（采矿工程专业论文）矿井通风系统可靠性评价方法研究.pdf

太原理工大学硕十：研究生学位论文 矿井遴风系统霹靠性评徐方法磺究 摘要 可靠的矿井通风系统是矿井安全生产豹基本镙障。矿井通风系统鹣 可纛性可分为灾变时期的可靠性和j e 常时期的可靠性。本文瘟鬻图论知 识、矿井遵风基本理论及系统可靠性璎论对矿井正常时期通最系统的霹 靠悭进行磷究。 矿井通风系统由通风网络、通风机械、通风构筑物组成。本文通过 分橱通风系统特点帮矿并并下风流的流动规律，确定出了影响矿井通风 风流稳定性主要爨素，并绘塞了逶风系凌中媳各个要素戆可靠性评价搬 标。整个邋风网络出多条风路组成，所以通风网络的可靠性也是以各条 风路的可靠性为基础的。研究风路可靠度时不仅考虑该风路的风量是否 在合遴范潮肉，还把该风路豹瓦瘊浓度、溢度分布、畜毒有害气体浓度 等措檬作凳终泰条馋，帮要求该箴鼹风滚麴数量秽溪量露在援定范围肉。 结合主要邋风机的工作特点，应用m a r k o v 过程理论研究其可靠性。通风 构筑物可分毙截断风流的构筑物、通过风流的构筑物和调节风流的构筑 物，本文翔漏风率分裂表述各类构筑物的可靠性。 井下鼷风地点殴菇流稳定幢楚可靠性磷究的鬟点。在对风浚稳定缝 分橱时，首先根攒空气的物理化学性质的变纯、巷道熬褥铥和黠爝风她 点风流稳定性的影响，把矿井通风系绞分为避风段、采区段和回飘段。 l 太原瑾工火学硕士研究生学像论文 结合矿井邋风测隧系统理论，用通风系统相对风压矩阵和分析斑阵，确 定各区段豹 匿力分布添况及各簸麓裰对风压变化祷浇，默两蒋虱避风段、 采送段帮刚风段的风流穗定性；在此基础上应用联t 贝靳特龙风流稳定榷 指标和风流功率指标对不稳定区段( 特别是采区段) 中各分支的风流稳 定性进行分析，以确定风流不稳定的分支；对由此确定的不稳定风流分 支，按獒在透风灏络中与其毽分支熬连接关系，我出影噙其稳定性酶因 素，为提高通熙系统可靠性方絮的制定提供理论依拶。本文结合荫营煤 矿对其风流稳定性进行分析。 感度 关键谰：逶疑霭络；可纛靛；风流稳定性；风流动率；有效凄；敏 登 t 珏es t u d yo nt 王l er e l l a b l l i t ye v - a l u a t i o n m e t h o df o rm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h er e l i a b l ev e n t i l a t i o ns y s t e mi st h ef u n d a m e n t a l g u a r a n t e ef o r t h em i n e t op r o d u c es a f e l y t h er e l i a b i l i t yo fm i m ev e n t i l a t i o nm a yb ed i v i d e di n t ot h e r e l i a b i l i t yd u r i n gd i s a s t e rp e r i o da n dd u r i n gn o r m a lp e r i o d i nt h i sp a p e r , t h e r e l i a b i l i t y o fm i n e d u r i n gn o r m a lp e r i o di ss t u d i e dw i t hg r a p ht h e o r y , f u n d a m e n t a ll a wo fm i n ev e n t i l a t i o na n d r e l i a b i l i t yt h e o r y t h ev e n t i l a t i o ns y s t e mo fm i n ei sc o m p o s e d 、艟t hv e n t i l a t i o nn e t w o r k v e n t i l a t i o nm a c h i n e r ya n dv e n t i l a t i o nb u i l d i n g s 。a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i c so fm i n ev e n t i l a t i o ns y s t e ma n dt h ea i r f l o wr e g u l a t i o n s ，t h e m a j o rf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ea i r f l o w ss t a b i l i t yo ft h ev e n t i l a t i o ns y s t e m i nm i n ea r ea s c e r t a i n e d ，a n dt h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o rf o rr e l i a b i l i t yo ft h e e l e m e n tf a c t o r st om i n ev e n t i l a t i o ns y s t e ma r eg i v e ni nt h i st h e s i s t h ew h o l e v e n t i l a t i o nn e t w o r ki s c o m p o s e dw i t hm a n ya i r w a y s ，a n di t sr e l i a b i l i t yi s b a s e do nt h er e l i a b i l i t yo ft h ea i r w a y s 。