礦山井下排水系統(tǒng)可靠性分析*

邵必林 吳 瓊

(西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院)

礦用水泵是保證礦山安全生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，其在諸多井下礦山機(jī)電設(shè)備中用量多、耗能大。針對(duì)其高效使用率和重要性，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者從不同層面對(duì)設(shè)備的選擇與設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)可靠性分析。李輝等［1］利用可靠性工程理論，對(duì)井下排水泵的臺(tái)數(shù)進(jìn)行了研究;吳革新［2］從用戶的角度出發(fā)，對(duì)礦用水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性進(jìn)行了探討;張啟民［3］簡(jiǎn)述了可靠性技術(shù)在水泵設(shè)計(jì)、技術(shù)管理中的應(yīng)用。然而就現(xiàn)有的研究成果來(lái)看，對(duì)于井下整體排水系統(tǒng)的分析并沒(méi)有將各水平下水泵的布置方式予以考慮。分析依據(jù)的全面性不夠，必然影響結(jié)果的客觀性。因此，本研究在對(duì)各水平排水系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，將集中排水系統(tǒng)與分段排水系統(tǒng)一并考慮，更為深入合理地對(duì)井下排水系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析。

1 水泵數(shù)量的配比

以《GB50215—94 煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)為標(biāo)準(zhǔn)，在工作水泵的總能力20 h內(nèi)排出礦井24 h的正常涌水量下，備用水泵的臺(tái)數(shù)不應(yīng)該少于工作水泵臺(tái)數(shù)的70%。檢修水泵的能力應(yīng)不小于工作水泵能力的25%。水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，還要在主泵房?jī)?nèi)預(yù)留增設(shè)水泵的位置。系統(tǒng)必須裝備2路水管，其通過(guò)能力分別與工作水泵和備用水泵相適應(yīng)，使2水泵能同時(shí)開(kāi)動(dòng)，以保證雨季排水。按照這種設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，姚貴英等［4］將水泵的工作臺(tái)數(shù)與備用臺(tái)數(shù)配比如表1所示。

表1 水泵的工作臺(tái)數(shù)與備用臺(tái)數(shù)配比 臺(tái)

從實(shí)際效果來(lái)看，按《規(guī)范》計(jì)算的水泵臺(tái)數(shù)很難適應(yīng)各類因素的變化:偏多會(huì)使設(shè)備占用量大，利用率低，投資大;偏少則會(huì)給礦井的安全生產(chǎn)造成潛在威脅。為了進(jìn)一步說(shuō)明這種規(guī)定固有的缺陷，通過(guò)對(duì)該設(shè)備規(guī)定臺(tái)數(shù)下的穩(wěn)態(tài)可用度分析，指出在保證礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效果的同時(shí)，合理優(yōu)化確定水泵設(shè)備的臺(tái)數(shù)。

2 井下各水平排水系統(tǒng)的可靠性分析

為了對(duì)單水平排水系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，假設(shè)礦井最大涌水時(shí)期各水平同時(shí)工作的水泵臺(tái)數(shù)為K，總臺(tái)數(shù)為n，每單水平水泵系統(tǒng)配備1名修理工，水泵都是同型號(hào)且工作壽命服從參數(shù)的指數(shù)分布，故障修理時(shí)間均服從參數(shù)的指數(shù)分布。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的定義，對(duì)時(shí)刻t的狀態(tài)i到時(shí)刻t+1的狀態(tài)j進(jìn)行分析，可以得到:

狀態(tài)0。該工作水平面下，當(dāng)有K臺(tái)水泵工作正常，其余n－K臺(tái)為備用或修理時(shí)，系統(tǒng)正常。

狀態(tài)1。該工作水平面下，當(dāng)有K－1臺(tái)工作正常，則有n－K+1臺(tái)水泵故障，1臺(tái)修理，其余待修，認(rèn)為系統(tǒng)故障。

………

狀態(tài)i。該工作水平面下，當(dāng)有K－1臺(tái)工作正常，則有n－K+i臺(tái)水泵故障，1臺(tái)修理，其余待修，認(rèn)為系統(tǒng)故障。

………

狀態(tài)j。該工作水平面下，當(dāng)有K－j臺(tái)工作正常，則有n－K+j臺(tái)水泵故障，其中1臺(tái)修理，其余待修，認(rèn)為系統(tǒng)故障。

