放頂煤綜采工作面人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)可靠性研究

放頂煤綜采工作面人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)可靠性研究

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)對(duì)全面開(kāi)采生產(chǎn)系統(tǒng)的依賴(lài)性進(jìn)行了大量研究，取得了許多成果。近年來(lái)，對(duì)整個(gè)開(kāi)采工作場(chǎng)所的人類(lèi)-機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了可靠性研究，但對(duì)全球煤炭開(kāi)采的人類(lèi)-機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的依賴(lài)性研究很少。放頂煤綜采投入大、設(shè)備多、生產(chǎn)能力高,因而對(duì)設(shè)備、環(huán)境及生產(chǎn)人員的要求更高,對(duì)其可靠性的研究顯得尤為重要。為此,本文利用系統(tǒng)可靠性、灰色系統(tǒng)理論和模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)放頂煤綜采工作面人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行探討。1綜合采獲區(qū)的人-機(jī)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)放頂煤綜采工作面人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)包括設(shè)備、環(huán)境和人3個(gè)子系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2串聯(lián)系統(tǒng)的失效概率工作面采用雙輸送機(jī)、放煤和割煤平行作業(yè)的工藝系統(tǒng)的設(shè)備子系統(tǒng)的可靠性框圖如圖2所示。將①和②組成的串聯(lián)系統(tǒng)看作單元1,③看作單元2,④至⑨組成的串聯(lián)系統(tǒng)看作單元3,則利用馬爾可夫過(guò)程求狀態(tài)概率的方法,可求得3個(gè)單元都正常的概率x0,單元2和3正常、單元1故障的概率x1,以及單元1和3正常、單元2故障的概率x2。割煤系統(tǒng)設(shè)備可用度Ag1=x0+x2,放煤系統(tǒng)設(shè)備可用度Af13馬爾可夫,或放頂煤工作面地質(zhì)環(huán)境好,工作面放頂煤工作面地質(zhì)環(huán)境好,工作面壓工作面環(huán)境主要指影響工作面生產(chǎn)的地質(zhì)環(huán)境和作業(yè)環(huán)境。工作面作業(yè)環(huán)境主要影響生產(chǎn)人員的可靠性,這將在第4部分討論。放頂煤工作面地質(zhì)環(huán)境的好壞,它對(duì)工作面生產(chǎn)的影響程度如何,這些都具有模糊性,利用馬爾可夫過(guò)程求狀態(tài)概率的方法難以得到其可用度。但可用模糊數(shù)學(xué)方法和灰色系統(tǒng)理論對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上研究它的可靠性。3.1地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)3.1.1軟煤對(duì)放煤工藝的影響工作面地質(zhì)環(huán)境定性因素的隸屬度見(jiàn)表1,其中煤層節(jié)理裂隙發(fā)育程度的隸屬度只對(duì)放煤工藝起作用。緩傾斜、傾斜煤層放頂煤煤層傾角c4的隸屬函數(shù)構(gòu)造為μ(c4)={1c4≤8(35-c4)/278<c4≤350c4>35μ(c4)=?????1(35?c4)/270c4≤88<c4≤35c4>35煤層硬度適中,割煤容易,但對(duì)放煤工藝,軟煤卻是有利的。因此,煤層硬度(堅(jiān)固性系數(shù)用c5表示)對(duì)割煤、放煤工藝的隸屬函數(shù)可分別構(gòu)造為μg、μfμg(c5)={0c5≤0.5c5-0.50.5<c5≤1.511.5<c5≤2.52-0.4c52.5<c5≤5.00c5>5.0μf(c5)={2c5c5≤0.510.5<c5≤1.01.5-0.5c51.0<c5≤3.00c5>3.0μg(c5)=???????????????0c5?0.512?0.4c50c5≤0.50.5<c5≤1.51.5<c5≤2.52.5<c5≤5.0c5>5.0μf(c5)=???????????2c511.5?0.5c50c5≤0.50.5<c5≤1.01.0<c5≤3.0c5>3.0夾矸系數(shù)c7(煤層中矸石厚度與煤層總厚之比)的隸屬函數(shù)構(gòu)造為μ(c7)={1c7≤0.041.25-6.25c70.04<c7≤0.20c7>0.2μ(c7)=?????11.25?6.25c70c7≤0.040.04<c7≤0.2c7>0.23.1.2放頂煤綜采工作面影響因素權(quán)值分布表因?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境各因素對(duì)割煤和放煤工藝的影響程度不一樣,所以同一因素對(duì)兩者的影響權(quán)值并不相等,由專(zhuān)家及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員綜合確定的權(quán)值見(jiàn)表2,表中權(quán)值對(duì)放頂煤綜采工作面具有普遍適用性。