掘進工作面風排瓦斯系統可靠性分析

宣德全 ，秦 瓊

（1.武漢理工大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430000；2.河南能源義馬煤業集團股份有限公司，河南 義馬 472300）

煤巷掘進過程中產生大量瓦斯等有害氣體，不但影響作業環境質量和作業人員健康，且還可能導致窒息、爆炸等事故而造成巨大經濟損失和人員傷亡[1]。為此，需要連續地將一定量的新鮮風輸送至工作面，與瓦斯等有害氣體混合后再返回地面，達到一個風流稀釋瓦斯的動態平衡狀態。然而，由于掘進工作面風排瓦斯系統環節長、設備多、影響因素多而復雜，致使系統較為脆弱、故障多發而影響了煤礦安全生產[2-3]。在對80個高瓦斯礦井掘進工作面風排瓦斯系統故障統計的基礎上，利用可靠性工程理論對掘進工作面風排瓦斯系統的可靠性進行分析，得到其各個子系統的可靠性指標，找出薄弱環節并制定了針對性措施[4-5]。

1 煤巷掘進工作面風排瓦斯系統可靠度計算

煤礦掘進工作面風排瓦斯系統根據構成和作用，可分為供電、局部風機、風路、瓦斯涌出等分系統。可簡化成2個獨立的并聯供電系統向局部通風機供電后，局部通風機系統工作，將風機進風口附近的新鮮風泵入多節首尾相連的風筒，使之流至掘進工作面與瓦斯等氣體混合后排至地面。為了研究掘進工作面風排瓦斯系統可靠性，收集整理了河南能源本部千秋、耿村等15對高瓦斯煤礦的80個掘進工作面風排瓦斯系統在1年內的故障并對其原因進行歸類總結。根據掘進工作面風排瓦斯系統的構成狀況，可知每個組件（基本事件）的失效分布服從指數分布，且系統屬于串聯系統[6]，所以系統的故障率λ：

式中：ni為第i個組件失效次數；N為統計巷道個數；t為統計時間，h；m為基本事件數。

1年內風排瓦斯系統各部件可靠性見表1。

系統的可靠度 Ps為：Ps＝e-λt

式中：λ為系統的故障率；t為統計時間，h，在此1年按8 640 h計算。

由表1和公式得 Ps＝0.917 17。

表1 掘進工作面風排瓦斯系統故障情表

2 掘進工作面瓦斯爆炸的概率估算

煤礦掘進工作面風排瓦斯系統故障易導致群死群傷的瓦斯爆炸事故，成為了系統可靠性特別關注的重點。瓦斯爆炸有瓦斯濃度達到5%～15%、空氣中氧含量＞12%、存在點火源等3個必要條件。一般氧濃度是滿足的，因而只要瓦斯濃度達到5%～15%的爆炸范圍，同時具有引燃熱源，便能引發瓦斯爆炸事故。

2.1 瓦斯濃度達到爆炸范圍概率

根據相關性分析，掘進工作面瓦斯積聚濃度達到5%～15%的概率與風排瓦斯系統故障的概率之間存在著如下線性相關的關系[3]：

式中：qspgz為掘進工作面風排瓦斯系統故障的概率；qkb為掘進工作面瓦斯積聚濃度達到5%～15%的概率。

2.2 火源發生概率

煤礦井下常見的主要有電氣火花、非正規放炮火焰、煤層自燃等3種火源。為了估算火源發生概率，同時對該80個掘進面風排瓦斯系統在1年內出現的火源也進行了統計。假定火源為指數分布，則其故障率λH可利用下式進行求解[3]：

式中：n為火源次數，次；N為巷道個數，個；t為統計時間，h，取 8 640 h。

則造成掘進工作面風排瓦斯系統出現火源的類型、次數及概率見表2。

表2 系統出現火源情況表

根據礦井內火源的統計分析，可得掘進工作面火源發生的概率qhy為：

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

可得qhy=0.004 154 6。

2.3 掘進工作面瓦斯爆炸概率

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

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

可得 qbz=9.845 6×10-5。

根據我國礦井80%以上瓦斯爆炸事故發生在掘進工作面的多年統計結果，統計分析得掘進工作面瓦斯爆炸的概率應控制在 2.4×10-5以下[3，7]。所以，河南能源高瓦斯礦井掘進工作面瓦斯爆炸的概率偏高，須提高掘進工作面風排瓦斯系統的可靠性、降低掘進工作面出現火源的概率。

