矿井开采系统安全可靠性评价初探.pdf

媒 嶷工 程 师l 9 9 2 年 第 1期 COAL ENGI NEER 1 9 9 2 ，No ． 矿 井开采 系统安全 可靠性评价 初探 湘淖 矿 业 学 院王 海桥 摘 要 根据可靠性工程理 论提出了评价矿井开采 系统 安奎 可靠性的方法，并进行 了实 倒计算，为改善矿井开采 系纥的安垒管理和评债 蛋垒 救况的优 劣提供 了理论依据 1 前言 煤矿生产过程 中保证矿井正常生产 的系 统叫作安全系统。只有当开采系统各环节时 刻都处于安全状态时 ，生产才能得到保证 ， 一 旦发生某种 类型 的事故 即安 全失效 ，不 仅可 能造成 人员 伤亡 ，而且 还可能 导致垒矿 或局部停产 。因此，生产 与安全有着 密切 的 联 系，安全的可靠性 愈高 ，对生产的影响愈 小。如何评价系统保证生产安全的可靠性是 系统安全管理 的一个新 内容。根据可靠性工 程理 论，通过对矿井各类事故对产量影响的 写实，就可对矿井开采系统的安全可靠性进 行定量评价，从而使人们更进一步 了解 产量 与安全的关系．矿井 开采系统 的安全可靠 性 也可作为评价矿 井安 全状 况的好坏和 制定 生 产 计划的一 种重要理论参考 依据 之一 。 2 矿井开采系统 安全 可靠性 的基 本概 念 可靠性是指系统 、设备 、元件在规 定的 条件 下和预定的时间 内完成规 定 任 务 的 概 率 。可靠性亦 即是 系统无故 障工作能力 的度 量指标 。 有效度是可靠性工程理 论的重要指标之 一 ，它 的工 程含义是 系统 、设备 元件在规 定的条 件下开始工 作， 在时刻t 完成规定功能 的概率。 在这里，我们利用有效魔来作为评价矿 井 开采系统安全可靠性的指标。假 定矿井 安 2 4 全系统 由水 灾、火灾 、瓦斯 、煤尘 、机 电、 运输 、通风、 顶板 等事故防 治的子系统组 成， 因此 ，对 于矿 井安 全系统，我们可作如下定 义 定义 1矿 井安全系 统有效度是在矿井 自然 条件 、开 采技术及安全技术措施 等生产 条件下开始 生产时 ，任意时刻保 证矿井开采 系统安全的概率。 定义 2矿井 安全系统有效度与矿 井水 灾、火灾、瓦斯 煤 尘、机 电、 运输、通风、 顶板等事故防治子 系统 的安 全状态有着 密切 的联系。在任意时刻，当系统的安全状 ； 对 矿 井生产不产生重大 影响 时，称矿 井安全系 统处于有效状态 ，否则称之为失 效状态。 如矿井发生 了瓦斯事故 ， 造成全矿停产 ， 则此 时矿井安全系统处于失效状态 ，如 掘进 工作面发生 冒顶，但并未 造成栗煤工作面停 产 ，则此时矿井安全系统仍处于有效状态。 子系统安全状态受 多种 因素 的影 响，如 自然条件、开采技术，安全 措 施、设备 设 施 的可靠性及管理固素等 。 5 矿井安全系统 有效 度的计算 3 ． 1 子系统安全有效度的计算 在 可靠性工程 中，系统可分为 两大类 ， 一 类是 可维修系统 ， 另 一类是 不可维 修系 统。 矿井安全系统是 一个可维修系统 ，如工作面 因瓦斯超 限而造成停产 ，此时矿 井瓦斯防治 蛊全 系统失效。失效后 ，马上有人处理 ，经 维普资讯 煤炭 工 程师】 9 9 g 年 第 1 期 COAL E NGI NEEI i 9 9 2 ．No ．1 处理后，工 作面瓦斯含 量又降到安 全浓度 ， 安 全 又处 于 有效 状 态。 这 种状 态 的 转 移 可 用 图 1表 】 赞 状 悉 转 移 I 一 垡 J j 皴 l艟 岳} ， 一 崔 生 啦 通过 写实 得知 ，安 仃效状 态的时 问 编 和失效 时间阅隔均服 从指数分布 因此， 根 据可靠 性工程 理论 ，于 系统的安仝有效发可 用 下 式 计 算 “ 1 式 中 予系统安全有效度 ； 失 效 率 ． 印 由状 态 l转 移 到 状 态0 的转移 率， 1 ／ MTTl ， _ I TTF 为 失 效 前 平 均 时 间 间 隔 ‘ - 一 修复 率。 