（安全技术及工程专业论文）矿井通风系统可靠性分析方法研究.pdf

s u b j e c t：s t u d yo nt h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o do fm i n ev e n t i l a t i o n s y s t e m s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e：l iy a n j h a i n s t r u c t o r ：z h a n gj i a n r a n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) m i n ev e n t i l a t i o ni sa l li m p o r t a n tp a r ti np r o d u c i n gp r o c e s s t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mi s c o m p o s e db ym a n yc o m p l e xv a r i a b l e s ，a n d i t s o p e r a t i n gc o n d i t i o ni si m p o r t a n ti n g u a r a n t e e i n gt h es a f ep r o d u c t i o ni nt h em i n e w i t ht h ei n c r e a s i n go fd e p t ha n dt h ee x p a n d i n g s c a l eo fm i n e ，i tw o u l db em o r ec o m p l e xf o rv e n t i l a t i o ns y s t e m t h er e l i a b i l i t yw o u l db e k n o c k e d d o w ne v e nt h ea i r f l o ww o u l dg e tc o n f u s i n g s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h e r e l i a b i l i t yo fv e n t i l a t i o ns y s t e m b ya n a l y z i n gi t sr e l i a b i l i t y , t h ep o s s i b l ef a i l u r ea n dt h e p o t e n t i a lc a u s e so fa c c i d e n t si nv e n t i l a t i o np r o c e s sc a nb ef o u n d ，w h i c ha r et h eb a s i c i n f o r m a t i o nf o rd e s i g n i n ga n ds u p e r v i s i n gt h em i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，a n di ti sr a t i o n a lt os e t t h ei n d e x e si ne v a l u a t i n gt h er e l i a b i l i t yo fp a r to rt h ew h o l es y s t e m ，a n da tl a s tt oe f f e c t i v e l y p r e v e ma n dr e d u c ea c c i d e n t sf o rv e n t i l a t i o ns y s t e m b a s e do ni t ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi nt h ep a p e r , i tw i l lb e d i v i d e di n t ot w op a r t s ，t h ev e n t i l a t i o nn e ts y s t e ma n dt h ev e n t i l a t i o nm i n e m a i nf a ns y s t e m i n t h es t u d y i n gp r o g r a m ，t h er e l i a b i l i t ym o d e la b o u ts i n g l ea i r w a yi ss e tu pb ys t a t i s t i c st h e o r y f i r s to fa l l ，a n dt h et h e o r e t i c a lc o m p u t i n gm o d e lf o rr e l i a b i l i t yi