礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法及其發(fā)展趨勢(shì)

陸 韜

(黑龍江龍煤集團(tuán)雙鴨山礦業(yè)分公司,黑龍江雙鴨山 155100)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法及其發(fā)展趨勢(shì)

陸 韜

(黑龍江龍煤集團(tuán)雙鴨山礦業(yè)分公司,黑龍江雙鴨山 155100)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)應(yīng)能及時(shí)反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性高低,為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的決策者提供有意義的信息,根據(jù)信息及時(shí)調(diào)整礦井通風(fēng)系統(tǒng),解決系統(tǒng)中存在的重大安全問(wèn)題。對(duì)國(guó)內(nèi)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行分析和比較,提出礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法的發(fā)展趨勢(shì)。

礦井通風(fēng)系統(tǒng);可靠性評(píng)價(jià)方法;發(fā)展趨勢(shì)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要輔助系統(tǒng),為生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保證。礦井通風(fēng)系統(tǒng)由通風(fēng)動(dòng)力及其裝置、通風(fēng)井巷網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)流檢測(cè)及控制系統(tǒng)組成。在生產(chǎn)時(shí)期其任務(wù)是利用各種動(dòng)力,以最經(jīng)濟(jì)的方式,向井下各用風(fēng)地點(diǎn)提供足夠的新鮮空氣,保證工作人員的呼吸,稀釋并排除瓦斯等各種有害物質(zhì),降低熱害,給井下工人創(chuàng)造良好的工作環(huán)境;發(fā)生事故時(shí),有效地控制風(fēng)流方向和大小,與其他措施相結(jié)合,防止災(zāi)害的擴(kuò)大,進(jìn)而達(dá)到消滅事故的目的。通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述功能的難易程度稱(chēng)為礦井通風(fēng)的可靠性。可靠性是衡量礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性高低對(duì)礦井生產(chǎn)和安全管理有著直接的影響。直接關(guān)系到礦井能否安全生產(chǎn)及防止事故的發(fā)生。

目前對(duì)安全具有重要作用的適應(yīng)煤礦特殊生產(chǎn)環(huán)境的可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)和方法研究在深度和廣度上都不夠,缺乏針對(duì)性好、操作性強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法。另外,當(dāng)前礦業(yè)系統(tǒng)工程的發(fā)展正面臨著非常關(guān)鍵時(shí)期,如何擺脫礦業(yè)系統(tǒng)工程理論和實(shí)踐的徘徊局面,是擺在礦業(yè)系統(tǒng)工程工作者面前的嚴(yán)峻課題。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究的發(fā)展概況

礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)是隨著采礦工程和可靠性工程的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的,縱觀(guān)其發(fā)展歷史,可以將礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的發(fā)展分為以下幾個(gè)階段：

1.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的萌芽階段

在 19世紀(jì)后半期,隨著機(jī)器制造業(yè)的興起,對(duì)各種礦產(chǎn)資源的需求劇增,從而極大地刺激了采礦業(yè)發(fā)展,到 20世紀(jì) 20年代,無(wú)論是礦井開(kāi)采規(guī)模還是開(kāi)采的技術(shù)水平都有了很大的發(fā)展,與此同時(shí)人們對(duì)礦井安全的追求也強(qiáng)烈起來(lái),產(chǎn)生了經(jīng)驗(yàn)為主的樸素評(píng)價(jià)法。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)也進(jìn)入了萌芽階段。

1.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的量化階段

經(jīng)驗(yàn)法雖然可以應(yīng)用于各種條件,但是其基礎(chǔ)是決策者憑著經(jīng)驗(yàn)和粗略的分析。由于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和理解水平的局限性,所提出的方案不一定全面,有時(shí)候可能忽略了最優(yōu)的方案,結(jié)果選取的只能是次優(yōu)的,甚至僅僅是可行的,同時(shí)也忽略了時(shí)間等因素的動(dòng)態(tài)影響。

最早提出用某一量化指標(biāo)來(lái)確定礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性的有M.謬爾格在 1873年提出的 “礦井等積孔 (A)”的概念,其公式為：

