基于FMEA的掘進工作面局部通風風險評價

靳燕飛

（同煤集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

礦井生產過程中需要足夠的新鮮風流供作業人員呼吸和改善作業環境[1]。煤礦通風系統包括全礦井通風系統和局部通風系統，通過主要通風機和局部通風機配合確保井下采掘工作面風流的供給[2-4]，局部通風機可以對風流進行局部控制滿足生產需要。 局部通風系統構成包括機械部分和電力部分，每一部分環節出現問題都可能造成非計劃停機、停風[3-4]。因此，為了使井下風流供給正常，必須保證所有環節都處于良好的工作狀態。 但鑒于通風系統設備多、負荷大、管理復雜，使用傳統的方法很難快速準確的對系統存在的風險進行管控。 本次研究將對忻州窯煤礦局部通風系統出現故障的誘因展開分析，并利用FMEA 法對各危險有害因素的風險性大小進行評價，旨在為礦井局部通風系統管理提供理論指導。

1 局部通風系統的組成和故障特征

1.1 通風系統的組成

局部通風在礦井通風系統中發揮重要作用，不僅能夠為井下作業人員及設備提供新鮮風流，而且能夠排除作業場所中的有害物質， 改善工作環境。局部通風系統組件包括高低壓電力設備與機械設備，主要為：變電站、變壓器、配電器、各類開關、繼電器、局扇、風門、風筒、風窗等。 局部通風系統常使用軸流式通風機， 通風設備的運行環境較為復雜，因此須采用本質安全型防爆設備。

1.2 故障特征

首先是復雜性，通風系統設備數量多、工作負荷大、環節多，需要各個子系統之間相互配合，而其繁瑣的運行流程及復雜的工作環境，都將對系統穩定運行產生巨大的考驗，所以設備隱患的發現與處理都是復雜系統工程的一部分；其次是故障具有關聯性， 通風系統的各個環節都是整體的有機結合，某個前置環節出現問題必然導致后續環節出現故障的幾率增加， 例如電氣故障會導致風機頻繁啟停，風機的頻繁啟停會加劇傳動部件的磨損，同時使風筒受到強大的沖擊導致破損或漏風等；最后是通風系統故障的持續性，通風系統中除了外力破壞外，往往先出現故障隱患，不會直接導致系統相關設備出現破壞性停機， 而是需要相對長的時間，當隱患積累一定程度后才會出現故障，例如風機受到磨損后在微觀上出現不均衡旋轉， 導致應力不平衡，使相關傳動件出現扭曲變形，如果不加以處理，當磨損到一定程度后會出現振動，這加劇了金屬疲勞，最終使部件產生裂縫，直至出現斷裂等。

2 故障綜述

綜上而言，通風系統主要故障可歸類為電力故障和機械故障，而電力故障又可以細分為高壓和低壓電力故障。

2.1 高壓電力故障

高壓電力設備主要包括：移動變壓器、高壓電纜、高壓開關和其它電路元件。 高壓電力設備要求具有阻燃和防爆性能，監視線和屏蔽線等專用線纜和高壓電纜相互配合使用。 高壓開關要設置于安全封閉的空間內，其主要由以下部件組成：高壓斷路器、隔離開關、高壓熔斷器、高壓負荷開關以及必要的繼電器、閉鎖和相關的儀器儀表、信號顯示設備等，以上主要設備有多重類型，結構和原理各不相同，出現故障的原因和形式也多種多樣。

在局部通風系統常見的高壓電力設備故障中（見圖1），變壓器故障原因主要為油溫過高、油位異常、漏電、緊固件松動、接地不良、過電壓、漏油和套管故障等；高壓電纜主要故障原因包括劣質電纜連貫性擊穿、電纜外力損傷、不正常安裝和接地故障等；引起開關不能合閘的原因包括異常高溫、設備損壞和機械故障等；斷路器出現故障原因包括連桿斷裂變形、失壓脫扣器線圈燒毀、銜鐵變形、漏電、異常高溫等；引起油斷路器出現故障原因包括油面過高或過低、油質不潔、遮斷容量小和操作不當等。

