（安全技术及工程专业论文）矿井通风系统可靠性分析.pdf

s u b j e c ts t u d yo nr e l i a b i l i t ya n a l y s i so fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m s p e c i a i t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e ：b a o r u i i n s t r u c t o r ：z h a n gj i a n r a n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 豳应l ( s i g n a t u r e t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t 锄ts y s t e mo ft i l em i r l e r a lw e na s s i s t a i l c e i tr e l a t e dt o t l l ep e r s o i l i l e rsl i f es a f e t ) ri nm i n e m a n yc a s u a l t i e sa l lr e l e v a n tt ot i l eu i l r e a s o na _ b l ea n d 眦d e p e n d a 【b l ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，i ti sp r a c t i c em e a n i n g 锄dt h e o r i e sv a l u eo ft h er e s e a r c ho n m er e l i a b i l i t ) ，o fv e n t i l a t i o ns y s t e m t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mo fm i n ei sc o m p o s e dw i t hv e n t i l a t i o nn e t w o r k ，v e n t i l a t i o n d y n 锄i ca n dv e n t i l a t i o nb u i l d i n g s s i m u l t a n e o u s i y ，t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mo ft h es t a b i l i t ) r 肌d r e l i a b i l i 够a r ec l o s e l yr e l a t e d ，s ot h e 咖d yo fs t a b i l i 够j o i n e dt l l ea i r f l o ws t a b i l i 够t h e r e f o r e ， t i l i sp a p e ro nt l l er e l i a b i l i 够a i l a l y s i so fv e m i l a t i o ns y s t e mi nm i n em a i l l l ys t u d yt h ea b o v ef o u r f i e l d s s or e l i a m l i t ) ，a n a l y s i so ft h ev e n t i l a t i o ns y s t e mb ya d d i n gav e n t i l a t i o ns y s t e ms a f e t y 锄a l y 西ss o 厅w a r e t h ew h o l ev e n t i l a t i o nn e t 、o r ki s c o m p o s e d 、v i t hm a i l ya i r 、v a y s ，a 1 1 di t sr e l i a b i l i t ) ri s b a s e do n 恤r e l i a b i l 时o ft h ea i 刑a y s w h e ns t u d y i n gt h er e l i a b i l i t ) ro fa i r w a y s ，n o to i l l y w h e t h e rt h ea i rq u a n t i t yi i lt t l e a i r 、 ，a yi si nt l l e 印p r o p r i a t e 啪g ei sc o n s i d e r e d ，b u ta l s ot l l e c o n c e n t r a t j o no fg a s ，t e m p e 姗a n dc o n c e n n a t i o no ft o x i ca n dn 0 x i o u sg a si sc o n s i d e r e da s