煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理系統(tǒng)分析

許劍波

（山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)成莊煤礦，山西晉城 048021）

0 引言

隨著煤礦智能化技術(shù)的不斷推進(jìn)，煤礦機(jī)電設(shè)備已經(jīng)成為煤礦井下綜采、綜掘等工作面生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)不可或缺的組成部分，并發(fā)揮著重要的作用。煤礦機(jī)電設(shè)備安全管理直接影響煤礦安全生產(chǎn)，在為井下工人創(chuàng)造良好工作環(huán)境的同時(shí)，減少煤礦用機(jī)電設(shè)備事故發(fā)生率是煤礦安全生產(chǎn)的必然要求。據(jù)2001—2019 年煤礦安全事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，瓦斯安全事故尤為突出，但是造成瓦斯爆炸和火災(zāi)的近43.7%的誘因?yàn)槊旱V機(jī)電安全事故[1－2]。因此，分析煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理方案具有重要的意義。李磊[3]針對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備安全管理存在的安全管理體系不完整、缺乏機(jī)電安全管理監(jiān)督機(jī)制以及機(jī)電設(shè)備保養(yǎng)管理不科學(xué)的問(wèn)題，提出煤礦機(jī)電設(shè)備管理信息化、數(shù)據(jù)庫(kù)化方案，并建立機(jī)電設(shè)備安全評(píng)估模型，優(yōu)化巡檢維護(hù)流程，降低安全使用風(fēng)險(xiǎn)。覃日強(qiáng)[4]針對(duì)煤礦機(jī)電技術(shù)管理中存在的機(jī)電設(shè)備老化、過(guò)負(fù)荷、測(cè)試手段落后、配置不合理等問(wèn)題，提出針對(duì)性的煤礦機(jī)電設(shè)備安全管理解決方案，如加大安全科技投入、構(gòu)建合理的機(jī)電設(shè)備安全管理體系和制度建設(shè)、實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行監(jiān)控等，促進(jìn)煤礦機(jī)電設(shè)備安全、合理、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。張有雙[5]針對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備故障發(fā)生率較高甚至導(dǎo)致較多煤礦安全事故的問(wèn)題，詳細(xì)討論了煤礦機(jī)電管理技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的重要作用，分別從煤礦機(jī)電設(shè)備的規(guī)范使用、安全運(yùn)行、技術(shù)水平提高3方面展開論述，并提出完善機(jī)電設(shè)備安全管理體系，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)。孫艷杰[6]針對(duì)煤礦機(jī)電管理中存在的職工隊(duì)伍不穩(wěn)定且業(yè)務(wù)素質(zhì)低、管理理念滯后且不到位、安全投入不足且隱患多的問(wèn)題，提出重視煤礦機(jī)電管理并提高管理水平、建立機(jī)電管理制度并實(shí)行規(guī)范化管理、加強(qiáng)特殊工種制度管理、加強(qiáng)職工業(yè)務(wù)技術(shù)培訓(xùn)、加強(qiáng)職工思想教育等解決方案，實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行、杜絕煤礦事故發(fā)生的目的。本文在對(duì)下游煤礦機(jī)電設(shè)備安全管理方案分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)50個(gè)礦區(qū)的200個(gè)礦井機(jī)電設(shè)備安全事故發(fā)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立多元統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型和多元敏感性數(shù)學(xué)模型，分析影響礦井機(jī)電設(shè)備安全事故發(fā)生的各因素權(quán)重，指導(dǎo)煤礦機(jī)電設(shè)備安全管理。

