淺談礦井機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性

張澤軍

摘 要：隨著礦井開采水平的延深，相應(yīng)的機(jī)電運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)也在不斷擴(kuò)大、日趨復(fù)雜。如何有效進(jìn)行機(jī)電運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的度量與控制，對(duì)提高礦井機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性和可靠性具有十分重要的意義。文章將重點(diǎn)介紹礦井機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性及其對(duì)策，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：礦井，機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)，復(fù)雜性

前言

礦井機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性主要包括系統(tǒng)層次復(fù)雜性、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化復(fù)性。礦井機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)涉及的設(shè)備類型和數(shù)量眾多，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，各種設(shè)備之間存在差異，但又彼此相互聯(lián)系。

1機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性

1.1系統(tǒng)層次復(fù)雜性

煤炭的生產(chǎn)過(guò)程通常包括掘進(jìn)、回采、運(yùn)輸和提升 4 個(gè)階段。從采區(qū)工作面、上下山、階段大巷、井底車場(chǎng)到地面工業(yè)廣場(chǎng)遍布眾多機(jī)電硐室和機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備，每一采區(qū)都有相應(yīng)的機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備，形成了不同的子系統(tǒng)，如采區(qū)供電系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及排水系統(tǒng)等，同一水平的各子系統(tǒng)間存在橫向聯(lián)系，不同水平的子系統(tǒng)間存在縱向關(guān)聯(lián)，共同組成了整個(gè)礦井的機(jī)電運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，為此，需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各子過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)控.

1.2運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜性

生產(chǎn)過(guò)程存在的頂板壓力、瓦斯、煤塵及地質(zhì)災(zāi)害等問(wèn)題，使得礦井機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣而復(fù)雜。且頂板壓力、采區(qū)涌水和瓦斯等都處于動(dòng)態(tài)變化中，隨著開采水平的延深，這些問(wèn)題變得更加突出。因此，礦井機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備需要具有多種保護(hù)，如低壓饋電開關(guān)的漏電、過(guò)流和接地保護(hù)，局部通風(fēng)機(jī)電源采用“三?！惫╇?，瓦斯泵采用“三?！奔印皟蓪！惫╇?，采區(qū)和掘進(jìn)面非本質(zhì)安全型設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)風(fēng)電閉鎖和瓦斯電閉鎖。

1.3大型機(jī)電裝備復(fù)雜性

由于井下環(huán)境惡劣，要求井下機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備必須具有本安特性或防爆性能，以適應(yīng)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(jī)電運(yùn)輸設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如主提升系統(tǒng)通常由主軸裝置、離合器、減速機(jī)、操縱臺(tái)、深度指示器、液壓制動(dòng)、電動(dòng)機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、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(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)；另一方面，由于防爆性能和綜合保護(hù)要求及特殊設(shè)計(jì)的要求使機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備更為復(fù)雜。如主提升系統(tǒng)的過(guò)卷、松繩、過(guò)速、滿倉(cāng)及深度指示器失效保護(hù)、閘間隙保護(hù)等和閉鎖功能要求等，需要對(duì)提升系統(tǒng)配置相應(yīng)的安全保護(hù)裝置和控制系統(tǒng)。

1.4系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化復(fù)雜性

隨著回采工作面的推進(jìn)和采區(qū)更替，相應(yīng)的機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，涉及的機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備類型多、數(shù)量大，具有空間位置分布動(dòng)態(tài)變化特性。另一方面，采掘工作面和采區(qū)的機(jī)電運(yùn)輸設(shè)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?huì)影響機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行，加之設(shè)備本身老化、檢修和更換等，使得礦井機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)呈現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化。

2 機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜性分析方法

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析理論是一種分析機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜性的有效方法，被人們廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。在礦井機(jī)電運(yùn)輸領(lǐng)域，需要結(jié)合機(jī)電裝備保護(hù)及能力評(píng)定，建立機(jī)電運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，將礦井各類機(jī)電設(shè)備抽象為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如高低壓開關(guān)、電動(dòng)機(jī)、絞車及水泵等，根據(jù)它們之間的相互關(guān)系，將關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)有效聯(lián)接起來(lái)，這樣便于綜合評(píng)價(jià)機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)。