c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，t h a ti st os a 弘m ea i rq u a r l t i t ) ra n dt l l ea i rq u a l i t ) ，a r er e q u i r e di nt h e d e f i n e dr 锄g ea tt h es 锄et i m e w h e nd e t e m l i n i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ev e n t i l a t i o nn e m o r ka n e wm g o r i t i m l ，、h o s en a m ei sd i s j o i n tm i n i m u i np a t hs e tm e t h o db a s e do nt n m c a t i o ne r r o r t h e o d ra 1 i dr 咖r ks i m p l i f i c a t i o nt e c m o l o g y ，i sp u tf o ，a r di nt h ed i s s e r t a t i o n ，龇1 dt h en e w a l g o r i t h mc a nb eu s e dt oc o m p u t et l l er e l i a b i l i t ) ro fv e r y l a r g e - s c a l ev e n t i l a t i o nn e 觚o r k a s f o rt h er e p a i ra _ b l ep r o p e i r t yo fv e m i l a t i o nd y n 锄i cs y s t e m ，t h er e l i a _ b i l i 够a l l a l y z i n gm o d e li s s e tu pb yu s i n gt h em 砌【o vp r o c e s st h e o r ) ，v e n t i l a t i o nb u i l d i n g s 盯ec l a s s e d 嬲o b s t m c t i n g b u i l d i n g ，、衍n d e db u i l d i r 培a n da d j u s t i n gb u i l d i n g ，a i l dt h e i rr e l i a b i l i t yi sd e s c r i b e d r e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt h e i ra i rl e a l 【b a t e 1 1 1t i l i sp 印e r ，c o m b i n a t i o no ft t l ea b o v er e l i a b i l i 哆 a 1 1 a l y z i n gm e t l l o d sa n dv e m i l a t i o ns o f h v a r e ，a n a l y s i so fm er e l i a b i l i 够o fh 啪gl i n g i i m i i l i n g k e yw o r d s ：m i n e v e m i l a t i o ns y s t e m r e l i a b i l 时 a i r f l o ws t a l ) i l i 够v e n t i l a t i o n n e t w o r k t h e s i s ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 西姿拜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：酬日期：舻 ，) ( 2 1 ) 式中：卜规定时间。 显然t 时刻可靠度，是指产品在 0 ，t 】内完成规定功能( 或正常工作) 的概率，即t 时间内正常工作的概率。 不可靠度f ( t ) 为： ，( f ) = 尸( r f ) ( 2 2 ) 式中：t 一规定时间。 显然t 时刻不可靠度表示产品在 o ，t 】内发生故障( 或不能j 下常工作) 的概率，即t 时间内发生故障的概念。显然有： r ( f ) + f ( f ) = 1 ( 2 3 ) ( 2 ) 故障率n t ) 故障率：工作到t 时刻尚未发生故障的产品，在该时刻t 后的单位时间内发生故障 的概率。由故障率的定义可知，在t 时刻完好的产品，在( t ，什t ) 的时间内故障的概率为 尸 丁 ，) ，在t 时间内的平均故障率为兄( f ，出) ：璺垒丝垒卫2 堂，出专。 出 时得到在t 时刻为： ) = 烛= 慨塑半 ( 2 4 ) ( 3 ) 维修度m ( t ) 、修复率肛( t ) 与平均修复时间( m t t r ) 维修度m ( t ) ：是指在规定的条件下使用的产品，在规定的时间内按照规定的程序和 方法进行维修时，保持或恢复到完成规定功能状态的概率。