安全工程新技術(shù)專題2通風(fēng)系統(tǒng)可靠性

2通風(fēng)系統(tǒng)牢靠性理論探討（1）牢靠性定義牢靠性是指一個(gè)元件、設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的實(shí)力。（2）通風(fēng)系統(tǒng)牢靠性定義通風(fēng)系統(tǒng)的牢靠性定義為：通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中保持其工作參數(shù)值的實(shí)力，以維持井巷中必需的滿意要求的風(fēng)量的供應(yīng)。（3）通風(fēng)系統(tǒng)牢靠性包含的內(nèi)容1）在生產(chǎn)時(shí)期利用通風(fēng)動(dòng)力，以最經(jīng)濟(jì)的方式，向井下各用風(fēng)地點(diǎn)供應(yīng)保質(zhì)保量的簇新風(fēng)流；2）保證作業(yè)空間有良好的氣候條件；3）沖淡或稀釋有毒有害氣體和礦塵；4）在發(fā)生災(zāi)變時(shí)，能有效、剛好地限制風(fēng)向及風(fēng)量，并與其它措施結(jié)合，防止災(zāi)難的擴(kuò)大，進(jìn)而殲滅事故。（4）通風(fēng)系統(tǒng)牢靠性的度量指標(biāo)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)牢靠性包括風(fēng)路牢靠性和網(wǎng)絡(luò)牢靠性兩方面的內(nèi)容。由于探討方法的不同和通風(fēng)系統(tǒng)本身的困難性，目前關(guān)于通風(fēng)系統(tǒng)牢靠性的度量指標(biāo)說(shuō)法不一。2.1風(fēng)路牢靠性風(fēng)路牢靠度（1）目前探討存在的問題以前，人們探討礦井通風(fēng)系統(tǒng)牢靠性時(shí)，主要的探討參數(shù)是風(fēng)量，筆者認(rèn)為，假如僅僅某條風(fēng)路的風(fēng)量在合理范圍內(nèi)并不能說(shuō)明該條風(fēng)路就是牢靠的，還應(yīng)同時(shí)考慮該風(fēng)路的粉塵濃度、溫度、有毒有害氣體濃度等指標(biāo)是否在合理范圍內(nèi)，也就是說(shuō)該風(fēng)路的全部指標(biāo)都應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，即該風(fēng)路風(fēng)量的數(shù)量和質(zhì)量同時(shí)在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，才能說(shuō)該風(fēng)路是牢靠的。風(fēng)路的破壞、斷面改變、積累雜物等表現(xiàn)為風(fēng)路風(fēng)阻的改變，最終會(huì)導(dǎo)致該風(fēng)路或其他風(fēng)路風(fēng)量值的改變。（2）風(fēng)路牢靠度的定義依據(jù)上述分析，從通風(fēng)的角度，風(fēng)路的牢靠度可定義如下：在某一穩(wěn)定狀態(tài)下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)第條風(fēng)路的風(fēng)量值能夠保持在一個(gè)合理區(qū)間范圍之內(nèi)即且風(fēng)流的質(zhì)量滿意《煤礦平安規(guī)程》要求的概率，稱為這一風(fēng)路的牢靠度。記為。其中、的值和風(fēng)流質(zhì)量相關(guān)參數(shù)由約束條件來(lái)確定。稱第條風(fēng)路風(fēng)量在隨意時(shí)刻保持在合理范圍之內(nèi)且風(fēng)流的質(zhì)量滿意《煤礦平安規(guī)程》要求的概率為該風(fēng)路的牢靠度。記為。（3）約束條件約束條件就是風(fēng)路風(fēng)流發(fā)生失效的邊界條件，約束條件完全依據(jù)《煤礦平安規(guī)程》[43]來(lái)確定。只要風(fēng)流的數(shù)量和質(zhì)量符合規(guī)程的規(guī)定，那么從通風(fēng)的角度講該風(fēng)路就是牢靠的。詳細(xì)說(shuō)，包括以下四方面：1）風(fēng)速2）有毒有害氣體濃度（一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氫、氨）3）溫度4）煤塵、粉塵濃度這四方面只要有一方面不滿意《煤礦平安規(guī)程》規(guī)定，風(fēng)路就會(huì)失效；這四方面同時(shí)滿意《煤礦平安規(guī)程》規(guī)定，風(fēng)路才是牢靠度。