主煤流運輸系統(tǒng)可靠性分析研究

孟德勇

（山東科技大學(xué)， 山東 青島 266590）

0 引言

煤礦生產(chǎn)主要包括掘進、采煤、運輸、提升及其他輔助生產(chǎn)工序，其中運輸是整個原煤生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的一環(huán)，基本貫穿了原煤生產(chǎn)的全過程。主煤流運輸系統(tǒng)的主要任務(wù)是將開采出的原煤從工作面運送到地面，它包括了整個運輸過程中的所有設(shè)備。這一系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對于整個礦井的生產(chǎn)能力和煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益有著直接影響。實時監(jiān)控主煤流運輸系統(tǒng)的運行狀況和性能對于保證煤炭生產(chǎn)十分重要。

本文將隨機Petri 網(wǎng)應(yīng)用于煤礦主煤流運輸系統(tǒng)的可靠性分析，結(jié)合馬爾可夫鏈方法，通過求解系統(tǒng)可靠度，確定系統(tǒng)的薄弱運輸環(huán)節(jié)，為有針對性地提高井下運輸系統(tǒng)可靠性提供了理論依據(jù)。

1 主煤流運輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

主煤流運輸系統(tǒng)的主要任務(wù)是將開采出來的原煤從工作面運輸至井上，整個運輸過程涉及采掘、裝運、存儲、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)。不同礦井具有不同的運輸方式，包括采區(qū)工作面、水平巷道、采區(qū)煤倉、井底大巷等[1]。

如圖1 所示，工作面運輸、采區(qū)煤倉、大巷運輸、井底煤倉以及主井運輸構(gòu)成了煤礦主煤流運輸系統(tǒng)。工作面運輸涉及破碎機、轉(zhuǎn)載機、輸送機等設(shè)備，而大巷運輸分為膠帶輸送機和軌道礦車。主井運輸則根據(jù)礦井類型，分為膠帶輸送機和箕斗提運[2]。

圖1 主運輸系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 主煤流運輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

本文以唐口煤礦主煤流運輸系統(tǒng)為研究對象，圖2 為南部運輸系統(tǒng)示意圖，目前主要由三個工作面并聯(lián)，工作面煤流經(jīng)多臺帶式輸送機匯入南膠二部帶式輸送機，依次經(jīng)南膠一部帶式輸送機，上倉帶式輸送機，上倉配倉帶式輸送機，裝載帶式輸送機，主井提升最終到達地面。由南部運輸系統(tǒng)示意圖可知，煤礦主煤流運輸系統(tǒng)是一個大型的串并聯(lián)混合連接的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)由各類運輸設(shè)備通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接而成，屬于連續(xù)運輸系統(tǒng)。

圖2 南部運輸系統(tǒng)

2 主煤流運輸系統(tǒng)可靠性分析

2.1 主煤流運輸系統(tǒng)可靠性定義

系統(tǒng)可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定條件下、規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，可靠度是完成規(guī)定能力的概率[3]。因此主煤流運輸系統(tǒng)的可靠性是指在特定條件和時間內(nèi)，系統(tǒng)持續(xù)完成原煤開采并運送至井上的能力。主煤流運輸系統(tǒng)的可靠度為持續(xù)進行開采將原煤運送至地面的能力的概率。這里的“特定時間”指的是系統(tǒng)中最短壽命設(shè)備的使用壽命，而“特定條件”涵蓋了煤礦的整體生產(chǎn)環(huán)境，包括空間和自然環(huán)境等因素。外部環(huán)境在一定程度上影響著運輸系統(tǒng)的運行狀態(tài)。運輸系統(tǒng)包含的各子系統(tǒng)可靠性所體現(xiàn)的規(guī)定功能也有所不同，如工作面運輸子系統(tǒng)的規(guī)定能力為運輸原煤的能力，主井提升子系統(tǒng)的規(guī)定功能為將原煤提運至地上的能力。

2.2 運輸系統(tǒng)層次分解

如圖3 所示，為了簡化主煤流運輸系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高建模精度，本研究將系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，并按類別對設(shè)備進行分類。例如，工作面運輸子系統(tǒng)由幾個相似結(jié)構(gòu)的工作面組成，包含刮板輸送機等設(shè)備；大巷運輸子系統(tǒng)則由不同型號的帶式輸送機組成；主斜井提運子系統(tǒng)包括上倉輸送機和主井提升機。通過這種層次分解，南部運輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)被清晰劃分為三個主要子系統(tǒng)。通過把復(fù)雜的主煤流運輸系統(tǒng)劃分成若干個子系統(tǒng)，并將各種設(shè)備按子系統(tǒng)的劃分進行歸類，使得系統(tǒng)的復(fù)雜性逐步降低，在降低系統(tǒng)建模難度的同時提高系統(tǒng)的建模精度。