由于每次修复产品的实际时 间是一个随机变量，产品的维修度可定义为：不超过规定时间t 的概率，即： m ( f ) = p ( r f ) ( 2 5 ) 式中：t 规定的维修时间； 1 2 2 通风系统可靠性基本理论 t 实际修复时间。 m ( t ) 表示从间开始到某一时刻t 以内完成维修的概率，是对时间t 的累积概率，而 且是对时间t 的非降函数。 维修密度函数是为虚度函数对时间t 的微分，用m ( t ) 表示，即： 聊：坐盟 ( 2 6 ) 、dt 修复率“( t ) ：是指修理时间已达到某时刻但尚未修复的产品，在该时刻以后的单位 时间内完成修理的概率，也可称为维修率。它是用单位时间修复发生故障的产品的比例 来度量维修性的一个尺度。用数学式表示为： 胁南掣= 尚 旺7 ) 肛( t ) 是瞬时修复率，它与瞬时故障率h t ) 是相对应的。 由上式可得： m ( f ) ：l p 一丘7 出 ( 2 8 ) 当“( t ) 为常数时，可写为m ( r ) = 1 一p 平均修复时间m t t r ：是指可修复系统每次故障后修复时间的平均值，在离散状态 下，平均修复时间为： 肋m = 旦_( 2 9 ) n ， 式中：t 第f 次的修复时间； m 修复活动的总次数。 ( 4 ) 可修系统的有效度 有效度是可靠度和维修度合起来的尺度。其定义为系统在规定条件下，在任意时刻 正常的概率，称为有效度，用彳( f ) 表示。 当系统的可靠度和维修度均服从指数分布时，则系统的有效度为： 彳：丝竺：j l ( 2 1 0 ) 以= 一= 一 k 厶l uj m j ? b ? + m 1 1 i ? r p + 亢 ( 5 ) 系统平均寿命m t t f 对于不可修复的系统或产品，其平均寿命是指它失效前的平均工作时间，常用 m t t f ( m e 觚t i m e t of a i l u r e ) ；对于可修复系统，其平均寿命是指两次相邻故障间的工作 时间的平均值，也称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间m t b f ( m e a i lt i m e b e t w e e nf a i l u r e ) 。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 在对系统可靠性进行分析时，很有必要了解系统首次故障时间，即在该系统使用初 期，平均运行了多长时间后可能要出现故障，以便采取应急措施。对于由两个子系统组 成的一个可修复系统来讲，其状态为x ( d = o ，1 ，2 ，其中： “o ”表示两个子系统均处于正常状态； “1 ，表示其中的一个子系统处于正常状态，另一子系统处于故障状态； “2 ”表示其中的两个子系统均处于故障状态。 假设该系统从仁0 开始工作瞬间处于“o ”状态，那么系统的首次故障时间也就是系统 的平均寿命或系统平均无故障间隔时间。 2 2 矿井通风系统及其可靠性的特点 2 2 1 矿井通风系统的特点 矿井通风系统是由通风网络系统、主通风机系统和通风构筑物系统等三个子系统及 其单元组成的大型复杂关联系统，其复杂关联的属性具体表现为系统的多环节性、非线 性、时变性、可维修性以及系统各影响因素之间的强耦合性。因此，易随机产生大量影 响煤矿井下正常通风及安全生产的随机故障或事故隐患。 矿井通风系统是一个复杂的、随机的、模糊的非稳定系统，是在空间和时间上动态 发展的系统，具有自己独特的特征。矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，是 向矿井各作业地点提供新鲜空气、排出污浊空气的进、回风井布置方式、主要通风机的 工作方法、通风网络和风流控制设施的总称。矿井通风系统的可靠性研究是以可靠性理 论为基础，在矿井通风系统的具体特点下进行的，两者为共性和个性的关系。因此有必 要对矿井通风系统的特点加以研究和阐述。矿井通风系统的特点主要有： ( 1 ) 复杂性 矿井通风系统根据地质条件、开采的机械化水平、开采规模等要求来确定，按进回 风井的位置可以分为中央式、对角式、混合式等。采区的通风方式有很多类型，这说明 了矿井通风系统的多样性和复杂型。就某一具体矿井通风系统而言，是由诸多变量组成 的一个复杂系统。大型矿井网络分支数可达几百条，角联分支数约占1 5 0 5 ，矿井 通风随着开采的延伸可有几个水平组成，用风地点一般有几十个甚至上百个。同时矿井 地质条件变化大，有的伴随着瓦斯的涌出。这些都说明了矿井通风系统的复杂性。 ( 2 ) 随机性和模糊性 矿井通风系统的随机性主要表现在矿井通风系统的故障模式及其状态变化具有随 机性。模糊性主要表现在系统状态、组成因素状态及其因素之间的模糊性，部分子系统、 子系统与其组成因素结构关系间的模糊性，是相对于确定性而言的。矿井通风系统的一 些指标只能用模糊数学的方法进行处理。 1 4 2 通风系统可靠性基本理论 ( 3 ) 动态性 动态性是指矿井通风系统的致障因素( 评价指标) 的种类及其结构以及它们的状态 ( 分值) 具有动态性，即为时间和空间的函数。矿井通风系统也随着矿井生产的进行而不 断地发生变化。