矿井通风系统可靠性评价方法研究.doc

矿井通风系统可靠性评价方法研究摘 要矿井通风系统可靠性研究是一项复杂的系统工程。要科学合理地评价矿井通风系统的可靠性，必须要确定能够确切地反应矿井通风系统实际状况的参数指标，建立科学合理的评价指标体系。本人首先阐述矿井通风系统可靠性的定义，分析了研究矿井通风系统可靠性的意义，确定矿井通风系统可靠性的评价指标体系。通过对矿井通风系统进行简单的分析 ,针对性地提出了一些提高矿井通风系统可靠性的技术措施，以尽可能地实现矿井通风系统的本质安全化。今后在完善矿井通风系统可靠性分析指标并建立全面的评价指标体系等方面尚需开展进一步的研究。关键词：矿井通风系统；可靠性；指标体系；技术措施1引言煤炭的安全生产和科学利用在我国具有现实的和战略性的重要意义，然而煤炭开采却是我国工业灾害最严重的行业1，安全生产形势相当严峻。据国家安全生产监管局调度统计，2003年全国煤矿百万吨死亡率为4.170。其中，国有重点煤矿为1.080，国有地方煤矿为3.130，乡镇煤矿为9.620。2004年煤矿企业死亡人数6027人，一次死亡30人以上的特别重大事故7起，死亡人数487人，比上年多127人，上升35.3%。且2003年和2004年我国煤矿事故死亡人数分别占世界煤矿事故死亡人数的80.4%和80%。2005年，全国共发生煤矿事故近3000起，死亡人数5491人。2006年，煤矿事故死亡4746人，百万吨死亡率为2.041，其中发生瓦斯事故327起，死亡1319人。2007年，全国煤矿事故死亡人数降至3786人，百万吨死亡率为1.4852。煤矿安全生产形势严峻性还表现为职业危害严重。据卫生部通报，截至2005年全国累计检出尘肺患者44万人，还有未经确诊的可疑患者60多万人，其中煤炭行业从业者占46%以上。2005年全国各类职业病发病12212例，其中尘肺病占75%3。同时，近年来煤矿瓦斯爆炸等重特大事故时有发生，也使得煤矿安全成为社会关注的焦点。 矿井通风是煤矿生产过程中的一个重要环节。生产时期通风系统的主要功能是利用通风动力，以最经济的方式，向井下各用风地点供给质优量足的新鲜空气，保证工作人员的呼吸，稀释并排放处瓦斯、粉尘等各种有毒有害的物质，降低作业地点的环境温度，给井下工人创造良好的工作环境；在发生灾变时，能有效、及时地控制风向及风量，并与其他措施相结合，防止灾害的扩大，进而消灭事故，减少人员伤亡和财产损失4。从剖析国内近几年来煤矿各次重大灾害事故发生及扩大的原因和影响因素来看，无不与矿井通风系统有着密切的关系。因此，建立一个能满足日常生产需风，保证风向稳定、风质合格，并且灾害时期又能保持通风动力设备运行可靠、稳定、能快速实现救灾政策的通风系统是至关重要的5。2矿井通风系统可靠性定义及研究意义2.1矿井通风系统可靠性的定义 矿井通风系统是由通风网络（包括通风网络中各条巷道及其风流、通风构筑物和各类用风场所）、通风动力及其附属装置、风流监测与控制设施等若干子系统及其单元组成的大型复杂关联系统。它反映了以各种技术手段输送、调度空气在井下流动，维护矿井正常生产和劳动安全的动态过程。其复杂关联的属性具体表现为系统的多环节性、非线性、时变性和可维修性以及系统各影响因素之间的强耦合性。因此，容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。随着煤矿开采深度的不断增加，开采规模的不断扩大，矿井通风系统相应地会越来越复杂，可靠性将降低，主要表现为：有些煤矿盲目增加采掘面，存在超通风能力生产现象；通风网络结构复杂，形成许多角联的子系统，同时不合理串联通风、扩散通风、老塘通风等通风方式的存在，造成风流不稳定，增加了技术管理难度；生产布置过分集中，造成有的区域风量过剩，有的区域风量不足；矿井通风阻力过大，造成通风系统的通风能力不足，部分矿井仍然使用老、旧、杂的风机，附属装置通风阻力大，造成通风机效率低；漏风率大，使矿井有效风量降低。