掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)可靠性分析

宣德全 ，秦 瓊

（1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.河南能源義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 義馬 472300）

煤巷掘進(jìn)過程中產(chǎn)生大量瓦斯等有害氣體，不但影響作業(yè)環(huán)境質(zhì)量和作業(yè)人員健康，且還可能導(dǎo)致窒息、爆炸等事故而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。為此，需要連續(xù)地將一定量的新鮮風(fēng)輸送至工作面，與瓦斯等有害氣體混合后再返回地面，達(dá)到一個(gè)風(fēng)流稀釋瓦斯的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。然而，由于掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)環(huán)節(jié)長、設(shè)備多、影響因素多而復(fù)雜，致使系統(tǒng)較為脆弱、故障多發(fā)而影響了煤礦安全生產(chǎn)[2-3]。在對(duì)80個(gè)高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用可靠性工程理論對(duì)掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，得到其各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，找出薄弱環(huán)節(jié)并制定了針對(duì)性措施[4-5]。

1 煤巷掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)可靠度計(jì)算

煤礦掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)根據(jù)構(gòu)成和作用，可分為供電、局部風(fēng)機(jī)、風(fēng)路、瓦斯涌出等分系統(tǒng)?？珊喕?個(gè)獨(dú)立的并聯(lián)供電系統(tǒng)向局部通風(fēng)機(jī)供電后，局部通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工作，將風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口附近的新鮮風(fēng)泵入多節(jié)首尾相連的風(fēng)筒，使之流至掘進(jìn)工作面與瓦斯等氣體混合后排至地面。為了研究掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)可靠性，收集整理了河南能源本部千秋、耿村等15對(duì)高瓦斯煤礦的80個(gè)掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)在1年內(nèi)的故障并對(duì)其原因進(jìn)行歸類總結(jié)。根據(jù)掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)的構(gòu)成狀況，可知每個(gè)組件（基本事件）的失效分布服從指數(shù)分布，且系統(tǒng)屬于串聯(lián)系統(tǒng)[6]，所以系統(tǒng)的故障率λ：

式中：ni為第i個(gè)組件失效次數(shù)；N為統(tǒng)計(jì)巷道個(gè)數(shù)；t為統(tǒng)計(jì)時(shí)間，h；m為基本事件數(shù)。

1年內(nèi)風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)各部件可靠性見表1。

系統(tǒng)的可靠度 Ps為：Ps＝e-λt

式中：λ為系統(tǒng)的故障率；t為統(tǒng)計(jì)時(shí)間，h，在此1年按8 640 h計(jì)算。

由表1和公式得 Ps＝0.917 17。

表1 掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)故障情表

2 掘進(jìn)工作面瓦斯爆炸的概率估算

煤礦掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)故障易導(dǎo)致群死群傷的瓦斯爆炸事故，成為了系統(tǒng)可靠性特別關(guān)注的重點(diǎn)。瓦斯爆炸有瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%～15%、空氣中氧含量＞12%、存在點(diǎn)火源等3個(gè)必要條件。一般氧濃度是滿足的，因而只要瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%～15%的爆炸范圍，同時(shí)具有引燃熱源，便能引發(fā)瓦斯爆炸事故。

2.1 瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸范圍概率

根據(jù)相關(guān)性分析，掘進(jìn)工作面瓦斯積聚濃度達(dá)到5%～15%的概率與風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)故障的概率之間存在著如下線性相關(guān)的關(guān)系[3]：

式中：qspgz為掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)故障的概率；qkb為掘進(jìn)工作面瓦斯積聚濃度達(dá)到5%～15%的概率。

2.2 火源發(fā)生概率

煤礦井下常見的主要有電氣火花、非正規(guī)放炮火焰、煤層自燃等3種火源。為了估算火源發(fā)生概率，同時(shí)對(duì)該80個(gè)掘進(jìn)面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)在1年內(nèi)出現(xiàn)的火源也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。假定火源為指數(shù)分布，則其故障率λH可利用下式進(jìn)行求解[3]：

