基于故障树分析的矿井运煤系统可靠性研究

基于故障树分析的矿井运煤系统可靠性研究

史玉芳刘云东

西安科技大学管理学院陕西西安710054

摘要：矿井运煤系统是矿井生产系统的核心，其可靠性对安全高效矿井建设具有举足轻重的影响。提出了矿井运煤系统可靠性的含义，对柔性连接运煤系统进行了分析，基于故障树分析法构建了柔性矿井连接运煤系统的故障树模型，并基于最小割集对矿井运煤系统可靠性进行了计算，为系统风险评估和控制提供了决策依据。

关键词：矿井运煤系统；可靠性；柔性系统；故障树分析

1矿井运煤系统分析

1.1矿井运煤系统设备组成

矿井运煤系统是指原煤由工作面运输、大巷运输和井筒提升到地面所经过的运输系统，它是由采区运煤系统、大巷运煤系统、井筒提升系统组成的多工序、多环节、多设备的复杂系统，是矿井生产系统的核心。我国的安全高效矿井运煤系统是矿井工作面产出的原煤经工作面输送机、顺槽运输机、上（下）山胶带运输机、大巷强力胶带输送机、缓冲煤仓、井筒提升系统运至地面的柔性连接系统。安全高效的矿井运煤系统由以下设备组成：

（1）采区运煤系统内的运输设备，多为带式输送机，个别为刮板输送机。

（2）大巷运煤系统的运输设备，有间断式矿车轨道运输和连续式带式输送机运输两种方式。

1.2矿井运煤系统分析

现阶段我国矿井的运煤系统主要是柔性连接运煤系统，它比硬性连接系统的改进，就在于当系统中任一环节设备发生故障时不一定影响工作面的正常生产。仓前运输环节的设备故障时导致系统不能运出工作面生产出的煤炭——即系统故障。而仓后运输环节的设备故障时，由于煤仓的缓冲作用，在煤仓满仓之前，如果将仓后运输环节的故障排除，则可保证工作面连续正常生产。煤仓及仓后运输环节对工作面的影响，最终是以煤仓满仓的形式表现出来，即当仓后运输环节不能及时将煤仓中的煤运出而导致满仓时，表现为运输系统的故障——采煤工作面停止生产。所以，在运煤系统中设置煤仓，则煤仓以后运输环节工作的有效度体现在煤仓不满的概率，但同时增加了煤仓环节，当煤仓满仓时，工作面停产，运输系统故障；当煤仓发生事故需要处理时，也导致运输系统故障，工作面也要停产，即柔性连接运煤系统可靠性框图为仓前运输环节、煤仓本身及仓后运输环节保障煤仓不满这样三个环节的串联系统，如图1所示。

图1柔性连接运煤系统可靠性框图

2矿井运煤系统可靠性的含义

根据国家标准规定，产品可靠性的确切含义是“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”[1]。可靠性理论诞生于第二次世界大战中，主要用于军事、电子设备、通讯、机械、航天航空等方面。我国矿井生产系统可靠性的研究始于20世纪80年代，经历了引进、消化理解，到应用研究等阶段，得到了一批从理论到实际应用的研究成果[2]，使得采矿系统工程在采矿系统可靠性方面有了长足的进展。但对于矿井运煤系统可靠性的定义还存在着一些问题，如简单套用可靠性的概念，对运煤系统可靠性的本质分析不够，只是以运煤系统中是否还有运煤的环节作为标准，判别系统是否故障，推导可靠性计算公式，会产生与实际情况相矛盾的结果[3]。

矿井运煤系统的服务对象是工作面，其功能是保证工作面的正常生产，及时运出工作面采出的煤炭，这就是矿井运煤系统可靠性的本质特征。因此，对矿井运煤系统可靠性做如下定义：矿井运煤系统在规定的条件下和规定的时间内保证工作面正常生产的一种能力，称为矿井运煤系统的可靠性.规定的条件就是井下环境，就是在特定的煤层地质、水文等自然条件下，开掘构筑的井巷及保持的井巷内的环境；规定的时间就是矿井日常生产所制定的生产时间；保证工作面正常生产的一种能力用保证工作面正常生产的概率来度量——保持工作面正常生产的程度——保持工作面合理作业的时间保证程度。

3基于故障树分析的矿井运煤系统可靠性分析

矿井运煤系统具有多工序、多环节、多设备的特点，因此为了更好地对系统进行可靠性分析，基于故障树分析方法对矿井运煤系统进行可靠性分析。通过故障树分析法可以找出系统的薄弱环节，这样就能有助于减少故障次数及维护修理时间，提高矿井运煤系统的可靠性，保证系统的整体功效达到最大。同时也可以进行事故预测，增加系统正常运转时间，从而提高系统的生产能力。

3.1矿井运煤系统可靠性模型的建立

针对矿井运煤系统，分析其工作过程及逻辑关系，运煤系统的故障树编制如图3。矿井运煤系统故障树事件代码见表1。

3.2矿井运煤系统故障树分析

在矿井运煤实施过程中，系统可靠性受到多种不确定因素的影响。基于故障树分析法对矿井运煤系统可靠性进行分析，主要任务是对影响系统可靠性的不确定因素进行辨识，分析各影响因素之间的逻辑关系，并对各种不确定因素发生的可能性和影响范围进行合理地估计，在此基础上预测各种故障发生的概率，从而为进一步应对系统风险和控制提供决策依据。

3.3.1估计故障树中底事件发生的概率

针对具体的事件，采用专家调查法评定故障树中底事件发生的概率[4]。底事件发生概率可参照表2评分。

表2底事件发生概率评分参照表

当底事件发生概率较小时，可取式（1）第一项也即上限作为顶事件出现概率的近似值。

（2）部件重要度分析

重要度分析是故障树分析的一项重要内容。重要度给出每个元部件对系统顶事件发生概率的贡献大小。其求解方法有两种：求结构重要度系数法和利用最小割集或最小径集排出结构重要顺序[5]，本文采用后者。组成最小割集的基本故障事件的个数称为该最小割集的阶数，很明显，阶数愈小的最小割集对系统故障的影响也愈大。在求得最小割集之后，按其阶数从小到大顺序排列，就可得到有关元部件的重要度顺序。

近似计算式为：

式中：I(i)———第i个基本事件的结构重要度系数；

nj-1———第j个基本事件所在Kj中各基本事件总数减去1。

由式（2）得到各基本事件对事故的影响顺序，也列入表3中。

4结语

本文针对矿井运煤系统可靠性研究，从概念上明确了矿井运煤系统的设备组成及其可靠性的含义，分析建立了柔性矿井连接运煤系统可靠性框图和故障树模型，并对其可靠性进行定量分析计算。随着可靠性研究的深入和领域的扩展，必然面临新的问题，不可简单地套用已有的模型和公式，而首先应理解其表达的内涵，再结合问题领域的知识和理论，明确所研究问题的可靠性概念，进而正确引进或建立模型，分析解决新的问题。

参考文献

[1]郭永基.可靠性工程原理[M].北京：清华大学出版社,2002.

[2]刘朝马，焦永斌，刘冬梅等.矿井柔性连接运输系统可靠性的模拟研究[J].中国有色金属学报,2007,7(2):25-27.

[3]左秀峰,韩伯棠等.矿井运煤系统可靠性模型[J].系统工程理论与实践,2005(3):133-139.

[4]李建平,余建星.模糊故障树分析方法在工程质量风险分析中的应用[J].水利水电技术,2011,39(2)：45-48.

[5]凌学文.基于FTA的矿井运输安全评价指标的确定[J].陕西煤炭,2012(1)：41-42.