矿井通风系统是煤矿生产的重要组成部分，安全可靠的矿井通风系统能有效提高矿井的防灾抗灾能力。因此，衡量矿井通风系统安全可靠程度越来越重要。通风系统可靠性可定义为向井下提供质量合格的、连续的、稳定的通风环境的能力6。所谓质量合格，就是指通风系统鉴定指标(风量合格率、风质合格率、有效风量率)必须保持在煤矿安全规程规定的范围内。通风系统可靠性工程从各个方面、各个环节研究系统的故障现象，提出定量评定指标和提高可靠性的措施。可靠性是衡量矿井通风系统优劣的三个重要指标(合理性、稳定性和可靠性)之一。矿井通风系统可靠度的高低对矿井生产和安全管理有着直接的影响。通过对通风系统可靠性的研究，及时发现系统正常运转过程中可能出现的故障和事故隐患，给矿井通风系统的设计和管理提供科学依据，为通风系统整体或单元性能的评价找到更加全面而合理的指标，是防止和减少矿井通风系统事故发生，保障其合理、经济、高效运转的关键；也是优化通风设计、促进安全生产的一项重要任务。2.2矿井通风系统可靠性的研究意义概括起来，研究通风系统可靠性有以下重要意义：(1)通过提高通风系统可靠性来进一步提高矿山企业生产过程的可靠性；(2)通过对通风系统可靠性的研究，有效改善井下工人的劳动作业环境，杜绝矿山灾害事故的发生；(3)通过应用可靠性技术，提高企业的经济效益。国内外自20世纪80年代开展这方面的研究工作以来，已做了一些有益的探索，并取得初步成果，但由于问题本身的复杂性，还有很多问题未能解决。3可靠性研究现状3.1国内外可靠性研究现状可靠性是指一个元件、设备或系统在预定时间内，在规定的条件下完成规定功能的能力。反映可靠性优劣的重要量化指标是可靠度，它表示元件或系统可靠工作的概率，即元件或系统在规定条件和规定时间t内完成预定功能的概率，记为R(t)。它与规定的条件和时间密切相关，规定条件是指元件或系统工作时所处的环境，规定的时间是指元件或系统在其有效寿命期内的任何时间，其可靠度不低于规定值，可靠度函数是随时间递减的。可靠性是一门新兴的工程学科，最初是应用于工业产品的质量控制中。它的概念的提出，可以追溯到1939年。当时美国航空委员会提出飞机事故率的概念和要求，这是最早的可靠性指标。最早提出可靠性理论的是德国的科学技术人员，1944年纳粹德国试射V一1火箭袭击伦敦，有80枚火箭还没起飞就在发射台上爆炸。经过研究，人们提出火箭可靠度是所有元器件可靠度乘积的结论，即把小样本问题转化为大样本问题进行研究。这是最早的系统可靠性概念。随着各国研究的不断深入，可靠性在20世纪70年代步入成熟阶段，到80年代可靠性进入深入发展阶段。我国可靠性工程起步于20世纪60年代，主要在雷达、通信机、航空、航天、电子、机械等领域开展研究。进入80年代，国家颁布了一系列的可靠性工程技术标准和管理规定，在现代武器装备等大型系统的研制中全面推行可靠性工程技术，使我国工程可靠性工作进入规范化轨道，得到迅速发展。20世纪80年代以来，系统可靠性分析工作迅速发展，例如：故障模式影响及危害性分析(FMECA)、故障树分析法(FTA)、系统的可靠性框图分析法、全概率公式法、蒙特卡洛法、GO法、事件树分析。当前，可靠性技术理论已经逐步被应用到许多大型系统领域，如宇航、电子通信领域、地震工程、通风工程、抗火与抗爆工程等领域等。由于可靠性理论的应用，提高了工程结构和工程系统抵御自然灾害和人为灾害的能力，进而形成了一门较为新兴的学科可靠性工程7。