即 由 状态0 转移到状态 l 的转移 率，L 【 1 ／ MTB F， MTBF 为 平 均 失 效 时 间 间 隔 。 ，一舢 3 ． 2 矿井安全系统有效度 计算 矿井安全系统包括矿 井水 灾、火灾 、瓦 斯、煤尘、机 电、运输、通风、顶 板等 8个 子安全系统，每个子系统任意时刻的安全状 态都有两种．有效和失效。任何一个子 系统 安全失效都会影响矿井生产．即矿井安全系 统失效。每一于系统安垒失效后均有人去处 理 ，那么 ．矿井安全系统实际上是 由 8个子 安全 系统 和 8个维修组组成的 串联系统。设 备子 安全 系统 的失效率和修复率分 I5 为 、 I 1 i 1 ．2 ，3 8 ， 达时矿井 安 全系统共 8L 个状 态 s 。 所 有子 安全系统均有效 ． 则矿井 安 垒系统 处于有效状态 s n n 个子安全 系统 失效， 则矿井安全 系统处于失效状态 ， nL ．2 ．3 ．⋯8 。 安全 系统状态s 。 是 有效状态 ，s ， s 2 ， ⋯ s 是失效状态。系统的状态变化是具有随机 性 的生 灭过程 ，因此 ，这样的状态转移可用 马尔柯夫随 机过程来描述。其状态转移图见 图 2。 其状态 转移矩 阵为 S0 S． S o 1 ～∑ l ∑ z SN 尸 S 0 8 i _ ∑ l l一 2 2 ∑ ； J 一 2 矿 井安 全 状惑 转 移 l 2 0 ∑ 1 一 ∑ z { ∑ S8 0 0 O 0 0 一 兰砘 0 0 0 ∑ ； l 一∑ ； 2 5 ／ 0 0 ∑ ． 0 维普资讯 煤 炭上 程师l 9 9 2 年第 l蚺 设 状 态 向 量为X a ， 恨 描 ， ∑ ， 1 ⋯ 解 I ． 线 性方程组得矿井 安全系统 有效 度 A 为1 日 A 、 。 Ⅱ u i J ] 、 2 一 ⋯ 式 中 系统 达 到 稳 定 状 态 后 处于 S 状 态的{ 既率 0 ，1 ，2 ⋯ ， 8 ； 第 个子 安全系统 有效 度 f 1，2， 3 ， ⋯ ， 8 。 4 计算实例 某矿立井开拓 ， 多煤层联台走向长壁 后 退式 采煤法开采 ，煤层厚度变化大 ， 属煤与 瓦斯突 出矿井 ， 相对瓦斯涌 出量为2 4 ． 6 m0 ／ t ； 煤层 自然发 火期为1 ～ 3 个月 ， 煤尘有爆炸性 ． 矿井涌 水量较小 ，顶板破碎 ；该矿有 4个炮 采工作面 ．1 9 9 O 年产量为4 2 万t ， 回采工 效为 4 ． 2 t ／ d 工 。 根据 1 9 9 0 年一 年间的安 全状态和 事故影响产培的写实情况．对矿井 开采 系统 安 全有效度 进行分析。在这里 ，我们只考虑 安全失效对产量 的影 响，其分析步骤为 D 统 一年 内备类 造成全矿 停产 或局 部停产事故的次数 2 统 } r 一年 内 因 各 类 事故影响的 C0AL _＼Gl NEER l 0 0 2 ， No． 量 ， 然后根据年 总产 量和 回采工效， 算 出各子 安 垒系统安全有效状态的平均工 日和处理事 故 时影 响采煤的平均工 日，即安 全失效前平 均 时间削隔MT I 、 F} 和 平 均 失 效 时 间间隔 M TB F 。 因为发生事故并不一 一 定造成全矿停 产， 有时只是一个工作面或一个采区 ， 因此 ， 时阐 单位采用工 日．工 日产量 t ／ N采工 效 t ／ 工 日 l r 3 } r 算 和u ，其 中 i 二1 ／ M TTl { 3 u 1 ／ M 1 、 BF 4 根 据 1 式计算各子安 全 系统的安 全有救度Al j 汁算结 果见表 1。 5 根据 2 式计算矿井安全 系 统有效 度A ． 将表 1中A 值代入 2 式 中得 。 A 0． g1 8 5结语 1 现代科学技术的发展给“ 安全” 二 字 赋 予 了新的概念和 内涵，矿井 事放不 仅可 造 成人身伤亡 和财产损失 ，而且还会造成停产 而带来经济上 的损 失。本文的安全有效度问 题是从安全失效影响产 量 的 角度 进行分析 的 。 