基于人机工程的矿井通风系统可靠度数学模型

贾进章，[越南]丁德光(DINH DUC QUANG)

(1. 辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000)

0 引言

长期以来，可靠性研究对象被局限在“机”，事实上很多事故是由人的差错造成的。1979年3月28日发生的美国三哩岛核电站放射性物质泄漏事件和1986年4月26日发生的原苏联切尔诺贝利核电站事故，主要是人的因素造成的[1]。人机系统的安全可靠性取决于机器设备本身的可靠性，又取决于操作者的可靠性[2]。本文从人机工程的角度，研究由人和矿井通风系统构成的人机系统的可靠度的数学模型。

1 人的可靠度数学模型

本文采用人的失误分析技术(A Technique for Human Error Analysis——ANTHEANA)定量确定人的可靠度。人的失误分析技术是一种基于运行经验的改进的人的可靠性分析(HRA)方法[3-5]。

人误时间(HFE)的概率为：

(1)

式中，pij(s)——由于第j种失误-迫使情景EFCj引发不安全动作i的概率。

2 矿井通风系统可靠度数学模型

2.1 矿井通风的任务

矿井通风的任务体现在以下几方面：

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给保质保量的新鲜风流；

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、及时地控制风向及风量，并与其它措施结合，防止灾害的扩大，进而消灭事故。

2.2 风路可靠度

根据2.1，从通风的角度考虑，风路的可靠度可定义如下：在某一稳定状态S(t)下，在规定的时间内第i条风路的风量值qi能够保持在一个合理区间范围之内即qi1≤qi≤qi2且风流的质量满足《煤矿安全规程》[6]要求的概率，称为这一风路的可靠度。记为Ri。其中qi1、qi2的值和风流质量相关参数由约束条件A来确定。称第i条风路风量qi在任意时刻t保持在合理范围[qi1,qi2]之内且风流的质量满足《煤矿安全规程》要求的概率P{qi1≤qi≤qi2}为该风路的可靠度。记为Ri(t)。

约束条件就是风路风流发生失效的边界条件，约束条件完全按照《煤矿安全规程》[6]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可靠的。具体说，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足《煤矿安全规程》[6]规定，风路就会失效；这四方面同时满足《煤矿安全规程》[6]规定，风路才是可靠度。

根据上述分析，i风路可靠度Ri可表述为：

(2)

式中，qi——i风路的风量，m3/s；

qi1——i风路所需最低风量，m3/s；

qi2——i风路所允许通过的最大风量，m3/s；

nC——可能的有毒有害气体种类，根据《煤矿安全规程》[6]，有毒有害气体包括：一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氢和氨，所以nC=5；

Ti——i风路的温度，℃；

Ti1——i风路允许的最低温度，℃；

Ti2——i风路的最高允许温度，℃；

文献[7,8]通过统计分析，认为风路中的风量、有毒有害气体浓度、温度、粉尘(煤尘)浓度均服从正态分布，即

Pr{qi1≤qi≤qi2}

(3)

(4)

Pr{Ti1≤Ti≤Ti2}

(5)

(6)

式中，f(qi)、f(Ci)、f(Ti)、f(Di)——风量qi、有毒有害气体浓度Ci、温度Ti、粉尘浓度Di的分布函数。

σi——第i条风路在t时刻风量(有毒有害气体浓度、温度、粉尘浓度)分布的方差的二次方根；

μi——i条风路在t时刻风量(有毒有害气体浓度、温度、粉尘浓度)分布的均值。

qi1(t)、qi2(t)——第i条风路在t时刻允许风量的下限和上限，m3/s；

q(i，t)——第i条风路在t时刻的风量值，m3/s。

C(i，k，t)——第i条风路内第k类有毒有害气体在时刻的浓度值，%。

Ti，t——第i条风路在t时刻的温度值，K。

D(i，k，t)——第i条风路内第k类粉尘(煤尘)在时刻的浓度值，mg/m3。

故基于(2)式，i风路在t时刻可靠度可写为：

(7)

式中，R(i,t)——i风路在t时刻可靠度。

2.3 矿井通风系统可靠度计算模型

在确定各风路的可靠度以后，根据各风路的可靠度计算出通风系统的可靠度。通风系统是由各条风路组成的网络系统，可采用一般网络可靠度的计算方法来确定通风系统的可靠度。通风系统在t时刻的可靠度用(8)式计算[9,10]。

(8)

式中，Pi——通风网络中的第i条通路；

w——通风网络中独立通路数，w=n-m+2，n为通风网络的分支数，m为通风网络的节点数；

R(L,t)——第L条风路在t时刻的可靠度。

3 人—矿井通风系统可靠度数学模型

人-矿井通风系统构成的人机系统在功能结构上为串联系统，其可靠度为

RS=RH·RV

(9)

式中，RS——人机系统可靠度；

RH——人的操作可靠度；

RV——矿井通风系统可靠度。

4 结论

1) 利用人的失误分析技术(ANTHEANA)定量确定了人的可靠度。

2) 从风量、有毒有害气体浓度、温度、粉尘(煤尘)浓度四个方面考虑，确定了矿井通风系统可靠度数学模型。

3) 提出了人—矿井通风系统可靠度数学模型。

[1] 谢庆森，王秉权．安全人机工程[M]．天津大学出版社，2006.2．

[2] 张力，廖可兵．安全人机工程学．中国劳动社会保障出版社，2010，(12)．

[3] 张力，许康．人因可靠性分析的新方法——ATHEANA:原理与应用[J]．工业工程与管理，2002，(5)：14-19．

[4] 李鹏程，陈国华，张力，戴立操．人因可靠性分析技术的研究进展与发展趋势[J]．原子能科学技术．2011，45(3)：329-339．

[5] 张晶晶，张礼敬，陶刚．人的可靠性分析研究[J]．中国安全生产科学技术．2011,7(1):76-81．

[6] 国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安监局．煤矿安全规程[M]．煤炭工业出版社，2013.

[7] 贾进章．矿井火灾时期通风系统可靠性研究[D]．阜新：辽宁工程技术大学．2004.

[8] 贾进章．矿井火灾时期通风系统可靠性[M]．煤炭工业出版社．2005.

[9] 贾进章．矿井火灾时期通风系统动态可靠性数值分析[J]．自然灾害学报，2008，17(2)：99-102．

[10] 刘剑，贾进章，郑丹．流体网络理论[M]．煤炭工业出版社．2002．