陶晨陽

（安徽理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 安徽 淮南 232001）

0 引言

根據(jù)國家礦山安全檢查局統(tǒng)計，我國已確定的采掘接續(xù)緊張煤礦共計367 處，涉及山西、內(nèi)蒙古等22個?。ㄗ灾螀^(qū)）。一旦出現(xiàn)采掘失調(diào)，極有可能釀成重大安全生產(chǎn)事故，同時也可能導(dǎo)致煤炭產(chǎn)量 “斷崖式” 下降，對安全保供產(chǎn)生巨大影響[1]。因此，提升煤礦掘進(jìn)速度已成為煤礦企業(yè)的迫切需要。同時，在2020年，中國基于推動實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求和構(gòu)建人類命運共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，宣布了碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)愿景。在對接替緊張進(jìn)行調(diào)整的過程中，為了實現(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)必然要限制碳排放量的增加，即在盡量減少碳排放量增量的情況下緩解接替緊張問題。

目前，對于緩解接替緊張問題的研究多為對影響掘進(jìn)速度的因素分析。如李飛[2]等分析了目前近年來煤礦巷道主要掘進(jìn)技術(shù)的優(yōu)缺點，探討了煤礦巷道掘進(jìn)智能化發(fā)展；高青鋼[3]分析了煤礦采掘接替緊張的主要因素，指出掘進(jìn)速度較慢是最主要的技術(shù)原因；周高建[4]、袁海生[5]分別對影響巷道掘進(jìn)的主要因素進(jìn)行了分析并給出了應(yīng)對策略；丁光彬[6]通過對比不同的掘進(jìn)方法、設(shè)備以及支護(hù)方法對裝備地質(zhì)條件等影響因素的重要性進(jìn)行排序。而對于煤礦碳排放的研究，主要針對煤礦生產(chǎn)整體碳排放量的核算以及減排研究，鮮有對煤礦生產(chǎn)過程的碳排放量的針對性研究，如曹原廣和劉娜[7]，基于生命周期法和井工煤炭開采工藝流程，分析了井工煤炭開采全生命周期的碳排放邊界和碳排放源，構(gòu)建了煤炭開采全生命周期的碳排放核算模型，最后提出了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的低碳發(fā)展對策。任世華、謝亞辰、焦小淼等[8]等基于煤炭開發(fā)全生命周期碳排放清單分析方法, 重點從生產(chǎn)用能、瓦斯排放及礦后活動3 個環(huán)節(jié)，測算煤炭開發(fā)過程碳排放量，基于碳排放量和排放特征分析,提出了煤炭開發(fā)過程實現(xiàn)碳中和的技術(shù)途徑；才慶祥[9]等在對露天煤礦的溫室氣體排放源構(gòu)成進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上,建立了相應(yīng)的碳排放計量模型。

目前鮮有學(xué)者針對煤礦掘進(jìn)效率的角度研究如何緩解煤礦接替緊張的問題以及該過程的碳排放量，因此，基于SD 具有適合研究高階次、非線性、多重反饋的時變系統(tǒng)和能夠處理數(shù)據(jù)豐富度不高、準(zhǔn)確度不足的復(fù)雜系統(tǒng)的特點[10-11]，利用SD 方法構(gòu)建煤礦井下回采掘進(jìn)的效率和碳排放仿真模型。

