矿井通风系统安全可靠性评价与管理(5)

—1—第五章矿井通风安全评价应用第一节概述矿井是由多系统密切配合而组成的复杂统一体，各系统之间相互制约，又相互关联。矿井生产是煤矿的主系统，矿井通风是其中的一个子系统，它既依附又制约于矿井生产主系统。同时与开采煤层的地质赋存、自然条件(地温、瓦斯、粉尘和煤层自燃倾向性)、采煤方法等外部因素密切关联。矿井通风系统是由通风动力及其装置、通风井巷网络和控制设施组成。矿井通风系统随着矿井生产的进行而不断地发生变化，采掘工作面的推进与接替；采区的准备、投产与结束；矿井开拓延伸等工程的不断进展，使通风系统在网络结构上随时间发生变化，也使影响通风系统正常运行的自然条件发生变化，网络结构的变化通常是可以被预见和规划的。此外，由于采矿活动的影响，通风巷道和通风设施的动力学老化，如巷道受压变形、冒顶、片帮、底鼓、断面缩小，风阻增大，风门、密闭漏风量增大；各种通风动力设备(矿井主要通风机和局部通风机)也因磨损、锈蚀，性能逐渐降低，寿命缩短。从而使通风系统运行参数发生变化，而且各种参数的变化是随机的。因此矿井通风系统严格意义上说是一个动态的、随机的系统。矿井通风是一个以各种技术手段输送、调度空气在井下流动，维护矿井正常生产和劳动安全的动态过程。在生产时期其任务是利用通风动力，以最经济的方式，向井下各用风地点供给质优量足的新鲜空气，保证工作人员的呼吸，稀释并排除瓦斯、粉尘等各种有害物质，降低热害，给井下工人创造良好的劳动环境；在发生灾变时，能有效、及时地控制风向及风量，并与其它措施结合，防止灾害的扩大，进而消灭事故。人们将矿井通风系统实现上述任务的综合能力称为矿井通风系统的可靠性。矿井通风系统能否安全、合理、可靠地运行取决于矿井开拓、井巷布置、开采技术工艺、自然条件以及技术管理水平等多方面因素。因此在矿井通风系统的规划、设计、施工和管理的各个环节，对上述所有因素都必须予以充分考虑。从剖析国内近几年来煤矿各次重大灾害事故发生及扩大的原因和影响因素来看，都无不与矿井通风系统有着密切的关系。因此，建立一个能满足日常生产需风，保证风向稳定、风质合格，并且灾害时期又能保持通风动力设备运行可靠、稳定、能快速实现风流控制的通风系统是至关重要的。在煤炭开采技术发达的美国、英国、德国和波兰等国家，其煤矿生产的特点是：地质赋存条件简单，井型大、机械化程度高，生产相对集中，所以矿井通风系统比较简单，易矿井通风系统安全可靠性评价与管理—2—于管理。50年代波兰提出了简单角联风网对角支路风流的稳定性条件，80年代末，前苏联引进可靠性工程理论，提出了以井巷、通风设施的变形、失修和主要通风机运行不稳定而引起风网风阻、风量变化为出发点的矿井通风系统可靠性的概念，可靠度计算方法等。我国在此方面起步也较早，70年代末，提出了若干种典型的多角联风网的角联支路风流稳定性条件，80年代之后，随着网络理论的发展，又提出了复杂风网角联支路的求解方法，以及风网分支风量敏感度的计算方法等。特别是在与自然灾害作长期斗争的过程中，对矿井通风系统安全可靠性在抗灾和救灾中所起的重要作用逐步形成共识。可以说，矿井通风系统安全可靠性的理论研究已进入了一个新的阶段。—3—第二节矿井通风系统安全可靠性评价指标体系根据矿井通风系统的内涵与所涉及的范围，可以从许多不同的侧面提出反映该系统可靠性的指标。本着“能够确切地反映系统可靠性特征；具有独立明确的物理意义；避免用多种指标反映一个特征；符合科学、可测、可比、简明和可操作”的原则，将本指标体系分为三大类：第一类日常矿井通风系统可靠性B1，包括前7大项29小项指标；第二类矿井通风防灾救灾系统可靠性B2，包括5小项指标；第三类矿井安全监测系统可靠性B3，包括2小项指标。为了衡量各指标好坏，将评价等级分为“合格A、基本合格B和待整改C”三个级别，通过大量调研、统计分析、理论研究，并参考有关技术规范、法规和经验总结，确定出各指标评价分级的界定范围值。