浅谈矿井机电运输系统的复杂性

摘 要：随着矿井开采水平的延深，相应的机电运输网络也在不断扩大、日趋复杂。如何有效进行机电运输网络复杂性的度量与控制，对提高矿井机电运输系统的安全性和可靠性具有十分重要的意义。文章将重点介绍矿井机电运输系统的复杂性及其对策，以供同行参考。

关键词：矿井，机电运输系统，复杂性

前言

矿井机电运输系统的复杂性主要包括系统层次复杂性、运行环境复杂性、系统动态变化复性。矿井机电运输系统涉及的设备类型和数量众多，运行环境复杂多变，各种设备之间存在差异，但又彼此相互联系。

1机电运输系统的复杂性

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。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.

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大型机电装备复杂性

由于井下环境恶劣，要求井下机电运输设备必须具有本安特性或防爆性能，以适应潮湿及煤尘环境，而且还要具有安全闭锁功能和抗电磁干扰能力等。一方面，大型机电运输设备结构复杂，如主提升系统通常由主轴装置、离合器、减速机、操纵台、深度指示器、液压制动、电动机及电力拖动系统、信号系统、提升容器、提升钢丝绳、天轮、井架及井筒装备等组成，是典型的复杂机电系统；另一方面，由于防爆性能和综合保护要求及特殊设计的要求使机电运输设备更为复杂。如主提升系统的过卷、松绳、过速、满仓及深度指示器失效保护、闸间隙保护等和闭锁功能要求等，需要对提升系统配置相应的安全保护装置和控制系统。

1.4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

复杂网络分析理论是一种分析机电运输系统复杂性的有效方法，被人们广泛应用于众多领域。在矿井机电运输领域，需要结合机电装备保护及能力评定，建立机电运输网络，将矿井各类机电设备抽象为网络节点，如高低压开关、电动机、绞车及水泵等，根据它们之间的相互关系，将关联节点有效联接起来，这样便于综合评价机电运输系统。

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 建设数字化矿井，实现系统的持续改进

3.1 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。在此基础上，建立统一的数据库平台，实现各类数据信息的共享和互用。底层设备、运行环境等相关数据信息的获取是进行科学调度和安全生产的基础。为此，需要首先构建底层生产和安全相关的各监控子系统的检测传感网络，实时获取供电设备、主煤流、水泵、提升设备、通风机、压风机以及生产环境 （包括瓦斯、CO、温度等）、人员分布等相关的数据、语音和图像；继而建立统一的数据库和监控平台，集成各监控子系统，全方位掌握全矿底层生产设备运行状态、工作环境指标、人员分布位置，根据需要远程控制供电开关、胶带、水泵等的开停。现场工况数据的获取有 2 种方式：① 利用检测传感装置获取数据，如通过温度传感器获取电动机温度等；② 直接从运行设备本身获取数据，如低压馈电开关电流、电压值等。

3.2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。数字化矿井综合监控平台的基本体系结构，包括设备层、控制层和管理层。设备层获取底层各类数据并执行监控层发出的控制指令；监控层通过对设备层获取的数据进行处理，对设备运行状态进行监测和控制，为有效对设备运行状态进行监控，可以采用先进信号处理方法、数据融合技术、人工智能技术等对获取的数据进行增值处理，建立专家知识库，对设备运行状态进行超前预警，利用优化决策理论对设备维护决策进行优化，合理制定相应的检修、维护计划；管理层把生产监控和生产调度、协同办公等进行集成，为矿井高层管理人员进行生产、经营管理提供决策依据。

4结语

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。

参考文献

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