………

狀態(tài)K。該工作水平面下，當(dāng)有0臺(tái)工作正常，則有n臺(tái)水泵故障，其中1臺(tái)修理，其余待修，認(rèn)為系統(tǒng)故障。

該系統(tǒng)視為冷貯備系統(tǒng)，設(shè)λ為失效率，u為修復(fù)率。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為

這里通過(guò)建立穩(wěn)態(tài)方程組，進(jìn)行求解，設(shè)狀態(tài)向量

得到穩(wěn)態(tài)方程組

通過(guò)對(duì)上面線性方程的求解，得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)可用度(有效度)為

利用上述步驟分別對(duì)表1中不同臺(tái)數(shù)的水泵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)可用度的求解，結(jié)果表明系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，大約有A的時(shí)間比例處于正常狀態(tài)。這里依據(jù)3個(gè)礦務(wù)局的10對(duì)礦井的38臺(tái)水泵的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料分析［3］，取單位時(shí)間故障率為λ=0.006 85，維修率為μ=0.463 34，通過(guò)代入(3)式，得到表2相關(guān)結(jié)果。

表2 水泵穩(wěn)態(tài)可用度數(shù)據(jù)分析

通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在排水能力一定的情況下，運(yùn)行的設(shè)備臺(tái)數(shù)越少，系統(tǒng)的可靠性越高。同時(shí)根據(jù)對(duì)備用水泵的臺(tái)數(shù)不應(yīng)該少于工作水泵臺(tái)數(shù)的70%的規(guī)定，進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)其設(shè)備的可用度并不高，說(shuō)明此種規(guī)定不具備科學(xué)性，因?yàn)樗玫男吞?hào)、質(zhì)量、維修技術(shù)與最大涌水量的差別，以及涌水期的不同均可導(dǎo)致設(shè)備可用度發(fā)生變化。為了從實(shí)際出發(fā)，通過(guò)運(yùn)用系統(tǒng)可靠性理論，令T為最大涌水期時(shí)間，對(duì)不同狀態(tài)下MTTF(系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間)的值進(jìn)行計(jì)算，給出了水泵數(shù)量配比公式

該公式雖然對(duì)影響水泵臺(tái)數(shù)選擇的相關(guān)因素進(jìn)行了考慮，也比以往常規(guī)的計(jì)算方法更具科學(xué)性，但并沒(méi)有將不同工作水平下不同的排水系統(tǒng)構(gòu)造方式予以考慮，顯然不能對(duì)礦井下整體排水系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行系統(tǒng)的分析。因此將礦井排水系統(tǒng)中集中排水系統(tǒng)和分段排水系統(tǒng)的可靠性分別予以討論，運(yùn)用公式(4)尋找各水平下最佳的水泵配比數(shù)的同時(shí)，通過(guò)公式(2)對(duì)各個(gè)水平中水泵的合理配比臺(tái)數(shù)進(jìn)行可靠性分析，再分別對(duì)下述2種排水系統(tǒng)進(jìn)行分析，進(jìn)而找出整個(gè)排水系統(tǒng)的可用度指標(biāo)［5］。

3 不同排水系統(tǒng)的可靠性分析

3.1 直接排水系統(tǒng)的可靠性分析

直接排水系統(tǒng)是指將井下的涌水通過(guò)排水設(shè)備直接排到地面。即如下部水平的涌水量大，則宜分別直接排至地面，以免各水平都安設(shè)大流量水泵，稱直接排水［6］。它可以分為豎井單水平與多水平排水系統(tǒng)、斜井集中排水系統(tǒng)。這種排水系統(tǒng)的水平層面上的泵房數(shù)量少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，基建投資和運(yùn)行費(fèi)用少，維護(hù)的工作量要減少一半以上，便于管理，且上、下水平的排水設(shè)備互不影響。即1個(gè)水平設(shè)備的失效，并不能導(dǎo)致其他水平設(shè)備的失效。該排水系統(tǒng)類似一套并聯(lián)系統(tǒng)，只有當(dāng)各個(gè)水平上的排水系統(tǒng)失效，整個(gè)排水系統(tǒng)才不具備可用度。直接排水系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 直接排水系統(tǒng)基本原理

