安全工程新技术专题2通风系统可靠性

2通风系统牢靠性理论探讨（1）牢靠性定义牢靠性是指一个元件、设备或系统在规定的时间内，在规定的条件下完成规定功能的实力。（2）通风系统牢靠性定义通风系统的牢靠性定义为：通风系统在运行过程中保持其工作参数值的实力，以维持井巷中必需的满意要求的风量的供应。（3）通风系统牢靠性包含的内容1）在生产时期利用通风动力，以最经济的方式，向井下各用风地点供应保质保量的簇新风流；2）保证作业空间有良好的气候条件；3）冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘；4）在发生灾变时，能有效、刚好地限制风向及风量，并与其它措施结合，防止灾难的扩大，进而歼灭事故。（4）通风系统牢靠性的度量指标通风网络牢靠性包括风路牢靠性和网络牢靠性两方面的内容。由于探讨方法的不同和通风系统本身的困难性，目前关于通风系统牢靠性的度量指标说法不一。2.1风路牢靠性风路牢靠度（1）目前探讨存在的问题以前，人们探讨矿井通风系统牢靠性时，主要的探讨参数是风量，笔者认为，假如仅仅某条风路的风量在合理范围内并不能说明该条风路就是牢靠的，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，也就是说该风路的全部指标都应在规定的范围内，即该风路风量的数量和质量同时在规定范围内时，才能说该风路是牢靠的。风路的破坏、断面改变、积累杂物等表现为风路风阻的改变，最终会导致该风路或其他风路风量值的改变。（2）风路牢靠度的定义依据上述分析，从通风的角度，风路的牢靠度可定义如下：在某一稳定状态下，在规定的时间内第条风路的风量值能够保持在一个合理区间范围之内即且风流的质量满意《煤矿平安规程》要求的概率，称为这一风路的牢靠度。记为。其中、的值和风流质量相关参数由约束条件来确定。称第条风路风量在随意时刻保持在合理范围之内且风流的质量满意《煤矿平安规程》要求的概率为该风路的牢靠度。记为。（3）约束条件约束条件就是风路风流发生失效的边界条件，约束条件完全依据《煤矿平安规程》[43]来确定。只要风流的数量和质量符合规程的规定，那么从通风的角度讲该风路就是牢靠的。详细说，包括以下四方面：1）风速2）有毒有害气体浓度（一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氢、氨）3）温度4）煤尘、粉尘浓度这四方面只要有一方面不满意《煤矿平安规程》规定，风路就会失效；这四方面同时满意《煤矿平安规程》规定，风路才是牢靠度。（4）风路牢靠度表达式依据上述分析，风路牢靠度可表述为：（2-1）式中，为风路的风量，m3/s；为风路所需最低风量，m3/s；为风路所允许通过的最大风量，m3/s；为风路中第类有毒有害气体浓度，%；为风路中所允许的第类有毒有害气体最高浓度，%；为可能的有毒有害气体种类，依据《煤矿平安规程》[43]，有毒有害气体包括：一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氢和氨，故；为风路的温度，℃；为风路允许的最低温度，℃；为风路的最高允许温度，℃；为风路中第类粉尘（煤尘）浓度，mg/m3；为风路中第类粉尘最高允许浓度，mg/m3，为粉尘种类，依据《煤矿平安规程》[43]，粉尘类型包括：含游离二氧化硅＞10％的粉尘、含游离二氧化硅＜10％的水泥粉尘和含游离二氧化硅＜10％的粉尘，故。风路风量分布规律（1）风路牢靠度定义中应留意的问题1）对于工作地点，风量不应小于额定值，若该风路风量在区间[，][，+)内且风质满意《煤矿平安规程》[43]要求是牢靠的，，分别为风路的下限和上限流速，m/s；为风路的断面积，m2。若[，][，+]=，则说明该风路严峻不行靠，应实行相应措施减小或增大，视详细状况而定。2）对于一些非关键风路，如某些联络巷，其流向甚至可以允许反向，即该风路风量在区间[，][-，-]内是牢靠的，此时该风路风量失效约束条件为：[，-][-，][，+)，其中、都取正值。.1风路风量分布（1）数据采集为了求出风量分布，采纳对风量动态实时监测、分析的方法，我们对集宁二号矿井四采回风下山风速进行了监测，每2分钟得出1个风速值，全天24小时共得到720个监测数据，依据公式将风速值转化为风量值，公式中为集宁二号矿井四采回风下山的断面积，=10m2。