w h e ns t u d y i n gt h er e l i a b i l i t yo f a i r w a y s ，n o to n l yw h e t h e rt h ea i rq u a n t i t yi nt h ea i r w a yi si nt h ea p p r o p r i a t e i l l 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 r a n g e i s c o n s i d e r e d ，b u ta l s ot h ec o n c e n t r a t i o no fg a s ，t e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o no ft o x i ca n dn o x i o u sg a si sc o n s i d e r e da sc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ， t h a ti st os a y , t h ea i rq u a n t i t ya n dt h ea i rq u a l i t ya r er e q u i r e di nt h ed e f i n e d r a n g ea t t h es a m et i m e a c c o r d i n gt ot h ew o r kc h a r a c t e r i s t i co ft h em a i n v e n t i l a t i o nm a c h i n e r y , i t sr e l i a b i l i t yi sr e s e a r c h e d w i t hm a r k o vp r o c e s s v e n t i l a t i o nb u i l d i n g sa r ec l a s s e da so b s t r u c t i n gb u i l d i n g ，w i n d e db u i l d i n ga n d a d j u s t i n gb u i l d i n g ，a n dt h e i rr e l i a b i l i t yi sd e s c r i b e dr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n g t h e i ra i rl e a kr a t e w h e nw er e s e a r c ht h e r e l i a b i l i t y o fm i n ev e n t i l a t i o n s y s t e m ，t h e e m p h a s i si st os t u d yt h er e l i a b i l i t yo ft h es p o tu s i n gf l e s ha i r w h e na n a l y z i n g t h es t a b i l i t yo ft h ea i r f l o w , a c c o r d i n gt oi t s c h a n g i n go ft h ep h y s i c a la n d c h e m i s t r yc h a r a c t e r r s t i c s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el a n e w a ya n dt h ei n f l u e n c e o fa i rf l o ws t a b i l i t yo ft h es p o tu s i n gf r e s ha i r , m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi s s e p a r a t e di n t ot h ei n t a k ea i rs e g m e n t ，m i n ed i s t r i c ts e g m e n ta n dr e t u r n i n g s e g m e n ta tf i r s t i nc