礦井通風系統可靠性評價指標體系的構建與實施

范紅偉

(山西工程職業學院,太原 030032)

煤礦安全生產是一個系統工程,而礦井通風子系統是保障煤礦安全生產的基礎。許多特別重大事故都與通風系統的不完善、不可靠有關。因此,礦井通風系統的可靠性直接影響到礦井的安全生產。

評價指標是全面、客觀的衡量礦井通風系統可靠性的基礎和關鍵。以往評價指標的選擇更關注設備、設施、環境因素的影響,對于人和管理兩個因素關注度不夠。本文從影響事故發生的4M因素(人、機、環境、管理)出發,構建礦井通風系統可靠性評價指標體系,利用模糊數學確定評價指標隸屬函數,應用改進的層次分析法(AHP)確定評價指標權重值,力求更全面、更系統、更趨于實際地完成礦井通風系統可靠性評價,對保證礦井通風系統的可靠運轉具有重要的理論和現實意義。

1 評價指標體系的構建

1.1 構建評價指標體系

本文基于安全系統工程學原理,結合《煤礦安全規程》、AQ 1028-2006《煤礦井工開采通風技術條件》和《煤礦安全生產質量標準化》,參考國內專家學者相關文獻[1-8],根據影響礦井通風系統的因素進行分析,構建人-機-環境-管理可靠性評價指標體系,如表1所示,包括4個準則層指標和20個因素層指標。

表1 礦井通風系統可靠性評價指標體系Table 1 The reliability evaluation index system for the mine ventilation system

1.2 構建隸屬函數

在礦井通風系統可靠性指標體系中,評價指標隸屬函數的確定至關重要。在模糊數學中,隸屬函數的種類很多,本文綜合考慮各評價指標的分布特征,以通風設備及設施準則層為例建立了礦井通風系統可靠性的隸屬函數。

1)主要通風機負壓。主要通風機負壓越大,表明消耗的能量就越多,漏風的幾率和漏風量也越大,越易引起煤炭自燃,礦井通風管理難度越大。按照礦井通風阻力不超過2 940 Pa的要求,得出

.(1)

式中:p0為礦井風壓的閾值,取2 940 Pa;p為礦井的實際風壓值,Pa。

2)主要通風機工況穩定性。主要通風機承擔全礦或一翼的通風任務,其運轉工況穩定與否對礦井通風系統的安全可靠程度具有重要的意義。根據礦井主要通風機風壓與其最高風壓的比值,得出：

①一臺通風機的礦井

(2)

式中:K2=ps/ps,max;ps為主要通風機風壓,Pa;ps,max為主要通風機最高風壓,Pa。

②多臺通風機的礦井

(3)

對于多臺通風機工作的礦井,取通風機風量加權平均值f2作為主要通風機工況的穩定性:

(4)

式中:Qi為礦井各主要通風機風量,m3/s。

3)主要通風機運行狀況。由于對風機故障缺乏概率統計,因而只能根據風機的服務年限、檢修保養時間間隔、性能鑒定時間間隔等按經驗計算風機運行的可靠度f3：

f3=(100%-2%N)-(t-1)×2%-(T-5)×2%-m×2% .

(5)

式中:N為風機的服務年限,年;t為風機的平均檢修保養間隔時間,月,當檢修保養間隔時間小于1個月時,取t=1;T為主要通風機性能測定的平均間隔時間,年,當平均間隔時間小于5年時,取T=5;m為上一年度風機故障次數,次/年。

4)局部通風可靠性。

f4=1-1×n1-n2×20%-n3×2%-n4×2%-n5×2-n6×3% .

(6)

式中:n1為出現循環風的次數,當出現循環風1次及以上時,取n1=1,此項不得分;n2為無計劃停風的次數;n3為風筒接頭破口的次數(末端20 m除外);n4為風筒缺環的個數;n5為風筒摩擦、擠壓的次數;n6為風筒拐死彎的個數。

5)通風設施質量可靠性。井下密閉、風門、風窗、風橋的質量要可靠,否則會形成內部漏風和通風系統紊亂,引起瓦斯超限、煤炭自燃等事故發生。因此,質量合格率越高越好,由此可知：

f5=0.3S1+0.2S2+0.2S3+0.3S4.

