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1、硕士学位论文 快速掘进作业人员调度方法及应用研究 Study on the Method and Application of Rapid Excavation Schedule Personal 作 者 ： 孔 群 导 师 ：陆 刚 副 教 授 中国矿业大学 二一六年五月 中图分类号 TD2.U692.4+3 学校代码 10290 UDC 622.2 _ 密 级 公开 肀逾矿此太 # 硕士学位论文 快速掘进作业人员调度方法及应用研究 Study on the Method and Application of Rapid Excavation Schedule Personal 二一六年五月
2、 作 者 孔群 导 师 陆刚 _ 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 管理科学与工程 研究方向 工业工程 _ 答辩委员会主席 李乃梁 评阅人 _ 论文审阅认定书 研究生 孔群 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学 位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论 文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送 专家评审。 导师签字： 年月 曰 在呈交毕业论文之际首先献上对我导师陆刚副教授的深深谢意！ 本文是在陆刚老师的悉心指导下完成的，在论文选题、研究方向、论文数据 收集以及后期修改等
3、各个环节中，导师都提供了大量的帮助，付出宝贵的时间和 精力。导师不仅在学术研究中给我极大的帮助，同时，导师更加注重为人处世的 教导，做学术，先做人。导师谦逊、真诚的性格是我学习的榜样，从导师身上学 到的做人的道理让我终身受益。 特别感谢永煤集团城郊煤矿生产科刘科长提供的相关工程资料，以及在工程 实践过程中提供的现场协助与支持。同时感谢掘进队冀帅技术员在井下收集资料 过程中详细的讲解和帮助，使得工作进展的很顺利。 感谢课题组 杨铭、薪波硕士在现场观测过程中付出的辛勤劳动，感谢薛晓琳 硕士、孟幻硕士、张晓磊硕士、阮光亮硕士等在论文写作中给予的帮助和建议。 感谢陈振伟、曾旭、史德强等师弟在生活和学习
4、中的陪伴与帮助，让我度过 了 一个快乐而有意义的研究生阶段。 感谢父母的养育之恩，父母对自己的付出必定铭记于心。衷心祝福他们幸福 安康！ 最后感谢在百忙之中评审论文并提出宝贵意见的各位专家！由于作者水平有 限，文中难免有错误和纰漏之处，衷心恳求各位专家、教授给予批评指正！ 摘要 巷道掘进是保障煤炭安全高效开采的重要前提，且巷道掘进多选用功率大、 性能高、可靠性强的机械设备。存在着掘进作业线作业人员配置不合理与生产调 度效率低的现象，制约着巷道掘进效率的进一步提升，可见，合理的作业人员配 置有助于提升掘进效率，对加快安全、高效生产矿井的建设有着重要的意义。 考虑到影响煤矿巷道安全、快速掘进的因素
5、，依据矿业安全工程进行作业规 程分析，结合工业工程作业研究，分析作业流程，制定适合掘进作业线的人机配 置，建立以关键路径时间最短为前提，对作业人员进行资源均衡优化的人员调度 分析模型，梳理并行工序并进行资源均衡优化，以期达到作业时间最短，人力资 源均衡消耗条件下的最优人员配置。主要研究以下内容： (1) 掘进作业人机关系 针对不同煤层的地质构造，依据煤矿安全生产规程，分析相应的开掘作业方 式和工艺布局，在不同顶板围 :稳定性的情况下，考虑合理的支护方式，归纳不 同巷道掘进方式的优缺点，提出匹配的掘进作业人机配置。 (2) 作业调度模型 在分析掘进作业人机关系的基础上，研究作业组织形式、作业流程
6、及作业循 环时间与单位作业工时，从工时分析入手，以小样本预测总体，标定作业任务量， 分析人员配置的典型问 题，建立作业调度模型。 (3) 最优人机配置求解 以上的分析为基础，结合 MATLAB仿真算法求解，分析不同人员配置下的 关键路径时间，以最短作业时间为基础，运用并行工程优化方法和资源均衡化方 法对快速掘进作业人员配置进行优化，并结合案例应用，对作业调度模型进行验 证与分析。 该论文有图 28幅，表 22个，参考文献 57篇。 关键词：快速掘进、人员调度、资源约束、关键路径 Abstract Excavation for coal roadway is the important prec
7、ondition for ensuring safe and efficient mining of coal, and excavation for roadway most choose mechanical equipment with high-power, high performance and strong reliability. There are the phenomenon of unreasonable homework personnel configuration of driving line and low efficiency of production sc
8、heduling. That restricts the further efficiency improving of the excavation for roadway. So the reasonable assignment of personnel are good at improving tunneling efficiency. That has important significance.!:。 accelerate the construction of safe and efficient production of the mine. Considering the
9、 influence factors of safety and rapid excavation, analysis the operation procedures according to mining safety engineering, analysis process combined with operations research of industrial engineering, making the man-machine configuration suitable for driving line, establish the resources leveling