矿井通风系统在网络结构上随时间发生变化，这种变化是可以预见和规 划的。此外由于采矿活动的影响，通风巷道受压变形甚至冒项、片帮、底鼓、断面缩小， 通风设施受压变形，漏风量增加，各种通风动力设备也会因为磨损、腐蚀，性能逐渐衰 退，从而使通风系统运行参数发生改变，而且各种参数的变化是模糊或随机的。由此可 见通风系统具有动态性。 2 2 2 矿井通风系统可靠性的特点 矿井通风系统的可靠性定义为：矿井通风系统在运行过程中保持其工作参数值的能 力，以维持井巷中必需的满足要求的清洁风量的供应。有如下特点： ( 1 ) 矿井通风系统是由通风动力装置、通风井巷网络、风流控制设施所组成，也 可划分为通风机、风路和构筑物组成。其中通风机和通风构筑物是相互独立的单元，而 某一个风路与通风机和通风构筑物以及其它风路是密切相关的，因此在讨论矿井通风系 统及其各单元可靠性的定义和计算方法时，应该予以充分考虑。 ( 2 ) 各通风构筑物在使用过程中的可靠性是相对的、动态变化的，其在某一时刻 的可靠度不仅依赖于当时构筑物所处的状态，也与预计的剩余服务期有关，而对整个构 筑物子系统，其可靠性只能通过其对矿井通风系统的影响来体现。 ( 3 ) 各风路的风量在通风系统结构不变时，不仅与风阻有关，而且与风机和通风 构筑物当时所处的状态有关。 2 3 矿井通风系统可靠性评价方法概述 矿井通风系统可靠性评价方法分为解析法和统计模拟算法两大类1 3 9 1 。 2 3 1 解析法 解析法是首先建立系统或子系统的可靠性数学模型，然后通过数值计算求解，得出 可靠性指标。常用的解析分析方法有网络法、状态空间法、故障树分析法等。 ( 1 ) 网络法：通过对矿井通风系统的整体分析，将其划分成若干子系统或系统单 元，从而建立起系统逻辑框图，该逻辑框图能表明怎样的单元故障组合将导致整个系统 事故。其特点是结构简单，计算容易，对独立单元的不可修复系统特别有效，但只适用 于系统结构为单调结构、系统单元为双状态的情况，对独立单元的可修复系统，只适用 于计算系统的稳态故障概率。 ( 2 ) 状态空间法：用矿井通风系统的运行状态和运行期间可能发生的状态转移来 1 5 西安科技大学硕士学位论文 表示，并求得可靠性指标。该方法适用于系统单元多状态，单元故障和修复不独立的情 况。应用该方法不仅可计算系统的稳态故障概率，还可计算系统的故障频率，故障持续 时间及暂态解等。但是，该方法常需要假设系统或其组成单元的各种故障时间、维修持 续时间是服从负指数分布的，保证是m 破o v 过程，当通风系统规模很大时，存在着“维 数灾”的问题，应用受到一定的限制【4 0 1 。 ( 3 ) 故障树分析法：是通过对引起通风系统故障的事件和可能引起系统故障的子 系统及单元故障进行综合分析，将分析结果构成故障树，然后根据故障树结构推算系统 事故概率的算法。其特点是阐明各子系统级别故障时间的因果关系，以及识别系统中最 重要的故障和薄弱环节。 解析法的优点在于物理概念清晰、模型精度高，在给定的假设条件下，通常可求得 准确结果；其主要缺点在于计算量随系统规模的增大而剧增，只能考虑有限个负荷水平， 不宜处理相关联的事件。 2 3 2 统计模拟算法 目前广泛采用的统计模拟算法是蒙特卡罗模拟法，其特点是将系统分为许多单元， 各单元特性可通过概率方法加以评估，通过采样实验求得结果。该方法属于统计实验方 法，比较直观，便于处理负荷的随机变化特性，适用于系统单元故障和修复时间不服从 负指数分布，且故障检修和计划维修之间存在较复杂的情况。不足之处在于实验周期长， 具有明显的统计性质，计算时间与计算精度紧密相关，为获得较高的可靠性指标，往往 需要很长计算时间。 以上提出的各种解析方法和模拟法在矿井通风系统可靠性研究领域均有比较成功 的应用实例，但是也有共同的缺陷，即大多只是各自单独研究了某个因素对可靠性的影 响，缺乏对通风系统的整体考虑，使评估不能真实地反映系统运行状况和控制策略。 矿井通风系统的安全可靠性，其广义的内涵可归纳为：一是在一定条件下能保证各 个采区及矿井的通风安全和创造良好的劳动环境，供风量和其它生产环节( 采场、提升、 运输、排水) 的能力相适应，即能为合理组织生产提供条件；二是通风系统简单、串联 风路少，通风设施布置合理、坚固可靠，已采区及其报废的巷道密闭严密，有利于防止 自然发火和防尘，并能对矿井及工作面的风流实行连续监测，抗灾能力强；三是通风机 运行稳定，故障少，无喘振，多风井联合系统之间无严重干扰，工况合理，运行平均效 率应在6 0 以上。 直接的可靠性是要求设计的风量、负压、效率应与实际条件基本符合，即应达到预 期的效果。具体要求如下： ( 1 ) 矿井必须有完整的独立通风系统。改变通风系统时( 包括一翼、或一个水平、 一个采区) ，必须履行报批手续；掘进巷道与其它巷道贯通时，必须按煤矿安全规程 1 6 2 通风系统可靠性基本理论 ( 以下简称规程【4 l 】) 的规定，制定安全措施。 ( 2 ) 实行分区通j x l ，通风系统中没有不符合规程规定的串联通风、扩散通风( 排 放瓦斯巷道不在此限) 、采空区通风和采煤工作面利用局部通风机通风。 ( 3 ) 矿井通风能力满足生产需要。采掘工作面和硐室的供风量要符合矿务局的统 一标准。 ( 4 ) 矿内各地点风速符合规程规定。 ( 5 ) 矿井有效风量率不低于85 。 ( 6 ) 回风巷失修率不高于7 ，严重失修率不高于3 。 ( 7 ) 矿井主要通风机的反风设施要按规程定期检查，每年进行一次反风演习。 反风效果符合规程要求。 ( 8 ) 矿井主要通风机装置外部漏风每年至少要测定一次。外部漏风率在无提升设 备时，不得超过5 ，有提升设备时不得超过1 5 。 通风系统包括通风网络、通风动力设施和通风构筑物，这三个组成部分是相互关联、 相互影响的，研究通风系统可靠性应对通风系统的三个组成部分分别进行研究，然后分 析其相互关系，最终确定通风系统整体可靠性。通风网络可靠性包括风路可靠性和网络 可靠性两方面的内容。由于研究方法的不同和通风系统本身的复杂性，目前关于通风系 统可靠性的度量指标并不统一。本文在后面的章节中将分别对通风网络、通风动力设施 和通风构筑物的可靠性进行分析。 2 4 本章小结 本章根据可靠性基本理论，给出可靠性的定义以及衡量可靠性的主要参数的定义和 计算表达式，讨论了矿井通风系统的特点和矿井通风系统可靠性的特点，介绍了矿井通 风系统可靠性评价方法，为矿井通风系统可靠性分析奠定理论基础。 1 7 西安科技大学硕士学位论文 3 通风系统可靠性分析 3 1 基于综合影响因素的风路可靠性分析 3 1 1 风路可靠性模型 研究矿井通风网络中某条风路的可靠性时，不仅要考虑该风路的风量是否在合理范 围内，还应同时考虑该风路的粉尘浓度、温度、有毒有害气体浓度等指标是否在合理范 围内，即该风路风流的数量和质量同在规定范围内时，才能说该风路是可靠的【2 9 】。 根据上述分析，从通风的角度，风路的可靠度可以定义为在某一稳定状态s ( ，) 下， 在规定的时间内第f 条风路的风量值q ，能够保持在一个合理区间范围之内，即 q 。q q ：且风流的质量满足规程【4 u 的要求的概率，称为这一风路的可靠度，记 为r 其中q ，、q 的值和风流质量相关参数由约束条件彳来确定。 约束条件就是风路风流发生失效的边界条件，约束条件完全按照规程来确定。 只要风流的数量和质量符合规程的规定，那么从通风的角度来讲，该风路就是可靠 的。具体包括以下四种因素： ( 1 ) 风速； ( 2 ) 有毒有害气体浓度( 瓦斯、二氧化碳、氢气、一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、 硫化氢和氨气) ： ( 3 ) 温度； ( 4 ) 粉尘浓度。 这四个方面只要有一方面不能满足规程的规定，风路就会失效；只有这四个方 面同时满足规程的规定，风路才是可靠的。 极限风速、矿井有毒有害气体最高允许浓度、温度以及粉尘的允许浓度在规程 中也都有详细规定。 9 ，和魏由下式求得： 9 ，- 1 ，s ( 3 1 ) 鲵= 坳s ( 3 2 ) 式中：v 订第f 条风路风速下限，觚； ，。第f 条风路风速上限，砒； s 第f 条风路断面积，研? 。 并同时应该注意以下两点： ( 1 ) 对于工作地点，风量不应小于额定值q p ，若该风路风量在区间 1 8 3 通风系统可靠性分析 卜1 1 s ，2 s ，】n 娩，佃】内且风质量满足规程的规定，则说明该风路是可靠的。若 卜f 1 s ，1 ，：s ，】n 娩，佃】= 或风量不满足规程的规定，则说明该风路严重不可靠， 应采取相应措施减小q 或者增大s ，视具体情况而定。 ( 2 ) 对于一些非关键风路，如某些联络巷道其风流方向甚至可以允许反向，即该 风路风量在【v n s ，v s 。】u 陵，佃】内是可靠的，此时该风路风量失效的约束条件为： ( o o ，一，f 2 s ) u 卜v “墨，1 ，j 2 s ，j n 【v f l ，+ 】。 其中v f i 、1 ，都取正直。 根据上述分析，第f 条风路可靠度尺，可表达为： 刀，刀n 毛= 仇娩，q q ： 兀p “时磷 p 打亿。z z ：) 兀p ， d ? 磷 ( 3 3 ) 七= l七= i 式中： q 广一第i 条风路的风量，m 3 s ； 9 ，第i 条风路所需最低风量，m 3 s ； 9 r 第f 条风路所允许最高风量，m 3 s ； c ：第f 条风路第七类有毒有害气体浓度，； c 墨第f 条风路中所允许的第七类有毒有害气体的最高浓度，； 玎一第f 条风路中可能的有毒有害气体种类，根据规程，有毒有害气体包括： 瓦斯、二氧化碳、氢气、一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氢和氨； 卜第f 条风路中空气的温度，； 乃，第f 条风路允许的最低温度，； 乃r 第f 条风路允许的最高温度，； d ? 第f 条风路中第后类粉尘的浓度，m 咖3 ； d 墨第f 条风路中第七类粉尘最高允许浓度，m 咖3 ； 疗n 粉尘种类，根据规程，粉尘类型包括：含游离二氧化硅大于1 0 的粉 尘、含游离二氧化硅小于1 0 的水泥粉尘和含游离二氧化硅小于1 0 的粉尘，故，z n = 3 。 风路中的风流不满足约束条件称为风路的风流失效，引起风路风流失效原因有多 种，有可能是自身风阻变化引起的，有可能是其它风路风阻变化引起的，有可能是瓦斯 涌出引起的，有可能是自然风压、火风压引起的，有可能是风机工况变化引起的，也有 可能是上述各种原因综合引起的。