式中：n為火源次數(shù)，次；N為巷道個(gè)數(shù)，個(gè)；t為統(tǒng)計(jì)時(shí)間，h，取 8 640 h。

則造成掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)出現(xiàn)火源的類型、次數(shù)及概率見表2。

表2 系統(tǒng)出現(xiàn)火源情況表

根據(jù)礦井內(nèi)火源的統(tǒng)計(jì)分析，可得掘進(jìn)工作面火源發(fā)生的概率qhy為：

式中：qdq為電氣火花概率；qfp為非正規(guī)放炮火焰概率；qzr為煤層自燃概率。

可得qhy=0.004 154 6。

2.3 掘進(jìn)工作面瓦斯爆炸概率

由于一般情況下，掘進(jìn)工作面的氧氣含量都大于12%，所以可認(rèn)為該事件為必然事件，其概率為1。則掘進(jìn)工作面瓦斯爆炸的概率qbz為：

式中：qkb為瓦斯積聚濃度達(dá)到爆炸范圍5%～15%的概率，取0.023 698；qhy為發(fā)生火源概率，取0.004 154 6。

可得 qbz=9.845 6×10-5。

根據(jù)我國礦井80%以上瓦斯爆炸事故發(fā)生在掘進(jìn)工作面的多年統(tǒng)計(jì)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析得掘進(jìn)工作面瓦斯爆炸的概率應(yīng)控制在 2.4×10-5以下[3，7]。所以，河南能源高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面瓦斯爆炸的概率偏高，須提高掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)的可靠性、降低掘進(jìn)工作面出現(xiàn)火源的概率。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際及其他公司經(jīng)驗(yàn)，通過加強(qiáng)煤層自燃防治可將煤層自燃概率降低50%。則采取控制火源的措施后，則造成掘進(jìn)工作面出現(xiàn)火源的概率q′hy為：q′hy=1-0.997 92×0.998 96=0.003 117 8。此時(shí)，掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)的可靠性P′s需提高到：P′s≥1-2.4×10-5/0.003 117 8×0.286 1=0.973 09。

3 掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分配

3.1 可靠性分配方法的選擇

為了有的放矢地提高掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)的可靠性，需要根據(jù)系統(tǒng)各子系統(tǒng)、部件的具體情況進(jìn)行可靠性分配，即結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等約束條件將系統(tǒng)規(guī)定的可靠性指標(biāo)合理地分配給各單元或部件，以使系統(tǒng)達(dá)到可靠性指標(biāo)要求[8]。

可靠性分配方法有很多，但目前真正在工程實(shí)際的常用多為評(píng)分分配法，其基本思想是通過有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員或?qū)＜覍?duì)影響可靠性的幾種因素評(píng)分，并對(duì)評(píng)分值進(jìn)行綜合分析以獲得各單元產(chǎn)品之間的可靠性相對(duì)比值給每個(gè)分系統(tǒng)或設(shè)備分配可靠性指標(biāo)的分配方法[9-10]。因該分配方法簡單易行，比較合理，適用于工程實(shí)際，因而選用評(píng)分分配法。

