掘进工作面风排瓦斯系统可靠性分析

宣德全 ，秦 琼

（1.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430000；2.河南能源义马煤业集团股份有限公司，河南 义马 472300）

煤巷掘进过程中产生大量瓦斯等有害气体，不但影响作业环境质量和作业人员健康，且还可能导致窒息、爆炸等事故而造成巨大经济损失和人员伤亡[1]。为此，需要连续地将一定量的新鲜风输送至工作面，与瓦斯等有害气体混合后再返回地面，达到一个风流稀释瓦斯的动态平衡状态。然而，由于掘进工作面风排瓦斯系统环节长、设备多、影响因素多而复杂，致使系统较为脆弱、故障多发而影响了煤矿安全生产[2-3]。在对80个高瓦斯矿井掘进工作面风排瓦斯系统故障统计的基础上，利用可靠性工程理论对掘进工作面风排瓦斯系统的可靠性进行分析，得到其各个子系统的可靠性指标，找出薄弱环节并制定了针对性措施[4-5]。

1 煤巷掘进工作面风排瓦斯系统可靠度计算

煤矿掘进工作面风排瓦斯系统根据构成和作用，可分为供电、局部风机、风路、瓦斯涌出等分系统。可简化成2个独立的并联供电系统向局部通风机供电后，局部通风机系统工作，将风机进风口附近的新鲜风泵入多节首尾相连的风筒，使之流至掘进工作面与瓦斯等气体混合后排至地面。为了研究掘进工作面风排瓦斯系统可靠性，收集整理了河南能源本部千秋、耿村等15对高瓦斯煤矿的80个掘进工作面风排瓦斯系统在1年内的故障并对其原因进行归类总结。根据掘进工作面风排瓦斯系统的构成状况，可知每个组件（基本事件）的失效分布服从指数分布，且系统属于串联系统[6]，所以系统的故障率λ：

式中：ni为第i个组件失效次数；N为统计巷道个数；t为统计时间，h；m为基本事件数。

1年内风排瓦斯系统各部件可靠性见表1。

系统的可靠度 Ps为：Ps＝e-λt

式中：λ为系统的故障率；t为统计时间，h，在此1年按8 640 h计算。

由表1和公式得 Ps＝0.917 17。

表1 掘进工作面风排瓦斯系统故障情表

2 掘进工作面瓦斯爆炸的概率估算

煤矿掘进工作面风排瓦斯系统故障易导致群死群伤的瓦斯爆炸事故，成为了系统可靠性特别关注的重点。瓦斯爆炸有瓦斯浓度达到5%～15%、空气中氧含量＞12%、存在点火源等3个必要条件。一般氧浓度是满足的，因而只要瓦斯浓度达到5%～15%的爆炸范围，同时具有引燃热源，便能引发瓦斯爆炸事故。

2.1 瓦斯浓度达到爆炸范围概率

根据相关性分析，掘进工作面瓦斯积聚浓度达到5%～15%的概率与风排瓦斯系统故障的概率之间存在着如下线性相关的关系[3]：

式中：qspgz为掘进工作面风排瓦斯系统故障的概率；qkb为掘进工作面瓦斯积聚浓度达到5%～15%的概率。

2.2 火源发生概率

煤矿井下常见的主要有电气火花、非正规放炮火焰、煤层自燃等3种火源。为了估算火源发生概率，同时对该80个掘进面风排瓦斯系统在1年内出现的火源也进行了统计。假定火源为指数分布，则其故障率λH可利用下式进行求解[3]：

式中：n为火源次数，次；N为巷道个数，个；t为统计时间，h，取 8 640 h。

则造成掘进工作面风排瓦斯系统出现火源的类型、次数及概率见表2。

表2 系统出现火源情况表

根据矿井内火源的统计分析，可得掘进工作面火源发生的概率qhy为：

式中：qdq为电气火花概率；qfp为非正规放炮火焰概率；qzr为煤层自燃概率。

可得qhy=0.004 154 6。

2.3 掘进工作面瓦斯爆炸概率

由于一般情况下，掘进工作面的氧气含量都大于12%，所以可认为该事件为必然事件，其概率为1。则掘进工作面瓦斯爆炸的概率qbz为：

式中：qkb为瓦斯积聚浓度达到爆炸范围5%～15%的概率，取0.023 698；qhy为发生火源概率，取0.004 154 6。

可得 qbz=9.845 6×10-5。

根据我国矿井80%以上瓦斯爆炸事故发生在掘进工作面的多年统计结果，统计分析得掘进工作面瓦斯爆炸的概率应控制在 2.4×10-5以下[3，7]。所以，河南能源高瓦斯矿井掘进工作面瓦斯爆炸的概率偏高，须提高掘进工作面风排瓦斯系统的可靠性、降低掘进工作面出现火源的概率。

