基于FMEA的掘进工作面局部通风风险评价

靳燕飞

（同煤集团忻州窑矿，山西 大同 037000）

矿井生产过程中需要足够的新鲜风流供作业人员呼吸和改善作业环境[1]。煤矿通风系统包括全矿井通风系统和局部通风系统，通过主要通风机和局部通风机配合确保井下采掘工作面风流的供给[2-4]，局部通风机可以对风流进行局部控制满足生产需要。 局部通风系统构成包括机械部分和电力部分，每一部分环节出现问题都可能造成非计划停机、停风[3-4]。因此，为了使井下风流供给正常，必须保证所有环节都处于良好的工作状态。 但鉴于通风系统设备多、负荷大、管理复杂，使用传统的方法很难快速准确的对系统存在的风险进行管控。 本次研究将对忻州窑煤矿局部通风系统出现故障的诱因展开分析，并利用FMEA 法对各危险有害因素的风险性大小进行评价，旨在为矿井局部通风系统管理提供理论指导。

1 局部通风系统的组成和故障特征

1.1 通风系统的组成

局部通风在矿井通风系统中发挥重要作用，不仅能够为井下作业人员及设备提供新鲜风流，而且能够排除作业场所中的有害物质， 改善工作环境。局部通风系统组件包括高低压电力设备与机械设备，主要为：变电站、变压器、配电器、各类开关、继电器、局扇、风门、风筒、风窗等。 局部通风系统常使用轴流式通风机， 通风设备的运行环境较为复杂，因此须采用本质安全型防爆设备。

1.2 故障特征

首先是复杂性，通风系统设备数量多、工作负荷大、环节多，需要各个子系统之间相互配合，而其繁琐的运行流程及复杂的工作环境，都将对系统稳定运行产生巨大的考验，所以设备隐患的发现与处理都是复杂系统工程的一部分；其次是故障具有关联性， 通风系统的各个环节都是整体的有机结合，某个前置环节出现问题必然导致后续环节出现故障的几率增加， 例如电气故障会导致风机频繁启停，风机的频繁启停会加剧传动部件的磨损，同时使风筒受到强大的冲击导致破损或漏风等；最后是通风系统故障的持续性，通风系统中除了外力破坏外，往往先出现故障隐患，不会直接导致系统相关设备出现破坏性停机， 而是需要相对长的时间，当隐患积累一定程度后才会出现故障，例如风机受到磨损后在微观上出现不均衡旋转， 导致应力不平衡，使相关传动件出现扭曲变形，如果不加以处理，当磨损到一定程度后会出现振动，这加剧了金属疲劳，最终使部件产生裂缝，直至出现断裂等。

2 故障综述

综上而言，通风系统主要故障可归类为电力故障和机械故障，而电力故障又可以细分为高压和低压电力故障。

2.1 高压电力故障

高压电力设备主要包括：移动变压器、高压电缆、高压开关和其它电路元件。 高压电力设备要求具有阻燃和防爆性能，监视线和屏蔽线等专用线缆和高压电缆相互配合使用。 高压开关要设置于安全封闭的空间内，其主要由以下部件组成：高压断路器、隔离开关、高压熔断器、高压负荷开关以及必要的继电器、闭锁和相关的仪器仪表、信号显示设备等，以上主要设备有多重类型，结构和原理各不相同，出现故障的原因和形式也多种多样。

在局部通风系统常见的高压电力设备故障中（见图1），变压器故障原因主要为油温过高、油位异常、漏电、紧固件松动、接地不良、过电压、漏油和套管故障等；高压电缆主要故障原因包括劣质电缆连贯性击穿、电缆外力损伤、不正常安装和接地故障等；引起开关不能合闸的原因包括异常高温、设备损坏和机械故障等；断路器出现故障原因包括连杆断裂变形、失压脱扣器线圈烧毁、衔铁变形、漏电、异常高温等；引起油断路器出现故障原因包括油面过高或过低、油质不洁、遮断容量小和操作不当等。

