基于FMEA的掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

靳燕飛

（同煤集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037000）

礦井生產(chǎn)過(guò)程中需要足夠的新鮮風(fēng)流供作業(yè)人員呼吸和改善作業(yè)環(huán)境[1]。煤礦通風(fēng)系統(tǒng)包括全礦井通風(fēng)系統(tǒng)和局部通風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)主要通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)配合確保井下采掘工作面風(fēng)流的供給[2-4]，局部通風(fēng)機(jī)可以對(duì)風(fēng)流進(jìn)行局部控制滿足生產(chǎn)需要。 局部通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成包括機(jī)械部分和電力部分，每一部分環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可能造成非計(jì)劃停機(jī)、停風(fēng)[3-4]。因此，為了使井下風(fēng)流供給正常，必須保證所有環(huán)節(jié)都處于良好的工作狀態(tài)。 但鑒于通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備多、負(fù)荷大、管理復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的方法很難快速準(zhǔn)確的對(duì)系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控。 本次研究將對(duì)忻州窯煤礦局部通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的誘因展開(kāi)分析，并利用FMEA 法對(duì)各危險(xiǎn)有害因素的風(fēng)險(xiǎn)性大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為礦井局部通風(fēng)系統(tǒng)管理提供理論指導(dǎo)。

1 局部通風(fēng)系統(tǒng)的組成和故障特征

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)的組成

局部通風(fēng)在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，不僅能夠?yàn)榫伦鳂I(yè)人員及設(shè)備提供新鮮風(fēng)流，而且能夠排除作業(yè)場(chǎng)所中的有害物質(zhì)， 改善工作環(huán)境。局部通風(fēng)系統(tǒng)組件包括高低壓電力設(shè)備與機(jī)械設(shè)備，主要為：變電站、變壓器、配電器、各類(lèi)開(kāi)關(guān)、繼電器、局扇、風(fēng)門(mén)、風(fēng)筒、風(fēng)窗等。 局部通風(fēng)系統(tǒng)常使用軸流式通風(fēng)機(jī)， 通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，因此須采用本質(zhì)安全型防爆設(shè)備。

1.2 故障特征

首先是復(fù)雜性，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多、工作負(fù)荷大、環(huán)節(jié)多，需要各個(gè)子系統(tǒng)之間相互配合，而其繁瑣的運(yùn)行流程及復(fù)雜的工作環(huán)境，都將對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生巨大的考驗(yàn)，所以設(shè)備隱患的發(fā)現(xiàn)與處理都是復(fù)雜系統(tǒng)工程的一部分；其次是故障具有關(guān)聯(lián)性， 通風(fēng)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都是整體的有機(jī)結(jié)合，某個(gè)前置環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題必然導(dǎo)致后續(xù)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障的幾率增加， 例如電氣故障會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻繁啟停，風(fēng)機(jī)的頻繁啟停會(huì)加劇傳動(dòng)部件的磨損，同時(shí)使風(fēng)筒受到強(qiáng)大的沖擊導(dǎo)致破損或漏風(fēng)等；最后是通風(fēng)系統(tǒng)故障的持續(xù)性，通風(fēng)系統(tǒng)中除了外力破壞外，往往先出現(xiàn)故障隱患，不會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)破壞性停機(jī)， 而是需要相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)隱患積累一定程度后才會(huì)出現(xiàn)故障，例如風(fēng)機(jī)受到磨損后在微觀上出現(xiàn)不均衡旋轉(zhuǎn)， 導(dǎo)致應(yīng)力不平衡，使相關(guān)傳動(dòng)件出現(xiàn)扭曲變形，如果不加以處理，當(dāng)磨損到一定程度后會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，這加劇了金屬疲勞，最終使部件產(chǎn)生裂縫，直至出現(xiàn)斷裂等。

2 故障綜述

綜上而言，通風(fēng)系統(tǒng)主要故障可歸類(lèi)為電力故障和機(jī)械故障，而電力故障又可以細(xì)分為高壓和低壓電力故障。

2.1 高壓電力故障

高壓電力設(shè)備主要包括：移動(dòng)變壓器、高壓電纜、高壓開(kāi)關(guān)和其它電路元件。 高壓電力設(shè)備要求具有阻燃和防爆性能，監(jiān)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(kāi)關(guān)要設(shè)置于安全封閉的空間內(nèi)，其主要由以下部件組成：高壓斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、高壓熔斷器、高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)以及必要的繼電器、閉鎖和相關(guān)的儀器儀表、信號(hào)顯示設(shè)備等，以上主要設(shè)備有多重類(lèi)型，結(jié)構(gòu)和原理各不相同，出現(xiàn)故障的原因和形式也多種多樣。

在局部通風(fēng)系統(tǒng)常見(jiàn)的高壓電力設(shè)備故障中（見(jiàn)圖1），變壓器故障原因主要為油溫過(guò)高、油位異常、漏電、緊固件松動(dòng)、接地不良、過(guò)電壓、漏油和套管故障等；高壓電纜主要故障原因包括劣質(zhì)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(kāi)關(guān)不能合閘的原因包括異常高溫、設(shè)備損壞和機(jī)械故障等；斷路器出現(xiàn)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(xiàn)故障原因包括油面過(guò)高或過(guò)低、油質(zhì)不潔、遮斷容量小和操作不當(dāng)?shù)取?/p>

圖1 高壓電力故障分類(lèi)

2.2 低壓電力故障

低壓電力設(shè)備主要包括：電纜、饋電開(kāi)關(guān)、變壓器、保護(hù)器、低壓開(kāi)關(guān)和繼電器等。 主要故障包括電纜故障、變電器異響或高溫、開(kāi)關(guān)故障及電壓異常等。

