淺談礦井機電運輸系統的復雜性

張澤軍

摘 要：隨著礦井開采水平的延深，相應的機電運輸網絡也在不斷擴大、日趨復雜。如何有效進行機電運輸網絡復雜性的度量與控制，對提高礦井機電運輸系統的安全性和可靠性具有十分重要的意義。文章將重點介紹礦井機電運輸系統的復雜性及其對策，以供同行參考。

關鍵詞：礦井，機電運輸系統，復雜性

前言

礦井機電運輸系統的復雜性主要包括系統層次復雜性、運行環(huán)境復雜性、系統動態(tài)變化復性。礦井機電運輸系統涉及的設備類型和數量眾多，運行環(huán)境復雜多變，各種設備之間存在差異，但又彼此相互聯系。

1機電運輸系統的復雜性

1.1系統層次復雜性

煤炭的生產過程通常包括掘進、回采、運輸和提升 4 個階段。從采區(qū)工作面、上下山、階段大巷、井底車場到地面工業(yè)廣場遍布眾多機電硐室和機電運輸設備，每一采區(qū)都有相應的機電運輸設備，形成了不同的子系統，如采區(qū)供電系統、運輸系統、通風系統及排水系統等，同一水平的各子系統間存在橫向聯系，不同水平的子系統間存在縱向關聯，共同組成了整個礦井的機電運輸網絡，為此，需要對生產過程的各子過程進行集中監(jiān)控.

1.2運行環(huán)境復雜性

生產過程存在的頂板壓力、瓦斯、煤塵及地質災害等問題，使得礦井機電運輸設備運行環(huán)境惡劣而復雜。且頂板壓力、采區(qū)涌水和瓦斯等都處于動態(tài)變化中，隨著開采水平的延深，這些問題變得更加突出。因此，礦井機電運輸設備需要具有多種保護，如低壓饋電開關的漏電、過流和接地保護，局部通風機電源采用“三專”供電，瓦斯泵采用“三專”加“兩專”供電，采區(qū)和掘進面非本質安全型設備必須實現風電閉鎖和瓦斯電閉鎖。

1.3大型機電裝備復雜性

由于井下環(huán)境惡劣，要求井下機電運輸設備必須具有本安特性或防爆性能，以適應潮濕及煤塵環(huán)境，而且還要具有安全閉鎖功能和抗電磁干擾能力等。一方面，大型機電運輸設備結構復雜，如主提升系統通常由主軸裝置、離合器、減速機、操縱臺、深度指示器、液壓制動、電動機及電力拖動系統、信號系統、提升容器、提升鋼絲繩、天輪、井架及井筒裝備等組成，是典型的復雜機電系統；另一方面，由于防爆性能和綜合保護要求及特殊設計的要求使機電運輸設備更為復雜。如主提升系統的過卷、松繩、過速、滿倉及深度指示器失效保護、閘間隙保護等和閉鎖功能要求等，需要對提升系統配置相應的安全保護裝置和控制系統。

1.4系統動態(tài)變化復雜性

隨著回采工作面的推進和采區(qū)更替，相應的機電運輸系統需要進行動態(tài)配置，涉及的機電運輸設備類型多、數量大，具有空間位置分布動態(tài)變化特性。另一方面，采掘工作面和采區(qū)的機電運輸設備，受所處環(huán)境變化的影響，如頂板壓力、環(huán)境溫度及煤層瓦斯?jié)舛鹊淖兓龋紩绊憴C電運輸設備的運行，加之設備本身老化、檢修和更換等，使得礦井機電運輸系統呈現復雜的動態(tài)變化。

2 機電運輸系統復雜性分析方法

復雜網絡分析理論是一種分析機電運輸系統復雜性的有效方法，被人們廣泛應用于眾多領域。在礦井機電運輸領域，需要結合機電裝備保護及能力評定，建立機電運輸網絡，將礦井各類機電設備抽象為網絡節(jié)點，如高低壓開關、電動機、絞車及水泵等，根據它們之間的相互關系，將關聯節(jié)點有效聯接起來，這樣便于綜合評價機電運輸系統。

在建立機電運輸網絡的基礎上，通過考察節(jié)點出入度、集聚系數、最短路徑等參數度量各節(jié)點的重要度以及出現故障時，其對整個網絡其它節(jié)點的影響程度及其傳播范圍，如某臺開關跳閘時對供電系統的影響范圍和程度，某臺水泵發(fā)生故障停機時對礦井排水系統的影響程度，某帶式輸送機停機時對礦井煤流的影響大小等。

