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最新矿井通风系统可靠性研究

 

矿井通风系统可靠性研究

 

辽宁工程技术大学

安全新技术专题论文

 

标题矿井通风系统可靠性研究

专业安全工程

班级

学生姓名

学号

 

2012年12月12日

摘要

矿井通风系统是矿井生产的命脉,其稳定性和可靠性直接关系到矿井的安全生产,研究矿井通风系统的稳定性和可靠性,具有特别重要的意义。

随着煤矿开采深度的不断增加,开采规模的不断加大矿井通风系统相应地会越来越复杂,可靠性将降低,甚至可能会导致通风系统的瘫痪。

所以进行矿井通风系统可靠性的研究十分必要。

本文研究了影响通风系统可靠性和可靠度的主要因素,也对风路的有效度和灵敏度进行了分析与推导。

关键词:

通风系统;可靠性;可靠度;有效度;灵敏度

 

1矿井通风系统可靠性

1.1矿井通风系统的合理性

通风系统要满足以下的基本要求:

1)能将足够的风量送往需风地点,通风效果好,风质好,有效风量率高;

2)运行可靠,系统简单,稳定性高;

3)通风阻力小,分布合理,可挖、易调;

4)抗灾能力强,平时易于防灾,灾变时能限制灾害扩大,易于控制,易于救灾,易于尽快恢复生产;

5)经济合算,基建投资、维修和运转费用低。

矿井通风系统的安全可靠性,其广义的内涵我们归纳为:

一是在一定条件下能保证各个釆区及矿井的通风安全和创造良好的劳动环境,供风量和其它生产环节(釆场、提升、运输、排水、的能力相适应,即能为合理组织生产提供条件;一.是通风系统简单、串联风路少,通风设施布置合理、坚固可靠,已采区及其报废的巷道密闭严密,有利于防止自然发火和防尘,并能对矿井及工作面的风流实行连续监测,抗灾能力强;三是主扇运行稳定,故障少,无喘振,多风井联合系统之问无严重干扰,工况合理,运行平均效率应在60以上。

直接的可靠性是要求设计的风量、负压、效率应与实际条件基本符合,即应达到预想的效果。

具体要求如下:

1)矿井必须有完整的独立通风系统。

改变通风系统吋(包括一翼、或一个水平、一个采区),必须履行报批手续;掘进巷道与其它巷道贯通吋,必须按《煤矿安全规程》〔2001年修订版,以下简称《规程》)的规定,制定安全措施。

2)实行分区通风,通风系统中没有不符合《规程》规定的串联通风、扩散通风(排放瓦斯巷道不在此限)、采空区通风和采煤工作面利用局部通风机通风。

3)矿井通风能力满足生产需要。

釆掘工作面和峒室的供风量要符合矿务局的统一标准。

4)矿内各地点风速符合《规程》规定。

5)矿井有效风量率不低于85%。

6)回风巷失修率不高于7%,严重失修率不高于3%。

7)矿井主要通风机的反风设施要按《规程》定期检查,每年进行一次反风演习。

反风效果符合《规程》要求。

8)矿井主要通风机装置外部漏风每年至少要测定-次。

外部漏风率在无提升设备时,不得超过5%,有提升设备时不得超过15%。

1.2矿井通风系统可靠性的定义及指标

可靠性是指一个元件、设备或系统在规定的时间内,在规定的条件下完成规定功能的能力。

矿井通风系统的可靠性定义为:

矿井通风系统在运行过程中保持其工作参数值的能力,以维持井巷中必需的满足要求的清洁风量的供应。

所谓矿井通风系统的工作能力是指通风网络的风量分配符合规定要求。

具体讲通风系统可靠性应包含以下几方面的内容:

1)在生产时期利用通风动力,以最经济的方式向井下各用风地点供给保质保量的新鲜风流;

2)保证作业空间有良好的气候条件;

3)冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘;