10、optimize model based on the shortest critical path time. Combing the parallel process and resources leveling optimize in order to achieve optimal placement under the condition of the shortest critical path time and the best resources leveling. The main research content below ： (1) Man-machine relati
11、onship of excavation work Aiming at different geological structure of coal seam, according to the coal mine safety production procedures, analysis of the corresponding cutting operation mode and process layout, considering reasonable supporting method under different roof conditions of the stability
12、 of surrounding rock. Summaring the advantages and disadvantages of different ways of excavation for coal, putting forward matching man-machine configuration. (2) Task scheduling model On the basis of the analysis of excavation work man-machine relationship, research on operation organization form,
13、operation process and the cycle time of unit work. Start with the analysis of working time, to predict the overall by small sample, calibration tasks of job. Analysis of the typical problems of personnel allocation and establish job scheduling model. (3) The optimal man-machine configuration solutio
14、n From the above analysis as the foundation, combined with MATLAB simulation algorithm, analysis of critical path time under different placement, Using concurrent engineering and resources leveling optimise personnel allocation method of rapid m excavation for coal roadway based on the shortest oper
15、ation time. And combine with case application, validation and analysis, the job scheduling model. This paper has together 28 figures, 22tables and 57 references quoted. Keywords: rapid tunneling, personnel scheduling , RCPSP , the critical path 目录 W . I 录 . V 图清单 . IX 葡青 $ . XI 1親 . 1 1.1研究背景 . 1 1.
16、2研究意义 . 3 国内外相关研究综述 . 3 1.4研究内容及技术路线 . 10 2煤巷快速掘进作业人机关系分析 . 12 2.1煤巷快速掘进工艺 . 12 2.2巷道快速掘进方式分类 . 15 2.3综掘工作面人机关系 . 18 2.4本章小结 . 29 3快速掘进作业人员配置典型问题 . 31 3.1综掘作业线及其作业工序 . 31 3.2工序作业任务量研究 . 34 3.3快速掘进作业调度问题的模型构建 . 40 3.4本章小结 . 44 4案例应用 . 45 4.1背景介绍 . 45 4.2作业流程程序分析 . 47 4.3综掘工作面各作业工序时间测定 . 49 4.4求解最优人员配
17、置 . 52 4.5本章小结 . 56 5结论与展望 . 59 5.1 会吉 . 59 5.2 廳 . 59 参考文献 . 61 作者简历 . 64 学位论文原创性声明 . 65 学位论文数据集 . 66 Contents Abstract . Ill Contents . VII List of Figures . IX List of Tables . XI 1 Introduction . 1 1.1 Research Background . 1 1.2 Research Significance . 3 1.3 Review of Research Status . 3 1.4 Re
18、search Contents and Technical route . 10 2 The Human-machine Relationship Analysis of Rapid Excavation Work . 12 2.1 Rapid Excavation Work Process . 12 2.2 Classification of Rapid Excavation of Roadway . 15 2.3 The Human-machine Relationship of Excavation Face . 18 2.4 Chapter Summary . 29 3 The Typ
19、ical Staffing Problem of Rapid Excavation Work . 31 3.1 Excavation Line and Process . 31 3.2 Research on Task Quantity of Working Procedure . 34 3.3 Building the Scheduling Model of Rapid Excavation Work . 40 3.4 Chapter Summary . 44 4 Case Application . 45 4.1 The Introduction for Background . 45 4