对于某一风路的风流失效要结合实际情况具体分析。 另外一种失效是风阻失效，如巷道冒顶、片帮、底鼓、断面缩小、堆积杂物、过车、行 人、通风构筑物破坏等具体体现在其所在巷道的风阻变化上，即其所在巷道风阻发生失 效，这样会导致自身甚至其它风路风量的变化乃至风流失效。 3 1 2 风路风量分布 文献 2 9 】对某矿一些典型的进风、用风和回风巷道相关数据进行实地跟踪观测。在 1 9 西安科技大学硕士学位论文 实验数据的基础上，利用概率论、数理统计、可靠性原理的知识， 来求所需的分布函数厂( x ) 。并得出结论：风量近似服从正态分布， 3 1 所示。 风量正态分布曲线方程为： 旭卜赤唧t 一警， 式中：q 风路风量值； 仃f q 第f 条风路在，时刻风量分布的方差的二次方根； f q 第f 条风路在，时刻风量分布的均值。 以鳓 绕q q锄9 ( d 图3 1 风量分布函数示意图 3 1 3 可靠度函数 采用分布函数的拟合 分布函数示意图如图 ( 3 4 ) 如图3 1 所示左边阴影部分的面积( q 。) 为风路f 的风量小于q 。的概率，右边阴影 部分的面积( q 2 ) 为该风路风量大于q ：的概率。由数学分析可知， ( q 。) = 厂( q ) 坦 ( 3 5 ) ( q ：) 2 ：厂( q ) 蛔 ( 3 6 ) 3 1 4 风路可靠度计算 由约束条件彳确定f 风路风量在规定范围内的概率记为p ，娩。 g ， g ，： 。由上述分 析可知：p “ q 订 q q i ：) = e 厂( q ，) 抱( f ) ( 3 7 ) 3 通风系统可靠性分析 把式( 3 7 ) 代入式( 3 4 ) 可得： 胞。 l 七 l 当上式由风路的可靠度足来表示时： 】，= 兀吼一兀心+ 兀冠+ + ( 一1 ) ”1 兀r 扛e 弓 扛1p “e 只u o 睁1p 以 他毋u p u 最) l e 0 见 式中：彤一网路中通路的个数，胪n 聊+ 2 。 ( 4 ) 半割集法 ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 西安科技大学硕士学位论文 墨( 江l ，2 ，6 ) 表示半割集，网路的可靠度l ，为： bbbbhb y = 墨一( sus ) + ( s 。u 量u 瓯) + + ( 一1 ) 扣1 ( u s ，) ( 3 2 2 ) ，= l f = l l ，= ij l 七 ij = j 当上式由风路的不可靠度月，来表示时： bbbbbb 】，= 兀瓦一兀瓦+ 兀瓦+ + ( 一1 ) 扣1 兀瓦 ( 3 2 3 ) 信1 l 她 括m 如“，b “b 儿叫墨峨 l 0 墨 式中：卜表示网路中半割集的个数。 3 2 3 基于网络简化技术的通风网络可靠度计算 目前，大型通风系统可靠度计算仍然存在运算量过大的问题。国内外的学者已经对 此类问题作了大量的研究，并且提出了许多算法，应用最多的是基于最小路集的各种算 法。由于网络可靠度确定中存在的运算量过大的问题，e s r 算法【2 9 】适合求解大型通风 系统网络可靠度，即带有截断误差的基于网络简化技术的通风网络可靠度确定法，其中 e s r 这三个字母中“e ”代表截断误差，“s ”代表网络简化技术，“r ”代表可靠度。 ( 1 ) 可靠度计算中的网络简化 考虑到不交化最小路集算法的计算复杂度与通路数有关，在网络简化理论中，串联 子网的简化不改变通路数，角联子网的简化的计算复杂度也与通路数有关，因此，对于 小型网络，如果为了说明网络简化在可靠度计算的应用，可考虑串联子网、并联子网和 角联子网的简化；对于大型网络，最关键的问题是如何快速计算出网络的可靠度，这时， 可仅考虑并联子网的简化，将并联子网的简化与可靠度计算结合起来将大大提高网络可 靠度的计算速度。串联子网、并联子网和角联子网的等效分支的可靠度用式( 3 2 4 ) 计 算。 足叼“= 兀r i ( r ) ( 串联) # i p 1 一兀 1 - r i ( ，) 】 ( 并联) f = 1 w dw d w dw d w d w d 兀r 。( ，) 兀心( ，) + 兀心( f ) + + ( 一1 ) ”1 兀髟( ，) ( 角联) 8 8 毋 扛”如只扛“叫如舢j d e 0 p ( 3 2 4 ) 式中：p 串联子网的分支数； p 一并联子网的分支数； 阢l 角联子网中源点和汇点间的通路数。 3 通风系统可靠性分析 ( 2 ) e s r 算法原理 e s r 算法是基于截断误差和网络简化两个原理进行的。考虑到分支的可靠度 r 【f 】1 o ，且大多数情况下尺p 】 ，系统故障状态集 合为f = 2 ) 。 系统的状态概率向量为x = ，x ，x ：】 并且满足 x o + 而+ x 2 = 1 因此可知系统状态转移概率矩阵尸为： | 1 - 2 旯 2 力 o 尸= l 1 一( 兄+ )名i ( 3 2 7 ) i o 1 一l 令x ( p 一，) = 0 得： 2 6 3 通风系统可靠性分析 卜2 饥+ l = o 2 缸。一( 五+ ) 而+ 肛2 = o 【触l 一肛2 = o 舍去成线性相关的一个方程( 方程2 ) ，补充方程+ x 。