基于故障樹的煤礦局部通風系統(tǒng)故障分析

楊 軍

(大同煤礦集團安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037003)

0 引言

煤礦生產中由于作業(yè)環(huán)境的影響，需要局部通風系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)提供新鮮風流，帶動空氣流動[1-2]。而局部通風系統(tǒng)有供電、機械等系統(tǒng)構成，整個系統(tǒng)呈串聯(lián)布置[3]，各子單元的故障都會在最后導致整個系統(tǒng)的失效，所以為了確保礦井正常生產秩序，需要確保整個局部通風系統(tǒng)各子單元都能正常運轉。為此，通過故障樹分析對導致局部通風系統(tǒng)故障的原因進行分析，建立故障樹分析模型，為礦井故障診斷工作提供一定的理論指導作用。

1 礦井通風系統(tǒng)構成及故障特性

1.1 局部通風系統(tǒng)構成

礦井局部通風系統(tǒng)為井下作業(yè)面中的人員和設備提供新鮮空氣，并能導出作業(yè)環(huán)境中有害氣體及粉塵，確保良好的作業(yè)環(huán)境。因此為了驅動礦井通風系統(tǒng)，需要有高壓供電部分、低壓供電部分、通風設備運轉部分這3大部分組成，具體有井下移動變電站、移動配電裝置、移動變壓裝置、繼電器、饋電開關、局部通風機、風筒、通風構筑物等構成。局部通風系統(tǒng)中通風機通常為軸流式風機，為確保設備能夠在井下存在瓦斯、粉塵的惡劣環(huán)境中安全運轉，井下各類設備應滿足井下防爆、耐爆等特性。圖1為礦井局部通風系統(tǒng)示意圖。

圖1 礦井局部通風系統(tǒng)示意圖

1.2 局部通風系統(tǒng)故障特性

復雜性：礦井通風系統(tǒng)是由眾多設備、模塊及構筑物組合而成，整個串聯(lián)整體上存在各類不同部分，同時相應系統(tǒng)可能出現故障類別也呈現多樣性、復雜性及不確定性。

關聯(lián)性：局部通風系統(tǒng)整體中各部分呈現出一個串聯(lián)關系，風路中有進風、回風順序以及風機、通風構筑物，同時各級控制、運轉單元間相互關聯(lián)。單一故障不會獨立存在，該故障一定會進一步引發(fā)其他關聯(lián)設備故障。

非瞬態(tài)性：系統(tǒng)中故障剛開始相對單一，或是以隱患的形式存在，對設備和系統(tǒng)的運轉不造成直接影響。故障多數不是瞬間發(fā)生，具有潛伏性，是隱患積累到一定程度的產物。如系統(tǒng)中電機運轉過程中出現單相斷電，往往會先引發(fā)設備異常發(fā)熱，當發(fā)熱積累到一定程度才會進一步導致電機損壞。

2 局部通風系統(tǒng)故障分析

局部通風系統(tǒng)故障大體分為高壓供電系統(tǒng)故障、低壓供電系統(tǒng)故障、機械系統(tǒng)故障、其他類故障4種[4]。

2.1 高壓供電系統(tǒng)故障及分析

礦井局部通風系統(tǒng)中的高壓供電元件有：高壓線纜、高壓開關、移動變壓器及其他電路元件。各元配件應滿足井下阻燃、阻爆和防爆要求，同時監(jiān)視線、屏蔽線為專用線纜與高壓供電線纜配合使用，高壓開關通常放置在專用的開關柜、配電柜中，該配電裝置安裝應由特殊程序組成：隔離開關、斷路器、熔斷器、互感器、繼電器、閉鎖裝置、信號指示、電壓電流儀表等組成。而移動變壓器為礦用變壓器、整流變壓器兩種。高壓供電系統(tǒng)常見故障見表1。

表1 高壓供電系統(tǒng)常見故障

2.2 低壓供電系統(tǒng)故障及分析

礦井局部通風系統(tǒng)中的低壓供電元件有：低壓線纜、電壓饋電開關、低壓磁力控制開關、漏電保護裝置、撿漏繼電器等。常見故障類型有電纜故障、低壓饋電裝置故障、低壓變電裝置異響、變壓器異常高溫和二次電壓不穩(wěn)定等。詳細故障及分析見表2。