(7)

式中:S1為密閉合格率,%;S2為風門合格率,%;S3為風窗合格率,%;S4為風橋合格率,%。

2 評價指標的權重值

采用改進的AHP全面分析準則層的4個評價指標和因素層的20個評價指標對通風系統可靠性的影響程度,再確定各自的權重值[9-10]。

在礦井通風系統評價指標體系中,參照《煤礦重大生產安全事故隱患判定標準》,完整的獨立通風系統和礦井風量供需比，這2項評價指標具有一票否決權。只有在這兩項都合格的前提下,權重值的確定才有意義,才能對礦井通風系統進行評價。

2.1 構造判斷矩陣

按照表2各因素的比較準則,依據10位相關專家對系統環境可靠性、設備及設施可靠性、人員可靠性、基礎管理4個指標相對重要性的打分結果,取其平均值,構成準則層評價指標判斷矩陣,如表3所示。

表2 比較準則Table 2 The comparison criteria

表3 準則層評價指標判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of standard layer evaluation index

2.2 權重值的計算

應用改進的AHP,不需要一致性檢驗就能自然滿足一致性要求,直接求出權重值。準則層評價指標權重值計算如下:

1)構造判斷矩陣A=[aij]∈Rn×n,如表3所示。

2)計算傳遞矩陣B,bij=lgaij(i,j=1,2,…,n)

5)用方根法求A特征向量

即準則層評價指標權重值為:

M=[M1,M2,M3,M4]T=[0.531 7,0.270 2,0.076 0,0.122 1]T

同理構造出因素層的判斷矩陣,用相同的方法計算出各指標權重值,計算結果如表1所示。

3 構建評價模型

在完整的獨立通風系統和礦井風量供需比這2項指標都滿足的前提下進行評價,其評價模型為:

(8)

式中:S為礦井通風系統綜合分值;Mi為準則層指標的權重;Mij為因素層評價指標的權重;Fij為因素層評價指標的隸屬度。

最后,把計算結果換算成百分制分值S′=INT(100S+0.5)。根據評價值的大小按表4確定礦井通風系統可靠性的等級。

表4 礦井通風系統可靠性的等級Table 4 The reliability grade of the mine ventilation system

4 實例分析

山西某煤礦,礦井通風方式為中央并列式,通風方法為機械抽出式。該礦現有5個井筒,分別為:主斜井、副斜井、行人斜井、進風立井和回風立井,礦井總回風量為11 050 m3/min。該礦為高瓦斯礦井,礦井絕對瓦斯涌出量為37.46 m3/min,回采面最大絕對瓦斯涌出量為23.73 m3/min,掘進面最大絕對瓦斯涌出量為2.87 m3/min。

特邀請有關專家、煤礦管理人員確定了該礦井通風系統評價指標的值。通過在礦井通風系統可靠性軟件中,輸入相應的指標值,會自動制作出礦井通風系統可靠性評價書。該礦綜合評價結果得分為:91.22,煤礦安全等級屬于B級,即礦井通風系統可靠，存在少量小問題，應注意預防。評價結果反映了該礦的實際狀況,并提出了改進措施:1)井下通風調節設施較多,應適當加以控制,保證質量,加強管理;2)掘進工作面出現風筒摩擦、擠壓,應加強局部通風的管理。

5 結論

1)以安全系統工程學原理為基礎,結合煤礦通風特點,從“人-機-環境-管理”4個方面構建煤礦通風系統可靠性評價指標體系,由4個準則層指標,20個因素層評價指標構成。

2)根據礦井通風模糊屬性的特點,確定了評價指標的隸屬函數,并采用改進的層次分析法確定各評價指標的權重。其中,礦井風量供需比和完整的獨立通風系統具有一票否決權限。

3)構建了礦井通風系統可靠性評價模型,對山西某礦的通風系統現狀做出綜合評價,形成礦井通風系統可靠性評價書。從評價結果來看,該礦通風系統可靠性安全等級為B級,與礦井實際相符。