圖3 南部運輸系統(tǒng)層次分解圖

2.3 單設(shè)備可靠性模型

井下主煤流運輸系統(tǒng)是由多個設(shè)備按其功能、職能，有序連接在一起，組成一個復(fù)雜的可修系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的設(shè)備在發(fā)生故障后需經(jīng)過維修才能恢復(fù)正常運行，因而在利用隨機Petri 網(wǎng)建立雙向運輸系統(tǒng)模型時，定義庫所存在兩種狀態(tài)，分別是失效狀態(tài)與正常狀態(tài)，變遷代表故障和維修兩種事件，這些事件激發(fā)速率對應(yīng)設(shè)備的故障率和修復(fù)率。設(shè)故障事件與維修事件之間相互獨立，且可靠性理論中，一般認為設(shè)備的故障率與修復(fù)率服從指數(shù)分布，則故障與維修兩個事件的時延也服從于指數(shù)分布。通過標識經(jīng)變遷后在庫所中的轉(zhuǎn)移來表示設(shè)備在故障與正常之間具有時延特性的動態(tài)變化。單個設(shè)備的隨機Petri 網(wǎng)模型如圖4 所示。

圖4 單設(shè)備可靠性模型

圖4 中庫所Pn1 表示設(shè)備的正常運行狀態(tài)，庫所Pb1 表示設(shè)備的失效狀態(tài)，不能發(fā)揮正常的工作能力。變遷Tb1 表示設(shè)備故障事件的發(fā)生，變遷Tn1 表示設(shè)備修復(fù)事件的發(fā)生。變遷速率λ 為設(shè)備的故障率，變遷μ 為設(shè)備的修復(fù)率，故障率與修復(fù)率的加入可以實現(xiàn)設(shè)備在失效與正常這兩個狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換的時延性。當設(shè)備發(fā)生故障時，標識通過時延變遷Tb1從庫所Pn1 轉(zhuǎn)移到Pb1，表示設(shè)備處于失效狀態(tài)。在修復(fù)過程完成后，時延變遷Tn1 激發(fā)，標識則從庫所Pb1 回到Pn1，表明設(shè)備已恢復(fù)正常運行[5]。

2.4 串聯(lián)結(jié)構(gòu)隨機Petri 網(wǎng)模型

在串聯(lián)結(jié)構(gòu)運輸系統(tǒng)中，各設(shè)備相互獨立，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)取決于所有設(shè)備的正常運行[4]。任何設(shè)備故障，整個系統(tǒng)的狀態(tài)就會受其影響，工作能力也隨之下降，進入失效狀態(tài)。需要注意的是，系統(tǒng)的每臺設(shè)備在失效狀態(tài)與正常狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換都是需要時間的，反映在實際生產(chǎn)中就是設(shè)備每次故障發(fā)生的時間與維修設(shè)備所需要的時間。據(jù)此，為了更好地建立模型并進行可靠性研究，假設(shè)系統(tǒng)設(shè)備有兩種狀態(tài)（工作和失效），且故障率和修復(fù)率服從指數(shù)分布，不考慮設(shè)備老化。

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的連接方式，建立串聯(lián)結(jié)構(gòu)的隨機Petri 網(wǎng)模型，如圖5 所示。圖中由Pn1，Tb1，Pb1，Tn1 圍起來的方框代表系統(tǒng)其中的一個設(shè)備，可知子系統(tǒng)中共有8 個設(shè)備。標識（庫所中的黑點）現(xiàn)所處位置表現(xiàn)的情況為8 個設(shè)備皆處于正常工作狀態(tài)，所以整個系統(tǒng)也處于穩(wěn)定狀態(tài)。庫所Pn1，Pn2，Pn3，…，Pn8 分別代表各設(shè)備正常工作狀態(tài)，庫所Pb1，Pb2，Pb2，…，Pb8 分別代表各設(shè)備失效狀態(tài)；Tb1 至Tb8 分別為各設(shè)備的故障變遷，代表設(shè)備出現(xiàn)故障事件，激發(fā)速率為設(shè)備的故障率λi（i=1，2，3…8）；Tn1 至Tn8 分別為各設(shè)備的修復(fù)變遷，代表設(shè)備出現(xiàn)修復(fù)事件，激發(fā)速率為設(shè)備的修復(fù)率μi（i=1，2，3…8）。庫所Pg1、庫所Pg2 分別表示整個子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)與失效狀態(tài)，Pg3 為子系統(tǒng)的狀態(tài)標識容納庫所，Ta1 與Tx1 分別表示子系統(tǒng)的故障與修復(fù)事件，激發(fā)速率為1。由于單工作面運輸子系統(tǒng)中各設(shè)備為串聯(lián)關(guān)系，故對每個設(shè)備設(shè)立抑制弧，即圖中虛線，其作用為當系統(tǒng)中任意一臺設(shè)備發(fā)生故障事件時，抑制弧立即對其他設(shè)備發(fā)送指令使其停止工作，從而實現(xiàn)串聯(lián)方式對設(shè)備的影響。