系統(tǒng)動力學(xué)（System dynamic, SD）由美國麻省理工的Jay.W.Forrester 教授創(chuàng)立，初期主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)的管理，隨后被廣泛應(yīng)用于社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境進(jìn)程等領(lǐng)域[12-13]。SD 認(rèn)為，系統(tǒng)的行為模式與特性主要取決于其內(nèi)部的動態(tài)結(jié)構(gòu)和反饋機制[14]?，F(xiàn)有的煤礦碳排放研究多為通過生命周期建立能源消耗和碳排放清單，或者通過核算模型計算煤礦井下各個環(huán)節(jié)的能耗和碳排放。這些方法需要大量數(shù)據(jù)支撐，然而煤礦這方面的數(shù)據(jù)是比較稀少且難以獲取的。因此，提出利用SD 方法對陜西某煤礦井下掘進(jìn)效率和碳排放進(jìn)行動態(tài)仿真分析。根據(jù)該模型，動態(tài)分析了該煤礦的掘進(jìn)效率和相關(guān)設(shè)備的碳排放量，并探索了人員配置與人員待遇對巷道掘進(jìn)效率的影響，為煤礦緩解接替緊張問題提供參考。此外，還構(gòu)建了煤礦回采與掘進(jìn)的碳排放模型，計算了調(diào)整前后的碳排放量，為緩解接續(xù)緊張問題提供了更多的角度。

1 基于SD 的煤礦井下掘進(jìn)建模

1.1 確定系統(tǒng)邊界與因果關(guān)系構(gòu)建

煤礦生產(chǎn)物流系統(tǒng)極為復(fù)雜，不僅涉及生產(chǎn)過程中的物料流，還包括設(shè)備流、風(fēng)流、水流、電流等[9]。主要對煤礦井下掘進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對于煤礦掘進(jìn)而言，影響掘進(jìn)效率的因素可以按照工序分為掘進(jìn)工序、支護(hù)工序、檢修工序、運輸工序。針對陜西某煤礦掘進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由于該礦掘進(jìn)產(chǎn)煤量較小，不會對掘進(jìn)總效率產(chǎn)生影響，故在仿真過程中不考慮運輸系統(tǒng)對效率的影響，只考慮運輸系統(tǒng)的碳排放量，并且由于在井巷工程施工過程中各設(shè)備不會發(fā)生變動，也不考慮設(shè)備變動的影響。因此，主要考慮了影響掘進(jìn)的人員因素，其中，人員因素又可以分為投入的人員數(shù)量與人均支出。圖1 反映了這種關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)關(guān)系

1.2 影響因素因果關(guān)系構(gòu)建

影響掘進(jìn)效率的因素為三個工種投入的人數(shù)及支出，除此之外，還建立了掘進(jìn)過程中的碳排放及人工成本模型，碳排放模型包含了巷道掘進(jìn)過程中掘進(jìn)設(shè)備、支護(hù)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、排水設(shè)備等設(shè)備正常運轉(zhuǎn)造成的碳排放，人工成本則包含了三個工種的平均薪資及總掘進(jìn)時間。其因果關(guān)系如圖2。

圖2 因果關(guān)系

1.3 變量定義及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)特點和實際生產(chǎn)情況，按照系統(tǒng)動力學(xué)建模要求定義各個變量（見表1）并對常量進(jìn)行賦值（見表2）。其中，根據(jù)該礦的實際情況建立表函數(shù)，用來對應(yīng)各工種人數(shù)與成本對該項工作的影響。

表1 變量定義

表2 常量賦值

1.4 系統(tǒng)流圖及方程構(gòu)建

利用AnyLogic 仿真軟件并根據(jù)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)各個變量之間的因果關(guān)系建立該煤礦回采掘進(jìn)效率與碳排放模型，并根據(jù)該煤礦的實際情況，利用Any-Logic 仿真軟件的表函數(shù)功能，將各工序投入的人數(shù)、人均成本與各工序的效率建立聯(lián)系，在模型的運行過程中，通過變量功能來實現(xiàn)對各工序人數(shù)與人均支出的調(diào)整，最終建立存量流量圖。如圖3 所示。

圖3 巷道掘進(jìn)SD 圖

根據(jù)繪制的存量流量圖建立如下系統(tǒng)動力學(xué)方程。

1）首先確定各工序人數(shù)與投入成本對檢修、支護(hù)與掘進(jìn)的影響，檢修工序工作人員分為技術(shù)員與檢修工，設(shè)定其檢修效率分別為1.1 與0.95，同時由于綜掘機一次只能容納一名司機，故不建立掘進(jìn)人數(shù)影響率。