1 安全管理分析

1.1 層次劃分

根據(jù)煤礦機(jī)電設(shè)備動(dòng)態(tài)多變性、隨機(jī)變化和不確定性、各環(huán)節(jié)的相關(guān)性、對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的依賴性以及局部偶然性的特點(diǎn)，煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理方案的層次結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示，從下到上依次為邏輯層、數(shù)據(jù)層以及用戶層[7－9]。邏輯層用于建立煤礦用機(jī)電設(shè)備的模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，如建立評(píng)價(jià)指標(biāo)模型、指標(biāo)處理模型、安全評(píng)價(jià)模型以及安全評(píng)價(jià)基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)和決策理論知識(shí)庫(kù)等，直接參與并指導(dǎo)機(jī)電設(shè)備的安全評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)2個(gè)部分：數(shù)據(jù)庫(kù)由機(jī)電設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)組成，如機(jī)電設(shè)備投入使用時(shí)間、維修/維護(hù)時(shí)間、維修/維護(hù)頻率等，并可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)分析和查詢；數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供功能主要有模型庫(kù)管理、知識(shí)庫(kù)管理、安全評(píng)價(jià)指標(biāo)信息、普通用戶/管理員信息等，可查詢每一個(gè)機(jī)電設(shè)備的每一項(xiàng)信息。用戶層由人機(jī)交互子系統(tǒng)和問(wèn)題處理子系統(tǒng)兩部分組成，方便用戶對(duì)機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)狀和問(wèn)題設(shè)備處理過(guò)程做全面掌握和了解。

圖1 煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理方案層次結(jié)構(gòu)劃分

1.2 等級(jí)劃分

煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理方案的等級(jí)劃分如圖2 所示，設(shè)計(jì)的基本參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)形成該機(jī)電設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并于已經(jīng)建立的模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成安全評(píng)價(jià)模型[10－11]。根據(jù)該機(jī)電設(shè)備的安全評(píng)價(jià)模型實(shí)時(shí)繪制其參數(shù)曲線并作定量分析和安全評(píng)估，評(píng)估結(jié)果為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)：一級(jí)是指該機(jī)電設(shè)備存在過(guò)載、短路、漏電等安全故障隱患，且有較大的不確定性，需機(jī)電設(shè)備管理人員對(duì)該設(shè)備給予高度重視并及時(shí)安排維修/維護(hù)，安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高；二級(jí)是指該機(jī)電設(shè)備存在磨損、斷電等故障，易導(dǎo)致生產(chǎn)停滯或延緩，安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)略低于一級(jí)；三級(jí)是指該機(jī)電設(shè)備有潛在的故障，需采取安全措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)常采用定量評(píng)估和經(jīng)驗(yàn)評(píng)估兩種方法，在完成安全性判斷后進(jìn)行檢修維護(hù)，同時(shí)更新設(shè)備運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2 煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理等級(jí)劃分

2 安全管理模型分析

2.1 多元統(tǒng)計(jì)分析數(shù)學(xué)建模

根據(jù)煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理層次劃分、等級(jí)劃分方案，提取影響機(jī)電設(shè)備安全的關(guān)鍵因素完成模型分析，其關(guān)鍵因素主要有操作該機(jī)電設(shè)備的工人知識(shí)水平x1，機(jī)電設(shè)備維修/維護(hù)頻率x2，井下作業(yè)環(huán)境x3，整體機(jī)電管理水平x4，機(jī)電設(shè)備質(zhì)量因素x5。定義煤礦井下機(jī)電設(shè)備事故發(fā)生率為S，則針對(duì)統(tǒng)計(jì)得到的n數(shù)據(jù)滿足如下多元線性回歸數(shù)學(xué)模型[12]：

式（1）可進(jìn)一步的表示為式（2）：

式中：S＝(S1,S2,…,Sn)T；ε 為常數(shù)向量ε＝(ε1,ε2,…,εn)T；β 為機(jī)電設(shè)備參數(shù)矩陣；X 為機(jī)電設(shè)備統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)矩陣，且要求n>5 式（2）才有解。