3 建設數字化礦井，實現系統的持續(xù)改進

3.1 建立礦井監(jiān)測傳感網絡，構建基礎工況信息數據庫

設備運行工況數據、生產環(huán)境參數是實現對生產過程有效監(jiān)控的依據，因此，需要建立面向全礦井的監(jiān)測傳感網絡，獲取各類所需的數據信息，包括設備工況數據、礦井環(huán)境參數 （瓦斯?jié)舛取L量、溫度等）、煤流狀態(tài)及人員分布等。為此，需要配置電流、電壓、壓力、溫度、流量及煙霧等各類監(jiān)測傳感裝置和光纖、通信電纜、交換機、基站等各種數據傳輸媒介和設備。在此基礎上，建立統一的數據庫平臺，實現各類數據信息的共享和互用。底層設備、運行環(huán)境等相關數據信息的獲取是進行科學調度和安全生產的基礎。為此，需要首先構建底層生產和安全相關的各監(jiān)控子系統的檢測傳感網絡，實時獲取供電設備、主煤流、水泵、提升設備、通風機、壓風機以及生產環(huán)境 （包括瓦斯、CO、溫度等）、人員分布等相關的數據、語音和圖像；繼而建立統一的數據庫和監(jiān)控平臺，集成各監(jiān)控子系統，全方位掌握全礦底層生產設備運行狀態(tài)、工作環(huán)境指標、人員分布位置，根據需要遠程控制供電開關、膠帶、水泵等的開停。現場工況數據的獲取有 2 種方式：① 利用檢測傳感裝置獲取數據，如通過溫度傳感器獲取電動機溫度等；② 直接從運行設備本身獲取數據，如低壓饋電開關電流、電壓值等。

3.2建立統一的數據分析與監(jiān)控平臺，實現機電運輸設備的集中控制

安全監(jiān)控數字化、生產過程自動化是數字化礦井的重要特征，集中控制、減員增效是數字化礦井的主要目標。礦井環(huán)境復雜多變，只有實現“無人值守、無人則安”才能真正保證安全生產。如泵房的無人值守，可以對泵房、變電所等重要場所進行自動化改造，使各水平水泵全部在地面集中監(jiān)控室開停，泵房、變電所內全部安裝網絡視頻攝像儀，實時全方位360°監(jiān)控，各類工況數據通過光纖實時傳送至地面遠程監(jiān)控室。建立統一的數據分析與監(jiān)控平臺，實現各類數據信息間的融合，也是對機電運輸系統進行持續(xù)改進的需要。數字化礦井綜合監(jiān)控平臺的基本體系結構，包括設備層、控制層和管理層。設備層獲取底層各類數據并執(zhí)行監(jiān)控層發(fā)出的控制指令；監(jiān)控層通過對設備層獲取的數據進行處理，對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，為有效對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，可以采用先進信號處理方法、數據融合技術、人工智能技術等對獲取的數據進行增值處理，建立專家知識庫，對設備運行狀態(tài)進行超前預警，利用優(yōu)化決策理論對設備維護決策進行優(yōu)化，合理制定相應的檢修、維護計劃；管理層把生產監(jiān)控和生產調度、協同辦公等進行集成，為礦井高層管理人員進行生產、經營管理提供決策依據。

4結語

把復雜網絡分析理論引入到礦井機電運輸領域，對機電運輸系統的關鍵環(huán)節(jié)及其可能存在的隱患進行量化評價。實行機電運輸系統的閉環(huán)控制，構建覆蓋全礦井的數字檢測傳感網絡，建立統一的數據分析與監(jiān)控平臺，在生產與管理實踐中，對機電運輸系統持續(xù)進行改進，逐步優(yōu)化才能確保煤礦安全、高產及高效。

參考文獻

[1]Newman MEJ. The structure and function of complex network[J].SIAM Review，2012，45（2）：167-256.

[2]Vázquez A，Pastor-Satorras R，Vespignani A. Large-scaletopological and dynamical properties of the Internet[J]. PhysicalReview E，2002，65（6）.

[3]孫可， 韓禎詳， 曹一家.復雜電網連鎖故障模型評述[J].電網技術， 2012， 29（13）： 1-9.

[4]趙德山，安基勝，毛善軍，等.機電運輸信息管理系統研究與應用[R].鄭煤集團公司，2009.□