sp u tf o r w a r db yu s i n gn e t w o r k f l o wt h e o r y t h r o u g ha n a l y z i n gt h es e n s i t i v i t yo fe a c hb r a n c hi nt h en e t w o r k , t h ea f f e c t i n g e x t e n to ft h er e l i a b i l i t yo fv e n t i l a t i o nn e t w o r kc a nb eg o t a sf o rt h em p m r a b l ep r o p e r t yo f v e n t i l a t i o nd y n a m i cs y s t e m ，t h er e l i a b i l i t ya n a l y z i n gm o d e li ss e tu pb yu s i n gt h em a r k o v p r o c e s st h e o r y a c c o r d i n gt os i m u l a t et h ea c to na f f e c t i n gf a c t o r sw i t ht h em o d e l ，i tc a l lh e l p t om a k es a f et e c h n i q u e st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fd y n a m i cs y s t e m t h es t u d yi nt h i sp a p e ri sc o m p o s e dw i t ht h ea p p l i c a t i o no fm i n ev e n t i l a t i o ns a f e t y t e c h n o l o g y ，r e l i a b i l i t yt h e o r ya n dn e t w o r kf l o wt h e o r ya n ds oo n i ts e r v e sa sa l li m p o r t a n t g u i d i n gr o l ea n dh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o rf u r t h e rs t u d y i n go nt h er e l i a b i l i t yo ft h em i n e v e n t i l a t o rs y s t e mi nf u t u r e k e y w o r d s ：m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mv e n t i l a t i o nn e t w o r km a i nv e n t i l a t o r r e l i a b i l i t y t h e s i s 妻拜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名橄日期：加步石。尹 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名搿镡 指导教师签名j 荡1 乏_ 0 2 一彦年6 月j ，日 l 绪论 1 1 引言 l 绪论 2 0 0 6 年中国能源消费总计2 4 5 6 6 9 亿t e e ，其中煤炭占6 9 3 ，增长了8 7 ，约占 当年全球煤炭新增消费量的7 0 以上n 、2 1 。由此可见煤炭仍然是我国最重要的能源和燃 料，也是目前我国国民经济和社会发展的基础，并在相当长的时期内仍将是我国的主要 能源。 煤炭的安全生产和科学利用在我国具有现实的和战略性的重要意义，然而煤炭开采 却是我国工业灾害最严重的行业1 ，安全生产形势相当严峻。据国家安全生产监管局调度 统计，2 0 0 3 年全国煤矿百万吨死亡率为4 1 7 0 。其中，国有重点煤矿为1 0 8 0 ，国有地方 煤矿为3 1 3 0 ，乡镇煤矿为9 6 2 0 。2 0 0 4 年煤矿企业死亡人数6 0 2 7 人，一次死亡3 0 人以上 的特别重大事故7 起，死亡人数4 8 7 人，比上年多1 2 7 人，上升3 5 3 。且2 0 0 3 年和2 0 0 4 年我国煤矿事故死亡人数分别占世界煤矿事故死亡人数的8 0 。4 和8 0 。2 0 0 5 年，全国 共发生煤矿事故近3 0 0 0 起，死亡人数5 4 9 1 人。2 0 0 6 年，煤矿事故死亡4 7 4 6 人，百万吨死 亡率为2 0 4 1 ，其中发生瓦斯事故3 2 7 起，死亡1 3 1 9 人。2 0 0 7 年，全国煤矿事故死亡人数 降至3 7 8 6 人，百万吨死亡率为1 4 8 5 h 1 。煤矿安全生产形势严峻性还表现为职业危害严重。 