2 矿井开采 系统安全可靠性评价是系 袭 1 序 安 全 子 系 失 效 影 响 产 量 M T T F I I M T B F 县 统 名 静 次数 t f 3 2 日 1 0 工 日 ， A l 1 1 水 灾 O 0 1 0 0 0 0 0 0 ． 1 0 0 o 0 O 1 l 2 火 灾 2 2 2 0 0 4 9 7 髓 0． 2l 0 5 r 2 6 2 0 ． 0 0 3 82 l O ． 9 9 4 3 瓦 斯 2 2 l 9 4 2 0 4 4 4 3 2 2 5 0 0 ’ l 0 2 0 ．O 09 80 0． 97 7 4 煤 尘 l l 5 0 0 9 9 6 4 3 j o ． 1 0 0 3 3 5 7 o ． 0 0 2 8 0 0 ．9 96 5 机 电 】 7 3 3 O 0 5 8 3 6} I ． 7 l 3 3 4 6 0 ． 0 2 l 6 3 1 0 ． 9 9 2 6 运输 2 0 6 5 2 0 ‘9 2 2 2 ． 0 3 l 6 } 7 8 0 ． 0 l 2 8 2 i 0 ．9 84 7 通 风 4；2 8 4 0 2 4 83 l 0． 4 02 7 。 l 6 9 0 ．0 0 5 9 l 1 0 ． 9 9 3 8 顶 板 t 8 1 8 4 7 0 5 4 4 3 1 ． 8 3 7 l “2 0 ．0 0 8 9 2 1 0 ． 9 8 0 26 维普资讯 煤 毙 亡程师1 9 9 2 午 第 1期 COAI ENGI NEER 1 9 9 2 ，h o ．1 统安 全管理 的新 内容 ，矿井开采系统安全有 的有 效度 ，这 个增 值就是安 全的经济效益。 效 度能充分反映任意时刻安全保证生产的有 从 计算实例 中可以看 出，A 0 ． 9 1 8 ，每年 效程度 ．矿井开采系统 安垒有效 度可作为评 损 失的 产 量 △04 2 0 0 0 0 1 一A 3 4 4 4 0 价矿井安 全状 况优劣的重要指标之一 ，亦可 t ，即如果保证矿井 不出 事 ，A 1，每 作为预测 产量 的依据 在进行产量顶溯对 ， 年可增 11 3 4 4 4 0 t 的产量，增加 的产量 所获 可根 据q实 q 划 ， 这 里可 变因 于 是 得 的经 济效 益减 去安全投 资即是 由于改善安 A 如果通过改善安全 状 况，加 强 管理 ， 全状 况带来 的经 济效 益。 A 增大 ．安全有效度 提 高，则 获 得的产量 5 提 高安全有 效 度 的途 径有 如下三 就愈大。 - 、 的变化受技 术 冈素 、经 济 因素 点 a 采 用备用工作面 或设 备 ，一旦工作 和管理 圳索的影响 。 丧 ]中 予安 全系 统安全 面 或设备安 全失效而停产 ，马上启用备用工 有效 发的大小 砚明了该 予安 全系统安 全状 况 作 面或设备，则 由安全失效 影响 的回采工 日 的好坏 ．在采 取措施时 ，应根据失效度 1 就少 ，相应的有 效度就高 b 经常 对 设 备 At 的大小和经济情况及技术条件来 确 定首 施 进行维护检修管理，提高其本身的有效 先要加强改造的子安全系统。 度，从而减少事故次数 ， c 提高 处理 事故 3 矿井 安全有效度能充分反映产量与 的能力，尽快恢复生产 。 安全的关系。根据可靠性理论 ，系统平均安 全失 效时间 事 故影 响产量的平 均 工 日 F 参 考文 献 为 } J 况礼j登．矿业系统工程．重庆重 庆 大 学出 三． 版社，l 9 9 0 ． ⋯ 工 ／ “ z 2 三 桥 ． 氧 气 呼 吸 器 的 呵 用 度 分 析 ． 矿 山 教 ， 一。 工 扫 护 9 。 3 I 4。～ 43。 。 3 王海 桥 ． 矿井通 风 网络 的通风 有 效 度分 斩 ． 平均每次 事故 的产量损失F0为 煤炭工程 ，1 9 9 0 6 3 3 3 6 0F ， 回采工效 俞书伟煤矿可靠性工程引论北 京煤疑 9 7 ． 2 24 ． 24 0 8． 2 4 t 工 业 出版社 ， 1 9 8 8 从 现有 的安 全有效 度提高到 ～个 新 -2 7 维普资讯