表2-1风量数据处理组号组距下界/m3s-1组距上界/m3s-1组距中位数/m3s-1频数/次频率1222322.511.388889E-032232423.534.166667E-033242524.5111.527778E-024252625.518.0255262726.5243.333334E-026272827.5466.388889E-027282928.5496.805556E-028293029.5476.527778E-029303130.578.108333310313231.5130.180555611323332.5183.254166712333433.584.116666713343534.5344.722222E-0214353635.59.012515363736.511.388889E-03（2）数据处理由表2-1画出频数分布直方图（图2-1）和频率组距分布直方图（图2-2）。qf(qf(q)图2-1频数分布直方图qf(qf(q)图2-2频率组距分布直方图形如图2-2中的曲线为正态分布。曲线呈钟性，由一个最高点，以最高点的横坐标为中心向两边对称的下降。可见风量近似听从正态分布。正态分布曲线方程由（2-2）式给出。（2-2）式中为随机样本值（在本章中为风路风量值），为正态分布的均值，即图2-2中曲线最高值的横坐标。整个曲线关于对称，为正态分布的方差。越大，曲线越胖，即数据越分散；越小，曲线越瘦，即数据越集中。均值由（2-3）式求得（2-3）对于此例有：=22.5×0.001388889+23.5×0.004166667+…+36×0.001388889=31.01671方差由（2-4）式求出（2-4）对于此例有：=(22.5-31.01671)2×0.001388889+(23.5-31.01671)2×0.004166667+…+(36.5-31.01671)2×0.001388889=6.029665=2.455538于是图2-2中的正态分布曲线为（3）风路风量分布曲线综上可得，通风系统风路风量正态分布曲线为（2-5）其中：为第条风路在时刻风量分布的方差的二次方根；为条风路在时刻风量分布的均值。.2牢靠度函数图2-3中阴影部分的面积即为风路风量小于m3/s的概率。那么风路风量大于m3/s的概率如（2-6）式所示。（2-6）由数学分析可知，图2-3中阴影部分的面积为（2-7）图2-3牢靠度示意图.3风路牢靠度计算由约束条件所确定风路风量在规定范围内的概率记为。则由上述分析可知：（2-8）将（2-5）式代入（2-8）式可得（2-9）式。（2-9）其中：、分别为第条风路在时刻允许风量的下限和上限，m3/s；为第条风路在时刻的风量值，m3/s。同理可得约束条件中有关有毒有害气体、温度、粉尘浓度在规定范围内的概率依次为（2-10）式～（2-12）式。（2-10）（2-11）（2-12）式中，、、分别为、、的分布函数。将（2-9）式～（2-12）式代入（2-1）式，可得风路在时刻牢靠度为（2-13）2.2通风机牢靠度首先建立风机失效树的数学模型，选定失效树的顶事务为“通风机运转不正常停机”。构造失效树时，风机失效树的结构逻辑模型由以下部分组成[57]：①动力部分：包括电机、联轴器、调整部分；②底座机架部分：包括底座、轴承底座、机架；③工作系统：包括叶轮、前后盘、叶片；④管道系统：包括进、排气管道、管道上机件；⑤润滑部分：包括齿轮油泵、润滑油、管道机件；⑥冷却系统：包括冷却盘、冷却系统的机件等。共75个基本领件，各个事务间的逻辑为或门，风机失效树如图2-4所示。建立了风机失效树模型后，要进行风机失效树的定性定量分析必需探讨风机底事务的失效概率。设风机失效树由个事务组成，其集合为失效树的底事务。每个底事务的失效率为（2-14）式中为第个底事务的失效率；为单机运用时间即10万小时；为第个事务的失效次数。该系统只要一个底事务发生，顶事务就发生，只有全部底拿件正常，顶事务才正常。因此系统的失效率为（2-15）牢靠度系数为（2-16）在通风系统（网络）牢靠度计算时，认为只要有一个回风井主要通风机故障则系统故障，因此，从功能上讲，各处风井口的主要通风机是一种串联关系。风机运转不正常失效风机运转不正常失效图2-4通风机失效树分析图（2-17）式中，为修理率，为故障率。主要通风机系统有效度为[60]（2-18）式中，为主要通风机数目。2.3通风构筑物牢靠度考虑到通风构筑物的功能，采纳漏风率来定义构筑物的牢靠度。（2-19）式中，对风门、风窗、风墙而言为相应构筑物的漏风量，对风桥、风障而言为相应构筑物前的风量，对防爆门、反风门而言为流经相应构筑物的风量；对风门而言为所在巷道允许通过的风量，对风窗而言为设计要求的风量，对风桥、风障而言为相应构筑物后的风量，对防爆门、风墙、反风门而言为0；对风门、风窗、风桥