据卫生部通报，截至2 0 0 5 年全国累计检出尘肺患者4 4 万人，还有未经确诊的可疑患者6 0 多万人，其中煤炭行业从业者占4 6 以上。2 0 0 5 年全国各类职业病发病1 2 2 1 2 例，其中 尘肺病占7 5 陆1 。同时，近年来煤矿瓦斯爆炸等重特大事故时有发生，也使得煤矿安全 成为社会关注的焦点。 矿井通风是煤矿生产过程中的一个重要环节。生产时期通风系统的主要功能是利用 通风动力，以最经济的方式，向井下各用风地点供给质优量足的新鲜空气，保证工作人 员的呼吸，稀释并排放出瓦斯、粉尘等各种有毒有害的物质，降低作业地点的环境温度， 给井下工人创造良好的工作环境；在发生灾变时，能有效、及时地控制风向及风量，并 与其他措施相结合，防止灾害的扩大，进而消灭事故，减少人员伤亡和财产损失眠刀。 从剖析国内近几年来煤矿各次重大灾害事故发生及扩大的原因和影响因素来看，无不与 矿井通风系统有着密切的关系。因此，建立一个能满足日常生产需风，保证风向稳定、 风质合格，并且灾害时期又能保持通风动力设备运行可靠、稳定、能快速实现救灾决策 的通风系统是至关重要的嘲。 1 2 研究目的与意义 矿井通风系统( m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m - m v s ) 是由通风网络( 包括通风网络中各条巷 l 西安科技大学硕士学位论文 道及其风流、通风构筑物和各类用风场所) 、通风动力及其附属装置、风流监测与控制 设施等若干子系统及其单元组成的大型复杂关联系统( l a r g ec o m p l e xc o r r e l a t i v e s y s t e m - l c c s ) 。它反映了以各种技术手段输送、调度空气在井下流动，维护矿井正常生 产和劳动安全的动态过程。其复杂关联的属性具体表现为系统的多环节性、非线性、时 变性和可维修性以及系统各影响因素之间的强耦合性。因此，容易随机产生大量影响煤 矿井下正常通风及安全生产的随机故障或事故隐患。 随着煤矿开采深度的不断增加，开采规模的不断扩大，矿井通风系统相应地会越来 越复杂，可靠性将降低，主要表现为：有些煤矿盲目增加采掘面，存在超通风能力生产 现象；通风网络结构复杂，形成许多角联的子系统，同时不合理串联通风、扩散通风、 老塘通风等通风方式的存在，造成风流不稳定，增加了技术管理难度；生产布置过分集 中，造成有的区域风量过剩，有的区域风量不足；矿井通风阻力过大，造成通风系统的 通风能力不足，部分矿井仍然使用老、旧、杂的风机，附属装置通风阻力大，造成通风 机效率低；漏风率大，使矿井有效风量降低。矿井通风系统是煤矿生产的重要组成部分， 安全可靠的矿井通风系统能有效提高矿井的防灾抗灾能力。因此，衡量矿井通风系统安 全可靠程度越来越重要。 通风系统可靠性可定义为向井下提供质量合格的、连续的、稳定的通风环境的能力。 所谓质量合格，就是指通风系统鉴定指标( 风量合格率、风质合格率、有效风量率) 必须 保持在煤矿安全规程规定的范围内。通风系统可靠性工程从各个方面、各个环节研 究系统的故障现象，提出定量评定指标和提高可靠性的措施。可靠性是衡量矿井通风系 统优劣的三个重要指标( 合理性、稳定性和可靠性) 之一。矿井通风系统可靠度的高低 对矿井生产和安全管理有着直接的影响。通过对通风系统可靠性的研究，及时发现系统 正常运转过程中可能出现的故障和事故隐患，给矿井通风系统的设计和管理提供科学依 据，为通风系统整体或单元性能的评价找到更加全面而合理的指标，是防止和减少矿井 通风系统事故发生，保障其合理、经济、高效运转的关键；也是优化通风设计、促进安 全生产的一项重要任务。 概括起来，研究通风系统可靠性有以下重要意义： ( 1 ) 通过提高通风系统可靠性来进一步提高矿山企业生产过程的可靠性； ( 2 ) 通过对通风系统可靠性的研究，有效改善井下工人的劳动作业环境，杜绝矿 山灾害事故的发生； ( 3 ) 通过应用可靠性技术，提高企业的经济效益。 国内外自2 0 世纪8 0 年代开展这方面的研究工作以来，已做了一些有益的探索，并 取得初步成果，但由于问题本身的复杂性，还有很多问题未能解决。 本论文针对矿井通风系统可靠性的研究是在前人研究的基础之上，进一步探索矿井 通风系统可靠性分析方法及解决通风问题的方案。对提高矿井通风系统的安全可靠性和 2 1 绪论 抗灾能力有很重要的意义。 1 3 可靠性研究现状 1 3 1 国内外可靠性研究现状 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 陋埔1 是指一个元件、设备或系统在预定时间内，在规定的条件下 完成规定功能的能力。反映可靠性优劣的重要量化指标是可靠度( r e l i a b i l i t y ) ，它表示元 件或系统可靠工作的概率一即元件或系统在规定条件和规定时间t 内完成预定功能的概 率，记为r ( t ) 。它与规定的条件和时间密切相关，规定条件是指元件或系统工作时所处 的环境，规定的时间是指元件或系统在其有效寿命期内的任何时间，其可靠度不低于规 定值，可靠度函数是随时间递减的。 可靠性是一门新兴的工程学科，最初是应用于工业产品的质量控制中。