矿井通风系统可靠性预测研究

2022-09-14张佳哲

山东煤炭科技 2022年8期

张佳哲

（晋能控股煤业集团安全督查大队八中队，山西大同 037003）

矿井的通风系统受通风线路、网格结构变化、巷道变形、运行参数等因素的影响，使通风量发生改变，进而威胁到井下的正常生产。同煤集团某矿井现使用的通风系统存在数据采集实效性差、设备老化、监控不到位等问题，还有通风系统本身是一个不断变化的动态系统，为了提高通风系统的可靠性，找到影响因素，建立实时监控通风系统运行状态的可靠性预测系统，采用BP 神经网络算法[1-3]，结合智能软件应用技术，设计符合功能要求的现场监测控制系统，通过构建仿真模型，将预测值和真实值进行对比，判断系统的可靠性。

1 矿井通风系统现状

1.1 通风系统

同煤集团大斗沟煤矿矿井采用中央并列式通风方式，通风方法为抽出式，主斜井、副斜井、进风立井进风，回风立井回风。矿井主井进风量为1527 m3/min，副井进风量为5380 m3/min，矿井总进风量为9874 m3/min，总回风量为10 298 m3/min，主通风机的总排风量为10 550 m3/min，外部漏风率为2.39%，内部漏风率为5.5%。

1.2 通风设备

主扇为2 台ANN-3240/1800B 型防爆对旋轴流式通风机，1 台工作，1 台备用。每台通风机选用1 台型号为YKK800-6 的交流异步电动机，功率为3550 kW，电压为10 kV，额定转速为990 r/min，风量约为12 000 m³/min，负压约为600 Pa。

1.3 通风路线

① 进风立井→1040 北翼辅运大巷→2103 皮带顺槽检修联巷→一采区皮带巷→2102 皮带顺槽→8102 工作面→5102 回风顺槽→一采区3#联巷→一采区回风巷→井底回风联络巷→回风立井→地面；

② 副斜井→一采区辅运巷→一采区辅皮联巷（2102 皮带顺槽检修联巷）→2102 皮带顺槽→8102 工作面→5102 回风顺槽→一采区3#联巷→一采区回风巷→井底回风联络巷→回风立井→地面。

2 通风系统可靠性评价指标

2.1 通风系统的有效度

通风系统的有效度是可靠性评价的关键指标[4]，主要包括对系统、装置以及元器件的有效度评价。瞬时有效度是指在一定的环境中，任意时间点上通风机可以正常运转的概率，稳定有效度是指存在其对应的极限值。

2.2 平均正常通风时间以及失效时间

平均正常通风时间是指通风系统开始运行时到通风系统出现失效问题所经历的时间长度平均值。平均通风失效时间是指通风系统出现故障时到通风系统恢复正常运行时所经历的时间长度平均值。

2.3 维修率以及故障率

可维修性是指在通风系统不能正常运行时，针对通风系统进行检测发现故障问题并采取措施进行维修确保系统正常运行。通过分析数据，通风系统对应的平均正常通风时间和平均通风失效时间在统计学上符合指数分布，其指数分别对应故障率和维修率。

根据实际数据将矿井通风系统的可靠性级别分为5 级[5]，见表1。

表1 可靠性级别

3 可靠性预测系统设计

BP 神经网络是一种多层前馈控制网络，一般包括输入层、隐含层和输出层。输入信号从输入层传输到隐含层再传输到输出层，每一层的神经元状态只影响下一层的神经元网络。由于神经网络权值和阈值的变化与误差成正比，通过计算神经网络的权值和阈值，使误差函数的斜率接近于目标值。如果实际输出与期望输出存在一定的误差，则误差信号反向传输到上一层，通过不断修正神经元的权值和阈值，向输入层传播计算结果，再正向传输到输出层。按上述方法对误差进行修正，使其达到期望的要求，多层网络学习结束。

3.1 总体架构

根据矿井对通风系统的实际需求，建立可靠性预测系统，主要包括可靠性预测子系统、数据采集子系统以及通风监控子系统3 部分，其总体架构如图1。

图1 总体架构图

数据采集系统作为可靠性预测系统的基础，要确保采集数据的准确性，为后续系统提高数据基础。通风监控系统主要是实时监控通风机的运行数据，并接收数据采集系统传输的数据，确保通风机的正常运行。可靠性预测系统是通过上位机对数据进行分析计算，通过评价方法，提高子系统的计算能力。通过3 个子系统的相互配合和综合分析，对通风系统出现的故障进行及时处理，确保系统安全[6]。