+ x 2 = 1 得： i 一2 缸o + 厣l = o + x l + x 2 = 1 l 缸l 一肛2 = o 解得： ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) “ 2 矿蠢而 五：_ 一三丝彳 ( 3 3 0 ) 工1 一j 7 r ；i 云乙丽 、j j u 7 2 斧 而2 矿瓦而 则两风机并联的有效度为4 ： 彳= + 而= 乙亨 ( 3 3 1 ) 为求两台通风机组成的子系统的可靠度，需要考虑其首次故障时间分布，即在【0 ，f 】 时间通风机子系统没有发生故障的时间分布。在这两台通风机并联组成的子系统的三种 状态x ( r ) = o ，1 ，2 中，令其故障状态2 为吸收状态。每台风机的可靠度： 尺，o ) = p 一刀a = 1 ，2 ) ( 3 3 2 ) 由于两台通风机并联，根据可靠性并联系统的定义得两台通风机子系统的可靠度 r ，( ，) ： 月) = 1 一兀( 1 一r ，( f ) ) ( 3 3 3 ) 因为两台风机 = 如= 五，并把( 3 3 2 ) 式代入( 3 3 3 ) 式得： r ，( ，) = 1 一兀( 1 一p 础) = 2 e 一一p 五m ( 3 3 4 ) 由此可求得两台并联通风机子系统的平均首次故障时间 册，( m e a l lt i m et of i r s t f a i l l l r e ) ： 哪2 胜触= ( 2 p 可2 坳2 云 o ( 3 3 5 ) ( 3 3 5 ) 式的m 玎乃是两并联通风机子系统可靠性分析中的一个重要评价指标。根 西安科技大学硕士学位论文 据这个指标我们可以知道该子系统在使用时，平均运行了多长时间后可能两台风机同时 出现故障，以便采取应急措施。 3 4 通风构筑物的可靠性分析 通风构筑物是矿井通风系统的三大组成部分之一，构筑物的数量与质量对井下生 产、安全有直接影响，通风的经济效益如何也与构筑物的优劣相关。通风构筑物是引导 风流实现预定风量分配目标的基本措施。一般说来，通风构筑物依其两侧的风压差大小 决定其影响范围的大小。构筑物两侧风压差大者，往往联系着主要进、回风区域，其毁 损或不当使用将使得主要进、回风区域的通风短路，进而造成大范围区域的风量分配变 化甚至风流反向。 3 4 1 通风构筑物的可靠度 通风构筑物【4 6 】主要有风门、风窗、风墙、风帘、风桥。如果按其作用不同可以分为 三类： 第一类是用于隔断风流的构筑物，如井口密闭门、风门、风墙等。对于这类构筑物， 要求结构严密、坚固、漏风少；第二类是用于通过风流的构筑物，如通风机风硐、反风 设施、风桥等，这类构筑物要求其风阻小，漏风少；第三类是用于调节和控制通过的风 量，例如调节风窗。 在对通风构筑物的可靠性评价时要求：风门的允许漏风率小于3 ，风桥漏风率小于 1 ，风墙基本不漏风。对于不同的通风构筑物，衡量其可靠性的方法也不相同。 ( 1 ) 截断风流的通风构筑物的可靠度 对于风门、挡风墙、风帘等截断风流的通风构筑物，基主要功能就是要将风流截断， 阻止风流通过，其漏风量越大可靠性越差。因此对于截断风流的通风构筑物而言，其在 某一时刻r 完成截断风流的能力，称为该构筑物在r 时刻的可靠性。其可靠度可表示为： r ( f ) = l q ，( f ) q l ( r ) ( 3 3 6 ) 式中：r d ( ，) 第f 个截断风流的通风构筑物在t 时刻的可靠度： 驮，( ，) 第f 个截断风流的通风构筑物在t 时刻的漏风量，所3 s ； q ，。( ，) 第，个截断风流的通风构筑物入风侧的设计风量，聊3 s ，其值为网络 解算所得的风量值，它只与f 时刻通风系统的网络结构有关。 对于截断风流的通风构筑物的漏风量，在通风构筑物设计时我们总希望其漏风量为 零，但由于在施工过程中的误差、选材的差别等各种因素的影响，新建成的截断风流的 通风构筑物将肯定有一定的漏风量，其值可以通过现场实测得到。对于一个新建成的截 断风流的构筑物f ，其可靠度r ，( o ) 可以表示为： r 掣( o ) = 1 一骁，( 0 ) 9 ，( o ) ( 3 3 7 ) 2 8 3 通风系统可靠性分析 由于通风构筑物在使用的过程中，随着其使用时间f 的增长，由于受到外部环境及 其本身逐渐老化等因素的影响，在经过再次维修之前，其漏风量会逐渐增加。 在f 时刻该构筑物的漏风量可以评估为： q f ( ，) = 彘，( r ) q 。，( o ) ( 3 3 8 ) 式中：彘船) 与截断风流的通风构筑物在使用期内的经历有关的系数，彘，( f ) 1 。 ( 2 ) 通过风流的通风构筑物的可靠度 风桥等通过风流的通风构筑物的功能就是要使风流顺利地通过。在风流通过的过程 中，风量损失越大，则构筑物可靠性越差。对于该类通风构筑物，在某一时刻f ，其能 使风流顺利通过的能力称为该构筑物在，时刻的可靠性。若以尺( f ，r ) 表示通过第f 个通风 构筑物的风流在时刻f 的可靠度，可以用公式表示为： r ( f ) = l - 【q l ( ，) 一q 2 ( f ) 】q l ( r ) ( 3 3 9 ) 式中： q 。