它的概念的 提出，可以追溯到1 9 3 9 年。当时美国航空委员会提出飞机事故率的概念和要求，这是 最早的可靠性指标。最早提出可靠性理论的是德国的科学技术人员，1 9 4 4 年纳粹德国试 射v 一1 火箭袭击伦敦，有8 0 枚火箭还没起飞就在发射台上爆炸。经过研究，人们提出 火箭可靠度是所有元器件可靠度乘积的结论，即把小样本问题转化为大样本问题进行研 究。这是最早的系统可靠性概念。到2 0 世纪5 0 年代，美国为了发展军事的需要，投入 了大量的人力和物力对可靠性进行研究，先后成立了“电子设备可靠性专门委员会”和 “电子设备可靠性顾问委员会”等研究可靠性问题的专门机构。1 9 5 0 年美国国防部成立的 电子装备的可靠性委员会，并开始系统可靠性研究。日本于2 0 世纪6 0 年代左右开始重 视可靠性保证技术，1 9 6 1 年开始了飞机的可靠性研究，可靠性保证的具体研究工作也作 为新干线计划的一部分。随着各国研究的不断深入，可靠性在2 0 世纪7 0 年代步入成熟 阶段，到8 0 年代可靠性进入深入发展阶段。 我国可靠性工程起步于2 0 世纪6 0 年代，主要在雷达、通信机、航空、航天、电子、 机械等领域开展研究。进入8 0 年代，国家颁布了一系列的可靠性工程技术标准和管理 规定，在现代武器装备等大型系统的研制中全面推行可靠性工程技术，使我国工程可靠 性工作进入规范化轨道，得到迅速发展。 2 0 世纪8 0 年代以来，系统可靠性分析工作迅速发展，例如：故障模式影响及危害 性分析( f m e c a ) 、故障树分析法( f t a ) 、系统的可靠性框图分析法、全概率公式法、 蒙特卡洛法、g o 法、事件树分析。 现代系统的结构日趋复杂，功能日臻完善，对可靠性的要求也越来越高，达到高可 靠性的难度也大大增加，所以系统可靠性成为不可忽视的重要问题，尤其是复杂系统。 钱学森教授明确指出“在研究一个大而复杂的系统( 不论是技术领域或经济领域) 时就 不能不考虑它的可靠性。不仅是其各个组成部分的可靠性，更要研究它们组成的整个系 3 西安科技大学硕士学位论文 统的可靠性 。 当前，可靠性技术理论已经逐步被应用到许多大型系统领域，如宇航、电子通信领 域、地震工程、通风工程、抗火与抗爆工程等领域等。由于可靠性理论的应用，提高了 工程结构和工程系统抵御自然灾害和人为灾害的能力，进而形成了一门较为新兴的学科 可靠性工程。 1 3 2 国外矿井通风领域可靠性研究现状 前苏联在这方面研究的较早，他们将矿井通风系统的可靠性定义为：矿井通风系统 在运转过程中保持其工作参数值的能力，以维持井下所必须清洁风量的供应；并将通风 系统的失效按重要性分为三级：一级失效是指整个矿井失效，二级失效是指矿井的很大 部分失效( 一个煤层、一翼) ，三级失效是指矿井的个别采区失效。他们所采用的评定方 法主要有结构法、模拟模型法以及统计评价法等n 刀。 ( 1 ) 结构法以确定巷道单位长度的相对可工作系数k = k 。k 。为基础。可靠性 指标k 值与矿井通风系统可工作系数成正比： k = ( w - - n + 1 ) m ( 1 1 ) 式中：w 通风网络中的巷道数； 刀通风网络的节点数； m 综合巷道指标系数； k 。第f 条巷道单位长度的绝对可工作系数； k 。基准巷道单位长度的绝对可工作系数。 若对矿井通风系统的不同设计方案，按该式计算可靠性指标k ，并进行比较，即可 选择最可靠的方案。对可靠性的评定和制定提高通风系统可靠性的措施，也可采用这种 比较方法。这种方法虽然简单，但必须具备通风系统的拓扑值、巷道长度，通风构筑物 的数目和类型、主要巷道群的相关可工作系数等。 ( 2 ) 模拟模型法按照系统通风参数的分布密度来模拟矿井通风系统的可能状态 ( 各部分的通风阻力值和主要通风机装置的负压) ，确定通风系统工作过程的时间离散 化，应考虑系统各单元预防检修到突然破坏的时间间隔分布密度。通风系统状态模拟运 算次数应根据其可靠性计算精确度来决定，每次模拟运算均需计算系统的风量分配和记 录失效情况，根据各次运算状态的模拟结果，计算出全矿通风系统的可靠性总指标。 该方法是以求解矿井通风网络为基础的，因此可自行校正，是一种有发展前途的方 法。 ( 3 ) 统计评价法统计评价n 8 埘认为通风系统应当按照设计的风量分配运转，即 通风系统各分支的风量都应在容许范围内。如果这种状况受到破坏，就是矿井通风系统 4 1 绪论 发生了故障。一般认为，导致通风系统故障的主要因素是巷道和通风构筑物的通风阻力 随时间的随机变化，而随机过程取决于矿山地质和采矿工艺条件。很明显，这些条件的 统计指标对于在相同条件下运转的通风系统是一样的。因此，为了评价矿井通风系统可 靠性指标，必须按矿山地质和采矿工艺条件对其进行分类研究。 在通风网络解算方面，各国的通风专家学者提出了许多理论上可行的方法。在通风 网络可靠度的不交和算法中阻叫，学者f o n g 等提出的改进算法是很有效的；在文献 2 0 中，作者引入了路径集中独立集的概念，使复杂、多路径的矿井通风网络解算工作得以 在计算机上实现，避免了传统节点遍历法造成的内存空间不足问题。 