2）整體效率、總成本與總碳排放量函數(shù)。

2 基于SD 的煤礦掘進(jìn)效率與碳排放仿真

某礦根據(jù)采掘計劃需要掘進(jìn)一條長達(dá)1 753 m的巷道，計劃耗時9 個月完成。該巷道作業(yè)規(guī)程規(guī)定，該礦目前對此巷道的投入方案如下，一天工作3 班，其中，綜掘機司機共3 名，檢修工共6 名，支護(hù)工共15名，每人每月公司支出約13 500 元成本，經(jīng)過3 個月的掘進(jìn)，完成總長度約為405 m，按照當(dāng)前速度計算，該巷道無法按時掘進(jìn)完成，現(xiàn)利用AnyLogic 仿真軟件對煤礦掘進(jìn)效率建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，仿真步長為1 個月，對該礦的掘進(jìn)效率進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下。

2.1 原方案結(jié)果分析

圖4-1 反映了剩余工程量隨著時間變化的關(guān)系，結(jié)果顯示，按照當(dāng)前人員與支出方案，時間進(jìn)入到第13 個月時，剩余工程量為負(fù)值，即在第12 個月才能完成掘進(jìn)，嚴(yán)重影響了該礦正常的接替。圖4-2 則是掘進(jìn)過程中影響實際效率的各工序的效率，從中可以看到，支護(hù)效率為81%，無故障時間占比，即每100 h設(shè)備能正常運轉(zhuǎn)的時間占比，該項數(shù)值為85.5%，掘進(jìn)工序的效率則同為90%，從仿真結(jié)果來看，該巷道的各項工序工作效率均不能達(dá)到原計劃的要求，這最終導(dǎo)致了巷道掘進(jìn)的整體進(jìn)度慢于原計劃。因此，在進(jìn)行優(yōu)化時需要對三個工序同時進(jìn)行調(diào)整，從而提升掘進(jìn)整體的效率。

圖4 剩余工程量與各工序效率圖

2.2 單一要素方案對比分析

根據(jù)實際調(diào)查得知，該礦為瓦斯突出礦井，掘進(jìn)每班人數(shù)不得超過18 人，故每日總?cè)藬?shù)為54 人，根據(jù)掘進(jìn)規(guī)程，目前該巷道掘進(jìn)共安排45 人，即存在9 人的調(diào)整空間。該礦各崗位支出等級可分為13 500元、16 000 元與21 000 元三檔。普通工人正常每月公司支出為13 500 元，進(jìn)行激勵則為16 000 元，技術(shù)員正常每月支出為16 000 元，進(jìn)行激勵則為21 000 元。目前該礦可自由調(diào)控的技術(shù)員、檢修工與支護(hù)工分別為3 人。由初始方案仿真結(jié)果得知，各項工序都無法滿足正常掘進(jìn)的要求，其中支護(hù)效率最低，平均無故障時間比（每100 h 設(shè)備正常運行時間占比）其次。

首先，進(jìn)行單一要素改變，即僅僅增加人員或者僅僅增加支出，嘗試解決這一問題。由于已經(jīng)進(jìn)行了3個月的掘進(jìn)，故目前剩余工程量為1 348 m，以此數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同方案重新進(jìn)行仿真，按照計劃，需要在接下來的6 個月中完成掘進(jìn)，仿真方案與結(jié)果如表3，圖5 則為兩個方案各工序效率，圖5-1 為方案1，圖5-2 為方案2。

表3 單一要素方案及仿真結(jié)果

圖5 兩種單一方案各工序效率圖

結(jié)果顯示，僅進(jìn)行單一要素的改變無法滿足在接下來的6 個月內(nèi)完成掘進(jìn)的需求，其主要原因在于在僅改變一種要素的前提下，存在一些缺陷，無法對全面的調(diào)整各工序的工作效率。在僅增加各工序員工的方案中，由于綜掘機只能容納一名司機，對于掘進(jìn)效率無法進(jìn)行提升，而在僅增加支出的方案中，無法對技術(shù)員進(jìn)行調(diào)整。導(dǎo)致了兩個方案均不能滿足任務(wù)，而從兩個方案的對比可以看出，提高支護(hù)人數(shù)相較于對支護(hù)員工進(jìn)行激勵效果更加明顯，僅增加技術(shù)員對提高平均無故障運行時間比的效果要高于對檢修工進(jìn)行激勵。