圖5 單工作面串聯(lián)結(jié)構(gòu)隨機Petri 網(wǎng)模型

以圖5 中第一臺設(shè)備為例描述整個系統(tǒng)狀態(tài)變化，其正常工作時標識在庫所Pn1 中，當故障發(fā)生時，變遷Tb1 激發(fā)，標識由庫所Pn1 轉(zhuǎn)移至Pb1，與此同時，抑制弧向其他設(shè)備發(fā)出指令命其停止工作，標識由庫所Pg1 轉(zhuǎn)移至Pg2，經(jīng)變遷Ta1 轉(zhuǎn)移至Pg3，系統(tǒng)失效。當該設(shè)備的故障被修復(fù)后，變遷Tn1 激發(fā)，標識由庫所Pb1 轉(zhuǎn)移至Pn1，同時抑制弧失效，儲存在Pg3中的標識經(jīng)變遷Tx1 返回至Pg1 中，整個系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。因為設(shè)備間連接方式為串聯(lián)的原因，Pg2可容納標識個數(shù)為1 個。

2.5 多工作面并聯(lián)結(jié)構(gòu)隨機Petri 網(wǎng)模型（見圖6）

圖6 多工作面并聯(lián)結(jié)構(gòu)隨機Petri 網(wǎng)模型

同樣對并聯(lián)系統(tǒng)建立隨機Petri 網(wǎng)模型，Pg2 中可容納標識個數(shù)為n（n 為并聯(lián)設(shè)備的個數(shù)），并且并聯(lián)設(shè)備之間不存在抑制弧。因此，在并聯(lián)隨機Petri 網(wǎng)模型中當一個設(shè)備發(fā)生故障時，其他設(shè)備仍可正常工作，且整個子系統(tǒng)不會進入失效狀態(tài)，即Pg2 中只要存在一個標識，系統(tǒng)便不會受到任何影響，仍然可以繼續(xù)工作。只有當所有設(shè)備全部發(fā)生故障時，整個子系統(tǒng)才會失效。

3 運輸系統(tǒng)隨機Petri 網(wǎng)模型求解

由隨機Petri 網(wǎng)的基本理論、概念與相關(guān)特性、行為[6]，可知隨機Petri 網(wǎng)將時間參數(shù)加入到關(guān)于系統(tǒng)可靠性的建模過程中，將時間延遲與系統(tǒng)中的變遷相聯(lián)系。在有界的隨機Petri 網(wǎng)（SPN）系統(tǒng)中，所有時間延遲都服從指數(shù)分布，使得這個模型可以與馬爾可夫過程相結(jié)合。利用馬爾可夫過程的分析方法，可以將有界SPN 模型的標識可達圖轉(zhuǎn)化為馬爾可夫鏈，得到馬爾可夫轉(zhuǎn)移過程圖，結(jié)合馬爾可夫過程的計算方法，可對系統(tǒng)的每個狀態(tài)進行分析計算，進而求得其可靠性。

以630 工作面為例，對工作面串聯(lián)子系統(tǒng)進行求解分析。在一段時間內(nèi)，故障率為平均故障間隔時間的倒數(shù)，修復(fù)率為設(shè)備平均維修時間的倒數(shù)。通過收集該煤礦為期2 年內(nèi)的設(shè)備故障與修復(fù)記錄，表1 為630 工作面運輸子系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)。

表1 630 工作面運輸子系統(tǒng)設(shè)備故障率和修復(fù)率

通過馬爾可夫過程計算得到630 工作面子系統(tǒng)的各庫所單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)移概率，如表2 所示。其中M0代表開采工作面運輸子系統(tǒng)隨機Petri 網(wǎng)模型中系統(tǒng)正常工作庫所，故該子系統(tǒng)的可靠度R 為0.842 37，系統(tǒng)的不可靠度F 為0.157 63。

表2 630 工作面運輸子系統(tǒng)各庫所單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)移概率表

其余子系統(tǒng)計算過程不再贅述，最終得到各子系統(tǒng)可靠度匯總，如表3 所示。

表3 子系統(tǒng)可靠度匯總表

通過計算結(jié)果可得，南部運輸系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)為大巷運輸子系統(tǒng)，其可靠度為0.778 09，針對此子系統(tǒng)中的設(shè)備采取相應(yīng)措施能夠有效提升整個主煤流運輸系統(tǒng)的可靠性，從而進一步提高煤礦的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

主煤流運輸系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為大巷運輸子系統(tǒng)，其可靠度為0.778 09，該結(jié)果可為后續(xù)有針對性提高運輸系統(tǒng)的可靠性提供依據(jù)。