基于人機(jī)工程的礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度數(shù)學(xué)模型

賈進(jìn)章，[越南]丁德光(DINH DUC QUANG)

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000)

0 引言

長(zhǎng)期以來，可靠性研究對(duì)象被局限在“機(jī)”，事實(shí)上很多事故是由人的差錯(cuò)造成的。1979年3月28日發(fā)生的美國(guó)三哩島核電站放射性物質(zhì)泄漏事件和1986年4月26日發(fā)生的原蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故，主要是人的因素造成的[1]。人機(jī)系統(tǒng)的安全可靠性取決于機(jī)器設(shè)備本身的可靠性，又取決于操作者的可靠性[2]。本文從人機(jī)工程的角度，研究由人和礦井通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)的可靠度的數(shù)學(xué)模型。

1 人的可靠度數(shù)學(xué)模型

本文采用人的失誤分析技術(shù)(A Technique for Human Error Analysis——ANTHEANA)定量確定人的可靠度。人的失誤分析技術(shù)是一種基于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的改進(jìn)的人的可靠性分析(HRA)方法[3-5]。

人誤時(shí)間(HFE)的概率為：

(1)

式中，pij(s)——由于第j種失誤-迫使情景EFCj引發(fā)不安全動(dòng)作i的概率。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度數(shù)學(xué)模型

2.1 礦井通風(fēng)的任務(wù)

礦井通風(fēng)的任務(wù)體現(xiàn)在以下幾方面：

1) 在生產(chǎn)時(shí)期利用通風(fēng)動(dòng)力，以最經(jīng)濟(jì)的方式，向井下各用風(fēng)地點(diǎn)供給保質(zhì)保量的新鮮風(fēng)流；

2) 保證作業(yè)空間有良好的氣候條件；

3) 沖淡或稀釋有毒有害氣體和礦塵；

4) 在發(fā)生災(zāi)變時(shí)，能有效、及時(shí)地控制風(fēng)向及風(fēng)量，并與其它措施結(jié)合，防止災(zāi)害的擴(kuò)大，進(jìn)而消滅事故。

2.2 風(fēng)路可靠度

根據(jù)2.1，從通風(fēng)的角度考慮，風(fēng)路的可靠度可定義如下：在某一穩(wěn)定狀態(tài)S(t)下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)第i條風(fēng)路的風(fēng)量值qi能夠保持在一個(gè)合理區(qū)間范圍之內(nèi)即qi1≤qi≤qi2且風(fēng)流的質(zhì)量滿足《煤礦安全規(guī)程》[6]要求的概率，稱為這一風(fēng)路的可靠度。記為Ri。其中qi1、qi2的值和風(fēng)流質(zhì)量相關(guān)參數(shù)由約束條件A來確定。稱第i條風(fēng)路風(fēng)量qi在任意時(shí)刻t保持在合理范圍[qi1,qi2]之內(nèi)且風(fēng)流的質(zhì)量滿足《煤礦安全規(guī)程》要求的概率P{qi1≤qi≤qi2}為該風(fēng)路的可靠度。記為Ri(t)。

約束條件就是風(fēng)路風(fēng)流發(fā)生失效的邊界條件，約束條件完全按照《煤礦安全規(guī)程》[6]來確定。只要風(fēng)流的數(shù)量和質(zhì)量符合規(guī)程的規(guī)定，那么從通風(fēng)的角度講該風(fēng)路就是可靠的。具體說，包括以下四方面：

1) 風(fēng)速

2) 有毒有害氣體濃度(一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氫、氨)

3) 溫度

4) 煤塵、粉塵濃度

這四方面只要有一方面不滿足《煤礦安全規(guī)程》[6]規(guī)定，風(fēng)路就會(huì)失效；這四方面同時(shí)滿足《煤礦安全規(guī)程》[6]規(guī)定，風(fēng)路才是可靠度。

根據(jù)上述分析，i風(fēng)路可靠度Ri可表述為：

(2)

式中，qi——i風(fēng)路的風(fēng)量，m3/s；

qi1——i風(fēng)路所需最低風(fēng)量，m3/s；

qi2——i風(fēng)路所允許通過的最大風(fēng)量，m3/s；

nC——可能的有毒有害氣體種類，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[6]，有毒有害氣體包括：一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氫和氨，所以nC=5；