由于指标评价分级的边界存在模糊性，因此采用建立各项指标分级隶属函数的方法予以表示，以便更加确切地进行评价。2.1日常矿井通风系统可靠性指标矿井通风系统是一个动态随机的复杂系统，矿井通风系统的发展过程一般要经历规划设计、施工、投产运行、发展变化、直到衰退老化，报废终止。因此它的可靠性首先取决于原始设计数据与计算方法的可靠性；当系统投入运行后，实际井下风量与风质参数的变化可以反映出系统设计阶段预测结果的可靠性以及实际系统运行的稳定性；影响矿井通风系统稳定性的主要因素包括通风网络、通风设施和通风动力装置三大部分，通风网络有结构及其通风阻力分布合理性，通风设施有质量和布置合理性，通风动力装置包括主要通风机装置（辅助通风机）和局部通风机运行可靠性。2.1.1原始数据可靠性C1矿井通风系统设计与管理就是利用一系列数据，采用一系列的科学计算方法进行科学决策。准确的原始数据是决策正确性的前提，科学的计算方法是决策正确性的保证；而且计算方法的可靠性一般是通过计算结果与实际数据的吻合程度来评估，因此归根到底还是数据的可靠性。这些数据中最重要的有通风阻力测量、主要通风机装置性能测定、矿井瓦斯涌出量预测、矿井气温预测和矿井风网解算的结果数据。在矿井通风工程方面，测量数据可靠性一般用测算数据与真实数据的相对误差来描述。（1）矿井风网阻力测定误差d1系指在测量范围内从进风井口（风网的始节点）到风机风硐（风网的末节点）选择一条最大测量阻力路线和一条最小测量阻力路线。它们与风机风压的相对误差，取其中较大相对误差值作为矿井风网阻力测定误差。矿井通风系统安全可靠性评价与管理—4—（2）矿井主要通风机性能测定误差d2系指矿井主要通风机性能参数（风压、功率）实测值与拟合值的残差平方和除以调节测量工况点个数再取其平方根。（3）矿井瓦斯涌出量预测误差d3系指矿井瓦斯涌出量预测值与实测值的相对误差。它决定了通风设计的可靠性。（4）矿井气温预测误差d4系指矿井气温预测值与实测值的绝对误差。它决定了通风降温设计的可靠性。（5）风网解算误差d5系指矿井风网按实测供风量解算所得风机风压与实际风机工作风压的相对误差。上述五项指标d1~d5值越小越好。鉴于目前矿井通风工程技术要求和发展水平，可按表2-1确定UA，UB，UC三级界限值。表2-1指标d1~d5分级界限值指标名称编码单位UAUBUC备注矿井风网阻力测定误差d1%5710矿井各风井通风系统矿井主要通风机性能测定中误差d2%5710矿井各主要通风机矿井瓦斯涌出量预测误差d3%101520矿井矿井气温预测误差d4℃±1.5±2.0±3.0矿井矿井风网解算误差d5%5710矿井各风井通风系统2.1.2风量与风质合格性C2矿井风量与风质是指井下通风地点的风量大小和风流的品质。其主要取决于矿井风量分配的合理性、矿井产量、地质条件、作业污染程度等数据的预测准确性。它直接关系到矿井通风的安全可靠性。因此，建立相应的评价指标是很必要的。（1）用风地点风量供需比d6系指在一个观测周期内，矿井各用风地点实际风量与按本矿区制定的《矿井风量计算方法细则》计算所得风量（需风量）之比。其值反映了矿井通风系统供风的有效性，是通风系统可靠性的基础。鉴于日常产量的波动；用风地点风量调整所需的富裕量；风量测量仪器、人为的误差量，故供风量应大于需风量；但又考虑到计算需风量时已加入了安全富裕系数，如果供风量超过需风量太大，则必然导致过风断面的风速过大，引起粉尘飞扬，增大通风阻力，对防止工作面采空区遗煤的自然发火不利，故用风地点风量供需比的上限应给以限制。（2）井下风流最高污染度d7在一个观测周期内（1个月或1日），矿井规定观测点有毒有害气体成分（瓦斯、二氧化碳、一氧化碳、氢气、氧化氮、二氧化硫、硫化氢和氨）的浓度最高值、氧气浓度最—5—低值作为风流最高污染度。（3）采掘面浮尘浓度最大超标率d8鉴于目前矿井通风除尘技术难度大，除尘效果普遍不理想的情况。选择浮尘浓度最大超标率作为描述采掘面空气粉尘污染的指标，它反映了产尘状况、除尘效果及风速的合理性。