此外，在矿业系统可靠性工程领域中，加拿大哥伦比亚大学的r a 霍尔博士口2 3 将可 靠性分析技术作为露天采矿设备评价与选型的工具，通过对设备故障和维修时间数据的 统计分析，制定了矿山公司设备选型的新标准；美国的d e e r ed u ( 迪尔) 和前苏联的 b i e n i w s e z t 等人将可靠性理论用于围岩稳定性等级分类的研究，取得了很好的效果； 此外，法国学者1 、波兰学者w d z i u r z y n s k i 乜铂等也相继将可靠性理论应用于矿井灾害预 测和控制研究中，并编制了相应的模拟程序。 1 3 3 国内矿井通风领域可靠性研究现状 我国矿井通风系统可靠性研究从2 0 世纪8 0 年代开始。其中，辽宁工程技术大学、 东北大学、中国矿业大学等院校结合现场实际，率先对矿井通风系统可靠性指标的确定、 通风系统可靠性基础理论研究以及不确定性环境下网络分风理论等进行了初步的探讨 和研究。这方面的研究在一定程度上借鉴了机械、电子等领域可靠性成果和结论。 1 9 8 5 年徐瑞龙瞵3 应用图论和可靠性理论相结合的方式讨论了通风网络的可靠度计 算，为矿井通风系统的可靠性分析提供了一种定量判别的途径，并定义了风路和风网的 可靠度，提出了用通路法和半割集法计算风网的可靠度，以及用风网的灵敏度分析来找 出影响整个风网的可靠度的关键风路，为矿井通风系统的可靠性分析提供了依据；同时 给出了风网可靠度的理论计算公式。他认为，通风系统的可靠性一般指风流的稳定程度， 即各风路的风量相对变化程度。 1 9 9 0 年王海桥汹3 以可修复系统可靠性理论为基础，分析了矿井通风网络的通风可用 度问题，并进行了实例分析，为改善矿井通风系统的管理、评价矿井通风系统的优劣提 供了一条新的依据。 1 9 9 1 年徐瑞龙1 从可靠度的角度来讨论了通风系统的合理性、风路的可靠度、网路 的可靠度以及井下通风构筑物的可靠度。其中重点讨论了井下通风构筑物的可靠度，为 定量描述通风系统提供了一种新的途径。研究采用了漏风率来定义了单个构筑物的可靠 度，并通过实例进一步讨论了构筑物系统的可靠度，对构筑物系统可靠性进行了分析。 得出的结论是井下构筑物系统的可靠度可以作为通风技术管理的一项比较指标，进行通 5 西安科技大学硕士学位论文 风管理的质量评比。 1 9 9 2 年徐瑞龙、刘剑乜刚运用可靠性原理探讨井下通风构筑物的可靠度，采用漏风率 定义各种构筑物的可靠度，针对复杂系统建立了一组系统可靠度确定的数学模型。有较 强的适用性，能为通风管理提供新的技术途径，也为煤矿质量标准化管理提供评判的指 标。构筑物系统的可靠度确定仍然用文献 2 5 所提出的通路法或半割集法。 1 9 9 5 年马云东从矿井通风系统的整体出发，详细分析了矿井通风构筑物、主要通 风机和风网各分支之间的相互联系和影响，给出了通风系统及其各单元可靠性的定义， 建立了矿井通风系统可靠性分析的理论模型。作者将通风构筑物按用途分为三类，即截 断风流构筑物、通过风流构筑物和调节风量构筑物，提出了通风构筑物系统的可靠程度 可以通过通风系统的可靠性反映出来，单独讨论通风构筑物系统的可靠性意义不大。将 分支可靠度定义为分支风量保持在某一合理工作范围内的概率。在综合考虑了风网风 阻、风压的随机扰动及通风构筑物的可靠性等因素以后，得出第l 条风路的风量保持在 【q ( l ，o ) 一w l o q ( l ，0 ) + w 1 2 】区间之内的概率即可靠度为： 驰垆麟丽1 c x p ( 一警姒如) ( 1 2 ) 其中仃：第l 条风路在，时刻风量分布的方差的二次方根； ：第l 条风路在f 时刻风量分布的均值； w ”w ；2 ) 用于确定第三条风路有效风量区间的上下限。 1 9 9 6 年薛河侧以矿井局部通风系统为研究对象，采用安全系统工程学理论，对矿井 局部通风系统的可靠性定额值进行了分析，采用灾害事件的逻辑模型法m o c 和概率统计 回归法确定了矿井局部通风系统可靠性定额。同年，王省身口指出，中国煤炭工业劳动 保护科学技术学会矿井通风专业委员会近十年来的学术活动大致有5 个方面，当时正在 进行的学术活动之一就是“矿井通风系统可靠性研究 ，可见进行矿井通风系统可靠性 研究是一项意义重大而又艰巨的任务。 1 9 9 7 年李湖生口2 1 给出了风量和风压敏感度的定义，推导出了风量和风压敏感度的计 算公式，还给出了一种快速确定角联分支的算法。通过对通风网络的风量和风压敏感度 的计算，可以定量确定各分支风阻的改变对某一特定分支风量和风压的影响程度，也可 确定某一特定分支风阻改变对其它各分支风量和风压的影响程度。采用风量敏感度分析 方法来研究角联分支的风流稳定性，不仅可以得到风向判别式的全部定性结果，而且还 能得到一些对选择调节措施非常有用的定量信息。此外，这种方法不受通风网络规模和 复杂程度的限制，因此是解决角联分支风量和风向调节问题的有效手段。 1 9 9 8 年程远国等嘲以可靠性工程理论为基础，用两种方法研究了矿井通风系统的可 靠性问题。以工作面为考查对象，通过对工作面( 包括回采、掘进、开拓、备用) 通风状 况的统计分析，进行通风系统可靠性计算；撇开具体巷道、工作面，以影响通风系统的 6 1 绪论 因素为研究对象，即通过对矿井通风机、通风构筑物、煤炭自燃事故、煤尘、有毒有害 气体、局部通风机及其它因素的统计分析，进行通风系统可靠性计算。