圖1 高壓電力故障分類

2.2 低壓電力故障

低壓電力設備主要包括：電纜、饋電開關、變壓器、保護器、低壓開關和繼電器等。 主要故障包括電纜故障、變電器異響或高溫、開關故障及電壓異常等。

低壓電力故障中（見圖2），引起低壓電纜故障主要原因包括絕緣受損、外力損傷、不正常安裝和接地故障等；引起饋電設備出現故障原因包括連桿變形、脫扣器損壞、銜鐵變形、漏電、信號缺失等；引起變電器異響原因為漏電、緊固件松動、接地不良、過電壓和絕緣故障等；引起變壓器溫度過高原因包括油溫過高、油位異常、漏電、緊固件松動、接地不良、過電壓、漏油或變質和套管故障等。

圖2 低壓電力故障分類

2.3 機械故障

機械系統主要包括供風裝置、調風裝置和配風裝置等，其中局扇、風門和風筒等出現故障的概率比較大。

常見故障中（見圖3），引起成風機異常振動原因包括傳動件彎曲、機械部件碰撞、金屬疲勞變形、松動等；引起風壓高或風量小的原因包括風流摩擦力增大、通風阻力增大、通風不暢等；引起風壓低的原因包括功率下降、漏風、機械間摩擦力大等；引起噪音的原因包括機械摩擦增大、碰撞、緊固松動、油溫高或變質等；引起葉輪損壞的原因包括金屬疲勞變形、裝配不到位、機械部件損壞、摩擦力增大等。

圖3 機械故障分類

3 FMEA 法簡介

FMEA的全稱為 Failure Mode and Effects Analysis，是一種自下而上的系統識別方法，屬于“事前的預防措施”。 該方法能夠對故障影響程度進行分析，其識別對象可以是某項功能或一個項目甚至一個系統，主要是分析復雜狀態下某系統故障的主要致因以及每項故障因素的權重，是一種可觀的分析方法，該法具有穩定、準確的特點。 根據其分析結果可以對隱患和故障進行分級處理，提高故障識別和處理效率。

其風險計算見式（1）：

式中：RPN 為風險系數， 風險系數大于100 時需要特別關注；S 為故障嚴重程度，一般將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，量化值分別為5、4、3；O 為發生可能性，按發生概率由小至大取值1～10；D 為困難程度，由小至大取值1～10。

4 FMEA 評價法的應用

同煤集團忻州窯礦核定生產能力2.30 Mt/a，礦井采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。 該礦采用兩翼對角式通風方式，主井和副井為進風井，井田兩翼為回風井，礦井通風系統完善，風量充足，以風定產。 所有采區和工作面均有獨立的回風上（下）山和專用回風巷，各采區、各工作面通風系統互不影響，相對獨立。

表1 通風系統故障FMEA 評價

通過對歷年來通風系統故障情況進行統計和總結，結合現場調研情況，對通風系統主要故障的嚴重程度（S）、發生可能性（O）和發現困難程度（D）進行賦值，并對風險系數（RPN）進行計算，計算結果見表1，基于此對通風系統故障因素進行綜合評價如下：

1）變壓器、高壓電纜、風量過低和葉輪損毀的故障嚴重程度為Ⅰ類；噪音異常、低壓饋電開關故障、低壓變電器異響發生可能性最高；風量過低和風壓過低的發現困難程度為極難。 在日常安全管理過程中須對上述故障采取針對性的管控措施。

2）由表1 可知，在15 種通風系統故障類型中共有9 項故障的風險系數大于100， 特別是變壓器低壓饋電開關和葉輪損毀等故障風險相對較大，需要提高關注程度。 通過對現場實際情況的分析，這些故障大多易于發現且處理簡單，通過加強保養和維護即可得到有效的管控。

5 結語

通過FMEA 法對通風系統故障嚴重程度、出現概率、發現難度進行賦值并計算風險系數值，其中變壓器、高壓電纜、風量過低和葉輪損毀的故障嚴重程度為Ⅰ類；噪音異常、低壓饋電開關故障、低壓變電器異響發生可能性最高；風量過低和風壓過低的發現困難程度為極難； 在15 種通風系統故障類型中共有9 項故障的風險系數大于100， 特別是變壓器、低壓饋電開關和葉輪損毀等故障風險相對較大，需要提高關注程度。