矿井通风系统可靠性分配方法研究

矿井通风系统可靠性分配方法研究摘要矿井通风系统的可靠性是矿井安全生产的一项重要安全指标，以可靠性工程的基本理论作为基础，研究矿井通风系统的可靠性问题。

关键词可靠性分配通风系统可靠度矿井通风是由向井下作业地点供给新鲜空气并排出污浊空气的通风网络、通风动力和通风控制设施构成的通风系统。

矿井通风系统与井下各作业地点密切联系，通风系统的可靠性对矿井的通风安全状况具有全局性的影响。

矿井通风系统是一个可修复系统，评价其通风网络、通风设备和通风控制设施的主要可靠性指标是有效度，本文主要是从矿井通风控制设施、通风设备、通风网络和通风系统的有效度分析矿井通风系统的可靠性。

矿井通风系统是多环节、多设备的复杂系统，加上矿井地下通风系统的特殊环境和作业场所的动态性，从而就存在影响正常矿井通风的随机因素。

从可靠性工程理论来研究矿井通风状况，进行矿井通风系统有效度分析，从而找出影响通风系统运转良好与否的主要因素，掌握整个矿井的通风状况。

工作面是矿井生产的主要单元，我们以工作面作为考查对象，通过对各个工作面通风状况的统计分析，进行通风系统可靠性计算。

工作面是井下最重要的通风地点，必须保证工作面通风正常。

除了工作面之外，还有诸如通风设备、回风大巷、风门等最终也会导致通风系统的通风失效，最终也是导致工作面通风失效。

抛开具体巷道、工作面，以影响通风系统的因素为研究对象，即矿井风机、通风构筑物、局扇、有毒有害气体以及其他因素的统计分析，进行通风系统可靠性计算，在实际中，各矿根据自己实际条件，确定考查的具体因素。

1矿井通风系统可靠性评价的指标可靠性分析中，系统可分为可修复系统和不可修复系统，矿井通风系统是一种可修复系统。

本文提出以下几个可靠性指标：1.1有效度有效度是系统可靠性理论的重要指标之一，其工程含义是系统、设备、元件等在规定的条件下，在任意时刻t正常工作的概率，称为瞬时有效度。

用A（t）表示，即A（t）=P （时刻t正常）。

矿井通风有效度是通风设备、有毒有害气体以及影响通风断面的堆积物等因素影响条件下，在任意时刻t内能够达到上述通风目的的概率，用A表示。

矿井通风之目的可归纳为如下几点：1）提供各巷道、工作面稳定的、足够的新鲜风量；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。

由此可以作出以下定义：矿井通风有效度是在通风设备、有毒有害气体及粉尘、影响矿井通风断面的堆积物等因素影响的条件下，在任意时刻t内能够达到上述通风目的的概率，用A 表示。

通风系统可靠性指标的求解方法（1）工作面通风有效度的计算矿井通风系统是一个可修复系统。

如果工作面通风量不足造成瓦斯超限，此时该工作面处于通风失效状态。

失效后，马上进行处理，在人为处理之后，工作面恢复到有效通风状态，这种状态的转移如下图。

图1 工作面通风状态转移图 1-通风有效图 2-通风失效图根据可靠性工程理论，工作面通风有效度可用下列公式计算：A=+μμλ式中：λ失效率，即由状态1转移到状态2的转移率，1=MTTF λ，MTTF 失效前的平均时间； μ修复率，即由状态2转移到状态1的转移率，1=MTBFμ，MTBF 平均失效时间间隔。

（1）对于一个矿井来说，矿井主要通风机必须装置两套相同能力的通风机，其中1套运转，另1套作为备用。

因此，可将矿井主要通风机看作由两个同型部件组成的冷贮备系统，其中一套工作，另1台处于冷贮备状态。

若1台主要风机发生故障，马上启动另1台开始工作，同时又1各修理组对故障主要通风机进行修理，故障主要通风机修复后，又处于贮备状态。

只有当2台主要风机均发生故障，通风系统才处于故障状态。

由系统工程基本知识可知，这是2个单元构成的并联系统。

如果矿井的故障时间分布和维修时间分布服从指数分布，瞬间发生故障的概率为λ，完成维修的概率为μ，则系统可能处于三种状态：两通风机都正常的状态S 2，一个通风机正常的状态S 1 和两通风机都故障的状态S 0 。