2.3 多要素方案對比分析

為了提升掘進(jìn)效率，就必須要對涉及到掘進(jìn)的各工序進(jìn)行調(diào)整，由于單一要素的調(diào)整無法滿足需求，所以必須將增加員工數(shù)量與對員工進(jìn)行激勵兩種方法結(jié)合起來。由于掘進(jìn)不能進(jìn)行員工數(shù)量調(diào)整，故必須進(jìn)行員工激勵來提升掘進(jìn)的效率，同時，提升支護(hù)人數(shù)的作用大于對支護(hù)工序的員工進(jìn)行激勵，增加技術(shù)員的效果大于給檢修工進(jìn)行激勵，因此在制定方案的過程中對三個工序分別給出三個建議。

1）對綜掘機司機進(jìn)行激勵；

2）在檢修工序中，增加技術(shù)員數(shù)量與增加檢修工對實際的檢修效率提升不大，因此需要將增加員工與進(jìn)行激勵結(jié)合；

3）在支護(hù)工序中，增加員工數(shù)量對該工序效率的提升優(yōu)于對員工進(jìn)行激勵，因此需優(yōu)先增加支護(hù)工的數(shù)量。

因此新方案的提出則是結(jié)合了增加員工數(shù)量與提高支出進(jìn)行激勵兩種手段，在確定了掘進(jìn)工序與支護(hù)工序的優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，針對檢修工序進(jìn)行調(diào)整。方案及結(jié)果如表4 所示。

表4 多要素方案及仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，以上3 種方案均可以在規(guī)定時間內(nèi)完成掘進(jìn)任務(wù)，為了進(jìn)一步地探究各方案的優(yōu)劣，本文在考慮成本的基礎(chǔ)上引入了碳排放量這一因素，通過綜合比較各方案的成本、碳排放與增加人員，選擇最優(yōu)方案。各方案成本與碳排放量如表5 所示。

表5 各方案的成本、碳排放、增加人員

仿真結(jié)果顯示，方案1 是最佳方案，即增加三名技術(shù)員與三名支護(hù)工并且對掘進(jìn)司機與檢修工提高支出，進(jìn)行激勵。從完成掘進(jìn)時間、成本與增加人員角度而言，三種方案均相同，方案1 的優(yōu)勢在于其總碳排放量要低于方案2、方案3。

3 結(jié)論

為了實現(xiàn) “雙碳” 目標(biāo)與緩解我國煤礦接續(xù)緊張嚴(yán)重的問題，以陜西某煤礦為例，運用系統(tǒng)動力學(xué)（SD）方法構(gòu)建了該煤礦的掘進(jìn)效率和碳排放模型?；谶@個模型，動態(tài)仿真分析了煤礦掘進(jìn)的各工序?qū)嶋H掘進(jìn)效率的影響，探索了不同的人員與投入方案對掘進(jìn)效率以及該過程碳排放量的影響。為該礦出現(xiàn)的較為嚴(yán)重的接續(xù)緊張問題提供了解決方案。得出結(jié)論如下：

1）對巷道掘進(jìn)而言，支護(hù)工序效率與平均無故障運行時間比較低，是影響掘進(jìn)整體效率的主要因素，也是具備提升空間的因素。

2）對于支護(hù)工序而言，增加支護(hù)員工相較于對員工進(jìn)行激勵提升的效果更加明顯。

3）僅僅針對人員的增減或者是對各工序工作人員進(jìn)行激勵無法有效的提升掘進(jìn)的效率，因此為了提高煤礦的掘進(jìn)效率，需要綜合考慮增加人員與進(jìn)行激勵兩種方法。