o m b i n a t i o nw i t ht h et h e o r yo fm i n ev e n t i l a t i o nm e a s u r i n g p r e s s u r es y s t e m ，c o m p a r a t i v ew i n dp r e s s u r em a t r i xa n da n a l y s i sm a t r i x ，t h e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dc o m p a r a t i v ep r e s s u r ec h a n g i n go fe a c hs e g m e n tc a n b ed e t e r m i n e d ，a n dt h eu n s t a b l es e g m e n ti sa s c e r t a i n t h e nw ew i l la n a l y z e e v e r yb r a n c hi nt h eu n s t a b l es e g m e n t ( e s p e c i a l l yt h em i n ed i s t r i c ts e g m e n t ) t o f i n dt h eu n s t a b l ea i r f l o wb r a n c h e s t h r o u g hc a l c u l a t i n gt h eh b y s 廿o n i v e v a l u a t i n gi n d i c a t o ro fa i r f l o ws t a b i l i t ya n dt h ea i r f l o wp o w e re v a l u a t i n g i n d i c a t o r ；t h i si st h et h e o r yb a s i ct ow o r ko u tt h ep l a nw h i c hc a ni m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo ft h ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，a n dt h ev e n t i l a t i o ns y s t e mo fy i n y i n g c o a lm i n ei sc o m b i n e dt os t u d y k e yw o r d s ：v e n t i l a t i o nn e t w o r k ，r e l i a b i l i t y ，a i r f l o ws t a b i l i t y ，a i r f l o w p o w e r , v a l i d i t y ，s e n s i b i l i t y v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 矿井通风是依靠通风动力，将定量的新鲜空气，沿着既定的通风路线连续不断地 输入矿井下，以满足回采工作面、掘进工作面、机电峒室、火药库、以及其它用风地 点的需要：同时将用过的污浊空气不断地排出地面。它的基本任务是：供给矿井新鲜 风量，以冲淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性气体和粉尘，保证井下l x l 流的质量 ( 成分、温度和速度) 和数量符合国家安全卫生标准，创造良好的工作环境，防止各 种伤害和爆炸事故，保障井下人员身体健康和生命安全，保护国家资源和财产。矿 井通风系统可靠性理论研究，主要是针对该领域中存在的一些问题而提出的，其目的 是为了提高矿井通风系统可靠性水平，降低通风系统的建设和维护成本，防止和减少 灾害事故发生，保障矿井高产高效的实现。因此，对矿井通风系统可靠性的研究有着 十分重要的意义。 1 2 可靠性研究现状 1 2 1 可靠性在国外相关领域的研究 可靠性理论作为- - f 3 独立的工程基础学科于2 0 世纪3 0 年代初率先在美国形成。 最初，它运用统计方法于工业产品的质量控制中。第二次世界大战期间，许多复杂系 统，如航空电子设备、通信系统以及武器系统，都暴露出低下的可靠性水平，特别是 2 0 世纪五六十年代着手实施各类太空研究计划，成为了推动可靠性工程兴起和发展 的主要动力。1 9 6 5 年，国际电工委员会( i e c ) 可靠性专业委员会的成立，标志着可 靠性技术成为了一门较为新兴的学科可靠性工程。 朝鲜战争开始以后，定量的可靠性才广泛应用，在可靠性的测定中才采用统计方 法【2 1 ，到1 9 5 7 年，可靠性工程的任务、基本原理与方法大体上确定了下来3 1 。美国发 太原理： 人学硕士研究生学位论文 展可靠性技术最早，第一个正式的机构是电子装疆可靠性咨询委员会( a g r e e ) ，为 实现军用电子装置的可靠性，该委员会必须确保由科学、技术、生产和经营方面的权 柄人士组成，对电子装置的设计、开发、供应、生产、维修、使用和培训等各有送信 可靠性都要进行监视。