提出了两种计算 矿井通风系统有效度的方法，并建立了相应的数学模型，来探讨可靠性工程理论在矿井 通风中的应用。 2 0 0 2 年王洪德等泓1 应用模糊综合评价法给出矿井通风系统可靠性模糊综合评判的 定义，对外延模糊的问题进行综合判定，给出了判定模型和解算方法。举例说明了该方 法的实用性和方便性。 2 0 0 3 年陈开岩应用层次分析法，将矿井通风系统安全可靠性问题包含的因素按照是 否共有某些特性将他们聚集成组，并把它们中间的共同特性看作系统中新的层次中的一 些因素；而这些因素本身也按照另外一组特性被组合，形成另外更高层次的因素，得出 了层次分析结构模型，并确立了评价等级及相应的评价对象权重系数。 2 0 0 5 年贾进章嘶1 给出了考虑风流数量和质量的风路可靠度定义，即风路的风量、粉 尘浓度、温度、有毒有害气体浓度指标在合理范围内的概率为该风路的可靠度。这种定 义方式在研究矿井火灾时期通风系统可靠度时尤为重要。并根据风量动态监测结果结合 给出的新的风路可靠度定义，利用基础知识，提出了风路可靠度的理论数学模型。 2 0 0 6 年秦彦磊等啪3 采用人工神经网络的方法，对通风系统的可靠性进行了动态研 究，通过建立b p 人工神经网络模型来预测可靠性的级别。 目前，我国对矿井通风系统可靠性评价中的一些具体指标尚无统一标准，对于如何 具体确定这些值，还是一项空白。不过我国对电子元器件失效率等指标已有统一的规定， 这也是矿井可靠性研究应努力的方向之一。由于煤矿不确定因素较多，要确定一些具体 指标有一定困难。所以矿井通风系统可靠性尚有许多问题需要研究，以完善矿井通风可 靠性理论，使之能在生产矿井中得到推广应用，促进煤炭科学技术的发展。 1 4 本文主要研究内容 可靠性是衡量矿井通风系统优劣的三个重要指标( 合理性、稳定性和可靠性) 之一， 矿井通风系统可靠度的高低对矿井生产和安全管理有着直接的影响。 矿井通风系统是由通风网络和主要通风机两个子系统共同组成的可修复系统。其可 靠性评价指标的确定应从对这两方面影响因素的分析入手，从而建立起整个通风系统可 靠性评价体系。本论文以矿井通风系统为研究对象，根据国内外的研究现状及煤炭行业 的具体实情，运用系统可靠性模型理论及网络流理论，分析通风网络系统和主要通风机 系统的可靠性。 ( 1 ) 对风网中某一巷道的风量应用统计理论进行分析，分析风量的分布直方图， 得出巷道中风流的风量所服从的分布，以煤矿安全规程规定的各类巷道风量风速以 及实际运行过程中的经验值为标准，结合可靠性理论知识，对风网子系统的风路可靠度、 7 西安科技大学硕士学位论文 风路故障率等指标进行定义，确立相应的计算模型； ( 2 ) 结合网络理论，在网络解算的基础上，建立基于网络流理论的矿井通风网络 系统可靠性评价模型，应用最小路集不交化算法求解该模型，最终得出网络可靠度。进 而求的各分支可靠度的敏感度，并分析影响系统可靠度的因素； ( 3 ) 针对主要通风机系统的冷储备可修特性，应用m a r k o v 过程理论，建立矿井主 要通风机的可靠性评价模型，推导主要通风机系统的可靠度和平均首次故障时间计算公 式；并分析影响通风机可靠性运行的因素，提出提高主要通风机系统可靠性的安全技术 措施和管理措施。 1 5 研究方法及技术路线 1 5 1 研究方法 对通风网络系统最小单元- 巷道的风量可靠性的研究采用概率统计的方法，结合 网络流理论得出整个通风网络的可靠度模型；再应用m a r k o v 理论建立主要通风机系统的 可靠性模型，进而可以对整个矿井通风系统可靠性做出评定，并通过实例验证。 1 5 2 技术路线 论文具体技术路线如下图： 图1 1 论文技术路线图 8 2 可靠性理论与网络系统可靠性 2 可靠性理论与网络系统可靠性 2 1 可靠性理论与系统可靠性评定过程 2 1 1 可靠性的基本概念 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 是部件( p a r t ) 、元件( c o m p o n e n t ) 、产品( p r o d u c t ) 或系统( s y s t e m ) 的完整性( i n t e g r i t y ) 的最佳数量的度量，是部件、元件、产品或系统在规定的时间内、 规定的条件下无故障地完成其规定功能的概率队埔1 。 ( 1 ) 可靠度r ( t ) 和不可靠度f ( t ) 可靠度：是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。产品寿 命t 是随机变量，可靠度r ( t ) 为： 尺( f ) = p ( t r ) ( 2 1 ) 式中：t 规定时间。 显然t 时刻可靠度，是指产品在 0 ，t 内完成规定功能( 或正常工作) 的概率，即t 时间内正常工作的概率。 不可靠度f ( t ) 为： f o ) = p ( t f ) ( 2 2 ) 式中：t 规定时间。 显然t 时刻不可靠度表示产品在 0 ，t 内发生故障( 或不能正常工作) 的概率，即 t 时间内发生故障的概念。