礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)體系的構(gòu)建與實(shí)施

范紅偉

(山西工程職業(yè)學(xué)院,太原 030032)

煤礦安全生產(chǎn)是一個系統(tǒng)工程,而礦井通風(fēng)子系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。許多特別重大事故都與通風(fēng)系統(tǒng)的不完善、不可靠有關(guān)。因此,礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性直接影響到礦井的安全生產(chǎn)。

評價指標(biāo)是全面、客觀的衡量礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。以往評價指標(biāo)的選擇更關(guān)注設(shè)備、設(shè)施、環(huán)境因素的影響,對于人和管理兩個因素關(guān)注度不夠。本文從影響事故發(fā)生的4M因素(人、機(jī)、環(huán)境、管理)出發(fā),構(gòu)建礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)體系,利用模糊數(shù)學(xué)確定評價指標(biāo)隸屬函數(shù),應(yīng)用改進(jìn)的層次分析法(AHP)確定評價指標(biāo)權(quán)重值,力求更全面、更系統(tǒng)、更趨于實(shí)際地完成礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價,對保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

本文基于安全系統(tǒng)工程學(xué)原理,結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》、AQ 1028-2006《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》和《煤礦安全生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化》,參考國內(nèi)專家學(xué)者相關(guān)文獻(xiàn)[1-8],根據(jù)影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的因素進(jìn)行分析,構(gòu)建人-機(jī)-環(huán)境-管理可靠性評價指標(biāo)體系,如表1所示,包括4個準(zhǔn)則層指標(biāo)和20個因素層指標(biāo)。

表1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)體系Table 1 The reliability evaluation index system for the mine ventilation system

1.2 構(gòu)建隸屬函數(shù)

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系中,評價指標(biāo)隸屬函數(shù)的確定至關(guān)重要。在模糊數(shù)學(xué)中,隸屬函數(shù)的種類很多,本文綜合考慮各評價指標(biāo)的分布特征,以通風(fēng)設(shè)備及設(shè)施準(zhǔn)則層為例建立了礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的隸屬函數(shù)。

1)主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓。主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓越大,表明消耗的能量就越多,漏風(fēng)的幾率和漏風(fēng)量也越大,越易引起煤炭自燃,礦井通風(fēng)管理難度越大。按照礦井通風(fēng)阻力不超過2 940 Pa的要求,得出

.(1)

式中:p0為礦井風(fēng)壓的閾值,取2 940 Pa;p為礦井的實(shí)際風(fēng)壓值,Pa。

2)主要通風(fēng)機(jī)工況穩(wěn)定性。主要通風(fēng)機(jī)承擔(dān)全礦或一翼的通風(fēng)任務(wù),其運(yùn)轉(zhuǎn)工況穩(wěn)定與否對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠程度具有重要的意義。根據(jù)礦井主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與其最高風(fēng)壓的比值,得出：

①一臺通風(fēng)機(jī)的礦井

(2)

式中:K2=ps/ps,max;ps為主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓,Pa;ps,max為主要通風(fēng)機(jī)最高風(fēng)壓,Pa。

②多臺通風(fēng)機(jī)的礦井

(3)

對于多臺通風(fēng)機(jī)工作的礦井,取通風(fēng)機(jī)風(fēng)量加權(quán)平均值f2作為主要通風(fēng)機(jī)工況的穩(wěn)定性:

(4)

式中:Qi為礦井各主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量,m3/s。

3)主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況。由于對風(fēng)機(jī)故障缺乏概率統(tǒng)計(jì),因而只能根據(jù)風(fēng)機(jī)的服務(wù)年限、檢修保養(yǎng)時間間隔、性能鑒定時間間隔等按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠度f3：

f3=(100%-2%N)-(t-1)×2%-(T-5)×2%-m×2% .

(5)

式中:N為風(fēng)機(jī)的服務(wù)年限,年;t為風(fēng)機(jī)的平均檢修保養(yǎng)間隔時間,月,當(dāng)檢修保養(yǎng)間隔時間小于1個月時,取t=1;T為主要通風(fēng)機(jī)性能測定的平均間隔時間,年,當(dāng)平均間隔時間小于5年時,取T=5;m為上一年度風(fēng)機(jī)故障次數(shù),次/年。

4)局部通風(fēng)可靠性。

f4=1-1×n1-n2×20%-n3×2%-n4×2%-n5×2-n6×3% .

(6)

式中:n1為出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)的次數(shù),當(dāng)出現(xiàn)循環(huán)風(fēng)1次及以上時,取n1=1,此項(xiàng)不得分;n2為無計(jì)劃停風(fēng)的次數(shù);n3為風(fēng)筒接頭破口的次數(shù)(末端20 m除外);n4為風(fēng)筒缺環(huán)的個數(shù);n5為風(fēng)筒摩擦、擠壓的次數(shù);n6為風(fēng)筒拐死彎的個數(shù)。

5)通風(fēng)設(shè)施質(zhì)量可靠性。井下密閉、風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)橋的質(zhì)量要可靠,否則會形成內(nèi)部漏風(fēng)和通風(fēng)系統(tǒng)紊亂,引起瓦斯超限、煤炭自燃等事故發(fā)生。因此,質(zhì)量合格率越高越好,由此可知：

f5=0.3S1+0.2S2+0.2S3+0.3S4.

