矿井通风系统可靠性评价指标体系的构建与实施

范红伟

(山西工程职业学院,太原 030032)

煤矿安全生产是一个系统工程,而矿井通风子系统是保障煤矿安全生产的基础。许多特别重大事故都与通风系统的不完善、不可靠有关。因此,矿井通风系统的可靠性直接影响到矿井的安全生产。

评价指标是全面、客观的衡量矿井通风系统可靠性的基础和关键。以往评价指标的选择更关注设备、设施、环境因素的影响,对于人和管理两个因素关注度不够。本文从影响事故发生的4M因素(人、机、环境、管理)出发,构建矿井通风系统可靠性评价指标体系,利用模糊数学确定评价指标隶属函数,应用改进的层次分析法(AHP)确定评价指标权重值,力求更全面、更系统、更趋于实际地完成矿井通风系统可靠性评价,对保证矿井通风系统的可靠运转具有重要的理论和现实意义。

1 评价指标体系的构建

1.1 构建评价指标体系

本文基于安全系统工程学原理,结合《煤矿安全规程》、AQ 1028-2006《煤矿井工开采通风技术条件》和《煤矿安全生产质量标准化》,参考国内专家学者相关文献[1-8],根据影响矿井通风系统的因素进行分析,构建人-机-环境-管理可靠性评价指标体系,如表1所示,包括4个准则层指标和20个因素层指标。

表1 矿井通风系统可靠性评价指标体系Table 1 The reliability evaluation index system for the mine ventilation system

1.2 构建隶属函数

在矿井通风系统可靠性指标体系中,评价指标隶属函数的确定至关重要。在模糊数学中,隶属函数的种类很多,本文综合考虑各评价指标的分布特征,以通风设备及设施准则层为例建立了矿井通风系统可靠性的隶属函数。

1)主要通风机负压。主要通风机负压越大,表明消耗的能量就越多,漏风的几率和漏风量也越大,越易引起煤炭自燃,矿井通风管理难度越大。按照矿井通风阻力不超过2 940 Pa的要求,得出

.(1)

式中:p0为矿井风压的阈值,取2 940 Pa;p为矿井的实际风压值,Pa。

2)主要通风机工况稳定性。主要通风机承担全矿或一翼的通风任务,其运转工况稳定与否对矿井通风系统的安全可靠程度具有重要的意义。根据矿井主要通风机风压与其最高风压的比值,得出：

①一台通风机的矿井

(2)

式中:K2=ps/ps,max;ps为主要通风机风压,Pa;ps,max为主要通风机最高风压,Pa。

②多台通风机的矿井

(3)

对于多台通风机工作的矿井,取通风机风量加权平均值f2作为主要通风机工况的稳定性:

(4)

式中:Qi为矿井各主要通风机风量,m3/s。

3)主要通风机运行状况。由于对风机故障缺乏概率统计,因而只能根据风机的服务年限、检修保养时间间隔、性能鉴定时间间隔等按经验计算风机运行的可靠度f3：

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

(5)

式中:N为风机的服务年限,年;t为风机的平均检修保养间隔时间,月,当检修保养间隔时间小于1个月时,取t=1;T为主要通风机性能测定的平均间隔时间,年,当平均间隔时间小于5年时,取T=5;m为上一年度风机故障次数,次/年。

4)局部通风可靠性。

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

(6)

式中:n1为出现循环风的次数,当出现循环风1次及以上时,取n1=1,此项不得分;n2为无计划停风的次数;n3为风筒接头破口的次数(末端20 m除外);n4为风筒缺环的个数;n5为风筒摩擦、挤压的次数;n6为风筒拐死弯的个数。

5)通风设施质量可靠性。井下密闭、风门、风窗、风桥的质量要可靠,否则会形成内部漏风和通风系统紊乱,引起瓦斯超限、煤炭自燃等事故发生。因此,质量合格率越高越好,由此可知：

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

(7)

式中:S1为密闭合格率,%;S2为风门合格率,%;S3为风窗合格率,%;S4为风桥合格率,%。

2 评价指标的权重值

采用改进的AHP全面分析准则层的4个评价指标和因素层的20个评价指标对通风系统可靠性的影响程度,再确定各自的权重值[9-10]。

在矿井通风系统评价指标体系中,参照《煤矿重大生产安全事故隐患判定标准》,完整的独立通风系统和矿井风量供需比，这2项评价指标具有一票否决权。只有在这两项都合格的前提下,权重值的确定才有意义,才能对矿井通风系统进行评价。

2.1 构造判断矩阵

按照表2各因素的比较准则,依据10位相关专家对系统环境可靠性、设备及设施可靠性、人员可靠性、基础管理4个指标相对重要性的打分结果,取其平均值,构成准则层评价指标判断矩阵,如表3所示。

表2 比较准则Table 2 The comparison criteria

表3 准则层评价指标判断矩阵Table 3 Judgment matrix of standard layer evaluation index

2.2 权重值的计算

应用改进的AHP,不需要一致性检验就能自然满足一致性要求,直接求出权重值。准则层评价指标权重值计算如下:

1)构造判断矩阵A=[aij]∈Rn×n,如表3所示。

2)计算传递矩阵B,bij=lgaij(i,j=1,2,…,n)

5)用方根法求A特征向量

即准则层评价指标权重值为:

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

同理构造出因素层的判断矩阵,用相同的方法计算出各指标权重值,计算结果如表1所示。

3 构建评价模型

在完整的独立通风系统和矿井风量供需比这2项指标都满足的前提下进行评价,其评价模型为:

(8)

式中:S为矿井通风系统综合分值;Mi为准则层指标的权重;Mij为因素层评价指标的权重;Fij为因素层评价指标的隶属度。

最后,把计算结果换算成百分制分值S′=INT(100S+0.5)。根据评价值的大小按表4确定矿井通风系统可靠性的等级。

表4 矿井通风系统可靠性的等级Table 4 The reliability grade of the mine ventilation system

4 实例分析

山西某煤矿,矿井通风方式为中央并列式,通风方法为机械抽出式。该矿现有5个井筒,分别为:主斜井、副斜井、行人斜井、进风立井和回风立井,矿井总回风量为11 050 m3/min。该矿为高瓦斯矿井,矿井绝对瓦斯涌出量为37.46 m3/min,回采面最大绝对瓦斯涌出量为23.73 m3/min,掘进面最大绝对瓦斯涌出量为2.87 m3/min。

特邀请有关专家、煤矿管理人员确定了该矿井通风系统评价指标的值。通过在矿井通风系统可靠性软件中,输入相应的指标值,会自动制作出矿井通风系统可靠性评价书。该矿综合评价结果得分为:91.22,煤矿安全等级属于B级,即矿井通风系统可靠，存在少量小问题，应注意预防。评价结果反映了该矿的实际状况,并提出了改进措施:1)井下通风调节设施较多,应适当加以控制,保证质量,加强管理;2)掘进工作面出现风筒摩擦、挤压,应加强局部通风的管理。

5 结论

1)以安全系统工程学原理为基础,结合煤矿通风特点,从“人-机-环境-管理”4个方面构建煤矿通风系统可靠性评价指标体系,由4个准则层指标,20个因素层评价指标构成。

2)根据矿井通风模糊属性的特点,确定了评价指标的隶属函数,并采用改进的层次分析法确定各评价指标的权重。其中,矿井风量供需比和完整的独立通风系统具有一票否决权限。

3)构建了矿井通风系统可靠性评价模型,对山西某矿的通风系统现状做出综合评价,形成矿井通风系统可靠性评价书。从评价结果来看,该矿通风系统可靠性安全等级为B级,与矿井实际相符。