图1 高压电力故障分类

2.2 低压电力故障

低压电力设备主要包括：电缆、馈电开关、变压器、保护器、低压开关和继电器等。 主要故障包括电缆故障、变电器异响或高温、开关故障及电压异常等。

低压电力故障中（见图2），引起低压电缆故障主要原因包括绝缘受损、外力损伤、不正常安装和接地故障等；引起馈电设备出现故障原因包括连杆变形、脱扣器损坏、衔铁变形、漏电、信号缺失等；引起变电器异响原因为漏电、紧固件松动、接地不良、过电压和绝缘故障等；引起变压器温度过高原因包括油温过高、油位异常、漏电、紧固件松动、接地不良、过电压、漏油或变质和套管故障等。

图2 低压电力故障分类

2.3 机械故障

机械系统主要包括供风装置、调风装置和配风装置等，其中局扇、风门和风筒等出现故障的概率比较大。

常见故障中（见图3），引起成风机异常振动原因包括传动件弯曲、机械部件碰撞、金属疲劳变形、松动等；引起风压高或风量小的原因包括风流摩擦力增大、通风阻力增大、通风不畅等；引起风压低的原因包括功率下降、漏风、机械间摩擦力大等；引起噪音的原因包括机械摩擦增大、碰撞、紧固松动、油温高或变质等；引起叶轮损坏的原因包括金属疲劳变形、装配不到位、机械部件损坏、摩擦力增大等。

图3 机械故障分类

3 FMEA 法简介

FMEA的全称为 Failure Mode and Effects Analysis，是一种自下而上的系统识别方法，属于“事前的预防措施”。 该方法能够对故障影响程度进行分析，其识别对象可以是某项功能或一个项目甚至一个系统，主要是分析复杂状态下某系统故障的主要致因以及每项故障因素的权重，是一种可观的分析方法，该法具有稳定、准确的特点。 根据其分析结果可以对隐患和故障进行分级处理，提高故障识别和处理效率。

其风险计算见式（1）：

式中：RPN 为风险系数， 风险系数大于100 时需要特别关注；S 为故障严重程度，一般将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，量化值分别为5、4、3；O 为发生可能性，按发生概率由小至大取值1～10；D 为困难程度，由小至大取值1～10。

4 FMEA 评价法的应用

同煤集团忻州窑矿核定生产能力2.30 Mt/a，矿井采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。 该矿采用两翼对角式通风方式，主井和副井为进风井，井田两翼为回风井，矿井通风系统完善，风量充足，以风定产。 所有采区和工作面均有独立的回风上（下）山和专用回风巷，各采区、各工作面通风系统互不影响，相对独立。

表1 通风系统故障FMEA 评价

通过对历年来通风系统故障情况进行统计和总结，结合现场调研情况，对通风系统主要故障的严重程度（S）、发生可能性（O）和发现困难程度（D）进行赋值，并对风险系数（RPN）进行计算，计算结果见表1，基于此对通风系统故障因素进行综合评价如下：

1）变压器、高压电缆、风量过低和叶轮损毁的故障严重程度为Ⅰ类；噪音异常、低压馈电开关故障、低压变电器异响发生可能性最高；风量过低和风压过低的发现困难程度为极难。 在日常安全管理过程中须对上述故障采取针对性的管控措施。

2）由表1 可知，在15 种通风系统故障类型中共有9 项故障的风险系数大于100， 特别是变压器低压馈电开关和叶轮损毁等故障风险相对较大，需要提高关注程度。 通过对现场实际情况的分析，这些故障大多易于发现且处理简单，通过加强保养和维护即可得到有效的管控。

5 结语

通过FMEA 法对通风系统故障严重程度、出现概率、发现难度进行赋值并计算风险系数值，其中变压器、高压电缆、风量过低和叶轮损毁的故障严重程度为Ⅰ类；噪音异常、低压馈电开关故障、低压变电器异响发生可能性最高；风量过低和风压过低的发现困难程度为极难； 在15 种通风系统故障类型中共有9 项故障的风险系数大于100， 特别是变压器、低压馈电开关和叶轮损毁等故障风险相对较大，需要提高关注程度。