32国外矿井通风领域可靠性研究现状前苏联在这方面研究的较早，他们将矿井通风系统的可靠性定义为：矿井通风系统在运转过程中保持其工作参数值的能力，以维持井下所必须清洁风量的供应；并将通风系统的失效按重要性分为三级：一级失效是指整个矿井失效，二级失效是指矿井的很大部分失效(一个煤层、一翼)，三级失效是指矿井的个别采区失效。他们所采用的评定方法主要有结构法、模拟模型法以及统计评价法等。在通风网络解算方面，各国的通风专家学者提出了许多理论上可行的方法。在通风网络可靠度的不交和算法中阻叫，学者Fong等提出的改进算法是很有效的；引入了路径集中独立集的概念，使复杂、多路径的矿井通风网络解算工作得以在计算机上实现，避免了传统节点遍历法造成的内存空间不足问题。此外，在矿业系统可靠性工程领域中，加拿大哥伦比亚大学的霍尔博士口将可靠性分析技术作为露天采矿设备评价与选型的工具，通过对设备故障和维修时间数据的统计分析，制定了矿山公司设备选型的新标准；美国的迪尔和前苏联的BieniwskiZT等人将可靠性理论用于围岩稳定性等级分类的研究，取得了很好的效果；此外，法国学者、波兰学者等也相继将可靠性理论应用于矿井灾害预测和控制研究中，并编制了相应的模拟程序。33国内矿井通风领域可靠性研究现状我国矿井通风系统可靠性研究从20世纪80年代开始。其中，辽宁工程技术大学、东北大学、中国矿业大学等院校结合现场实际，率先对矿井通风系统可靠性指标的确定、通风系统可靠性基础理论研究以及不确定性环境下网络分风理论等进行了初步的探讨和研究。这方面的研究在一定程度上借鉴了机械、电子等领域可靠性成果和结论。目前，我国对矿井通风系统可靠性评价中的一些具体指标尚无统一标准，对于如何具体确定这些值，还是一项空白。不过我国对电子元器件失效率等指标已有统一的规定，这也是矿井可靠性研究应努力的方向之一。由于煤矿不确定因素较多，要确定一些具体指标有一定困难。所以矿井通风系统可靠性尚有许多问题需要研究，以完善矿井通风可靠性理论，使之能在生产矿井中得到推广应用，促进煤炭科学技术的发展。4矿井通风系统可靠性评价体系4.1矿井通风系统可靠性评价理论基础通风系统可靠性评价的理论基础不仅需要传统的通风安全理论，而且还应应用现代通风理论，即结合矿井通风仿真及防灭火、安全信息工程、矿井瓦斯灾害治理及安全管理等前人研究成果。除了应以矿井通风与安全理论作为进行矿井通风系统安全可靠性评价因素分析的专业理论基础外，还应结合人一机一环境系统工程的理论方法。4.1.1事故致因理论事故致因理论认为，事故的发生遵循事故自身的发展规律并且存在共性特点，由隐患到事故的发生存在着一个由渐变到突变的发展过程。只有掌握了事故自身的发生演变规律，才能正确评价生产系统的状态。因此，可以以事故致因理论作为建立矿井通风系统可靠性评价的理论基础。4.1.2人一机一环境系统工程人一机一环境系统工程是运用系统科学理论和系统科学方法，正确处理人、机、环境三大要素间的关系，深入研究人一机一环境系统最优组合的一门科学，其研究对象为人一机一环境系统。研究中，把人、机、环境三者视为相互关联的复杂巨系统，运用现代科学技术的理论和方法进行研究，使系统具有安全、高效、经济等综合效能8。事故分析理论认为，人的不安全行为、机的不安全状态、环境的不安全条件、管理缺陷及其四者之间的相互交叉是造成事故发生的原因。由于管理又属于人的范畴，所以进行矿井通风系统事故分析时，从人员、机械、环境3个子系统出发进行系统研究是切实可行的方法。4.2矿井通风系统评判指标的权值及其确定所有评判指标包括定量和定性指标，各自对通风系统影响的重要程度也不相同。为了能确切反映出各评判指标对矿井通风系统影响的重要程度，可对评判指标赋予一定的数量值，表示其对通风系统的重要性程度。