20、.2 Process Analysis of Program . 47 4.3 Time Measurement Processes on Excavation Face . 49 4.4 Solving Optimal Personnel allocation . 52 4.5 Chapter Summary . 56 5 Conclusions and Prospects . 59 5.1 Conclusions . 59 5.2 Prospects . 59 References . 61 vn Authors Resume . 64 Declaration of Thesis Orig
21、inality . 65 Thesis Data Collection. 66 vm 图清单 图序号 图名称 页码 图 1-1 原国有重点煤矿综采、综掘水平统计 2 Figure 1-1 The comparison of fully mechanized mining and fully mechanization excavation from the original state key coal mines 2 图 1-2 技术路线图 11 Figure 1-2 Technical Route 11 图 2-1 断面形状 13 Figure 2-1 The section shape
22、13 图 2-2 不同破碎程度的破碎顶板 15 Figure 2-2 Different Fragmentation degree of the broken roof 15 图 2-3 悬臂式综掘机作业线 16 Figure 2-3 Digging machine production line 16 图 2-4 连续采煤机设备生产线 17 Figure 2-4 Continuous mining machine production line 17 图 2-5 EBZ160掘进机 19 Figure 2-5 Digging machine of EBZ160 19 图 2-6 转载机 20
23、 Figure 2-6 Transfer machine 20 图 2-7 可仲缩带式输送机 20 Figure 2-7 Extensible belt conveyor 20 图 2-8 掘进巷道支护作业平台总体结构 21 Figure 2-8 Roadway supporting operation platform overall structure 21 图 2-9 手持式锚杆钻机图 21 Figure 2-9 Handheld jumbolter 21 图 2-10 人在操作活动中的基本功能示意图 25 Figure 2-10 Peoples basic function in th
24、e operating activities 25 图 3-1 综掘正规循环作业图 34 Figure 3-1 The target of human-machine relationship 34 图 3-2 作业任务量确定思路 35 Figure 3-2 The planning of homework assignment 35 图 3-3 总工时消耗 37 Figure 3-3 The composition of total productive hours 37 图 3-4 多机作业时工作面风水管路空间布置 41 Figure 3-4 The pipeline layout of
25、more machine operate 41 图 4-1 巷道支护断面图 46 Figure 4-1 Section of roadway support 46 图 4-2 锚带索巷道断面侧视 -俯视图 47 Figure 4-2 Roadway section side view and top view 47 图 4-3 施工工艺流程 47 Figure 4-3 The construction process 47 图 4-4 循环进尺 1800mm运行结果 52 Figure 4-4 The results of circulation footage in 1800mm 52 图
26、4-5 循环进尺 2700mm运行结果（单排锚索） 53 Figure 4-5 The results of circulation footage in 1800mm at single anchor cable 53 图 4-6 循环进尺 2700mm运行结果（双排锚索） 53 Figure 4-6 The results of circulation footage in 1800mm at double anchor cable 53 图 4-7 掘进作业流程并行优化 55 Figure 4-7 Parallel optimization of tunneling process 55
27、 图 4-8 初始时标网络图 （ 1800mm) 57 Figure 4-8 Primary time coordinate network in 1800mm 57 图 4-9 均衡化网络图 （ 1800mm) 57 Figure 4-9 Resources leveling coordinate network in 1800mm 57 图 4-10 均衡化网络图 （ 2700mm)单排锚索 58 Figure 4-10 Resources leveling coordinate network in 2700mm at single anchor cable 58 图 4-11 均衡化网
28、络图 （ 2700mm)双排锚索 58 Figure 4-11 Figure 4-11 Resources leveling coordinate network in 2700mm at double anchor cable 58 表清单 表序号 表名称 页码 表 1-1 常见目标函数 9 Table 1-1 The command objective function 9 表 2-1 2006-2011年煤矿事故次数和死亡人数 14 Table 2-1 The number of coal mine accidents and deaths between 2006 and 2011 1
29、4 表 2-2 英国顶板分类方案 14 Table 2-2 Roof Classification Program of England 14 表 2-3 煤巷顶板类型划分 14 Table 2-3 Classification of roadway roof coal 14 表 2-4 连续采煤机掘进作业线设备 17 Table 2-4 The working line equipment of continuous mining machine 17 表 2-5 掘锚机组掘进作业线设备 18 Table 2-5 The machines of digging anchor unit 18