1 9 5 6 年初设置了9 个专业分会，它们都是由专家组成的，1 9 6 0 年 m 后，陆续制订了军用规格、标准，成为现在可靠性标准体系的基础。这就是可靠 性工程发展的第一阶段，即调查研究、制订技术规范和村准的阶段。第二阶段从1 9 5 7 年至1 9 6 2 年是统计试验阶段，即从可靠性试验环境到生产过程中的全面质量管理。 笫三阶段是1 9 6 8 年以后，可靠性保证阶段，即全面实现以可靠性为中心的管理。日 本i ，靠性技术的发展是在第二次世界大战以后，由于设备的事故，设立了对策委员会 和对产品全面质量管理后，日本使由美国引进的技术发挥了更大的效益。德国发展可 靠性工程是从系统可靠性研究开始的，为了提高德国火箭的可靠性，发展了定量的、 用统计方法处理的基本原理【4 1 。 系统可靠性工程的数学基础是布尔代数和概率论1 5j 。主要方法有故障树分析法、 事件树分析法、因果图、可靠性框图分析法、马尔可夫过程分析法、故障模式与效应 分析法等。故障树分析法是一种逻辑演绎的方法，用于分析所有与事故现象、原因、 结果有关的事件和它们的逻辑组合，从而找到避免事故的措施。它能辩识和评价系统 运行状态的各种危险性。事件树分析法是一种时序逻辑的分析方法，它是按照事件的 发展顺序，分成阶段，一步一步地进行分析，即从成为灾害起源的主要因素出发，以 安全措施的成功与否来分支，最后达到灾害现象。每个分支要注出发生的概率( 可靠 度与不可靠度) ，最后计算出整个树的可靠度。 1 2 2 可靠性在国外矿井通风领域的研究 前苏联在这方面研究得较早，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、一个矿层) ：三级失效是指矿井的个别采区失效。 他们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【6 9 】。 2 太原理： ：大学硕士研究生学位论文 1 、结构法该方法是以确定巷道单位长度的相对可工作系数k 为基础。k 值与 矿， 通风系统可工作系数k = ( w - n + 1 ) 成正比，即 k = ( r 一 + 1 ) m ( 1 1 ) 式中：，”一通风网络中的巷道数： n 通风网络的节点数； 仁一综合巷道指标系数。 若对矿井通风系统的不同设计方案，按式( 1 1 ) 计算可靠性指标足，并进行比较， h j j 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 、模拟模型法该方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 、统计评价法文献 1 0 对矿井通风系统可靠性进行了统计评价。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。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 3 可靠性在国内相关领域的研究 2 0 世纪6 0 年代，我国首先在电子工业部门进行了可靠性工程技术的开拓性工作； 进入8 0 年代以来，国家颁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，弘系统的研制中全面推行可靠性工程技术，使我国工程u j 靠性工作进入规范 化轨道，并得到迅速发展。目前，可靠性工程主要应用于航天制造业、机械工程领域、 交叉学科领域以及通信领域等。如在地震工程、风工程、抗火与抗爆工程等领域，由 于可靠性删! 沦的应用，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。 2 0 世纪9 0 年代以来，系统可靠性工程理论在矿业系统工程研究中也逐渐得到了应用。 1 2 4 可靠性在国内矿井通风领域的研究 我国矿井通风领域可靠性研究是从上世纪8 0 年代开始的。北京理工大学、中国 矿业大学、中国煤炭科学研究总院的抚顺分院、东北大学和辽宁工程技术大学等科研 院所与现场实际相结合，在矿井通风系统可靠性指标确定、通风系统可靠性基础理论 研究以及不确定性环境下矿井通风网络分风理论研究等方面都进行了有益探讨。矿井 通风可靠性研究主要是借鉴其它领域的可靠性理论研究成果和结论l “13 1 。目前对矿井 通风系统可靠性进行的定性研究较多，定量研究较少，尚无一个统一的标准来衡量矿 井通风系统可靠性。其中定量研究主要成果大致有以下几部分： 1 9 8 5 年，徐瑞龙教授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。文中定义了风 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。 1 9 8 7 年，赵永生教授提出了用逐步线性回归分析法求对网络影响最大的风路。 其基本研究思想是：当研究因变量级( 风量) 与自变量r = 1 , 2 ， ) ( 风阻) 之间 的相互关系、并利用这种相互关系对因变量q 进行预测和估计时，可采用多元回归 的方法以，把诸变量之间的相互关系用回归方程式表示出来。