3.1.3從權(quán)值的角度計(jì)算采用灰色統(tǒng)計(jì)方法建立工作面地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)模型。令V={V1,V2,V3,V4,V5}={好,較好,一般,較差,差}為評(píng)價(jià)灰類(lèi),對(duì)應(yīng)Vk(k=1,2,…,5)有圖3所示的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù),圖中fk為隸屬度μ(ci)屬于第k類(lèi)評(píng)價(jià)的值。地質(zhì)環(huán)境屬于第k類(lèi)評(píng)價(jià)的灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)Ek為Ek=8∑i=1fk(μ(ci))WiEk=∑i=18fk(μ(ci))Wi式中fk(μ(ci))——待評(píng)價(jià)工作面地質(zhì)環(huán)境因素的隸屬度μ(ci)通過(guò)評(píng)價(jià)灰類(lèi)的第k個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)查得的值;Wi——第i指標(biāo)的權(quán)值。地質(zhì)環(huán)境灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)E為E=5∑k=1EkE=∑k=15Ek地質(zhì)環(huán)境屬于第k類(lèi)評(píng)價(jià)的灰色數(shù)bk為bk=Ek/Ebk=Ek/E待評(píng)價(jià)工作面地質(zhì)環(huán)境從屬于評(píng)價(jià)灰類(lèi)V1、V2、V3、V4、V5的權(quán)值向量B為B=(b1,b2,b3,b4,b5)B=(b1,b2,b3,b4,b5)由于割煤系統(tǒng)與放煤系統(tǒng)的μ(ci)、Wi存在差異,因此,其地質(zhì)環(huán)境從屬于評(píng)價(jià)灰類(lèi)的權(quán)值向量Bg、Bf不同。由上述評(píng)價(jià)模型可得Bg=(bg1?bg2?bg3?bg4?bg5)Bf=(bf1?bf2?bf3?bf4?bf5)3.2地質(zhì)環(huán)境子系統(tǒng)用1.0、0.8、0.6、0.4、0.2分別表示工作面地質(zhì)環(huán)境好、較好、一般、較差、差的可用度,則割煤系統(tǒng)、放煤系統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境子系統(tǒng)的可用度Ag2、Af2分別為Ag2=1.0bg1+0.8bg2+0.6bg3+0.4bg4+0.2bg5Af2=1.0bf1+0.8bf2+0.6bf3+0.4bf4+0.2bf54工作面微氣候隸屬度影響人子系統(tǒng)的可靠性包括兩方面,一是工作面作業(yè)環(huán)境,二是工作面生產(chǎn)人員的素質(zhì)。人子系統(tǒng)的可用度與地質(zhì)環(huán)境子系統(tǒng)的可用度的求解方法相同。工作面溫度t、風(fēng)速v的隸屬函數(shù)μ(t)、μ(v)分別構(gòu)造為μ(t)={0t≤5(t-5)/135<t≤18118<t≤22(31-t)/922<t≤310t>31μ(v)={0v≤0.12.5(v-0.1)0.1<v≤0.510.5<v≤1.5(6-v)/4.51.5<v≤6.00v>6.0工作面濕度對(duì)人的作業(yè)可靠性影響比溫度和風(fēng)速要小,因此,工作面微氣候的隸屬度為μ=min{μ(t),μ(v)}工作面照明、噪聲、煤塵的隸度函數(shù)μ(e)、μ(z)、μ(q)分別構(gòu)造為μ(e)={0e≤50(e-50)/6050<e≤1101e>110μ(z)={1z≤60(120-z)/6060<z≤1200z>120μ(q)={1q≤10(100-q)/9010<q≤1000q>100式中e——照度,lx;z——噪聲強(qiáng)度,dB(A);q——煤塵濃度,mg/m3。工作面生產(chǎn)人員的技術(shù)素質(zhì)、心理素質(zhì)、敬業(yè)精神分為高(強(qiáng))、一般、低(差)、很低(很差)4檔,其隸屬度分別為1.0、0.7、0.4、0.1。工作面作業(yè)環(huán)境及生產(chǎn)人員素質(zhì)的權(quán)值分配為W=(0.24,0.15,0.15,0.11,0.17,0.10,0.08)仿照3.1.3節(jié)可得B=(b1,b2,b3,b4,b5)由于工作面作業(yè)環(huán)境及生產(chǎn)人員素質(zhì)對(duì)割煤系統(tǒng)和放煤系統(tǒng)的影響基本相同,因此,人子系統(tǒng)的可用度為A3=1.0b1+0.8b2+0.6b3+0.4b4+0.2b55ag、放煤系統(tǒng)用度放頂煤綜采工作面人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)由設(shè)備、環(huán)境和人3個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)而成,其割煤系統(tǒng)可用度Ag、放煤系統(tǒng)可用度Af分別為Ag=(1Ag1+1Ag2+1A3-2)-1Af=(1Af1+1Af2+1A3-2)-16技術(shù)素質(zhì)高某放頂煤綜采工作面的設(shè)備故障率、修復(fù)率見(jiàn)表3,環(huán)境條件見(jiàn)表4,工作面生產(chǎn)人員的技術(shù)素質(zhì)高,心理素質(zhì)及敬業(yè)精神一般。將這些數(shù)據(jù)代入上述有關(guān)公式計(jì)算可得割煤系統(tǒng)、放煤系統(tǒng)可用度分別為Ag=0.508；Af=0.517由計(jì)算結(jié)果可知,割煤系統(tǒng)可用度Ag低于放煤系統(tǒng)可用度Af,這主要