2.2 多元敏感分析數(shù)學(xué)建模

根據(jù)(x1,…,x5)5 個(gè)影響機(jī)電設(shè)備發(fā)生安全故障的因素的權(quán)重，進(jìn)行排序，權(quán)重越大表明導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備發(fā)生安全故障的敏感性越高，權(quán)重越小表明導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障的敏感性越低。煤礦機(jī)電設(shè)備敏感性數(shù)學(xué)模擬式如下：

式中：η為煤礦機(jī)電設(shè)備發(fā)生安全故障的敏感性[13－15]；S*為煤礦安全事故因素組(x1,…,x5) 對(duì)應(yīng)的機(jī)電事故發(fā)生率；SM(c)max為因素c內(nèi)發(fā)生煤礦機(jī)電安全事故率的最大值；SM(c)min為因素c內(nèi)發(fā)生煤礦機(jī)電安全事故率的最小值。

建立的煤礦機(jī)電設(shè)備發(fā)生安全事故率敏感性模型為：

式中：ΔS(c)為煤礦機(jī)電設(shè)備發(fā)生安全事故率的變化值；Δ(c)為5 個(gè)因素(x1,…,x5)的變化值，c*為5 個(gè)因素(x1,…,x5)的基準(zhǔn)值。

由式（1）～（4）整理可得式（5）：

式中：S(c)為煤礦機(jī)電設(shè)備安全事故發(fā)生率；ηi為各影響因素敏感性系數(shù)；ci為各影響因素值；為ci對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)值；i為影響因數(shù)序號(hào)，取值為1～5；n為影響因素個(gè)數(shù)，取值為5。

3 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證建立的多元統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型和多元敏感性數(shù)學(xué)模型的正確性和有效性，對(duì)50個(gè)礦區(qū)的200個(gè)礦井機(jī)電設(shè)備安全事故發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)(x1,…,x5) 5個(gè)影響因素和安全事故發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，如表1所示，為前5個(gè)礦區(qū)的工人知識(shí)水平、機(jī)電設(shè)備維修/維護(hù)頻率、井下作業(yè)環(huán)境、整體機(jī)電管理水平、機(jī)電設(shè)備質(zhì)量因素以及安全事故發(fā)生頻率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表1 煤礦井下機(jī)電設(shè)備安全事故發(fā)生率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

表2 所示為工人知識(shí)水平、機(jī)電設(shè)備維修/維護(hù)頻率、井下作業(yè)環(huán)境、整體機(jī)電管理水平以及機(jī)電設(shè)備質(zhì)量因影響煤礦機(jī)電設(shè)備事故發(fā)生率的因素敏感性權(quán)重分布。

表2 影響煤礦機(jī)電設(shè)備事故發(fā)生率的因素敏感性權(quán)重

將50個(gè)礦區(qū)200個(gè)礦井機(jī)電設(shè)備統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)代入式（1）并求解可得：

其中，可決系數(shù)為0.93，即檢測(cè)出機(jī)電設(shè)備安全事故發(fā)生率達(dá)93%，精確度高、誤差小、可信度較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

以煤礦用機(jī)電設(shè)備為研究對(duì)象，分析安全管理方案結(jié)構(gòu)層次、安全等級(jí)的基礎(chǔ)上，采用多元統(tǒng)計(jì)和多元敏感分析方法對(duì)煤礦用機(jī)電設(shè)備事故發(fā)生率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)煤礦用機(jī)電設(shè)備安全事故發(fā)生率影響最大的因素為機(jī)電設(shè)備維修/維護(hù)頻率，敏感性權(quán)重達(dá)0.381，最小的因素為井下作業(yè)環(huán)境，敏感性權(quán)重為0.116。

（2）采用多元統(tǒng)計(jì)、多元敏感建立的煤礦用機(jī)電設(shè)備安全管理數(shù)學(xué)模型其可決系數(shù)達(dá)0.93，精確度、可信度高，可用于指導(dǎo)機(jī)電設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)機(jī)電設(shè)備事故預(yù)測(cè)、評(píng)估、改進(jìn)有較大的指導(dǎo)意義。