（4）風(fēng)路牢靠度表達(dá)式依據(jù)上述分析，風(fēng)路牢靠度可表述為：（2-1）式中，為風(fēng)路的風(fēng)量，m3/s；為風(fēng)路所需最低風(fēng)量，m3/s；為風(fēng)路所允許通過的最大風(fēng)量，m3/s；為風(fēng)路中第類有毒有害氣體濃度，%；為風(fēng)路中所允許的第類有毒有害氣體最高濃度，%；為可能的有毒有害氣體種類，依據(jù)《煤礦平安規(guī)程》[43]，有毒有害氣體包括：一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氫和氨，故；為風(fēng)路的溫度，℃；為風(fēng)路允許的最低溫度，℃；為風(fēng)路的最高允許溫度，℃；為風(fēng)路中第類粉塵（煤塵）濃度，mg/m3；為風(fēng)路中第類粉塵最高允許濃度，mg/m3，為粉塵種類，依據(jù)《煤礦平安規(guī)程》[43]，粉塵類型包括：含游離二氧化硅＞10％的粉塵、含游離二氧化硅＜10％的水泥粉塵和含游離二氧化硅＜10％的粉塵，故。風(fēng)路風(fēng)量分布規(guī)律（1）風(fēng)路牢靠度定義中應(yīng)留意的問題1）對(duì)于工作地點(diǎn)，風(fēng)量不應(yīng)小于額定值，若該風(fēng)路風(fēng)量在區(qū)間[，][，+)內(nèi)且風(fēng)質(zhì)滿意《煤礦平安規(guī)程》[43]要求是牢靠的，，分別為風(fēng)路的下限和上限流速，m/s；為風(fēng)路的斷面積，m2。若[，][，+]=，則說(shuō)明該風(fēng)路嚴(yán)峻不行靠，應(yīng)實(shí)行相應(yīng)措施減小或增大，視詳細(xì)狀況而定。2）對(duì)于一些非關(guān)鍵風(fēng)路，如某些聯(lián)絡(luò)巷，其流向甚至可以允許反向，即該風(fēng)路風(fēng)量在區(qū)間[，][-，-]內(nèi)是牢靠的，此時(shí)該風(fēng)路風(fēng)量失效約束條件為：[，-][-，][，+)，其中、都取正值。.1風(fēng)路風(fēng)量分布（1）數(shù)據(jù)采集為了求出風(fēng)量分布，采納對(duì)風(fēng)量動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析的方法，我們對(duì)集寧二號(hào)礦井四采回風(fēng)下山風(fēng)速進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，每2分鐘得出1個(gè)風(fēng)速值，全天24小時(shí)共得到720個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)公式將風(fēng)速值轉(zhuǎn)化為風(fēng)量值，公式中為集寧二號(hào)礦井四采回風(fēng)下山的斷面積，=10m2。表2-1風(fēng)量數(shù)據(jù)處理組號(hào)組距下界/m3s-1組距上界/m3s-1組距中位數(shù)/m3s-1頻數(shù)/次頻率1222322.511.388889E-032232423.534.166667E-033242524.5111.527778E-024252625.518.0255262726.5243.333334E-026272827.5466.388889E-027282928.5496.805556E-028293029.5476.527778E-029303130.578.108333310313231.5130.180555611323332.5183.254166712333433.584.116666713343534.5344.722222E-0214353635.59.012515363736.511.388889E-03（2）數(shù)據(jù)處理由表2-1畫出頻數(shù)分布直方圖（圖2-1）和頻率組距分布直方圖（圖2-2）。qf(qf(q)圖2-1頻數(shù)分布直方圖qf(qf(q)圖2-2頻率組距分布直方圖形如圖2-2中的曲線為正態(tài)分布。曲線呈鐘性，由一個(gè)最高點(diǎn)，以最高點(diǎn)的橫坐標(biāo)為中心向兩邊對(duì)稱的下降。可見風(fēng)量近似聽從正態(tài)分布。正態(tài)分布曲線方程由（2-2）式給出。（2-2）式中為隨機(jī)樣本值（在本章中為風(fēng)路風(fēng)量值），為正態(tài)分布的均值，即圖2-2中曲線最高值的橫坐標(biāo)。整個(gè)曲線關(guān)于對(duì)稱，為正態(tài)分布的方差。越大，曲線越胖，即數(shù)據(jù)越分散；越小，曲線越瘦，即數(shù)據(jù)越集中。均值由（2-3）式求得（2-3）對(duì)于此例有：=22.5×0.001388889+23.5×0.004166667+…+36×0.001388889=31.01671方差由（2-4）式求出（2-4）對(duì)于此例有：=(22.5-31.01671)2×0.001388889+(23.5-31.01671)2×0.004166667+…+(36.5-31.01671)2×0.001388889=6.029665=2.455538于是圖2-2中的正態(tài)分布曲線為（3）風(fēng)路風(fēng)量分布曲線綜上可得，通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路風(fēng)量正態(tài)分布曲線為（2-5）其中：為第條風(fēng)路在時(shí)刻風(fēng)量分布的方差的二次方根；為條風(fēng)路在時(shí)刻風(fēng)量分布的均值。.2牢靠度函數(shù)圖2-3中陰影部分的面積即為風(fēng)路風(fēng)量小于m3/s的概率。