30、表 2-6 机器设备配备表 18 Table 2-6 The equipment status of machines 18 表 2-7 人员配备表 22 Table 2-7 The staffing table 22 表 2-8 掘进阶段人机匹配要素分析 27 Table 2-8 Analysis of human machine matching factors in heading stage 27 表 2-9 运煤阶段人机匹配分析 28 Table 2-9 Analysis of human machine matching factors in transporting coal s
31、tage 28 表 2-10 支护环节人机匹配要素分析表 29 Table 2-10 Analysis of human machine matching factors in support stage 29 表 3-1 工时测量表 39 Table 3-1 The table of productive hours measurement 39 表 4-1 人员配备表 45 Table 4-1 The table of staffing 45 表 4-2 正规循环作业图表（循环进尺 1800mm) 48 Table 4-2 The normal circulation work table
32、 in 1800mm 48 表 4-3 正规循环作业图表（循环进尺 2700mm) 48 Table 4-3 The normal circulation work table in 2700mm 48 表 4-4 表 4-4上帮锚杆安装时间统计 49 Table 4-4 Table 4-4 Install up side anchor time statistics 49 表 4-5 工序作业任务量 50 Table 4-5 The tasks of process operation 50 表 4-6 工序作业任务量及执行人数 （ 1800mm) 51 Table 4-6 The task
33、s and staffs of process operation in 1800mm 51 表 4-7 工序作业任务量及执行人数 （ 2700mm) 51 Table 4-7 The tasks and staffs of process operation in 2700mm 51 表 4-8 支护工人员配置 54 Table 4-8 The staffing of support work 54 表 4-9 主要技术经济指标表 54 Table 4-9 Main technical and economic indicators 54 xn 1绪论 1 Introduction 1.1
34、研究背景 （ Research Background) 煤炭开采是一项复杂的系统工程，注重各环节，各子系统间的相互匹配性。 其中，回采与掘进是最主要的子系统，巷道掘进是对回采顺利实施的重要保证， 因此，巷道掘进速度必须满足回采速度对矿井煤炭准备储量的客观要求，进而确 保煤炭的持续生产。在我国已出现了年产数百万吨级、甚至千万吨级的超级工作 面 1，这对回采巷道的掘进速度提出了更高的要求，致使巷道快速掘进技术成为 煤矿高效化、集约化生产的共性需求及关键技术。目前，我国在与综合机械化采 煤相关的 “ 三机 ” 配套、设备稳定性、采煤工艺等方面的研究和应用都取得了很大 的进步，但快速掘进作业人员调度仍
35、存在不合理的地方，根据经验进行人员配置 岗位的现象普遍，导致作业人员作业效率低、忙闲不均；在全国范围内，综采工 作面已经广泛的普及应用，综采产煤量在煤炭总产量中占有绝对的主导地位，这 使得和回采紧密联系的巷道掘进作业发挥着越来越重要的作用。只有在井下复杂 的环境中顺 利完成巷道掘进，才能更好的保障煤矿生产。因此巷道的快速、高效 掘进对于整个煤矿生产具有不可替代的作用，对煤矿生产效率产生着重要的影响。 采掘比例失调是巷道掘进面临着最重要的问题，问题主要表现在巷道掘进落 后于综采，甚至影响到了煤层的回采。 20世纪 90年代以来，我国煤矿综采能力 快速提高，“ 一矿一井一面 ” 集约化、高效化生产
36、方式得以广泛普及，年产数百万 吨级、甚至千万吨级的超级工作面已成为现实，但巷道整体平均掘进速度却没有 得到较大的提升，采掘比例失调更加凸显，成为制约煤矿高产、高效的关键因素。 通过图 1-1可 以看到，截止 2008年，原国有重点煤矿综采程度达到 84.15%2， 但综掘率仅由 1980年的 1.71%增加到 2008年的 36.85%3，采掘工作面比例 (采 / 掘 )一直维持在 1:3.1左右。在国外发达国家中，综掘率和综采率则基本保持一致。 图 1-1原国有重点煤矿综采、综掘水平统计 Figure 1-1 The comparison of fully mechanized mining
37、 and fully mechanization excavation from the original state key coal mines 目前，我国煤巷掘进方式主要有 3种 4,5:在我国得到了广泛应用的是悬臂 式掘进机与单体锚杆钻机配套进行作业，我国一些国有重点煤矿比较常见，是我 国应用最为广泛的巷道掘进方式；第二种是连续采煤机与锚杆钻车配套作业线， 其主要的掘进机械为连续采煤机，需要多巷掘进，交叉换位施工；第三种是掘锚 机组掘锚一体化掘进，目前处于试验阶段，仅在一些矿区进行了使用。我国重点 煤矿半煤岩巷的掘进基本上采用半煤岩悬臂式掘进机综合机械化作业线。 以上三种煤巷掘进作业方
38、式中，掘进机大多选用大功率、大机重的重型掘进 机开挖煤岩巷，设备工作可靠性得以确保。但是，只在掘进机的性能上提高并不 能较大程度地提高掘进速度，出现了 “ 大马拉小车 ” 的设备配套方式。其中，机械 化掘进作业线作业人员配置及调度方法存在的问题是导致上述现象的一个重要 原因。 作业线的人员配置情况大多数根据以往的经验进行安排，没有一个合理 有效的标准去参考，容易出现人员配置不合理。一人作业，多人等待的现象普遍， 作业人员工作效率低，影响工人的工作积极性，影响掘进速度和效率 。 掘 、支 不能做到 平行作业，导致整个工作循环较长，影响掘进速度。 与综掘相配套的 临时、永久支护工序主要是半机械化作业，是掘进作业时间最长的工序，导致掘 进机开机率进一步降低，延长掘进循环的时间。 支护作业环境差，作业空间有 限，工人缺乏稳定、平整、安全的作业空间，帮、顶支护相互影响，现场作业人 员配置没有充分考虑作业空间有限性对人员配置的影响，导致现场支护工作业相 互影响，影响作业时间和效率。 1.2 研究意义 （ Research Significance) 掘进作业是煤炭开