4.2.1确定指标“权值”的方法（1）均值法。即由一批有经验的专家，对每个指标的权值评分，再计算出各位专家对每个指标评分的平均值，以此作为每个指标的权值。根据此法变化而来的还有统计值法、改进型专家调查法。这些方法的优点是权值确定直接、简单。其缺点是当评价指标较多时，专家难以把握各指标间的细微差别，因而较难准确地给出指标正确的权值。（2）按相对重要性排序的矩阵法。即通过对评价对象的所有指标比较分析，对评价指标进行排序，然后作定量转化，最后求出评价指标权值。在通风系统众多的评价方法中，为了从整体上反映通风系统的本质，引入了众多的指标，这些指标的“权值”是不变的。而对于某一具体的通风系统，当其中一个或两个指标的“权值”因特殊情况变得非常重要时，对评价对象的评价结果而言可能出现偏差，其原因是评价指标太多，使处于特殊情况下的少数指标的重要度被中和，失去了评价的公正性，所以“权值”应根据时空的改变而变化，在不同条件下取不同的“权值”。变权反映了指标的本质属性，解决了因指标过多而引起的不合理现象。4.3矿井通风系统安全可靠性评价指标体系矿井通风系统的发展过程一般要经历规划设计、施工、投产运行、改造、衰退老化直至报废终止。因此，它的可靠性首先取决于原始设计数据与计算方法的可靠性。当系统投入运行后，实际井下风量与风质参数的变化可以反映出系统设计阶段预测结果的可靠性以及实际系统运行的稳定性。影响矿井通风系统稳定性的主要因素包括通风网络、通风设施和通风动力装置三大部分。通风网络结构及其通风阻力分布合理性、通风设施质量和布置合理性、通风动力装置（包括主、辐通风机和局部通风机）运行可靠性，是通风系统运行稳定性的基础。矿井通风防灾救灾系统指为防止矿井重大事故发生及事故范围扩大，减少事故损失和降低人员伤亡程度所建立的安全保障体系。它是保证矿井通风系统安全可靠性的重要措施。矿井通风安全监测是检查矿井通风效果的必不可少的手段。通过监测可以掌握矿井通风的状况，及时发现存在的问题，以便采取措施，防止灾害发生。矿井通风监测的内容包括两个方面，一方面是通风设备和设施的状态参量监测；另一方面是主要通风参数和气体浓度等数据参量监测。状态参量包括主要通风机、辅助通风机和局部通风机的开停，风门开关状态等判断。数据参量包括O2、CO2、CO、CH4和粉尘等浓度、风速、湿度和压力等的测量。根据矿井通风系统的内涵与所涉及的范围，可以从许多不同的侧面提出反映该系统可靠性的指标。本着“能够确切地反映系统可靠性特征；具有独立明确的物理意义；避免用多种指标反映一个特征；符合科学、可测、可比、简明和可操作”的原则，将通风系统安全可靠性评价指标体系分为三大类。第一类是日常矿井通风系统可靠性B1,，在计算各项指标权重时，把O2、CO2、CO、CH4的最高污染度作为一项指标。第二类是矿井通风防灾救灾系统可靠性B2。第三类是矿井安全监测系统可靠性B3。为了衡量各指标优劣，将评价等级分为“合格A、基本合格B和待整改C”三个级别，通过调查研究、统计分析研究，并参考有关技术规范、法规和经验，确定出各指标评价分级的界定范围值。5提高矿井通风系统可靠性的技术措施 矿井通风是安全工作的基础 ,也是保障矿井安全的最主要技术手段之一。在矿井生产过程中 ,必须源源不断地将地面新鲜空气输送到井下各个作业地点 ,以供给人员呼吸 ,并稀释和排除井下各种有毒、 有害气体和矿尘 ,创造良好的矿内工作环境 ,保障井下作业人员的身体健康和劳动安全。为了提高矿井通风系统的可靠性 ,将矿井建成本质安全型矿井 ,可从以下几方面考虑。5.1要有足够的通风能力 ,保证有效地通风矿井应该有足够的通风能力。满足各个用风地点的风量要求 ,且应有一定的富余能力。