在建立機(jī)電運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)考察節(jié)點(diǎn)出入度、集聚系數(shù)、最短路徑等參數(shù)度量各節(jié)點(diǎn)的重要度以及出現(xiàn)故障時(shí)，其對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點(diǎn)的影響程度及其傳播范圍，如某臺(tái)開關(guān)跳閘時(shí)對(duì)供電系統(tǒng)的影響范圍和程度，某臺(tái)水泵發(fā)生故障停機(jī)時(shí)對(duì)礦井排水系統(tǒng)的影響程度，某帶式輸送機(jī)停機(jī)時(shí)對(duì)礦井煤流的影響大小等。

3 建設(shè)數(shù)字化礦井，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)

3.1 建立礦井監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基礎(chǔ)工況信息數(shù)據(jù)庫(kù)

設(shè)備運(yùn)行工況數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有效監(jiān)控的依據(jù)，因此，需要建立面向全礦井的監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)，獲取各類所需的數(shù)據(jù)信息，包括設(shè)備工況數(shù)據(jù)、礦井環(huán)境參數(shù) （瓦斯?jié)舛取L(fēng)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(cè)傳感裝置和光纖、通信電纜、交換機(jī)、基站等各種數(shù)據(jù)傳輸媒介和設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)信息的共享和互用。底層設(shè)備、運(yùn)行環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)信息的獲取是進(jìn)行科學(xué)調(diào)度和安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。為此，需要首先構(gòu)建底層生產(chǎn)和安全相關(guān)的各監(jiān)控子系統(tǒng)的檢測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)獲取供電設(shè)備、主煤流、水泵、提升設(shè)備、通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)以及生產(chǎn)環(huán)境 （包括瓦斯、CO、溫度等）、人員分布等相關(guān)的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像；繼而建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控平臺(tái)，集成各監(jiān)控子系統(tǒng)，全方位掌握全礦底層生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工作環(huán)境指標(biāo)、人員分布位置，根據(jù)需要遠(yuǎn)程控制供電開關(guān)、膠帶、水泵等的開?！，F(xiàn)場(chǎng)工況數(shù)據(jù)的獲取有 2 種方式：① 利用檢測(cè)傳感裝置獲取數(shù)據(jù)，如通過(guò)溫度傳感器獲取電動(dòng)機(jī)溫度等；② 直接從運(yùn)行設(shè)備本身獲取數(shù)據(jù)，如低壓饋電開關(guān)電流、電壓值等。

3.2建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備的集中控制

安全監(jiān)控?cái)?shù)字化、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是數(shù)字化礦井的重要特征，集中控制、減員增效是數(shù)字化礦井的主要目標(biāo)。礦井環(huán)境復(fù)雜多變，只有實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守、無(wú)人則安”才能真正保證安全生產(chǎn)。如泵房的無(wú)人值守，可以對(duì)泵房、變電所等重要場(chǎng)所進(jìn)行自動(dòng)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(nèi)全部安裝網(wǎng)絡(luò)視頻攝像儀，實(shí)時(shí)全方位360°監(jiān)控，各類工況數(shù)據(jù)通過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳送至地面遠(yuǎn)程監(jiān)控室。建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)信息間的融合，也是對(duì)機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的需要。數(shù)字化礦井綜合監(jiān)控平臺(tái)的基本體系結(jié)構(gòu)，包括設(shè)備層、控制層和管理層。設(shè)備層獲取底層各類數(shù)據(jù)并執(zhí)行監(jiān)控層發(fā)出的控制指令；監(jiān)控層通過(guò)對(duì)設(shè)備層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，為有效對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，可以采用先進(jìn)信號(hào)處理方法、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、人工智能技術(shù)等對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行增值處理，建立專家知識(shí)庫(kù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行超前預(yù)警，利用優(yōu)化決策理論對(duì)設(shè)備維護(hù)決策進(jìn)行優(yōu)化，合理制定相應(yīng)的檢修、維護(hù)計(jì)劃；管理層把生產(chǎn)監(jiān)控和生產(chǎn)調(diào)度、協(xié)同辦公等進(jìn)行集成，為礦井高層管理人員進(jìn)行生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理提供決策依據(jù)。

4結(jié)語(yǔ)

把復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析理論引入到礦井機(jī)電運(yùn)輸領(lǐng)域，對(duì)機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及其可能存在的隱患進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。實(shí)行機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)的閉環(huán)控制，構(gòu)建覆蓋全礦井的數(shù)字檢測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控平臺(tái)，在生產(chǎn)與管理實(shí)踐中，對(duì)機(jī)電運(yùn)輸系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，逐步優(yōu)化才能確保煤礦安全、高產(chǎn)及高效。

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