显然有： 足( ，) + f ( ，) = 1 ( 2 3 ) ( 2 ) 故障率枷 故障率：工作到t 时刻尚未发生故障的产品，在该时刻t 后的单位时间内发生故障 的概率。记为w 。由故障率的定义可知，在t 时刻完好的产品，在( t ，t + a t ) 的时间内故 障的概率为p ( t t ，) ，在t 时间内的平均故障率为 a f t , 出) ：p ( t t t ) ，a t 0 时得到在t 时刻为：f 纷出l i 刈m 1 ( t ，a t ) = 牌坐半 ( 2 4 ) ( 3 ) 维修度m ( t ) 、修复率i x ( t ) 与平均修复时间( m t t r ) 维修度m ( t ) 是指：在规定的条件下使用的产品，在规定的时间内按照规定的程序和 方法进行维修时，保持或恢复到完成规定功能状态的概率。由于每次修复产品的实际时 9 西安科技大学硕士学位论文 间是一个随机变量，产品的维修度可定义为：不超过规定时间t 的概率，即： m ( f ) = p ( r r ) ( 2 5 ) 式中：t 规定的维修时间； t 实际修复时间。 m ( t ) 表示从t - - o 开始到某一时刻t 以内完成维修的概率，是对时间t 的累积概率，而 且是对时间t 的非降函数。 维修密度函数是为虚度函数对时间t 的微分，用r e ( t ) 表示，即： 聊( r ) ：d m ( t ) ( 2 6 ) 班 修复率| l ( t ) 是指修理时间已达到某时刻但尚未修复的产品，在该时刻以后的单位 时间内完成修理的概率，也可称为维修率。它是用单位时间修复发生故障的产品的比例 来度量维修性的一个尺度。用数学式表示为： 肿) = 而1 掣= 而r e ( t ) ( 2 7 ) l i ( t ) 是瞬时修复率，它与瞬时故障率入( t ) 是相对应的。 由上式可得： 肘( f ) ：l p - j i 渺 ( 2 8 ) 当l a ( t ) 为常数时，可写为m ( f ) = 1 一e 平均修复时间m t t r 是指可修复系统每次故障后修复时间的平均值， 下，平均修复时间为： m t t r = - l n r 式中：t 第i 次的修复时间； m 修复活动的总次数。 ( 4 ) 可用度a ( t ) 在离散状态 ( 2 9 ) 可用度的定义为：在规定的条件下，当任务需要的任何时刻，系统能处于可使用的 状态的概率，记作a ( t ) 。 对于可维修的产品或系统，当发生故障时，只要在允许的时间内修复后又能正常工 作，则其有效度与单一可靠度相比，是增加了正常工作的概率。对于不可维修的产品或 系统，有效度就仅决定于且等于其可靠度。可用度是时间的函数，是表示系统可靠性和 维修性的综合指标，是反映产品效能的主要特征参数之一。它又可分为几种形式。 瞬时可用度：产品在某时刻具有或维持其规定功能的概率，又称瞬时利用率。瞬 1 0 2 可靠性理论与网络系统可靠性 时可用度也可理解为在给定时间间隔内的任何瞬间，产品处于可使用状态的概率。 平均可用度：可维修产品在时间区间 0 ，t 】内的平均有用度，指瞬时有用度在 0 ， t 】内的平均值。 稳态可用度：当时间趋于无限时，瞬时可用度的极限值。也可理解为在给定的时 间间隔内的任何瞬间，产品处于可使用状态的概率。 稳态可用度可表示为： 彳= 面蒜蒜兰丽 彳2 琵可丽而砀蔼虱硒丽 【2 1 0 ) “能工作时间 指产品或系统处于工作和能完成规定功能状态下的时间长度； “不能工作时间指产品或系统不能完成规定功能状态下的时间长度。 另外，能工作时间还包括待命时间；不能工作时间则包括改进时间、维修时间、预 防维修时间等。 当可靠度r ( t ) 和维修度m ( t ) 都服从指数分布，能工作时间= ，不能工作时间= 二时， 九p 有： 彳= 面赢= 南 眨 月= = 一= = 一 lz il ， 一能工作时间+ 不能工作时间+ 力 ( 5 ) 系统平均寿命m t t f 对于不可修复的系统或产品，其平均寿命是指它失效前的平均工作时间，常用 m t t f ( m e a nt i m et of a i l u r e ) ：对于可修复系统，其平均寿命是指两次相邻故障间的工作 时间的平均值，也称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间m t b f ( m e a nt i m e b e t w e e nf a i l u r e ) 。 在对系统可靠性进行分析时，很有必要了解系统首次故障时间，即在该系统使用初 期，平均运行了多长时间后可能要出现故障，以便采取应急措施。对于由两个子系统组 成的一个可修复系统来讲，其状态为x 舻 0 ，1 ，2 ，其中： “o 表示两个子系统均处于正常状态； “1 表示其中的一个子系统处于正常状态，另一子系统处于故障状态； “2 一表示其中的两个子系统均处于故障状态。 假设该系统从t = 0 开始工作瞬间处于“0 一状态，那么系统的首次故障时间也就是 系统的平均寿命或系统平均无故障间隔时间。 2 1 2 系统可靠性的评定过程 系统根据其组成关系，可以划分为多个层次：系统、分系统、设备、组件、零部件 在苣 9 t 3 口o 西安科技大学硕士学位论文 根据系统是否可修又可分为可修复系统和不可修复系统。