为了减少观测的项目和 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 计算的工作量，人们通常并不把所有的自变量飓和因变量q 都建立在同一个回归方 程之中，而是把为数从多的可能影响预报量办的自变量d 迸和筛选，找出最重要的 因素，从而建立一个最优的回归方程。最优回归方程的建立，可以采j _ _ j 逐步回归分析 的方法。该方法的基本思想是把对因变量g 有显著影响的自变量凡，逐个地引入回归 方程中，首先选f l 与g 相关程度最大的自变量，通过统计检验，当表明该自变量的 作用显著时，就引入回归方程式，然后在剩余自变量中再挑选出与g 关系最为密切 的自变量，当已引入的自变量由于后来变量的引入而失去重要? - 1 时，则随时把它们从 回归式中剔除出去。因此，逐步回归分析法的每一步都要进行多次检验，以保证每次 在引入新的显著变量之前和剔除不显著变量之后的回归式中只包含有显著变量。如此 反复进行，直到没有一个自变量可以引入和剔除时为止。该法可确定对系统影响最大 的风路，但并不能确定各风路对系统及各几路之间的相互影响值。 1 9 9 0 年，王海桥教授以可修系统可靠性理论为基础，分析了通风网络的通风有 效度问题，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好 坏提供了一条新的依据。 1 9 9 2 年，文献【1 1 运用可靠性原理探讨了井下通风构筑物的可靠度，采用漏风率 定义了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。 该模型有一定的适用性，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 提供了评判指标。 1 9 9 5 年，马云东教授从矿井通风系统的整体出发，详细分析了矿井通风构筑物、 主通风机和风网各分支之间的相互联系和影响【1 4 】，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。将通风构筑物按用途分为三类， 即截断风流的构筑物、通过风流构筑物和调节风量构筑物、论证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。 马云东教授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，得出第三 条风路风量保持在 既( o ) 一w 2 ，q 。( o ) + w p 区间之内的概率”1 ，即可靠度为： 5 太原l l ! 。人学硕士研究生学位论文 蹦归躺：志。 _ 唑等卜， c 卜z ， 式中：盯：第三条风路在，时刻风量分布的标准差： p ；第条风路在，时刻风量分布的均值： w n w ：”第上条风路有效风量区间的下限和上限。 1 9 9 6 年，文献 1 6 1 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。 1 9 9 7 年，文献【1 7 给出了风量和风压敏感度的定义，推导出了几量和风压敏感度 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。采用风量敏感度分析方法来研究解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，文献 1 8 1 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 风系统的因素为研究对象，即通过对矿井扇风机、通风构筑物、煤炭自燃事故、煤尘、 有毒有害气体、局扇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。 以工作面为考查对象评价矿井通风有效度时，主要缺陷是看不出影响通风的主要 因素。在考查工作面通风状况时，可将它和影响工作面通风的诸因素结合起来分析。 2 0 0 2 年，文献 1 9 】在对已有角联风路自动判别数学模型分析的基础上，应用图论 和集合的方法对其进行深入研究，提出了角联风路的关键影响风路、非关键影响风路 6 太原理一i ：火学硕士研究生学位论文 等与角联风路稳定性分析相关的新概念。给出了确定角联风路关键影响风路和非关键 影响风路的数学模型，为进一步研究角联风路稳定性奠定了基础。确定角联风路的关 键影响风路和非关键影响风路对于日常通风管理、一通三防、通风系统可靠性、灾变 州期风流控制，通风系统改造都有重要意义。 文献 2 0 1 以灵敏度为度量指标，对矿井通风系统稳定性进了分析，指出：通风网 络中任一分支风阻的变化都可能引起自身以及相关分支甚至网络中所有分支的流量 变化。在对通风网络中分支灵敏度及其性质进行深入分析的基础上，给出了使每一条 分支的风流保持稳定、整个通风网络保持稳定、两分支间稳定性比较和两通风网络稳 定性比较的判别式，通于通风系统稳定性分析、日常通风管理具有重要意义。 