根据现场实际及其他公司经验，通过加强煤层自燃防治可将煤层自燃概率降低50%。则采取控制火源的措施后，则造成掘进工作面出现火源的概率q′hy为：q′hy=1-0.997 92×0.998 96=0.003 117 8。此时，掘进工作面风排瓦斯系统的可靠性P′s需提高到：P′s≥1-2.4×10-5/0.003 117 8×0.286 1=0.973 09。

3 掘进工作面风排瓦斯系统的可靠性指标分配

3.1 可靠性分配方法的选择

为了有的放矢地提高掘进工作面风排瓦斯系统的可靠性，需要根据系统各子系统、部件的具体情况进行可靠性分配，即结合技术、经济等约束条件将系统规定的可靠性指标合理地分配给各单元或部件，以使系统达到可靠性指标要求[8]。

可靠性分配方法有很多，但目前真正在工程实际的常用多为评分分配法，其基本思想是通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，并对评分值进行综合分析以获得各单元产品之间的可靠性相对比值给每个分系统或设备分配可靠性指标的分配方法[9-10]。因该分配方法简单易行，比较合理，适用于工程实际，因而选用评分分配法。

3.2 可靠性指标分配

系统的各组成部分在可靠性分配过程中一般要考虑如下因素进行打分：

1）组成部分（包括工艺和结构）复杂性，复杂的评高分，简单的评低分。

2）组成部分重要性，重要程度大的评高分，重要程度小的评低分。

3）组成部分技术成熟度，技术成熟度高的评低分，成熟度低的评高分。

4）组成部分经济性，花费大的评高分，花费小的评低分。

根据现有的技术条件及矿井实际情况综合分析，选取风路、瓦斯涌出和其他3个子系统的7个相对容易提高的部件进行改进。由于各分系统之间为串联模型，系统其他部件不变，可靠度不变，计算得其他部件不变总的可靠度为0.985 52；要将系统可靠度由0.917 17提高到0.973 09，则需改进后7个部件总的可靠度 P′s≥0.973 09/0.985 52=0.987 39。

则7个改进部件总的故障率λs：λs=-ln（P′s）/t≤-ln0.987 39/720=1.762 525×10-5。

系统可靠性分配情况见表3，整个系统的可靠度Rs（t）：Rs（t）=0.985 52×0.987 58=0.973 28＞0.973 09。

表3 系统可靠性分配情况表

4 提高掘进工作面风排瓦斯系统可靠性措施

矿井掘进工作面风排瓦斯系统是煤矿的命脉，因而应采取有效针对措施，来改进并提高其可靠性，避免事故发生。

首先，对上述风路、瓦斯涌出和其他3个子系统的7个相对容易提高的因素进行改进：①在风量分配时，加强对计算和分风工作的审核，避免配风量小这钟低级失误；②加强通风设施、风筒的管理，由原来的通风队安装、维护，改为通风队安装，使用区队维护，提高使用区队的责任，根据淮南、平煤等公司经验，可大幅减少通风设施、风筒造成系统失效；③改进煤巷掘进作业方式，由现在的沿底掘进改为沿顶掘进，同时加强支护管理，严防冒顶片帮；④煤巷掘进前先施工前探钻孔分析煤层厚度，对于煤层变厚地段，虽没法改变煤层厚度，但提前进行瓦斯抽放，从而减少因煤厚造成的瓦斯异常及系统失效；⑤加强自燃煤层掘进工作面自燃标志气体CO的监测、检查，将自燃消灭在其孕育阶段；⑥积极采用煤层注水等其他卸压技术，减少松动爆破次数，从而减少松动爆破引起的瓦斯涌出异常。

同时，加强设备的日常检修和维护，加强及时排除故障能力。大力推广通讯、监控系统，通过调度室全方位监控矿井生产情况，以便一旦出现设备故障，能及时发现问题，缩短故障修复时间，有效地减少掘进工作面风排瓦斯系统故障造成的瓦斯爆炸等事故。

5 结语

在对矿井掘进工作面风排瓦斯系统故障统计的基础上，利用可靠性工程理论对矿井掘进工作面风排瓦斯系统的可靠性进行了分析，得到各部件的可靠性指标，并根据现有的技术条件及公司矿井实际情况，提出对风路、瓦斯涌出和其他3个子系统的7个相对容易提高的部件进行改进，对提高掘进工作面风排瓦斯系统的可靠性具有指导意义。