Ti——i風(fēng)路的溫度，℃；

Ti1——i風(fēng)路允許的最低溫度，℃；

Ti2——i風(fēng)路的最高允許溫度，℃；

文獻(xiàn)[7,8]通過統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為風(fēng)路中的風(fēng)量、有毒有害氣體濃度、溫度、粉塵(煤塵)濃度均服從正態(tài)分布，即

Pr{qi1≤qi≤qi2}

(3)

(4)

Pr{Ti1≤Ti≤Ti2}

(5)

(6)

式中，f(qi)、f(Ci)、f(Ti)、f(Di)——風(fēng)量qi、有毒有害氣體濃度Ci、溫度Ti、粉塵濃度Di的分布函數(shù)。

σi——第i條風(fēng)路在t時(shí)刻風(fēng)量(有毒有害氣體濃度、溫度、粉塵濃度)分布的方差的二次方根；

μi——i條風(fēng)路在t時(shí)刻風(fēng)量(有毒有害氣體濃度、溫度、粉塵濃度)分布的均值。

qi1(t)、qi2(t)——第i條風(fēng)路在t時(shí)刻允許風(fēng)量的下限和上限，m3/s；

q(i，t)——第i條風(fēng)路在t時(shí)刻的風(fēng)量值，m3/s。

C(i，k，t)——第i條風(fēng)路內(nèi)第k類有毒有害氣體在時(shí)刻的濃度值，%。

Ti，t——第i條風(fēng)路在t時(shí)刻的溫度值，K。

D(i，k，t)——第i條風(fēng)路內(nèi)第k類粉塵(煤塵)在時(shí)刻的濃度值，mg/m3。

故基于(2)式，i風(fēng)路在t時(shí)刻可靠度可寫為：

(7)

式中，R(i,t)——i風(fēng)路在t時(shí)刻可靠度。

2.3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度計(jì)算模型

在確定各風(fēng)路的可靠度以后，根據(jù)各風(fēng)路的可靠度計(jì)算出通風(fēng)系統(tǒng)的可靠度。通風(fēng)系統(tǒng)是由各條風(fēng)路組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可采用一般網(wǎng)絡(luò)可靠度的計(jì)算方法來確定通風(fēng)系統(tǒng)的可靠度。通風(fēng)系統(tǒng)在t時(shí)刻的可靠度用(8)式計(jì)算[9,10]。

(8)

式中，Pi——通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的第i條通路；

w——通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立通路數(shù)，w=n-m+2，n為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的分支數(shù)，m為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)；

R(L,t)——第L條風(fēng)路在t時(shí)刻的可靠度。

3 人—礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度數(shù)學(xué)模型

人-礦井通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)在功能結(jié)構(gòu)上為串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度為

RS=RH·RV

(9)

式中，RS——人機(jī)系統(tǒng)可靠度；

RH——人的操作可靠度；

RV——礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度。

4 結(jié)論

1) 利用人的失誤分析技術(shù)(ANTHEANA)定量確定了人的可靠度。

2) 從風(fēng)量、有毒有害氣體濃度、溫度、粉塵(煤塵)濃度四個(gè)方面考慮，確定了礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度數(shù)學(xué)模型。

3) 提出了人—礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠度數(shù)學(xué)模型。

[1] 謝慶森，王秉權(quán)．安全人機(jī)工程[M]．天津大學(xué)出版社，2006.2．

[2] 張力，廖可兵．安全人機(jī)工程學(xué)．中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2010，(12)．

[3] 張力，許康．人因可靠性分析的新方法——ATHEANA:原理與應(yīng)用[J]．工業(yè)工程與管理，2002，(5)：14-19．

[4] 李鵬程，陳國(guó)華，張力，戴立操．人因可靠性分析技術(shù)的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J]．原子能科學(xué)技術(shù)．2011，45(3)：329-339．

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[6] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局．煤礦安全規(guī)程[M]．煤炭工業(yè)出版社，2013.

[7] 賈進(jìn)章．礦井火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)可靠性研究[D]．阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)．2004.

[8] 賈進(jìn)章．礦井火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)可靠性[M]．煤炭工業(yè)出版社．2005.

[9] 賈進(jìn)章．礦井火災(zāi)時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性數(shù)值分析[J]．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2008，17(2)：99-102．

[10] 劉劍，賈進(jìn)章，鄭丹．流體網(wǎng)絡(luò)理論[M]．煤炭工業(yè)出版社．2002．