2 0 0 3 年，文献 2 1 讨论了当z x r = o 时始何确定q 、h 。同时针对不同的通风网 络形式、不同的通风网络规模，建立了定量分析的方法，使定量分析能适应不同形式， 不同规模的通风网络。所建的组数学模型比较规范，便于程序实现。 文献 2 2 1 以通风系统网络解算为工具，建立了网络风流稳定系统矩阵，在此基础 上，建立并分别求出网络风流总体稳定性指标、网络风流变化幅度指标和网络变化影 响范围指标。 1 3 存在问题 国内外运用可靠性理论结合矿井通风实际，对矿井通风系统的可靠性进行了大量 的研究，已经取得了很大成果。目前，在矿井通风系统可靠性研究方面面临的主要问 题有： l 、用可靠性工程理论，对通风系统中的局部进行了研究，但缺乏系统的、综合 的研究。 2 、现有的对通风系统可靠性研究，未能充分体现出通风系统特有的可维修特点； 3 、对矿井通风网络可靠性的研究大多只是针对通风网络进行的，并且风网中风 路的可靠性指标只体现了风阻发生某种变化后的结果，未能充分考虑主通风机、通风 机械及其它不确定因素对风路的影响，因而不能准确地描述通风系统的全部特征。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 尽管各科研院所对矿井通风系统可靠性的分析研究已经有很多年，也取得了一些 成果但由于系统本身突出的复杂性、随机特性、时变特性及各影响因素之间的强耦 合特性，使得许多实际问题未能从理论和技术上很好地解决，并且这些研究对于整个 矿- j ：通风系统来说都缺乏系统性，使得某些研究结论与矿井通风实际偏差太大，故而 降低了其实用性。 1 4 本论文研究内容 本文以矿井通风理论为基础，运用系统工程及可靠性工程方法，对矿井通风系统 可靠性进行系统的、综合的研究。 通过分析通风系统特点和矿井井下风流的流动规律，确定出了影响矿井风流稳 定性主要因素，然后对各影响因素的可靠性进行评价。矿井通风网络是由多条风路组 成，整个网络的可靠度也是由各风路的可靠度决定的。对风路可靠度描述时不仅要考 虑该风路的风量是否在合理范围内，还把该风路风流质量作为约束条件。即要求该风 路风流的数量和质量同在规定范围内。结合通风机可修特性，用m a r k o v 过程理论对 其可靠度进行分析；通风构筑物按可作用不同可分为截断风流的构筑物、通过风流的 构筑物和调节风流的构筑物三种。漏风现象是影响通风构筑物可靠性的主要因素，所 以本文用漏风率来分别表述各类通风构筑物的其可靠性。在对局部可靠性评价的基础 上建立了通风系统可靠性评价模型。 研究通风系统可靠性研究的重点是井下用风地点风流的稳定性。在对风流稳定性 分析时，把矿井通风系统分为进风段、采区段和回风段。结合通风测压系统理论，用 通风系统相对风压矩阵和分析矩阵，确定各段的压力分布情况及各段的相对风压变化 情况，从而得出各段的风流稳定性；在此基础上运用h 贝斯特龙风流稳定性指标和 风流功率指标分析各分支的风流稳定性，并按照各分支在通风网络中的连接关系，找 出导致某些分支风流不稳定的原因，作为通风系统优化的理论依据，并结合荫营煤矿 通风阻力测算的数据对其风流稳定性进行分析。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章影响风流稳定陛的因素及可靠性数学模型 21 可靠性理论及可靠性数学模型 可靠性是指产品( 系统) 在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可 靠度是一个时间函数，是反映产品( 系统) 能在多大程度上可靠工作的一种具体数量 指标，是产品( 系统) 在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。 系统可以分为不修系统和可修系统。所谓不修系统是指组成系统的元件失效后不 弭进行维修，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。矿井通风系统就是一个 可修系统。 1 i 失效率l ( r ) 失效率是：“工作到，时刻尚未失效的产品，在该时刻t 后的单位时间内发生失效 的概率”，也称失效度函数。记为a ( r ) 。由失效率的定义可知，在时刻完好的产品， 在( ，t + a t ) 的时间内失效的概率为p ( t t ) a t - o p ( t o a t ：l i m f ( t + a t ) - f ( t ) ：盟 o a t r ( t )r ( f ) 进一步可以推得 砸，= 嵩= 器一篱 9 太原理l 人学硕士研究生学位论文 则 积分得 即 ) d ，一酱 i n r ( f ) r ( ，) 2e x p ( 一2 ( t ) d t ) ( 2 1 ) 由式( 2 一1 ) 可见，失效率越小，产品的可靠性越高；反之，失效率越大，可靠性 就越低。 2 、维修度m ( o 、修复率( ，) 与平均修复时f h ( m t t r ) 维修度是指：“在规定的条件下使用的产品，在规定的时间内，按规定的程序和 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 际时间r 是一个随机变量，产品的维修度可定义为r 不超过规定时间t 的概率，即 m ( t ) = p ( f ) 式中：卜规定的维修时间； r 实际修复时间。 