这就要求矿井的通风阻力尽量要小些。经常检查矿井供风量的大小、 漏风量大小 ,使矿井的有效风量率和外部漏风率均在通风质量标准规定的范围内。要求矿井每 3 a至少进行一次矿井通风阻力测定和每 5 a至少进行一次主要通风机性能鉴定 ,并进行通风网络解算 ,预测风量分配和阻力分布 ,以保证矿井至少有足够的通风能力 ,并且需要有一定的富余系数。矿井风量的供需比 F (供风量 /需风量 )应该在 1 . 101 . 15之间。矿井必须建立测风制度 ,每 10 d进行 l次全面测风。对采掘工作面和其他用风地点 ,应根据实际需求随时测风 ,每次测风结果应该记录并写在测风地点的记录牌上。应该根据测风结果采取相应的措施 ,并进行风量的调节。5.2要有稳定的矿井通风网络结构 ,保证风流稳定为了保证风流的稳定 ,减小相互干扰 ,在布置通系统时 ,必须做到以下几点。(1)矿井及采区的通风系统应该实行分区通 ,各分区的回风流应该形成各自独立的通风系统 ,每个生产水平和每个采区都必须布置单独的回风道 ,将其回风流直接引人总回风道或者主要回风道。(2)采用多台主要通风机联合通风时 ,各分系统的通风阻力应该尽量地接近;总进风道的断面不宜过小 ,尽可能地减小联合运行公共风路的风阻一般要求公共风道的通风阻力应该小于最小阻力系统总阻力的 25 % ,以防止通风机运行之间的干扰 ,联合运行风流的稳定。(3)每个分区 (或者每个分支)应该保待一定的通风阻力 (即主要通风机在该分区上作用的机械压力) ,以保持矿井大气或者风流参数有波动时分区风流的稳定。波兰专家给出了分区通风稳定性的判定准则 St ,其计算公式为：S = W/ H - Q0. 25式中：W 为所考察的某个分支 (或者分区 )的风阻力 , Pa; H为矿井的通风阻力 , Pa。（4）采煤工作面和掘进工作面都应该采用独立通风。如果因为工程布置无法进行独立通风时 ,必须按照煤矿安全规程中关于串联通风的规定执行：同一区内 ，同一煤层上下相连的两个同一风路中的采煤工作面、采煤工作面与其相连接的掘进工作面、相邻的两个掘进工作面 ,布置独立通风有困难时，在制定措施后 ,可以采用串联通风 ,但是串联通风的次数不得超过一次9。采区内为构成新区段通风系统的掘进巷道或采煤工作面遇到地质构造而重新掘进的巷道 ,布置独立通风确实有困难时 ,其回风可以串入采煤工作面但是必须制定相应的安全措施 ,且串联通风的次数不得超过 l次;构成独立通风系统后 ,必须立即改为独立通风。对于本规定的串联通风 ,必须在进入被串联工作面的风流中装设甲烷断电仪 ,且瓦斯和二氧化碳浓度都不得超过 0. 5%,开采有瓦斯喷出或有煤与瓦斯突出危险的煤层时 ,严禁任何两个工作面之间有串联通风 ,以保证风流质量和防止发生事故时灾变烟流危及下游工作面。（5）在布置通风系统时要尽量减少角联风道采煤工作面禁止布置在角联风道上 ,以保证风流的稳定。5.3要有可靠的通风安全设施和装备通风安全设施的装备和设置 ,应该以保证正常通风时期控制风流和有一定的抗灾救灾能力为原则，包括以下几个方面：（l）根据矿井通风网络的布置与结构合理布置通风设施和通风构筑物。为了保证风流按照拟定的路线流动 ,必须在巷道中设置相应的通风构筑物以用于引导风流、截断风流或控制风流。通风构筑物的设置要求尽量做到数量少、位置正确和保证规格质量 ,以便正确控制风流、减少漏风和风流短路 ,保证通风的稳定性 ,正确发挥其控制风流的作用。如风门的结构应该采用闭锁风门 ,设置的位置应该避开有漏风的区域 (如采空区和密闭区 )和车辆与人员频繁通过的地点。（2）矿井有完善的反风设施。这些设施必须在主要通风机安装时同时建成。主要通风机的反风装置、反风门和局部反风系统中的常开、