低壓電力故障中（見(jiàn)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(shè)備出現(xiàn)故障原因包括連桿變形、脫扣器損壞、銜鐵變形、漏電、信號(hào)缺失等；引起變電器異響原因?yàn)槁╇?、緊固件松動(dòng)、接地不良、過(guò)電壓和絕緣故障等；引起變壓器溫度過(guò)高原因包括油溫過(guò)高、油位異常、漏電、緊固件松動(dòng)、接地不良、過(guò)電壓、漏油或變質(zhì)和套管故障等。

圖2 低壓電力故障分類(lèi)

2.3 機(jī)械故障

機(jī)械系統(tǒng)主要包括供風(fēng)裝置、調(diào)風(fēng)裝置和配風(fēng)裝置等，其中局扇、風(fēng)門(mén)和風(fēng)筒等出現(xiàn)故障的概率比較大。

常見(jiàn)故障中（見(jiàn)圖3），引起成風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)原因包括傳動(dòng)件彎曲、機(jī)械部件碰撞、金屬疲勞變形、松動(dòng)等；引起風(fēng)壓高或風(fēng)量小的原因包括風(fēng)流摩擦力增大、通風(fēng)阻力增大、通風(fēng)不暢等；引起風(fēng)壓低的原因包括功率下降、漏風(fēng)、機(jī)械間摩擦力大等；引起噪音的原因包括機(jī)械摩擦增大、碰撞、緊固松動(dòng)、油溫高或變質(zhì)等；引起葉輪損壞的原因包括金屬疲勞變形、裝配不到位、機(jī)械部件損壞、摩擦力增大等。

圖3 機(jī)械故障分類(lèi)

3 FMEA 法簡(jiǎn)介

FMEA的全稱為 Failure Mode and Effects Analysis，是一種自下而上的系統(tǒng)識(shí)別方法，屬于“事前的預(yù)防措施”。 該方法能夠?qū)收嫌绊懗潭冗M(jìn)行分析，其識(shí)別對(duì)象可以是某項(xiàng)功能或一個(gè)項(xiàng)目甚至一個(gè)系統(tǒng)，主要是分析復(fù)雜狀態(tài)下某系統(tǒng)故障的主要致因以及每項(xiàng)故障因素的權(quán)重，是一種可觀的分析方法，該法具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 根據(jù)其分析結(jié)果可以對(duì)隱患和故障進(jìn)行分級(jí)處理，提高故障識(shí)別和處理效率。

其風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算見(jiàn)式（1）：

式中：RPN 為風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)， 風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大于100 時(shí)需要特別關(guān)注；S 為故障嚴(yán)重程度，一般將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)，量化值分別為5、4、3；O 為發(fā)生可能性，按發(fā)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(píng)價(jià)法的應(yīng)用

同煤集團(tuán)忻州窯礦核定生產(chǎn)能力2.30 Mt/a，礦井采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。 該礦采用兩翼對(duì)角式通風(fēng)方式，主井和副井為進(jìn)風(fēng)井，井田兩翼為回風(fēng)井，礦井通風(fēng)系統(tǒng)完善，風(fēng)量充足，以風(fēng)定產(chǎn)。 所有采區(qū)和工作面均有獨(dú)立的回風(fēng)上（下）山和專用回風(fēng)巷，各采區(qū)、各工作面通風(fēng)系統(tǒng)互不影響，相對(duì)獨(dú)立。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)故障FMEA 評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)歷年來(lái)通風(fēng)系統(tǒng)故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)主要故障的嚴(yán)重程度（S）、發(fā)生可能性（O）和發(fā)現(xiàn)困難程度（D）進(jìn)行賦值，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（RPN）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，基于此對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)故障因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)如下：

1）變壓器、高壓電纜、風(fēng)量過(guò)低和葉輪損毀的故障嚴(yán)重程度為Ⅰ類(lèi)；噪音異常、低壓饋電開(kāi)關(guān)故障、低壓變電器異響發(fā)生可能性最高；風(fēng)量過(guò)低和風(fēng)壓過(guò)低的發(fā)現(xiàn)困難程度為極難。 在日常安全管理過(guò)程中須對(duì)上述故障采取針對(duì)性的管控措施。

2）由表1 可知，在15 種通風(fēng)系統(tǒng)故障類(lèi)型中共有9 項(xiàng)故障的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大于100， 特別是變壓器低壓饋電開(kāi)關(guān)和葉輪損毀等故障風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，需要提高關(guān)注程度。 通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析，這些故障大多易于發(fā)現(xiàn)且處理簡(jiǎn)單，通過(guò)加強(qiáng)保養(yǎng)和維護(hù)即可得到有效的管控。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)FMEA 法對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)故障嚴(yán)重程度、出現(xiàn)概率、發(fā)現(xiàn)難度進(jìn)行賦值并計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值，其中變壓器、高壓電纜、風(fēng)量過(guò)低和葉輪損毀的故障嚴(yán)重程度為Ⅰ類(lèi)；噪音異常、低壓饋電開(kāi)關(guān)故障、低壓變電器異響發(fā)生可能性最高；風(fēng)量過(guò)低和風(fēng)壓過(guò)低的發(fā)現(xiàn)困難程度為極難； 在15 種通風(fēng)系統(tǒng)故障類(lèi)型中共有9 項(xiàng)故障的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大于100， 特別是變壓器、低壓饋電開(kāi)關(guān)和葉輪損毀等故障風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，需要提高關(guān)注程度。