刍议矿井机电运输系统的复杂性
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摘要随着煤矿生产规模的不断扩大，先进技术不断引进，煤矿新装备得到迅猛的发展和应用，它直接促进了煤矿机电运输管理水平的提升。本文作者通过多年工作经验分析了煤矿机电运输系统的复杂性，并提出相应的对策。仅供同行参考。
关键词 煤矿机电；运输；复杂性；解决措施
复杂网络分析理论作为一种解决复杂系统问题的有效手段，已被广泛应用于众多领域。因此把复杂网络分析理论引入矿井机电运输领域，采用复杂网络分析理论建立矿井机电运输网络，识别关键环节，对可能存在的安全隐患进行量化评价，再对之以策。由于矿井生产环境复杂多变，决定了它只有采用综合自动化技术，最大限度减少井下人员、提高设备利用率和完好率，才能确保煤矿安全、高产和高效。为此，需要建设数字化矿井，提升矿井生产过程的透明度和预警性，推行闭环控制和“地面集控、井下巡检、定期检修”机电运输管理模式，实现对机电运输系统的集约化控制和持续改进。
1机电运输系统的复杂性
矿井机电运输系统涉及的设备类型和数量众多，各种设备又组成了不同层次的子系统，且彼此相互联系，运行环境复杂多变，主要表现在以下几个方面：
1.1系统层次复杂性
煤炭的生产过程通常包括掘进、回采、运输和提升4个阶段，如图1所示。从采区工作面、上下山、阶段大巷、井底车场到地面工业广场遍布众多机电硐室和机电运输设备，每一采区都有相应的机电运输设备，形成了不同的子系统，如采区供电系统、运输系统、通风系统及排水系统等，同一水平的各子系统间存在横向联系，不同水平的子系统间存在纵向关联，共同组成了整个矿井的机电运输网络，为此，需要对生产过程的各子过程进行集中监控。
图1矿井生产系统组成
1.2运行环境复杂性
生产过程存在的顶板压力、瓦斯、煤尘及地质灾害等问题，使得矿井机电运输设备运行环境恶劣而复杂。且顶板压力、采区涌水和瓦斯等都处于动态变化
中，随着开采水平的延深，这些问题变得更加突出。因此，矿井机电运输设备需要具有多种保护，如低压馈电开关的漏电、过流和接地保护，局部通风机电源采用“三专”供电，瓦斯泵采用“三专”加“两专”供电，采区和掘进面非本质安全型设备必须实现风电闭锁和瓦斯电闭锁。
1.3系统动态变化复杂性
随着回采工作面的推进和采区更替，相应的机电运输系统需要进行动态配置，涉及的机电运输设备类型多、数量大，具有空间位置分布动态变化特性。另一方面，采掘工作面和采区的机电运输设备，受所处环境变化的影响，如顶板压力、环境温度及煤层瓦斯浓度的变化等，都会影响机电运输设备的运行，加之设备本身老化、检修和更换等，使得矿井机电运输系统呈现复杂的动态变化。
2机电运输系统复杂性分析方法
复杂网络分析理论，作为一种解决复杂性问题的有效手段已广泛应用于众多领域。把该分析理论引入矿井机电运输领域，通过建立机电运输网络，分析其网络传播效应和鲁棒性，结合机电装备保护及能力评定，以实现对机电运输系统的综合评价。依据网络的观点，矿井各类机电设备，如高低压开关、电动机、绞车及水泵等都可以抽象为网络节点，依据它们之间存在的关系，将关联节点进行联接，构成机电运输网络，如图2所示。在此从2个层面考虑网络，一是从全矿井看机电硐室，形成矿井机电硐室节点网络；二是从单个机电硐室看机电设备，形成矿井机电运输设备节点网络。主要考虑节点间的3种关系：
图2矿井机电运输网络
(1)控制关系如高压开关节点和水泵节点间的控制关系，采用有向边连接两节点；
(2)顺序关系如采区胶带输送机到强力胶带机间的顺序关系，采区泵房水泵和中央泵房水泵间的顺序关系，采用有向边连接两节点；