表2 低壓供電系統(tǒng)常見故障

2.3 機械系統(tǒng)故障及分析

礦井局部通風系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)為風機、風筒及其他設備，通常局部通風所采用的風機多為軸流式局部通風機[5]，機械系統(tǒng)故障多數為風機故障和風筒故障，如風機非正常振動、風壓過高或過低、風量減小、風機噪音或出現異常振幅、風機葉輪損壞等。詳細故障及分析見表3。

2.4 其他故障

礦井局部通風系統(tǒng)其他故障通常是由外部因素造成非正常停車，如：全礦井停風、運輸故障、人為誤操作等。

3 故障樹模型的建立與分析

3.1 局部通風系統(tǒng)故障樹的建立

根據上述煤礦常見局部通風系統(tǒng)故障及原因的分析，通過FTA故障樹分析方法，建立礦井局部通風系統(tǒng)故障樹，將故障樹分為高壓供電系統(tǒng)故障、低壓供電系統(tǒng)故障、機械系統(tǒng)故障、其他類故障4種故障類型，并根據具體故障類別將該故障樹模型通過層次結構展開，結構圖如圖2所示。

圖2 礦井局部通風系統(tǒng)故障樹

表3 機械系統(tǒng)常見故障

3.2 局部通風系統(tǒng)故障樹分析

對圖2所示煤礦局部通風系統(tǒng)故障樹進行定性分析，求該故障樹的最小割集，以此判斷相關底事件對于頂事件的影響。通過簡單的布爾運算可以求得系統(tǒng)最小割集。從圖中邏輯關系分析，最小割集的計算方法如下

T=(A1+A2+A3+A4)

=x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8+x9+x10+x11+x12+x13+x14+x15+x16+x17+x18

(1)

從上式計算結果可以看出，煤礦局部通風故障的故障樹最小割集共有18個，分別為K1={x1}，K2={x2}，K3={x3}，K4={x4}，K5={x5}，K6={x6}，……K17={x17}，K18={x18}，也就是說只要這些割集中的事件發(fā)生，就會導致通風系統(tǒng)故障的發(fā)生。18個最小割集就代表導致通風系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性有18種，這一概率比較大，因此，局部通風系統(tǒng)可靠性較低。

從定量分析角度看，該故障樹頂事件發(fā)生概率計算結果為

式中：pi—各個底事件發(fā)生的概率；n—底事件個數。

即：P= 1-(1-p1)(1-p2)…(1-p18)

(2)

當通過對局部通風系統(tǒng)故障進行統(tǒng)計分析后，可以得出各個事件的發(fā)生概率，從而可以求得頂事件發(fā)生概率，得出系統(tǒng)的定量計算結果。

4 通風安全技術措施

根據上述局部通風系統(tǒng)故障樹的分析，制定了部分針對性安全技術措施。首先加強系統(tǒng)集中監(jiān)控，通過集中監(jiān)控系統(tǒng)實時得到井下通風和通風系統(tǒng)中各設備、構筑物狀況，及時發(fā)現問題。再次，加強人員巡查和提高人員操作水平，局部通風系統(tǒng)各類操作應由受到培訓的專業(yè)人員進行，確保設備巡查制度，及時發(fā)現集中控制系統(tǒng)中無法反饋的設備狀況。最后，及時根據巡查情況對發(fā)現設備隱患進行處置，對故障葉片和電機及時更換和維修，及時補充和更換潤滑油，及時緊固松動緊固件和螺絲等。綜合確保礦井工作面的通風能力和環(huán)境穩(wěn)定性。

5 結語

在研究礦井局部通風系統(tǒng)結構的基礎上，分析系統(tǒng)中高壓供電、低壓供電、機械和其他故障類型和故障原因，并通過故障樹分析法建立礦井局部通風系統(tǒng)故障樹分析模型進行輔助分析，并根據分析結果給出部分針對性安全技術措施，為礦井局部通風系統(tǒng)故障的診斷、分析排查提供一定的理論幫助。