所谓不可修复系统是指组 成系统的元件失效后不再进行维修，也不更换，因而系统失效后即行报废，不修复再用。 可修复系统是指系统的元件失效后对其进行维修或更换，使系统能重新正常工作。 根据系统中各原件或单元直接的状态关系，又可分为一下串联系统、并联系统、贮 备系统等。 ( 1 ) 对于一个系统，如果只要有一个单元失控时，就会导致整个系统失效。或者 说，只有当所有单元都正常工作时，系统才能正常工作。这样的系统称为串联系统。由 刀个独立单元组成的串联系统的可靠框图，如图2 1 所示。 图2 1 串联可靠性框图 对于串联系统的可靠度与单元之间的关系可表示为： r s ( f ) = 兀r ) ( 2 1 2 ) 1 - - - 1 ( 2 ) 对于一个系统，如果只要有一个单元还没有出现失效，系统就不会出现失效； 或者说，只有当所有的单元都失效时，系统才会失效，这样的系统就叫并联系统。 对于并联系统的可靠度与单元之间的关系可表示为： r s ( f ) = 1 一兀( 1 - r 。o ) ) ( 2 1 3 ) i = 1 ( 3 ) 为了提高系统的可靠性，在正常工作单元以外，还可以贮备一些单元，以便 当工作单元失效时，能够立即通过转换开关使贮备单元一次地替换已经失效的工作单 元，从而使系统能够继续工作下去。这种系统叫做贮备系统。针对本论文研究的通风系 统特征，可以分析出通风系统中主要通风机系统即为贮备系统。将在第四章详细说明。 ( 4 ) 对于串并联网络，可靠度与单元之间的关系可表示为： 。r 册1 r s ( t ) = f i t l 一兀【1 一o ) 】 ( 2 1 4 ) j = l l j = l j ( 5 ) 对于并串联网络，可靠度与单元之间的关系可表示为： r s ( f ) = 1 一兀【1 一兀r e - q ) ( 2 1 5 ) i = 1 j = l 系统可靠性评定的目的，就是利用最底层的单元的可靠性测试数据，估计系统的可 靠性。 系统可靠性评定过程包括以下几个方面： 1 2 2 可靠性理论与网络系统可靠性 ( 1 ) 通过可靠性试验，获得组成系统的每个单元的寿命试验数据； ( 2 ) 采用异常值检验方法和拟合优度检验方法，剔除异常值并且确定单元的寿命 分布类型； ( 3 ) 确定系统可靠性与每个单元可靠性之间的函数关系，例如将系统可靠度表示 为每个单元可靠度的函数( 或将系统寿命表示为每个单元寿命的函数) ； ( 4 ) 采用系统可靠性评定方法，利用每个单元的寿命试验数据，以及整个系统寿 命实验数据，评定系统可靠性。 系统可靠性评定的基本过程，如图2 2 所示。 i 单元功能测试数据 系统可靠性表达式评定系统可靠性 ttt 获取每个单元数据系统可靠度与每个可靠度 获取中间级别、系统单元可靠度关系式灵敏度 级别测试数据故障率 图2 2 系统可靠性评定的基本过程 2 2 网络系统的基本概念 网络口7 蚓( n e t w o r k ) 的确切概念，在不同研究领域有着不同的定义，特别是进入2 1 世纪的“网络时代 以来，更赋予网络新的含义。而对网络的最早研究是从电力网络开 始的，后来随着应用领域的扩展及研究程度的加深，人们提出了更为全面的概念，比较 具有影响力的是美国著名图论研究专家陈惠开提出的概念，认为从物理角度来看，网络 是各个物理元素相互连接形成的一个系统，其研究目的是根据元素的特性，以及这些元 素在系统中的相互联系的形式，预测系统所发生的作用。 按照数学方法，图( g r a p h ) 被定义为有限的非空节点与节点偶的集合。将其应用到网 络流研究中，则将流体网络中的节点( n o d e ) 和由“节点对 组成的边( e d g e ) 的集合称为 图。无论网络结构如何复杂，都能通过网络图将其逻辑性和条理性较清楚地表达出来， 所以图被认为是能较好反应网络特点的模型，它反映了点线之间的逻辑关系。根据流体 流动的方向，可将网络图分为有向网络图和无向网络图。 网络流理论( f l u i dn e t w o r kt h e o r y ) 是拓扑数学的重要分支之一，也是图论的一个重要 内容。它是研究诸如现实世界中的矿井通风网络，城市供水、供气、供热网络，以及微 观世界中的动物神经网络，脑模型网络等由一组点和联接各点的一组线所构成的网络图 的学科。现实中很多问题不仅仅是针对某一个对象的，而是涉及到对象与对象间相互关 系的问题。如果用点来表示这些对象，用线来表示它们之间的关系，就可以将所研究的 1 3 西安科技大学硕士学位论文 问题抽象为网络图，从而可运用网络流理论和方法将所研究的网络转化为一种很直观的 形式，便于问题的建模和求解。 在网络流理论中，网络是节点和边的集合，记为g = v ，e ，其中y = v 1 ，v 2 ，b ，v 埘 为节点，e = 矗，e 2 ，q ， 为弧或边。图2 3 是由节点1 、2 、3 、4 和边e l 、e 2 、e 3 e 4 、e 5 组成的一个网络。也可以称为一个网络系统，用s 表示。 图2 3 点弧图 ( 1 ) 弧或边。若联结节点之间的弧是有向的，称为有向弧；