(3)联合关系如泵房一水泵和另一水泵联合运行时存在的关系，采用无向边连接两节点。根据需要，还可以对网络节点进行更细粒度划分，如电动机通过联轴器拖动水泵工作，则网络中水泵节点进一步划分为电动机节点、联轴器节点和水泵本体节点。在建立机电运输网络的基础上，通过考察节点出入度、集聚系数、最短路径等参数度量各节点的重要度以及出现故障时，其对整个网络其它节点的影响程度及其传播范围，如某台开关跳闸时对供电系统的影响范围和程度，某台水泵发生故障停机时对矿井排水系统的影响程度，某带式输送机停机时对矿井煤流的影响大小等。
3机电运输系统复杂性对策
3.1构建机电运输信息网络，实行系统的闭
环控制针对矿井机电运输系统的复杂性，在对其进行复杂性分析的基础上，需要对关键设备和隐患进行闭环控制和管理。因此，首先要构建矿井机电运输信息网络，提升机电运输系统的数字化水平，主要从以下2个方面入手。
3.1.1构建机电运输信息系统，推行机电运输系统的闭环控制
获取机电运输设备的各类数据信息是对其进行有效控制的基础，也是对机电运输设备进行有效管理的依据。这就需要建立覆盖全矿井的机电运输设备管理信息系统，构建机电运输信息管理系统[5]是实现对机电运输系统闭环控制的基础。在此基础上，引入六西格玛控制理念，推行“数据驱动行动”的精细化和闭环管理模式，实现机电装备保护及能力评价，如图3所示。采用帕累托图、因果图、控制图、故障效应及模式分析等多种方法对机电运输隐患进行综合评价，同时采用可靠性理论对系统可靠性进行分析。机电运输设备的数字化和网络化是实现闭环控制的途径，依据实时获取的设备运行状态数据，通过网络对机电运输设备实行远程监控，对存在的隐患进行跟踪治理，对存在的薄弱环节进行优化和改进，才是实行闭环控制的目的。
图3矿井机电运输系统的闭环控制
3.1.2采用新技术、新设备，提高设备运行的经济性和安全性
为提升矿井机电运输设备运行的安全性，需要大力推广应用新技术、新设备，尤其是具有高可靠性、节能和适应复杂环境的数字化机电装备。如采用变频控制及谐波抑制技术对机电装备进行节能降耗改造，采用新型多功能阀解决水泵的水锤现象；采用供电监控系统解决越级跳闸问题，强力胶带采用在线无损检测装置提高对胶带钢丝绳断丝及损伤状况及时判断的准确性，提升机采用闸瓦综合保护装置提高提升机运行的安全性；采用常闭式防跑车装置提高斜坡运输的安全性等。
建设数字化矿井，实现系统的持续改进
3.2.1建立矿井监测传感网络，构建基础工况信息数据库
设备运行工况数据、生产环境参数是实现对生产过程有效监控的依据，因此，需要建立面向全矿井的监测传感网络，获取各类所需的数据信息，包括设备工况数据、矿井环境参数(瓦斯浓度、风量、温度等)、煤流状态及人员分布等。为此，需要配置电流、电压、压力、温度、流量及烟雾等各类监测传感装置和光纤、通信电缆、交换机、基站等各种数据传输媒介和设备。
3.2.2建立统一的数据分析与监控平台，实现机电运输设备的集中控制
安全监控数字化、生产过程自动化是数字化矿井的重要特征，集中控制、减员增效是数字化矿井的主要目标。矿井环境复杂多变，只有实现“无人值守、无人则安”才能真正保证安全生产。如泵房的无人值守，可以对泵房、变电所等重要场所进行自动化改造，使各水平水泵全部在地面集中监控室开停，泵房、变电所内全部安装网络视频摄像仪，实时全方位360°监控，各类工况数据通过光纤实时传送至地面远程监控室。建立统一的数据分析与监控平台，实现各类数据信息间的融合，也是对机电运输系统进行持续改进的需要。
4结束语
把复杂网络分析理论引入到矿井机电运输领域，对机电运输系统的关键环节及其可能存在的隐患进行量化评价。实行机电运输系统的闭环控制，构建覆盖全矿井的数字检测传感网络，建立统一的数据分析与监控平台，在生产与管理实践中，对机电运输系统持续进行改进，逐步优化才能确保煤矿安全、高产及高效。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。