妖f ) 表示从t = - o 开始到某一时刻，以内完成维修的概率，是对时间，的累积概率， 而且是对时间，的非降函数。 实际维修时间r 的概率密度函数m ( d 为 m ( f ) = d m o ) d t 可见，m ( f ) 是单位时间内产品被修复的概率。用估计量近似地表示为 m ( t ) = n ( t ) n m ( r ) = n ( t _ + a f t ) - n ( t ) 式中： 一产品发生故障的次数； ”( 矿一表示，时间内产品被修复的次数。 修复率是指修理时间已达到某时刻t 时，尚未修复的产品在，时刻以后的单位时 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 问内完成修理的概率，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。维修率与维修度的关系为 m ( t ) = 1 - e x p 一( f ) 】“ ( 2 2 ) 若维修时间r 服从指数分布，( ，) = ，则 m ( t ) = 1 一e 1 。( 2 3 ) 平均修复时间m t t r 是每次失效后所需维修时问的平均值。在离散状态下，平均 修复时间： m t t r = 圭o ( 2 4 ) ”百 式中：f ，一次故障的总修复时间。 在连续分布情况下，平均修复时间： m t t r = f t m ( t ) d t ( 2 5 ) 、 在指数分布情况下，平均修复时间： m t t r = 1 ，( 2 6 ) 3 、有效度( 可用度) 有效度是指“可以维修的产品在某时刻，具有或维持其功能的概率”。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。可靠度是时间的函数，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，也称为可用度。它又可分为几种 形式。 ( 1 ) 瞬时有效度：是指在某一特定瞬时，可维修的产品保持正常工作使用状态或 功能的概率，又称瞬时利用率。它反映在t 时刻产品的有效度，而与f 时刻以前是否 失效无关。瞬时有效度常用于理论分析，而不便于在工程实践中应用。 ( 2 ) 平均有效度：可维修产品在时间区间 0 ，r 】内的平均有效度，指瞬时有效度在【0 ， 太原理： 大学硕士研究生学位论文 内的平均值。 ( ：j ) 稳态有效度：稳态有效度又称时间有效度或可 ：作时m 比，它是时间趋于无 穷大时瞬时有效度的极限( 本文中以后提到的有效度均指稳念有效度) ，稳态有效度可 表示为： 爿：丝丝 m l ? b f 七m t t r 式中： 打瑚平均修复时间； m 阳卜_ 可工作时间。 当可靠度r ( f ) 和维修度m ( f ) 均为指数分布，且m t b f = _ 1 4 ：丝丝：上 ( 2 7 ) i v f l t r ：上时，有 ( 2 8 ) 4 、系统平均寿命 4 7 ” 对于不可修复的系统或产品，其平均寿命是指产品失效前的平均工作时间；对于 可修系统，其平均寿命是指相邻两次故障问的平均时间，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 n t i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 。即：m t t f = m t b f 。 在对系统可靠性进行分析时，很有必要了解在该系统使用初期，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，这个指标就是系统首次故障时间。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 ( t ) = o ，1 ，2 ) ，其中“0 ”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 ”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 ”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。 5 、马尔可夫过程理论 ( 1 ) 马尔可夫过程是1 9 0 7 年由俄国人马尔可夫提出来的。它是研究系统“状态” 与“状态”之间的相互转移的关系。假如系统完全由定义为“状态”的变量取值来描 1 2 太原理工大学硕士研究生学侍论文 述的时候，则说系统处于一个“状态”。假如描述系统的变量从一个状态的特定值变 化到，j 一个状态的特定值时，则说系统实现了状态的转移。在一个随机过程中，如果 在某一时刻，由一种状态转移到另一种状态的转移概率只与现在处于什么状态有关， 而与在这时刻以前所处的状态完全无关，这种过程就称为马尔可夫过程。 用数学式表示为 p x ( t 。) = x 。