式中,A為礦井通風(fēng)系統(tǒng)等積孔;Rm為礦井總風(fēng)阻。

利用礦井等積孔的大小來(lái)評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的難易程度 (可靠性指標(biāo)),為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的管理與改造提供了技術(shù)上的指標(biāo)。我國(guó)通風(fēng)界一般認(rèn)為,A＞2m2,屬于通風(fēng)容易的礦井,但是實(shí)際測(cè)量的資料表明,有的礦井在等積孔大于 3m2時(shí),仍然屬于通風(fēng)困難一級(jí)的。因此,專(zhuān)家學(xué)者們對(duì)礦井等積孔的公式進(jìn)行了修補(bǔ),如美國(guó)按瓦斯等級(jí)將等積孔劃分為：

高瓦斯礦井 A=3.7～8.4m2

低瓦斯礦井 A=2.3～3.7m2

認(rèn)為在此范圍內(nèi)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是比較合理的;另一方面繼續(xù)沿用原先的定義,提出了新的等積孔公式,以對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)難易程度進(jìn)行評(píng)價(jià),滿(mǎn)足對(duì)現(xiàn)代化礦井通風(fēng)評(píng)價(jià)的需要。

一些新的指標(biāo)也陸續(xù)提出了,如用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量供需比、礦井有效風(fēng)量率、反風(fēng)系統(tǒng)合格度等。這些指標(biāo)是為礦井通風(fēng)的管理者提供某一個(gè)方面狀態(tài)信息的特定需要而制定的,只能反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)某一方面的狀態(tài),不能動(dòng)態(tài)、全面地評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性高低。

1.3 用系統(tǒng)工程理論研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)階段

單一指標(biāo)用來(lái)判斷一個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的好壞,其優(yōu)點(diǎn)是指標(biāo)易于計(jì)算、簡(jiǎn)單、明確。但是只能反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)層面,缺乏對(duì)全系統(tǒng)正確評(píng)價(jià)的公允性。而且隨著礦井開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大和開(kāi)采深度的加大,礦井瓦斯涌出、煤巖以及地?zé)岣邷氐痊F(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重,礦井沖擊礦壓也越來(lái)越頻繁。現(xiàn)代化大型采掘機(jī)械的應(yīng)用又給井下通風(fēng)系統(tǒng)帶來(lái)了不安全因素,如圖 1所示。這些都要求系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法的產(chǎn)生。

圖1 礦井通風(fēng)人 -機(jī) -環(huán)境功能

系統(tǒng)工程理論和方法的研究,特別是可靠性工程的不斷發(fā)展和完善以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,也促進(jìn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)理論的進(jìn)步。20世紀(jì) 60年代,前蘇聯(lián)開(kāi)始采用系統(tǒng)工程的觀(guān)點(diǎn)、方法、并結(jié)合電子計(jì)算機(jī)技術(shù)研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題。到目前為止,對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)的研究已經(jīng)有了一定的深度和廣度。

在前蘇聯(lián),認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)可靠性決定于下列相互獨(dú)立的因素：在通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí),原始資料和計(jì)算方法與實(shí)際的吻合程度;礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)功能的可靠性;扇風(fēng)機(jī)裝置的可靠性。

這樣通風(fēng)系統(tǒng)的可靠度可表示為：

式中,R為通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性;Rn為原始資料的可靠度;Rm為計(jì)算方法的可靠度;Rc為礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的可靠度;Re為扇風(fēng)機(jī)裝置的可靠度。

在國(guó)內(nèi),河南省煤炭工業(yè)廳和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)共同承擔(dān)了《河南省重點(diǎn)煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性研究》項(xiàng)目,提出影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性的 “主要因素指標(biāo)集”,共有 36項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)層次分析法原理 (AHP),將礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠性的總目標(biāo)分解為 3個(gè)子目標(biāo),其中第 1項(xiàng)是日常礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性 B1,因?yàn)槠溆绊懸蛩剌^多,又分解為 7個(gè)子目標(biāo),內(nèi)含 29項(xiàng)指標(biāo);第2項(xiàng)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)防災(zāi)救護(hù)系統(tǒng)的可靠性 B2,內(nèi)含 5項(xiàng)指標(biāo);第 3項(xiàng)是礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性 B3,內(nèi)含 2項(xiàng)指標(biāo)。