这时的转移矩阵为S S S 21μμλμλμλλ2120)(1022112-+--=S S S P图2 冷储备系统状态转移图其状态转移图为图2。

由于两元素同时运转，所以由状态S 2 转移到状态S 1的概率为2λ。

设系统处于状态S 2的概率为x 2，处于状态S 1的概率为x 1，处于状态S 0的概率为x 0，则)(2120)(10221)(012012x x x x x x =-+--μμλμλμλλ解方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-+=++-+=+-=++0011012212012)21(2)](1[2)21(1x x x x x x x x x x x x x μλμμλλμλ得到系统可用度为22122()A x x μλμλμ+=+=+ （2） 设矿井有n 个工作面，每个工作面任意时刻的通风状态有两种，有效和失效。

任一工作面通风失效，都会给整个矿井的安全造成威胁，即整个矿井通风失效。

若任一工作面失效后都有人去处理，那么，矿井通风系统实际上是由n 各工作面和n 各维修工组成的串联系统。

设各工作面的失效率和修复率分别为（1,2,...,i n =），这时矿井通风共有n+1各状态：对工作面通风状态考查写实的结果表明，其失效前平均失效间隔时间均服从指数分布。

因此，矿井通风有效度可用马尔柯夫理论求得。

为了区别工作面通风系统的不同情形，我们定义通风系统的状态： 状态0：所有工作面都正常，矿井通风处于有效状态状态i ：第i 个工作面失效，其余工作面正常都正常，i = 1, 2, ⋯ , n. 显然 矿井通风系统的状态及其转移情况由下图所示.进而可得系统的状态转移矩阵为ni 12i=1112200000n nn A λλλλμμμμμμ⎡⎤-⎢⎥⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦∑用Laplace 变换，并利用初始条件最终可以求得1011()1()()()1i nij nj s t nji i i j j ij jsA t P t e s s s μλμ==≠=+==+-+∏∑∏∑ (5)则可得系统的稳态可靠度为ii 1i1lim ()1nt A A t λμ→∞===+∑ (6)特例 当n = 2时122212112112112212012112221()()()()()()s t s ts s s s A t P t e e s s s s s s s s μμμμμμμμμμ++++++==++--其对应的稳态指标为121212122112A s s μμμμλμλμμμ==++3实例分析某个生产矿有1个回采工作面采矿，1个准备工作面，2个掘进工作面，根据矿井生产实际通风状态与实际情况对矿井通风有效度进行分析。

步骤为： （1） 根据写实资料统计该矿一年内各工作面通风失效的总次数。

（2） 根据实际资料统计该矿一年内各工作面通风失效的时间间隔MTTF ；平均通风失效时间间隔MTBF ；矿井通风状态转移（3） 计算有效度结果如下： 序号工作面MTTF （h ）i λMTBF （h ） i μiiλμ 1 采矿面Ⅰ 603 0.0016642 0.0238 0.0697 2 准备面Ⅱ 527 0.00190 35 0.0286 0.0664 3 掘进面Ⅰ 639 0.00156 27 0.0370 0.0422 4 掘进面Ⅱ 5210.00192170.05880.0327从而ii 1i=0.211nλμ=∑可以得到矿井有效度为A=0.827。

结束语矿井通风系统是保证煤矿和金属矿山安全生产的重要一环，作为专业人员和各个相关部门都应从心理上和行动上对它予以充分重视，对由人、机与环境组成的通风系统可靠性，除了研究机的可靠性外，还应该对人和环境的可靠性进行全面而深入的研究。

只有这样，才能对系统的可靠性获得全面的了解，采取相应的安全技术措施进行整改，提高矿井通风系统的可靠性，防止因通风系统原因造成生产安全事故，确保生产顺利进行。

矿井通风系统是一个复杂的系统，对其进行可靠性分析时不应釆用单一指标，而应当综合考虑可靠度、有效度、灵敏度和网络结构复杂度等指标来对通风系统可靠性进行综合评价。

2)矿井通风系统的可靠性有其特殊性，不应机械地套用机械部件的可靠性理论；对通风系统可靠性的计算应结合网络解算来进行;通风网络的工作可靠性可由其各部分的通风阻力稳定性来确定。

3)有效度是通风系统可靠性的重要指标，可用平均正常通风时间和平均通风失效时间两个指标进行衡量。

本文通过对生产矿井工作面通风状况和关键通风因素的调查研究中发现：矿井平均正常通风吋间和平均通风失效吋间服从指数分布。

由此，应用马尔可夫定理对有效度求解进行了推导，得出了有效度的计算式。

参考文献[1] 程远国，王德明.矿井通风系统可靠性研究.太原理工大学学报，1998.29（4） [2] 贾进章，马恒，刘剑.基于灵敏度的通风系统稳定性分析.辽宁工程技术大学学报，2002.21 (4)[3] 王海桥.矿井通风可靠性分析.湘潭矿业学院[4] 郭永基.可靠性工程原理.北京：清华大学出版社，2002 [5] 金伟娅，张康达.可靠性工程.北京：化学工业出版社，2005。