根據現場實際及其他公司經驗，通過加強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，則造成掘進工作面出現火源的概率q′hy為：q′hy=1-0.997 92×0.998 96=0.003 117 8。此時，掘進工作面風排瓦斯系統的可靠性P′s需提高到：P′s≥1-2.4×10-5/0.003 117 8×0.286 1=0.973 09。

3 掘進工作面風排瓦斯系統的可靠性指標分配

3.1 可靠性分配方法的選擇

為了有的放矢地提高掘進工作面風排瓦斯系統的可靠性，需要根據系統各子系統、部件的具體情況進行可靠性分配，即結合技術、經濟等約束條件將系統規定的可靠性指標合理地分配給各單元或部件，以使系統達到可靠性指標要求[8]。

可靠性分配方法有很多，但目前真正在工程實際的常用多為評分分配法，其基本思想是通過有經驗的設計人員或專家對影響可靠性的幾種因素評分，并對評分值進行綜合分析以獲得各單元產品之間的可靠性相對比值給每個分系統或設備分配可靠性指標的分配方法[9-10]。因該分配方法簡單易行，比較合理，適用于工程實際，因而選用評分分配法。

3.2 可靠性指標分配

系統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行打分：

1）組成部分（包括工藝和結構）復雜性，復雜的評高分，簡單的評低分。

2）組成部分重要性，重要程度大的評高分，重要程度小的評低分。

3）組成部分技術成熟度，技術成熟度高的評低分，成熟度低的評高分。

4）組成部分經濟性，花費大的評高分，花費小的評低分。

根據現有的技術條件及礦井實際情況綜合分析，選取風路、瓦斯涌出和其他3個子系統的7個相對容易提高的部件進行改進。由于各分系統之間為串聯模型，系統其他部件不變，可靠度不變，計算得其他部件不變總的可靠度為0.985 52；要將系統可靠度由0.917 17提高到0.973 09，則需改進后7個部件總的可靠度 P′s≥0.973 09/0.985 52=0.987 39。

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

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

表3 系統可靠性分配情況表

4 提高掘進工作面風排瓦斯系統可靠性措施

礦井掘進工作面風排瓦斯系統是煤礦的命脈，因而應采取有效針對措施，來改進并提高其可靠性，避免事故發生。

首先，對上述風路、瓦斯涌出和其他3個子系統的7個相對容易提高的因素進行改進：①在風量分配時，加強對計算和分風工作的審核，避免配風量小這鐘低級失誤；②加強通風設施、風筒的管理，由原來的通風隊安裝、維護，改為通風隊安裝，使用區隊維護，提高使用區隊的責任，根據淮南、平煤等公司經驗，可大幅減少通風設施、風筒造成系統失效；③改進煤巷掘進作業方式，由現在的沿底掘進改為沿頂掘進，同時加強支護管理，嚴防冒頂片幫；④煤巷掘進前先施工前探鉆孔分析煤層厚度，對于煤層變厚地段，雖沒法改變煤層厚度，但提前進行瓦斯抽放，從而減少因煤厚造成的瓦斯異常及系統失效；⑤加強自燃煤層掘進工作面自燃標志氣體CO的監測、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，減少松動爆破次數，從而減少松動爆破引起的瓦斯涌出異常。

同時，加強設備的日常檢修和維護，加強及時排除故障能力。大力推廣通訊、監控系統，通過調度室全方位監控礦井生產情況，以便一旦出現設備故障，能及時發現問題，縮短故障修復時間，有效地減少掘進工作面風排瓦斯系統故障造成的瓦斯爆炸等事故。

5 結語

在對礦井掘進工作面風排瓦斯系統故障統計的基礎上，利用可靠性工程理論對礦井掘進工作面風排瓦斯系統的可靠性進行了分析，得到各部件的可靠性指標，并根據現有的技術條件及公司礦井實際情況，提出對風路、瓦斯涌出和其他3個子系統的7個相對容易提高的部件進行改進，對提高掘進工作面風排瓦斯系統的可靠性具有指導意義。