示。通过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[10]。在此基础上计算综放工作面设备系统有效度A。
二、设备可靠性分析
1，样本采集。综采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。在305工作面生产班连续对各单元环节故障进行统计，统计时间为2个月。
2.可靠性测试。根据有关公式计算的大采高工作面生产系统设备可靠性参数如表1所示。
表1是各设备总故障时间的统计表，由此计算得出系统的有效度为 。
系统的有效度较低，主要问题是由于采煤机、煤外流系统有效度低下造成的。
表2为各生产设备故障时间和所占比例。工作面全部设备和工作单元故障总时间为426.4h，开机率为55.4%，停机率为44.6%。从表2中可以看出，外运系统故障时间最长，达到了160.3h，占到总故障时间的37.5%；其次是采煤机故障时间达到了99.3h，占到总故障时间的23.2%。
表1大采高工作面生产系统设备可靠性参数
单元平均无故障时间/min平均故障时间/min故障率λ/次•min-1平均维修率μ/次•min-1有效度Ak
支架3607560.0002770.0178570.9847
采煤机3301200.003030.0083330.7333
刮板输送机5893890.000170.0112360.9851
转载机23021120.0004340.0089290.9536
破碎机4236900.0002360.0111110.9792
皮带输送机1132450.0008830.0222220.9618
供电4526320.0002210.031250.9930
泵站----1.0000
煤外流系统2101120.0047620.0089290.6522
供水、热水、通风6234340.000160.0294120.9946
表2 各生产设备故障时间和所占比例统计表
单元采煤机支架刮板输送机转载机破碎机泵站顺槽皮带供电通风与瓦斯煤外流系统其它因素
时间/h99.36.310.260.86.7035.830.24.3160.312.5
比例%23.21.52.414.21.60.08.47.11.037.52.9
为了确定生产系统有效度低的主要原因，我们对故障率高的设备进行系统研究。
（1）采煤机。采煤机是煤矿最重要的设备之一，如果采煤机出现故障，整个系统将无法生产，因此采煤机是否可靠决定整个矿井是否能够实现高产高效的关键因素。白龙煤矿选用了西安煤机厂的MG-500/1130－3.3交流变频电牵引采煤机。采煤机影响因素可以细分为：机械故障、电气故障、供电系统故障、其他故障。
从有关资料中可以看出，在采煤机故障因素中，机械故障为主要因素，占到采煤机故障时间的37%，其次为电气故障占到了23%，供电系统故障为15%。采煤机主要故障发生在开采初期，主要原因是2号煤层硬度较大，需要经常更换破损的采煤机滚筒截齿。
（2）液压支架。在整个观测期间，支架出现的问题较少，故障时间只有6.3个小时，占总故障时间的1.5%，但在初采期间因高压胶管经常破裂，也对工作面生产有一定的影响，但在更换高压胶管后，支架很少影响工作面生产。但在生产过程中，也发生过立柱和推移千斤顶损坏，但都没有对生产有较大的影响。
（3）刮板输送机。刮板输送机是煤炭运输系统的第一个环节，刮板输送机如发生故障，整个系统将无法运行。白龙煤矿选用的是西北奔牛集团的SGZ-960/800刮板输送机，其故障单元细分为机械、电气、供电系统及其他等四个故障子单元，在刮板输送机故障单元中，机械故障占到了34%，电气故障占到了42.0%，供电系统故障占到了19%，其他因素占5%。
（4）转载机。转载机是运输系统的一个重要环节，白龙煤矿选用的是西北奔牛集团的SZZ-960/250转载机。在观测期间，转载机故障共60.8小时。刮板输送机故障单元细分为机械、电气、供电系统及其他等四个故障子单元，统计结果如表5所示，在转载机故障单元中，机械故障占到了48%，电气故障占到了18%，供电系统故障占到了22%，其他因素占12%。
（5）煤外流系统。煤外流系统包括下山皮带、大巷皮带、主井皮带、井上皮带四个环节，煤外流系统是主要制约矿井产量的一个环节，是矿井生产的瓶颈。煤外流系统故障时间共160.3h，占到整个系统故障时间的37.5%。煤外流系统中影响矿井生产最多的是主井皮带。因白龙煤矿还有炮采工作面和掘进工作面，所有井下生产的煤都要通过主井皮带运输到地面。因此，当炮采面、掘进面、综采面同时生产出煤时，煤的流量太大，主井皮带的运输能力满足不了三个工作面同时生产的能力。要想提高矿井的生产能力，需对主井皮带进行改造。
三、结论
可靠性统计学算法可以对大采高综采设备的可靠性进行有效地分析。1) 采掘系统设备的有效度较低，主要问题是由于采煤机、煤外流系统有效度低下造成的。2）采煤机和运载机的失效原因主要为机械故障，分别占故障时间的37%和。3）刮板机失效的主要原因为电气原因占故障时间的42%，机械故障原因其次。4）液压支架工作可靠性较高，故障时间占总工作时间的1.5%。
参考文献：
. 河北煤炭2003,3: 9-10
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