3.2 可靠性指標(biāo)分配

系統(tǒng)的各組成部分在可靠性分配過程中一般要考慮如下因素進(jìn)行打分：

1）組成部分（包括工藝和結(jié)構(gòu)）復(fù)雜性，復(fù)雜的評(píng)高分，簡單的評(píng)低分。

2）組成部分重要性，重要程度大的評(píng)高分，重要程度小的評(píng)低分。

3）組成部分技術(shù)成熟度，技術(shù)成熟度高的評(píng)低分，成熟度低的評(píng)高分。

4）組成部分經(jīng)濟(jì)性，花費(fèi)大的評(píng)高分，花費(fèi)小的評(píng)低分。

根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件及礦井實(shí)際情況綜合分析，選取風(fēng)路、瓦斯涌出和其他3個(gè)子系統(tǒng)的7個(gè)相對(duì)容易提高的部件進(jìn)行改進(jìn)。由于各分系統(tǒng)之間為串聯(lián)模型，系統(tǒng)其他部件不變，可靠度不變，計(jì)算得其他部件不變總的可靠度為0.985 52；要將系統(tǒng)可靠度由0.917 17提高到0.973 09，則需改進(jìn)后7個(gè)部件總的可靠度 P′s≥0.973 09/0.985 52=0.987 39。

則7個(gè)改進(jìn)部件總的故障率λs：λs=-ln（P′s）/t≤-ln0.987 39/720=1.762 525×10-5。

系統(tǒng)可靠性分配情況見表3，整個(gè)系統(tǒng)的可靠度Rs（t）：Rs（t）=0.985 52×0.987 58=0.973 28＞0.973 09。

表3 系統(tǒng)可靠性分配情況表

4 提高掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)可靠性措施

礦井掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)是煤礦的命脈，因而應(yīng)采取有效針對(duì)措施，來改進(jìn)并提高其可靠性，避免事故發(fā)生。

首先，對(duì)上述風(fēng)路、瓦斯涌出和其他3個(gè)子系統(tǒng)的7個(gè)相對(duì)容易提高的因素進(jìn)行改進(jìn)：①在風(fēng)量分配時(shí)，加強(qiáng)對(duì)計(jì)算和分風(fēng)工作的審核，避免配風(fēng)量小這鐘低級(jí)失誤；②加強(qiáng)通風(fēng)設(shè)施、風(fēng)筒的管理，由原來的通風(fēng)隊(duì)安裝、維護(hù)，改為通風(fēng)隊(duì)安裝，使用區(qū)隊(duì)維護(hù)，提高使用區(qū)隊(duì)的責(zé)任，根據(jù)淮南、平煤等公司經(jīng)驗(yàn)，可大幅減少通風(fēng)設(shè)施、風(fēng)筒造成系統(tǒng)失效；③改進(jìn)煤巷掘進(jìn)作業(yè)方式，由現(xiàn)在的沿底掘進(jìn)改為沿頂掘進(jìn)，同時(shí)加強(qiáng)支護(hù)管理，嚴(yán)防冒頂片幫；④煤巷掘進(jìn)前先施工前探鉆孔分析煤層厚度，對(duì)于煤層變厚地段，雖沒法改變煤層厚度，但提前進(jìn)行瓦斯抽放，從而減少因煤厚造成的瓦斯異常及系統(tǒng)失效；⑤加強(qiáng)自燃煤層掘進(jìn)工作面自燃標(biāo)志氣體CO的監(jiān)測、檢查，將自燃消滅在其孕育階段；⑥積極采用煤層注水等其他卸壓技術(shù)，減少松動(dòng)爆破次數(shù)，從而減少松動(dòng)爆破引起的瓦斯涌出異常。

同時(shí)，加強(qiáng)設(shè)備的日常檢修和維護(hù)，加強(qiáng)及時(shí)排除故障能力。大力推廣通訊、監(jiān)控系統(tǒng)，通過調(diào)度室全方位監(jiān)控礦井生產(chǎn)情況，以便一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，縮短故障修復(fù)時(shí)間，有效地減少掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)故障造成的瓦斯爆炸等事故。

5 結(jié)語

在對(duì)礦井掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用可靠性工程理論對(duì)礦井掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了分析，得到各部件的可靠性指標(biāo)，并根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件及公司礦井實(shí)際情況，提出對(duì)風(fēng)路、瓦斯涌出和其他3個(gè)子系統(tǒng)的7個(gè)相對(duì)容易提高的部件進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)提高掘進(jìn)工作面風(fēng)排瓦斯系統(tǒng)的可靠性具有指導(dǎo)意義。