智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析

王松

安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，中國·安徽 淮南 232000

1 引言

智能化綜采是煤炭開采技術(shù)發(fā)展的新階段，也是煤炭工業(yè)技術(shù)革命和升級發(fā)展的必然要求，隨著綜采智能化發(fā)展，其戰(zhàn)略地位越來越突出，智能開采是智慧煤礦核心系統(tǒng)之一[1,2]。當(dāng)前，許多煤炭企業(yè)把握技術(shù)發(fā)展的新趨勢，大力實施開采技術(shù)裝備升級，為智能化綜采技術(shù)提供了重要機遇，也面臨著對其認(rèn)識不足等現(xiàn)實問題[3]。對智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析,從提高工作面產(chǎn)效水平的角度,找出影響“安全，高效”生產(chǎn)的因素,減少盲目性,這對傳統(tǒng)礦井和智能化礦井而言都具有重要的現(xiàn)實意義。

2 工程背景

13133 綜采工作面為張集礦智能化綜采工作面，該面處于張集礦13-1 煤層瓦斯突出危險區(qū)，預(yù)計該工作面區(qū)域內(nèi)原始瓦斯含量2.55～4.32m3/t，原始瓦斯壓力0.42～0.84MPa。根據(jù)周邊采掘工程及三維地震資料分析，該面共發(fā)育斷層4條，落差均小于1/2 煤厚，對工作面回采影響較小。水文條件中等。該工作面受沿空、蹬空及下伏11-2 煤塌陷影響，造成其附近周期性來壓較強烈。自13133 智能綜采工作面正式投產(chǎn)以來，受智能化程度、人、機、環(huán)境因素等影響，致使工作面智能化開采效率低、設(shè)備損壞率高，智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性難以保障。

張集煤礦通過對建成的智能化煤礦調(diào)研，進(jìn)行頂層設(shè)計。控制系統(tǒng)選用SAM 綜合自動化控制系統(tǒng)、SAC-UP 電液控制系統(tǒng)和 SAP 集成供液控制系統(tǒng)。智能化裝備配套明細(xì)見表1。

表1 智能化裝備配套明細(xì)

3 智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析

3.1 影響因素

智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性是指智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的各單元之間相互協(xié)調(diào)配合的有效性。組成智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的各個單元不僅涉及面廣而且許多因素是隨機的。各單元自身的有效性以及它們之間的協(xié)調(diào)配合是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題需要用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行深入的分析[4]。影響智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的主要因素如圖1所示。

圖1 智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性主要影響因素

與傳統(tǒng)的煤礦綜采工作面相比，智能綜采工作面由于智能化技術(shù)的引入，傳統(tǒng)的生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析模型已不再適應(yīng)現(xiàn)有的生產(chǎn)模式。影響生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的主要因素也從人、機、環(huán)境增為智能化程度、人、機、環(huán)境。針對人員因素而言，人工智能、機器人技術(shù)在煤礦的使用，使得煤礦逐步進(jìn)入少人化、無人化開采模式，大大削弱了人為失誤對生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的影響；針對工作環(huán)境因素而言，智能化地質(zhì)保障技術(shù)、5G、數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，增強了設(shè)備對工作環(huán)境的適應(yīng)性，降低了設(shè)備的故障率；針對設(shè)備因素而言，智能控制技術(shù)的使用，使得設(shè)備工作狀態(tài)可視化，設(shè)備可以自診斷、故障預(yù)測，提高可靠性。

3.2 智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析模型

智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，包括信息化系統(tǒng)、智能開采系統(tǒng)、智能運煤系統(tǒng)、智能支護(hù)系統(tǒng)、智能供電系統(tǒng)、智能供液系統(tǒng)、智能安全監(jiān)測系統(tǒng)。信息化系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，任何一層設(shè)備發(fā)生了故障都將會導(dǎo)致信息化系統(tǒng)出現(xiàn)功能性故障。智能開采系統(tǒng)由采煤機、液壓支架、刮板運輸機與其智能控制系統(tǒng)組成。智能運煤系統(tǒng)由轉(zhuǎn)載機、破碎機、膠帶運輸機與其智能控制系統(tǒng)組成[5,6]。智能支護(hù)系統(tǒng)由端頭支架與超前支架與其智能控制系統(tǒng)組成。智能供電系統(tǒng)由高壓供電系統(tǒng)、變壓器、保護(hù)系統(tǒng)、啟動器與其智能控制系統(tǒng)等組成。智能供液系統(tǒng)由泵站與其智能控制系統(tǒng)組成。智能安全監(jiān)測系統(tǒng)由通風(fēng)設(shè)施、瓦期及煤塵檢測監(jiān)控設(shè)備與其智能控制系統(tǒng)等組成。以上各子系統(tǒng)內(nèi)部任一設(shè)備單元發(fā)生故障都會使各智能開采系統(tǒng)出現(xiàn)功能性故障，因此可簡化成可修復(fù)的串聯(lián)系統(tǒng)。系統(tǒng)可靠性分析模型見圖2。

圖2 智能化綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析模型

智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備有效度為A1為：

式中：n——子系統(tǒng)個數(shù)；

Ai——第i 個系統(tǒng)的有效度。

智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)整體有效度A 為：

式中：A1——智能化工作面生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備因素有效度；

A2——智能化工作面生產(chǎn)系統(tǒng)人員因素有效度；

A3——智能化工作面生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境因素有效度。

4 智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的改善措施

①提高綜采工作面智能化程度。對傳統(tǒng)正常工作面的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行智能化的改造，符合煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，同時生產(chǎn)系統(tǒng)智能化，將減少人員失誤，提高設(shè)備故障預(yù)測能力，預(yù)知回采過程地質(zhì)變化情況，極大的加強了工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。

②提高人員的素質(zhì)。智能綜采工作面系統(tǒng)雖然削弱了人的主導(dǎo)地位，但對人員素質(zhì)的要求卻大大提高。因此需要對工作人員進(jìn)行培訓(xùn)，加強工作人員對智能化工作面的認(rèn)識，提高工作能力，以適應(yīng)智能化開采現(xiàn)狀，確保智能化綜采工作面的正常開采，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。

③保證設(shè)備與智能控制系統(tǒng)配套性。綜采工作面地質(zhì)條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，需保證綜采設(shè)備的智能控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件與工作環(huán)境，來減少設(shè)備因控制系統(tǒng)決策錯誤產(chǎn)生的故障，提高智能開采系統(tǒng)的可靠性。

④建立完善的智能化設(shè)備管理、監(jiān)控、自預(yù)警系統(tǒng)。及時的設(shè)備故障預(yù)測與自診斷將加強設(shè)備的檢修和維護(hù)能力，降低設(shè)備的故障率，增加修復(fù)率，從而提高綜采設(shè)備的可靠性。

5 結(jié)語

智能綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它的可靠性與綜采工作面的智能化程度、人、機、環(huán)境等因素密切相關(guān)。隨著煤礦智能化建設(shè)的發(fā)展，提高工作面智能化將是提高生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性最有效、最迅速的方法。只有圍繞綜采工作面智能化這一中心環(huán)節(jié)，才能有效滿足煤炭“安全、高效”開采的要求。