然后,將指標(biāo)等級(jí)劃分為合格 A、基本合格B、待整改 C,共 3個(gè)級(jí)別,通過(guò)大量的調(diào)研、統(tǒng)計(jì)分析、理論研究、技術(shù)規(guī)范、法規(guī)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),確定各項(xiàng)指標(biāo)的界定范圍。確定各指標(biāo)的隸屬函數(shù)和重要程度,用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行處理,得出礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性等級(jí),指導(dǎo)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性工作。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是 20世紀(jì) 60年代從美國(guó)發(fā)展起來(lái)的,在金屬礦和露天礦應(yīng)用大量的模型和程序。用于研究和解決煤礦地下開(kāi)采最早的是賓夕法尼亞州立大學(xué)的 C.B.紐曼拉和 V.羅邁尼,他們編制的地下開(kāi)采運(yùn)輸系統(tǒng)模擬模型,包括內(nèi)部環(huán)境、外部環(huán)境、地質(zhì)儲(chǔ)量、巖層控制、物料運(yùn)輸、支護(hù)和其他等 10個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)模型比較全面地反映了煤礦地下開(kāi)采的生產(chǎn)狀況,促進(jìn)了礦井系統(tǒng)模擬技術(shù)的發(fā)展。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性研究可以借鑒該思想。充分利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)快捷、準(zhǔn)確這一優(yōu)勢(shì),全面提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性研究水平。

2.2 經(jīng)驗(yàn)學(xué)派

經(jīng)驗(yàn)學(xué)派是利用在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中積累的豐富的施工、生產(chǎn)和管理經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的決策和設(shè)計(jì)問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人工智能和知識(shí)工程的興起,人們采用人工智能原理系統(tǒng)地總結(jié)和分析有關(guān)專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),從而建立起解決某一專(zhuān)門(mén)問(wèn)題的專(zhuān)家系統(tǒng)。這些專(zhuān)家系統(tǒng)的建立對(duì)于解決含有大量定性經(jīng)驗(yàn)因素的決策問(wèn)題提供了有益的途徑,對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的專(zhuān)家系統(tǒng)的建立有著很重要的指導(dǎo)意義。

除了專(zhuān)家系統(tǒng)外,專(zhuān)家評(píng)分優(yōu)化法以及層次分析法也屬于經(jīng)驗(yàn)學(xué)派,這 2個(gè)方法也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面。國(guó)內(nèi)有專(zhuān)家使用此方法對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性做出有益的探索。

2.3 可靠性工程

可靠性科學(xué)和工程技術(shù)是系統(tǒng)工程的一個(gè)活躍分支?？煽啃怨こ淌?20世紀(jì) 40年代發(fā)展起來(lái)的新型綜合學(xué)科,涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、電子、環(huán)境、管理等各個(gè)領(lǐng)域。近年,可靠性工程在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的研究有了一定的進(jìn)步。但是總的說(shuō)來(lái),礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性研究比較落后。通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題,也有文獻(xiàn)報(bào)道,但不夠深入和系統(tǒng)。更無(wú)合理的、權(quán)威的評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)檢索可以發(fā)現(xiàn),可靠性的應(yīng)用十分廣泛。但在礦井通風(fēng)方面很少。這種狀況固然有一定的主觀(guān)因素,如行業(yè)的現(xiàn)狀等,但首先還是問(wèn)題本身的復(fù)雜性。

2.4 非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)

施適亮博士與王海橋先生的《礦井安全非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)》一書(shū)指出：“礦井安全系統(tǒng)中許多問(wèn)題都是非線(xiàn)性的,傳統(tǒng)的、事先設(shè)定變化規(guī)律和特征的評(píng)價(jià)方法已經(jīng)顯現(xiàn)出局限性,且難以很好地解決從因素到結(jié)果的定權(quán)和變權(quán)問(wèn)題”。指出礦井災(zāi)害的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特征,以此建立起非線(xiàn)性灰色安全評(píng)價(jià)模型和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線(xiàn)性安全評(píng)價(jià)模型,這是礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性研究的有益探索。

