基于故障樹的煤礦局部通風系統故障分析

楊 軍

(大同煤礦集團安全監管五人小組管理部，山西 大同 037003)

0 引言

煤礦生產中由于作業環境的影響，需要局部通風系統能夠穩定持續提供新鮮風流，帶動空氣流動[1-2]。而局部通風系統有供電、機械等系統構成，整個系統呈串聯布置[3]，各子單元的故障都會在最后導致整個系統的失效，所以為了確保礦井正常生產秩序，需要確保整個局部通風系統各子單元都能正常運轉。為此，通過故障樹分析對導致局部通風系統故障的原因進行分析，建立故障樹分析模型，為礦井故障診斷工作提供一定的理論指導作用。

1 礦井通風系統構成及故障特性

1.1 局部通風系統構成

礦井局部通風系統為井下作業面中的人員和設備提供新鮮空氣，并能導出作業環境中有害氣體及粉塵，確保良好的作業環境。因此為了驅動礦井通風系統，需要有高壓供電部分、低壓供電部分、通風設備運轉部分這3大部分組成，具體有井下移動變電站、移動配電裝置、移動變壓裝置、繼電器、饋電開關、局部通風機、風筒、通風構筑物等構成。局部通風系統中通風機通常為軸流式風機，為確保設備能夠在井下存在瓦斯、粉塵的惡劣環境中安全運轉，井下各類設備應滿足井下防爆、耐爆等特性。圖1為礦井局部通風系統示意圖。

圖1 礦井局部通風系統示意圖

1.2 局部通風系統故障特性

復雜性：礦井通風系統是由眾多設備、模塊及構筑物組合而成，整個串聯整體上存在各類不同部分，同時相應系統可能出現故障類別也呈現多樣性、復雜性及不確定性。

關聯性：局部通風系統整體中各部分呈現出一個串聯關系，風路中有進風、回風順序以及風機、通風構筑物，同時各級控制、運轉單元間相互關聯。單一故障不會獨立存在，該故障一定會進一步引發其他關聯設備故障。

非瞬態性：系統中故障剛開始相對單一，或是以隱患的形式存在，對設備和系統的運轉不造成直接影響。故障多數不是瞬間發生，具有潛伏性，是隱患積累到一定程度的產物。如系統中電機運轉過程中出現單相斷電，往往會先引發設備異常發熱，當發熱積累到一定程度才會進一步導致電機損壞。

2 局部通風系統故障分析

局部通風系統故障大體分為高壓供電系統故障、低壓供電系統故障、機械系統故障、其他類故障4種[4]。

2.1 高壓供電系統故障及分析

礦井局部通風系統中的高壓供電元件有：高壓線纜、高壓開關、移動變壓器及其他電路元件。各元配件應滿足井下阻燃、阻爆和防爆要求，同時監視線、屏蔽線為專用線纜與高壓供電線纜配合使用，高壓開關通常放置在專用的開關柜、配電柜中，該配電裝置安裝應由特殊程序組成：隔離開關、斷路器、熔斷器、互感器、繼電器、閉鎖裝置、信號指示、電壓電流儀表等組成。而移動變壓器為礦用變壓器、整流變壓器兩種。高壓供電系統常見故障見表1。

表1 高壓供電系統常見故障

2.2 低壓供電系統故障及分析

礦井局部通風系統中的低壓供電元件有：低壓線纜、電壓饋電開關、低壓磁力控制開關、漏電保護裝置、撿漏繼電器等。常見故障類型有電纜故障、低壓饋電裝置故障、低壓變電裝置異響、變壓器異常高溫和二次電壓不穩定等。詳細故障及分析見表2。

表2 低壓供電系統常見故障

2.3 機械系統故障及分析

礦井局部通風系統中的機械系統為風機、風筒及其他設備，通常局部通風所采用的風機多為軸流式局部通風機[5]，機械系統故障多數為風機故障和風筒故障，如風機非正常振動、風壓過高或過低、風量減小、風機噪音或出現異常振幅、風機葉輪損壞等。詳細故障及分析見表3。

2.4 其他故障

礦井局部通風系統其他故障通常是由外部因素造成非正常停車，如：全礦井停風、運輸故障、人為誤操作等。

3 故障樹模型的建立與分析

3.1 局部通風系統故障樹的建立

根據上述煤礦常見局部通風系統故障及原因的分析，通過FTA故障樹分析方法，建立礦井局部通風系統故障樹，將故障樹分為高壓供電系統故障、低壓供電系統故障、機械系統故障、其他類故障4種故障類型，并根據具體故障類別將該故障樹模型通過層次結構展開，結構圖如圖2所示。

圖2 礦井局部通風系統故障樹

表3 機械系統常見故障

3.2 局部通風系統故障樹分析

對圖2所示煤礦局部通風系統故障樹進行定性分析，求該故障樹的最小割集，以此判斷相關底事件對于頂事件的影響。通過簡單的布爾運算可以求得系統最小割集。從圖中邏輯關系分析，最小割集的計算方法如下

T=(A1+A2+A3+A4)

=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8+x9+x10+x11+x12+x13+x14+x15+x16+x17+x18

(1)

從上式計算結果可以看出，煤礦局部通風故障的故障樹最小割集共有18個，分別為K1={x1}，K2={x2}，K3={x3}，K4={x4}，K5={x5}，K6={x6}，……K17={x17}，K18={x18}，也就是說只要這些割集中的事件發生，就會導致通風系統故障的發生。18個最小割集就代表導致通風系統故障發生的可能性有18種，這一概率比較大，因此，局部通風系統可靠性較低。

從定量分析角度看，該故障樹頂事件發生概率計算結果為

式中：pi—各個底事件發生的概率；n—底事件個數。

即：P= 1-(1-p1)(1-p2)…(1-p18)

(2)

當通過對局部通風系統故障進行統計分析后，可以得出各個事件的發生概率，從而可以求得頂事件發生概率，得出系統的定量計算結果。

4 通風安全技術措施

根據上述局部通風系統故障樹的分析，制定了部分針對性安全技術措施。首先加強系統集中監控，通過集中監控系統實時得到井下通風和通風系統中各設備、構筑物狀況，及時發現問題。再次，加強人員巡查和提高人員操作水平，局部通風系統各類操作應由受到培訓的專業人員進行，確保設備巡查制度，及時發現集中控制系統中無法反饋的設備狀況。最后，及時根據巡查情況對發現設備隱患進行處置，對故障葉片和電機及時更換和維修，及時補充和更換潤滑油，及時緊固松動緊固件和螺絲等。綜合確保礦井工作面的通風能力和環境穩定性。

5 結語

在研究礦井局部通風系統結構的基礎上，分析系統中高壓供電、低壓供電、機械和其他故障類型和故障原因，并通過故障樹分析法建立礦井局部通風系統故障樹分析模型進行輔助分析，并根據分析結果給出部分針對性安全技術措施，為礦井局部通風系統故障的診斷、分析排查提供一定的理論幫助。