l x ( t 1 ) = x l ，x ( t 2 ) = 3 ，一。v ( t 。i ) = x 。一1 ) ( 2 - - 9 ) = p x ( t 。) = x n ( ，) = x 。，) 其中：( ，f ) = x f 表示处于t i ( f - 1 , 2 ，”) 时刻的状态。 式( 2 - - 8 ) 说明“时刻的状态( ) 在以前 一1 个时刻的状态x ( t 1 ) ，x ( t 2 ) ，x ( “i ) 下的条件概率等于在，川时刻的状态x ( 1 ) 下的条件概率。只要前一个状态x ( t ) 一 经决定，则x ( ) 状态概率就可以决定了。可见，以前的各状态并不影响现在状态的 性质，这就是所谓的马氏性，也称为无后效性。 ( 2 ) ”个相同单元、一组维修人员的并联可修系统可靠性 系统由”个相同单元和一组维修人员组成，每个单元的故障率为 ，修复率为， 修复后单元的寿命分布不变。在此假定下，系统有n + 1 个可能状态。定义 x ( t ) 习时刻r 有，个单元故障，j = o ，1 ，2 ，” 该系统状态转移图如图2 1 所示。 其系数矩阵为 p ( a t ) = 1 一月她r7 1 舱f000 弘，1 一 ( n 一1 ) a + - j( ”一1 ) 2 6 t 00 0 t 2 a t1 一【( 厅一2 ) 旯+ 】，0 0 o 0 o o 1 3 o o 0 i r 五+ a ) a t 2 a t 0 必f1 一肚 ( 2 - - 1 0 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 经求解可得其有效度为 爿：越( n - 趔1 ) ! t , x ) 喜志 【( 月1 ) 2 + p a i l - ( 月2 m 即】fl - ( 2 + p ) a t 图3 1n 个相同单元并联状态转移图 f i g3 1s t a t et r a n s i t i o nd i a g r a mo f ni d e n t i c a le l e m e n t si np a r a l l e 2 2 矿井风流特点 ( 2 1 1 ) 在生产矿井中，影响风流稳定性的因素很多。通风动力、通风构筑物的非正常工 作状况，自然风压，巷道的贯通与封闭，工作面的推进与转移，采区接替，生产水平 过渡，巷道中的行人、行车和堆积物等等都会影响风流的稳定性。 综合上述各种因素，影响通风系统风流稳定性的因素包括通风网络结构、通风构 筑物、机械通风动力、自然风压和瓦斯等有害气体的涌出。矿井通风系统风流不稳定 一般是指井巷中风流质或量发生变化，且其变化幅度超过了允许范围。风流的不稳定 现象可分为正常生产时期与灾变时期的不稳定现象。正常生产时期风流的不稳定现象 按其产生原因又可以分为由于通风动力工作不稳定引起的不稳定和由于通风网络引 起的不稳定现象。 矿井通风系统是受诸多因素影响的一个复杂系统。就大型矿井而言，网络分支多 者可达到6 0 0 条以上，网络节点也可以达到5 0 0 个以上，角联分支数约占总分支数的 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 4 6 9 8 9 ，全矿巷道长度约为5 0 一2 0 0 k m 。通j x l 设施数目可达到上百个，用风地 点一般也有l j 一4 0 个。并且矿井通风网络随着生产的进行而不断发生变化，采掘工 作面推进、接替，采区的准备、投产、结束与接替，矿井开拓延伸等使通风系统在网 络结构上发生变化；此外，由于采矿活动的影响，通风巷道受压变形、断面缩小，通 风设施受压变形，漏风率增大；各种通风设备也因磨损、锈蚀性能衰退，通风机性能 衰退。从而使系统的通风参数发生变化，而且各种参数的变化是随机的，可见，通风 网络是一个动态的随机的系统【2 3 2 孔。 要研究矿井通风系统的可靠性，需要对整个通风系统的特点有所了解，还要对风 流流动规律以及风流流动的影响因素进行分析和研究。 矿井内风流的流动必须具有一定的能量，用以克服井巷对风流所呈现的通风阻 力。矿井通风阻力分为摩擦阻力和局部阻力两类，它们与风流的流动状态有关。一般 情况下，摩擦阻力是矿井通风总阻力的主要组成部分。而矿井通风动力有自然风压和 机械风压两种 2 6 1 。在矿井通风实际中，当机械风压的大小和进风井风流温度在某一范 围内取定值时，矿井通风系统可能出现两种截然不同的风流状态，并在一定的条件下， 风流状态会发生突变。所以分析和掌握矿井风流流动状态及基本变化规律，对于有目 的地控制风流以达到预期的通风效果具有重要的实际意义。 2 3 通风网络结构对风流稳定性的影响 矿井通风网络是矿井通风系统的重要组成部分，而矿井通风网络图是矿井通风网 络分析的重要依据，是一个由点的集合和分支的集合所组成的图。 1 、通风网络图的邻接矩阵 2 7 - 2 9 】 设通风网络图g - ( v , d 是一个任意两节点之间只有一条分支连接的简单图，iv l = 朋，l e l = 1 ，称m 阶方阵4 ( g ) = ( 口口k 。为通风网络图g 的节点邻接矩阵。其中： i l ，当v 口才v j l ,