假設(shè)各個(gè)水平排水系統(tǒng)從1到M水平的可用度通過(guò)公式(3)求出，那么并聯(lián)系統(tǒng)下整個(gè)排水系統(tǒng)的可用度為

3.2 分段排水系統(tǒng)的可靠性分析

分段排水系統(tǒng)是指將井下的涌水通過(guò)幾段排水設(shè)備轉(zhuǎn)排到地面。即當(dāng)?shù)V井多水平生產(chǎn)時(shí)，如上部水平涌水量大于下部，宜將下部涌水先排至上部水平，再由上部水平轉(zhuǎn)排至地面，稱分段排水。一般適用于礦井較深，且受排水設(shè)備能力所限制的礦井排水。此外，對(duì)于多水平同時(shí)開(kāi)采，為減少井筒內(nèi)管路鋪設(shè)的趟數(shù)，也常采用分段排水系統(tǒng)。采用中繼排水，在井筒中部設(shè)置1套排水系統(tǒng)，可有效降低主排水設(shè)備的揚(yáng)程，從而降低主排水設(shè)備的規(guī)模。缺點(diǎn)是當(dāng)1套排水設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，會(huì)影響整個(gè)礦井的排水效果。分段排水系統(tǒng)從水平底部到頂部相當(dāng)于一套串聯(lián)系統(tǒng)，其基本原理如圖2所示。

圖2 分段排水系統(tǒng)基本原理

假設(shè)各個(gè)水平排水系統(tǒng)從1到M水平的可用度通過(guò)公式(3)求出，那么串聯(lián)系統(tǒng)下整個(gè)排水系統(tǒng)的可用度

3.3 集中排水系統(tǒng)的可靠性分析

集中排水系統(tǒng)是指將礦水集中到水倉(cāng)，然后用排水設(shè)備直接排送至地面［7］。集中排水系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，泵房、水倉(cāng)及管道鋪設(shè)開(kāi)拓量和基建投資小，排水設(shè)備數(shù)量少，易維護(hù)檢修，管理方便等優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)有水泵揚(yáng)程滿足排水高程的情況下，一般采用集中排水系統(tǒng)。集中排水系統(tǒng)也是我國(guó)煤礦通常采用的一種排水系統(tǒng)。就其可靠性而言，類似于直接排水系統(tǒng)，且僅以1臺(tái)設(shè)備作為支撐，不具有可靠性串并聯(lián)系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里不做論述。

值得注意的是:為了提高井下排水系統(tǒng)的可用度，除了對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量、連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究以外，提高水泵自身的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性也是必不可少的。針對(duì)礦用水泵常見(jiàn)的故障，在實(shí)際系統(tǒng)可靠性研究中，需要對(duì)水泵的故障率、維修率進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)判，達(dá)到對(duì)整體排水系統(tǒng)的故障準(zhǔn)確分析和針對(duì)性故障排除。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)將井下排水系統(tǒng)中備用水泵的數(shù)量統(tǒng)籌和可靠性分析發(fā)現(xiàn)，在確定排水系統(tǒng)配置方案時(shí)，為保證系統(tǒng)工作的可靠性，建議采用大容量、少臺(tái)數(shù)的配比方案提高系統(tǒng)設(shè)備的可靠性。

(2)通過(guò)對(duì)井下不同排水系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，若水泵的揚(yáng)程足以直接把水排至地面時(shí)，采用并聯(lián)系統(tǒng)中的集中排水系統(tǒng)，可以大大增加整個(gè)系統(tǒng)的可用度。

［1］ 李 輝，王永建，侯燕杰.礦井排水系統(tǒng)可靠性模型研究及應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程，2006，3(4):53-55.

［2］ 吳革新.提高礦用水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2002(6):85-86.

［3］ 張啟民.可靠性技術(shù)在水泵技術(shù)管理中的應(yīng)用［J］.排灌機(jī)械，1992(2):37-40.

［4］ 姚貴英，薛偉宏.井下排水系統(tǒng)配置方案可靠度分析［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，20(3):58-59.

［5］ 邵正榮.大型泵站系統(tǒng)可靠性分析研究［D］.揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué)，2005.

［6］ 趙寶帥.高壓軟啟動(dòng)器在礦用水泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2012(6):92-94.

［7］ 馬洪舉.某礦用主排水泵排水方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.河南科技，2012(16):74-75.