那么風(fēng)路風(fēng)量大于m3/s的概率如（2-6）式所示。（2-6）由數(shù)學(xué)分析可知，圖2-3中陰影部分的面積為（2-7）圖2-3牢靠度示意圖.3風(fēng)路牢靠度計(jì)算由約束條件所確定風(fēng)路風(fēng)量在規(guī)定范圍內(nèi)的概率記為。則由上述分析可知：（2-8）將（2-5）式代入（2-8）式可得（2-9）式。（2-9）其中：、分別為第條風(fēng)路在時(shí)刻允許風(fēng)量的下限和上限，m3/s；為第條風(fēng)路在時(shí)刻的風(fēng)量值，m3/s。同理可得約束條件中有關(guān)有毒有害氣體、溫度、粉塵濃度在規(guī)定范圍內(nèi)的概率依次為（2-10）式～（2-12）式。（2-10）（2-11）（2-12）式中，、、分別為、、的分布函數(shù)。將（2-9）式～（2-12）式代入（2-1）式，可得風(fēng)路在時(shí)刻牢靠度為（2-13）2.2通風(fēng)機(jī)牢靠度首先建立風(fēng)機(jī)失效樹的數(shù)學(xué)模型，選定失效樹的頂事務(wù)為“通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常停機(jī)”。構(gòu)造失效樹時(shí)，風(fēng)機(jī)失效樹的結(jié)構(gòu)邏輯模型由以下部分組成[57]：①動(dòng)力部分：包括電機(jī)、聯(lián)軸器、調(diào)整部分；②底座機(jī)架部分：包括底座、軸承底座、機(jī)架；③工作系統(tǒng)：包括葉輪、前后盤、葉片；④管道系統(tǒng)：包括進(jìn)、排氣管道、管道上機(jī)件；⑤潤(rùn)滑部分：包括齒輪油泵、潤(rùn)滑油、管道機(jī)件；⑥冷卻系統(tǒng)：包括冷卻盤、冷卻系統(tǒng)的機(jī)件等。共75個(gè)基本領(lǐng)件，各個(gè)事務(wù)間的邏輯為或門，風(fēng)機(jī)失效樹如圖2-4所示。建立了風(fēng)機(jī)失效樹模型后，要進(jìn)行風(fēng)機(jī)失效樹的定性定量分析必需探討風(fēng)機(jī)底事務(wù)的失效概率。設(shè)風(fēng)機(jī)失效樹由個(gè)事務(wù)組成，其集合為失效樹的底事務(wù)。每個(gè)底事務(wù)的失效率為（2-14）式中為第個(gè)底事務(wù)的失效率；為單機(jī)運(yùn)用時(shí)間即10萬(wàn)小時(shí)；為第個(gè)事務(wù)的失效次數(shù)。該系統(tǒng)只要一個(gè)底事務(wù)發(fā)生，頂事務(wù)就發(fā)生，只有全部底拿件正常，頂事務(wù)才正常。因此系統(tǒng)的失效率為（2-15）牢靠度系數(shù)為（2-16）在通風(fēng)系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)）牢靠度計(jì)算時(shí)，認(rèn)為只要有一個(gè)回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)故障則系統(tǒng)故障，因此，從功能上講，各處風(fēng)井口的主要通風(fēng)機(jī)是一種串聯(lián)關(guān)系。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常失效風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常失效圖2-4通風(fēng)機(jī)失效樹分析圖（2-17）式中，為修理率，為故障率。主要通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)有效度為[60]（2-18）式中，為主要通風(fēng)機(jī)數(shù)目。2.3通風(fēng)構(gòu)筑物牢靠度考慮到通風(fēng)構(gòu)筑物的功能，采納漏風(fēng)率來(lái)定義構(gòu)筑物的牢靠度。（2-19）式中，對(duì)風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)墻而言為相應(yīng)構(gòu)筑物的漏風(fēng)量，對(duì)風(fēng)橋、風(fēng)障而言為相應(yīng)構(gòu)筑物前的風(fēng)量，對(duì)防爆門、反風(fēng)門而言為流經(jīng)相應(yīng)構(gòu)筑物的風(fēng)量；對(duì)風(fēng)門而言為所在巷道允許通過的風(fēng)量，對(duì)風(fēng)窗而言為設(shè)計(jì)要求的風(fēng)量，對(duì)風(fēng)橋、風(fēng)障而言為相應(yīng)構(gòu)筑物后的風(fēng)量，對(duì)防爆門、風(fēng)墻、反風(fēng)門而言為0；對(duì)風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)橋