( ，) 通过第z 个通风构筑物入侧的f 时刻的风量，聊3 j ； q f ：( ，) 通过第，个通风构筑物出侧的f 时刻的风量，所3 s 。 在通过风流的通风构筑物的设计时，总希望风流在通过该类构筑物时的损失最 少。但由于构筑物在施工过程中的误差，新建成的构筑物在风流通过的过程中总有一定 损失，即 q l ( 0 ) q 2 ( o ) ( 3 4 0 ) 其风量损失为：绕，( o ) = q ，。( 0 ) 一q ，：( o ) ，在下次维修之前，随着构筑物使用时间f 的增 长，q 。) 逐渐增大，鱿，( f ) 数据可以通过现场实测得到，也可以按以下( 3 4 1 ) 式评估 得到。 q “( ，) = 九，( r ) 姨，( 0 ) ( 3 4 1 ) 式中：九( f ) 与通过风流的通风构筑物在使用期内的经历等因素有关的系数， 九，( f ) l 。 ( 3 ) 调节风流的通风构筑物的可靠度 对于风窗等调节风流的通风构筑物，其主要功能就是要使通过风窗的风量与设计要 求的过风量相一致，两者的差别越大，该构筑物越不可靠。所以对于这类构筑物，在某 一时刻f ，其能够通过风量符合设计要求的程度，称为该构筑物的可靠度。若以月( f ，r ) 表 示，则有 尺鲥0 ) = 1 一i 级( f ) 一瓯l 缆 ( 3 4 2 ) 式中：级( ，) f 时刻通过第f 个通风构筑物的实际风量，脚3 趴 鱿第f 个通风构筑物的设计通过风量，聊3 s 。 姨值可以在现场实际中测到，也可以利用与公式( 3 3 8 ) 或者( 3 4 1 ) 相似的公式 评估得到。 西安科技大学硕士学位论文 对于通风构筑物系统而言，其功能就是要保证各用风点的用风需求。通风构筑物的 可靠性程度，对风流的稳定性有很大影响。如有些矿井风门漏风严重，根本起不到隔断 风流的作用，这样它的可靠性就比较差，自然会引起风流的波动，影响风路中风流的稳 定性，在少数情况下甚至会造成风流静止甚至反向。对于像风桥这类通过风流的通风构 筑物而言，设计时不但要考虑尽可能减少漏风，还要考虑尽可能采用减小其局部阻力措 施。因此，对于通风构筑物要加强管理，以提高其可靠性。 3 4 2 通风构筑物的影响分析 不同位置的通风构筑物对于矿井通风安全的影响有很大的差别。在并联的相近作用 风道之间的通风构筑物即使出现过大的漏风，其后果一般也不会太严重；而联系主进、 回风道的通道上的风墙或风门，即使只是部分丧失功能，也会造成矿井通风的严重短路， 致使正常的矿井风量分配发生重大变化。因此，分析通风构筑物的重要程度【4 7 】，进而采 取适当的分级管理措施是必要的。 ( 1 ) 通风构筑物重要度 这里将通j x l 构筑物重要度分为重要度和相对重要度两个概念。设某一包含通风构筑 物的通风系统为g = ( e ，s ) ，其中e = ( q ，p ：，p ，) 为风道集合，s = ( s 。，s ：，s 。) 为构筑物 集合。 改变某一构筑物的状态并进行风网解算，将解算结果与构筑物状态改变前的基础方 案解算结果进行比较，可以得到相对偏差集合d = ( 4 ，d ：，d 。) 。对所有构筑物的状态 都改变并计算后，可以得到一个m ，2 的相对偏差矩阵 h “ d = d 。= l ； 。i i ld 。叱。i 从该矩阵可以清晰看出任意通风构筑物状态改变对矿井各风道通风参数的影响情 况。相对偏差矩阵旱的d ，可正、可负、可为o ，分别表示f 构筑物状态变化使，风道的 通风参数增大、减小和不变。 通风构筑物的重要度是针对某一具体构筑物而言的，是指该构筑物状态改变对某一 具体用风地点的风流影响程度。f 构筑物对，风道的重要度定义为： i di c ，盯= _ 生匕f = 1 ，2 ，刀；f ，；后j f ( 3 4 3 ) k l q 七= l 式中：c ，为风道，本身在通风系统中的重要程度，对主要用风巷道取1 1 1 2 ，一般风道 取1 0 ，无人安全风道取0 8 o 9 ( 2 ) 通风构筑物相对重要度 3 0 3 通风系统可靠性分析 通风构筑物相对重要度指某一构筑物在所有构筑物对某一风道影响中的重要程度。 f 构筑物对通风系统的相对重要度定义为： ， t = 上f ， ( 3 4 4 ) f = l 由于通风构筑物的状态改变对自身所在风道的影响是最大的，因此公式( 3 4 3 ) 和 ( 3 4 4 ) 在定义时去除构筑物对自身风道的影响。 3 5 本章小结 ( 1 ) 应用概率论、数理统计和可靠性原理等知识确定出风路风量近似服从正太分 布，综合考虑风路风流的数量和质量均在规程规定的范围内，从而得出风路可靠度 函数的计算式。 ( 2 ) 在通风网络可靠度的确定过程中，带有截断误差的网络简化技术的通风网络 可靠度确定方法，在保证计算精度的同时可大大缩短计算时间。 ( 3 ) 通过可靠度失效灵敏度来衡量各分支失效对通风网络可靠度的影响。 ( 4 ) 提出了矿井主要通风机的可靠性分析的必要性。根据主要通风机系统的冷储 备可修特性，基于m a r k o v 过程理论的并联模型，推导出主要通风机系统的可靠度和平 均首次故障时间( 脚，) 。从而在确定可靠性的同时确定出通风机在平均运行了多长 时间后可能两台风机同时出现故障，以便采取应急措施。 ( 5