(7)

式中:S1為密閉合格率,%;S2為風(fēng)門合格率,%;S3為風(fēng)窗合格率,%;S4為風(fēng)橋合格率,%。

2 評價指標(biāo)的權(quán)重值

采用改進(jìn)的AHP全面分析準(zhǔn)則層的4個評價指標(biāo)和因素層的20個評價指標(biāo)對通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的影響程度,再確定各自的權(quán)重值[9-10]。

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系中,參照《煤礦重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)》,完整的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)和礦井風(fēng)量供需比，這2項(xiàng)評價指標(biāo)具有一票否決權(quán)。只有在這兩項(xiàng)都合格的前提下,權(quán)重值的確定才有意義,才能對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行評價。

2.1 構(gòu)造判斷矩陣

按照表2各因素的比較準(zhǔn)則,依據(jù)10位相關(guān)專家對系統(tǒng)環(huán)境可靠性、設(shè)備及設(shè)施可靠性、人員可靠性、基礎(chǔ)管理4個指標(biāo)相對重要性的打分結(jié)果,取其平均值,構(gòu)成準(zhǔn)則層評價指標(biāo)判斷矩陣,如表3所示。

表2 比較準(zhǔn)則Table 2 The comparison criteria

表3 準(zhǔn)則層評價指標(biāo)判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of standard layer evaluation index

2.2 權(quán)重值的計(jì)算

應(yīng)用改進(jìn)的AHP,不需要一致性檢驗(yàn)就能自然滿足一致性要求,直接求出權(quán)重值。準(zhǔn)則層評價指標(biāo)權(quán)重值計(jì)算如下:

1)構(gòu)造判斷矩陣A=[aij]∈Rn×n,如表3所示。

2)計(jì)算傳遞矩陣B,bij=lgaij(i,j=1,2,…,n)

5)用方根法求A特征向量

即準(zhǔn)則層評價指標(biāo)權(quán)重值為:

M=[M1,M2,M3,M4]T=[0.531 7,0.270 2,0.076 0,0.122 1]T

同理構(gòu)造出因素層的判斷矩陣,用相同的方法計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重值,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3 構(gòu)建評價模型

在完整的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)和礦井風(fēng)量供需比這2項(xiàng)指標(biāo)都滿足的前提下進(jìn)行評價,其評價模型為:

(8)

式中:S為礦井通風(fēng)系統(tǒng)綜合分值;Mi為準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重;Mij為因素層評價指標(biāo)的權(quán)重;Fij為因素層評價指標(biāo)的隸屬度。

最后,把計(jì)算結(jié)果換算成百分制分值S′=INT(100S+0.5)。根據(jù)評價值的大小按表4確定礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的等級。

表4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的等級Table 4 The reliability grade of the mine ventilation system

4 實(shí)例分析

山西某煤礦,礦井通風(fēng)方式為中央并列式,通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。該礦現(xiàn)有5個井筒,分別為:主斜井、副斜井、行人斜井、進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井,礦井總回風(fēng)量為11 050 m3/min。該礦為高瓦斯礦井,礦井絕對瓦斯涌出量為37.46 m3/min,回采面最大絕對瓦斯涌出量為23.73 m3/min,掘進(jìn)面最大絕對瓦斯涌出量為2.87 m3/min。

特邀請有關(guān)專家、煤礦管理人員確定了該礦井通風(fēng)系統(tǒng)評價指標(biāo)的值。通過在礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性軟件中,輸入相應(yīng)的指標(biāo)值,會自動制作出礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價書。該礦綜合評價結(jié)果得分為:91.22,煤礦安全等級屬于B級,即礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠，存在少量小問題，應(yīng)注意預(yù)防。評價結(jié)果反映了該礦的實(shí)際狀況,并提出了改進(jìn)措施:1)井下通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)施較多,應(yīng)適當(dāng)加以控制,保證質(zhì)量,加強(qiáng)管理;2)掘進(jìn)工作面出現(xiàn)風(fēng)筒摩擦、擠壓,應(yīng)加強(qiáng)局部通風(fēng)的管理。

5 結(jié)論

1)以安全系統(tǒng)工程學(xué)原理為基礎(chǔ),結(jié)合煤礦通風(fēng)特點(diǎn),從“人-機(jī)-環(huán)境-管理”4個方面構(gòu)建煤礦通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)體系,由4個準(zhǔn)則層指標(biāo),20個因素層評價指標(biāo)構(gòu)成。

2)根據(jù)礦井通風(fēng)模糊屬性的特點(diǎn),確定了評價指標(biāo)的隸屬函數(shù),并采用改進(jìn)的層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重。其中,礦井風(fēng)量供需比和完整的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)具有一票否決權(quán)限。

3)構(gòu)建了礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價模型,對山西某礦的通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀做出綜合評價,形成礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價書。從評價結(jié)果來看,該礦通風(fēng)系統(tǒng)可靠性安全等級為B級,與礦井實(shí)際相符。