其含义为采掘面各观测点空气中粉尘最大浓度超过《规程》第476条所定最高容许值的倍数。（4）井下作业地点最高气温d9井下作业地点最高气温反映了通风降温、空气调节的效果。鉴于目前我国煤矿开采深度逐渐增加，高温矿井逐渐增多，而通风降温技术效果与经济性的矛盾又较为突出，为了改善井下作业环境的气候条件，提高劳动生产率和保护矿工健康，应对作业环境的最高气温予以合理限制。该指标值越小越好。（5）采掘工作面瓦斯超限频率d10该指标仅对有瓦斯连续监测系统的矿井有效。系指矿井在一个生产日内各采掘面作业时空气中瓦斯浓度超过《规程》所规定最高容许值的总次数。反映了风量分配的有效性和风流的稳定性。为确保安全生产，必须对采掘工作面瓦斯日超标次数做出严格的限制。上述五个指标d6~d10的分级界限值如表2-2所示。表2-2风流污染度指标d6~d10分级界限值指标名称编码单位UAUBUC备注用风地点风量供需比d61~1.21.3/1.51.5/2.0采掘面/其它用风地点风流最高污染度COd7,1%0.00240.005易发火检测地点风流最高污染度CH4d7,2%0.51.0采掘面瓦斯检测点风流最高污染度CO2d7,3%0.51.5采掘面瓦斯检测点风流最高污染度O2d7,4%2017作业地点和通风行人巷道采掘面浮尘浓度最大超标率d815~2550采掘面粉尘采样点作业地点最高气温d9℃26/3030/34采掘面/机电硐室采掘面瓦斯超标频率d10次01~34采掘工作面2.1.3通风网络结构合理性C3矿井通风网络结构指矿井通风网络的分支数量及其连接形式。其结构的复杂程度和合理性取决于矿井开拓开采系统设计、巷道布置和矿井瓦斯、地温等因素。它对通风网络风流的稳定性起着重要的作用。因此，建立能真实反映通风网络结构合理性的指标是必要的。（1）采掘工作面串联通风发生率d11该指标系指在一个月内发生串联通风的采掘工作面累计面数占全矿采掘面总数的百分率。采掘工作面串联通风分为3种基本形式：①两个采煤面串联；②两个掘进面串联；③一个采煤面与一个掘进面串联。对于不同自然条件的矿井，在《规程》中作出了相应的规矿井通风系统安全可靠性评价与管理—6—定。开采有瓦斯喷出或有煤与瓦斯（二氧化碳）突出的煤层，严禁任何工作面之间串联通风。因此该指标对于突出矿井必须为零。该指标越小越安全。该值反映了用风地点通风的独立性。（2）用风区风流不稳定的角联分支数d12角联分支是位于通风网络的两条有向通路之间，且不连接两通路的任何公共节点的分支。角联分支相当于两条通路间的桥梁，通过改变角联分支两侧相邻主干分支的风阻，就可以改变其的风向。风流不稳定的角联分支定义为受到外界较小的干扰后就发生风向变化的角联分支。通常，风流不稳定的角联分支风量微小、甚至风向时常变化。因此，用风区风流不稳定的角联分支数应严格限制。该值反映了网络结构对关键区域风流稳定性的影响。该指标值越小越好。（3）矿井风网独立回路数d13和风网角联分支数d14矿井通风网络复杂度可以通过矿井通风网络的分支数、节点数、各级角联分支数和独立回路数来描述，但比较起来独立回路数和各级角联分支数更能真实地反映出矿井通风网络的复杂程度，故将这两项作为评价网络复杂度指标。独立回路数越多、角联分支数越多，网络结构越复杂。一般大型矿井通风网络分支数可达200~400条、节点数100~250个，独立回路数50~150个，角联分支数5~30条。这两指标值越小越好。上述四个指标d11~d14的分级界限值如表2-3所示。表2-3指标d11~d14的分级界限值指标名称编码单位UAUBUC低瓦斯矿采掘工作面串联通风发生率高瓦斯矿采掘工作面串联通风发生率d111d112%002030＞0用风区风流不稳定的角联分支数d12个01矿井通风网络独立回路数d13个50100150矿井通风网络角联分支数d14条2030352.1.4通风网络阻力分布合理性C4矿井通风网络阻力分布是指矿井通风阻力在网络各关键风路上所占比例。其值取决于通风网络的阻力特性和结构布置。它关系到矿井通风能力、