4〉在发生灾变时,能有效、及吋地控制风向及风量,并与其它措施结合,防止灾害的扩大,进而消灭事故。

矿井通风系统可靠性的度量指标主要有可靠度、有效度、灵敏度和通风网路复杂度。

1.3通风网路复杂度

通风网路按其复杂程度可分为简单网路和复杂网路,含有角联分支的网路为复杂网路,不含角联分支的网路为简单网路。

角联分支在火灾、风阻变化等条件下可能发生风流方向的改变,这对正常通风条件下的风流稳定性及通风管理是不利的。

大量角联分支的存在,势必使得网路变得复杂,因此用角联分支占分支总数的百分比作为通风网路的复杂度指标是合理的。

即通风网路复杂度指标:

Rf=

式中:

nj一一角联分支数;

n一一通风网路分支总数。

2矿井通风系统可靠度分析

2.1风路可靠度

可靠度是可靠性的度量指标之一。

研究某条风路的可靠性时,不仅要考虑该风路的风量是否在合理范围内,还应同时考虑该风路的粉尘浓度、温度、有毒有害气体浓度等指标是否在合理范围内,即该风路风量的数量和质量同时在规定范围内时,才能说该风路是可靠的。

根据上述分析,从通风的角度,风路的可靠度可定义如下:

在某一稳定状态S(t)下,在规定的时间内第i条风路的风量值qi能够保持在一个合理区间范围之内,即qi1

其中qi1、qi2的值和风流质量相关参数由约束条件A来确定。

约束条件就是风路风流发生失效的边界条件,约束条件完全按照《规程》来确定。

只要风流的数量和质量符合规程的规定,那么从通风的角度讲该风路就是可靠的。

具体说,包括以下四方面:

1)风速

2)有毒有害气体浓度(一氧化碳、氧化氮、一氧化硫、硫化氢、氨)

3)温度

4)煤尘、粉尘浓度

这四方面只要有一方面不满足《规程》的规定,风路就会失效;只有这四方面同时满足《规程》的规定,风路才是可靠的。

3矿井通风系统有效度分析

有效度是系统可靠性理论的重要指标之一,其工程涵义是系统、设备、元件等在规定的条件下,在任意时刻t正常工作的概率,称为瞬时有效度。

用A(t)表示,即A(t)=P(t时刻系统正常)。

若极限limA(t)=A存在,则称A为稳定有效度。

稳定有效度A是可修系统中重要指标之一,表示部件或系统在长期运行中,大约有A的时间比例处于正常工作状态,所以又称系统的时间利用率。

下文所讲有效度均指稳定有效度。

3.1有效度的定义

如前所述,矿井通风系统可靠性应包含以下几方面的内容:

1)在生产时期利用通风动力,以最经济的方式向井下各用风地点供给保质保量的新鲜风流;

2)保证作业空间有良好的气候条件;

3)冲淡或稀释有毒有害气体和矿尘;

4)在发生灾变时,能有效、及时地控制风向及风量,并与其它措施结合,防止灾害的扩大,进而消灭事故。

据此作如下定义:

矿井通风系统有效度是在通风设施(设备)、有毒有害气体、煤尘、火灾事故以及影响通风断面的堆积物等因素影响的条件下,在任意时刻t内能够达到上述通风目的的概率,用A表示。

3.2有效度的求解

有效度可以用平均正常通风时间和平均通风失效时间两个指标进行衡量。

平均正常通风时间指从通风正常情况下开始到通风失效时平均时间间隔,记作tMTBF。

平均通风失效时间指从通风失效开始到恢复正常通风的平均间隔时间,记作tMTTF。

这里定义μ为通风系统的维修率,λ为通风系统的故障率,大量实例资料表明:

通风系统维修率μ、故障率λ和平均正常通风吋间tMTBF、平均通风失效吋间tMTTF存在以下关系:

λ=1/tMTBF

λ=1/tMTTF

则风路的有效度为:

A=

=

=

通过对生产矿井工作面通风状况和关键通风因素的调查研究中发现:

矿井平均正常通风时间和平均通风失效时间服从指数分布。

因此,矿井通风系统有效度可以利用马尔可夫理论求得,在此不作讨论。

4矿井通风系统灵敏度分析

4.1灵敏度的概念

∣△Rj∣→0

矿井通风网络是一有机联系的整体,风网中任一分支付风阻Ri的变化都可能引起自身以及其他有关分支甚至全矿所有分支的风量变化。

当某分支Ri发生±△Ri的变化时,风网中任一分支i的风量值Qi也相应地发生一个±△Qi的变化,当∣Rj∣→0时:

dij=lim

=

即为分支i的风量Qi变化相对于分支就j的风阻Ri变化的灵敏度。

4.2灵敏度在矿井通风中的应用

(1)通风系统设计计算和日常管理

通风网络的灵敏度dij越大,即风量Qi随风阻Rj的变化率越大,则在风阻Rj变化相同的情况下,风量Qi的变化也就越大。

说明通风网络工作状态随着风网的参数值的某些变化会有较大的波动。

因此,要求每一条分支的风流保持稳定,应当是:

а=

而要求整个通风网络的风流处于稳定状态,应当是:

β=

上式可作为进行矿井通风系统(网络〉设计计算和日常管理的--个指标和方向,可认为是设计一个好的通风系统(网络)、对通风系统(网络)进行良好管理的一个条件式。

(2)风流稳定性的比较

在某一风网中,风路α的风流稳定性优于风路b:

则:

对于两个不同的通风网络,风网A的风流稳定性优于风网B,则:

上式可作为矿井通风系统设计计算时,进行通风系统(网络〉方案选优条件之一,可作为不同矿井之间,对其通风日常管理工作进行评比的依据之一。

(3)通风网络风量调节

矿井风量调节是试图通过风网中某些风路风阻的改变,而引起风网中各风路风量的变化,使用风地点变化以后的风量符合矿井安全生产要求的风量。

与保持矿井风网的风流稳定性相比,由于后者是试图在风网中某些风路风阻变化的情况下,使各风路的风量变化,尤其是用风地点的风量变化保持在最低的限度。

可见两者在要求上正好相反。

因此,根据前面对于灵敏度的分析,我们可以得到灵敏度在风网风量调节中应用的原则。

鉴于我国矿山的风量调节大多数釆用局部增阻调节的方法,以下讨论增阻调节的情况。

①通风网络分支可调节的条件

通风网络分支可调节的条件

在通风网络中,若某一用风地点(分支i)的自然分配风量小于所需风量,则可调节的分支j是满足下面公式的分支。

若某一用风地点(分支i)的自然分配风量大于所需风量,则可调节的分支j是满足下面公式的分支。

②通风网络调控易于实现,即通风网络可调性好的条件

③为保证通风网络调控的经济性,应尽量避免设置高阻力的风窗。

为此,对于某一用风地点(风路分支j)进行调节吋,增阻分支应满足:

④这是进行通风网络风量调节时,选择调节地点的重要原则。

5结论

1)矿井通风系统是一个复杂的系统,对其进行可靠性分析时不应釆用单一指标,而应当综合考虑可靠度、有效度、灵敏度和网络结构复杂度等指标来对通风系统可靠性进行综合评价。

2)矿井通风系统的可靠性有其特殊性,不应机械地套用机械部件的可靠性理论;对通风系统可靠性的计算应结合网络解算来进行;通风网络的工作可靠性可由其各部分的通风阻力稳定性来确定。

3)有效度是通风系统可靠性的重要指标,可用平均正常通风时间和平均通风失效时间两个指标进行衡量。

本文通过对生产矿井工作面通风状况和关键通风因素的调查研究中发现:

矿井平均正常通风吋间和平均通风失效吋间服从指数分布。

由此,应用马尔可夫定理对有效度求解进行了推导,得出了有效度的计算式。

致谢

本论文是在同学们的共同商量下完成的,在此对参与完成本论文的同学表示衷心的感谢和崇高的敬意!

同时对学院有关老师能给与我们这次锻炼的机会,表示衷心的感谢!

参考文献

[1]贾进章,马恒,刘剑.影响角联风路稳定性的相关风路研究.辽宁工程技术大学学报,2002.21(3)

[2]贾进章,马恒,刘剑.基于灵敏度的通风系统稳定性分析.辽宁工程技术大学学报,2002.21(4)

[3]郭永基.可靠性工程原理.北京:

清华大学出版社,2002

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