3 現(xiàn)有礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究的不足

礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的研究有了一定的發(fā)展,一些方法已經(jīng)在實(shí)際中有了應(yīng)用,并收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但總的來(lái)看,目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的研究較多,而真正在實(shí)踐中發(fā)揮效益的并不多。這其中有客觀(guān)原因,也有主觀(guān)原因,既有人的素質(zhì)方面的因素,又有管理體制方面的因素,其中最主要的是礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性理論本身的發(fā)展不夠完善,還存在諸多問(wèn)題,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)在專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的利用方面 從礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性發(fā)展可以看出,傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)或決策支持都是基于經(jīng)驗(yàn)的決策。近年來(lái)隨著運(yùn)籌學(xué)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展,在礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究方面出現(xiàn)了過(guò)于重視理論的傾向,致使某些數(shù)學(xué)模型被束之高閣,很難在實(shí)踐中應(yīng)用。實(shí)際上礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的決策過(guò)程。因此,單純靠專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)是不可行的,單純用數(shù)學(xué)方法也是不行的,只有將專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)與系統(tǒng)工程的方法結(jié)合起來(lái),才能保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究的適用性、有效性和可操作性。

(2)在可靠性研究的可操作性方面 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法中,理論上研究的較多,并且提出了一些評(píng)價(jià)方法,但是這些方法缺少實(shí)用性、可操作性?，F(xiàn)場(chǎng)人員不是不愿意用,而是無(wú)法使用。礦井井下生產(chǎn)系統(tǒng)不斷變化,可靠性的評(píng)價(jià)不是一次性評(píng)價(jià),而是連續(xù)性、動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)過(guò)程。不是由多個(gè)人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià),而是制定合理的實(shí)用評(píng)價(jià)方案,由較少的人來(lái)完成,這樣的方案才有生命力。

(3)在不確定信息的處理方面 事物間的因果關(guān)系和使用的數(shù)據(jù)都具有強(qiáng)烈的不確定性,這在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為突出,這些不確定性既有未來(lái)事物的隨機(jī)性,人們客觀(guān)認(rèn)識(shí)的模糊性,也有主觀(guān)認(rèn)識(shí)的未確定性。因而求解最優(yōu)和最合理的解,是非常困難,甚至是不可能的。如何權(quán)衡兩者的關(guān)系,是一個(gè)重要的問(wèn)題。

4 發(fā)展展望

礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)是一門(mén)交叉學(xué)科,涉及礦井通風(fēng)、統(tǒng)計(jì)分析、安全評(píng)價(jià)、可靠性工程等多學(xué)科領(lǐng)域,包含深刻的科學(xué)問(wèn)題和巨大的理論和實(shí)踐創(chuàng)新空間。在未來(lái)的發(fā)展階段,以下問(wèn)題將是礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)研究的重點(diǎn)：

(1)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的動(dòng)態(tài)性。(2)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性。(3)礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的決策支持系統(tǒng)與礦井其他系統(tǒng)的耦合。

總之,由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)的“軟”科學(xué)性,對(duì)應(yīng)用現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線(xiàn)性科學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)、可靠性工程等對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)將是今后的發(fā)展方向。

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Evaluation Method for Rel iability ofM ine Ventilation System and ItsDevelopment Tendency

LU Tao
(ShuangyashanMiningBranch,HeilongjiangLongmei Group,Shuangyashan 155100,China)

Reliability evaluation can reflect directly reliability degree ofmine ventilation system and provide useful infor mation for decision-maker.Large safety problem may be dissolved by changingmine ventilation system in time according to the information.This paper analyzed and compared domestic reliability evaluation technologiesofmine ventilation system and indicated the development tendency of reliability evaluation methods formine ventilation system.

mine ventilation system;reliability evaluation method;development tendency

TD726

A

1006-6225(2010)04-0001-03

2010-06-23

陸 韜 (1964-),男,黑龍江雙鴨山人,工程師,機(jī)電裝備部副主任,從事煤礦機(jī)電通風(fēng)研究和管理工作。

鄒正立]