矿山井下排水系统可靠性分析*

时间：2024-07-28

邵必林吴琼

(西安建筑科技大学管理学院)

矿用水泵是保证矿山安全生产的重要设备之一，其在诸多井下矿山机电设备中用量多、耗能大。针对其高效使用率和重要性，国内部分学者从不同层面对设备的选择与设计进行过可靠性分析。李辉等［1］利用可靠性工程理论，对井下排水泵的台数进行了研究;吴革新［2］从用户的角度出发，对矿用水泵运转的可靠性进行了探讨;张启民［3］简述了可靠性技术在水泵设计、技术管理中的应用。然而就现有的研究成果来看，对于井下整体排水系统的分析并没有将各水平下水泵的布置方式予以考虑。分析依据的全面性不够，必然影响结果的客观性。因此，本研究在对各水平排水系统的可靠性进行计算的同时，将集中排水系统与分段排水系统一并考虑，更为深入合理地对井下排水系统的可靠性进行分析。

1 水泵数量的配比

以《GB50215—94 煤炭工业矿井设计规范》(以下简称《规范》)为标准，在工作水泵的总能力20 h内排出矿井24 h的正常涌水量下，备用水泵的台数不应该少于工作水泵台数的70%。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，还要在主泵房内预留增设水泵的位置。系统必须装备2路水管，其通过能力分别与工作水泵和备用水泵相适应，使2水泵能同时开动，以保证雨季排水。按照这种设计指导思想，姚贵英等［4］将水泵的工作台数与备用台数配比如表1所示。

表1 水泵的工作台数与备用台数配比台

从实际效果来看，按《规范》计算的水泵台数很难适应各类因素的变化:偏多会使设备占用量大，利用率低，投资大;偏少则会给矿井的安全生产造成潜在威胁。为了进一步说明这种规定固有的缺陷，通过对该设备规定台数下的稳态可用度分析，指出在保证矿井安全生产和经济效果的同时，合理优化确定水泵设备的台数。

2 井下各水平排水系统的可靠性分析

为了对单水平排水系统的可靠性进行分析，假设矿井最大涌水时期各水平同时工作的水泵台数为K，总台数为n，每单水平水泵系统配备1名修理工，水泵都是同型号且工作寿命服从参数的指数分布，故障修理时间均服从参数的指数分布。根据状态转移矩阵的定义，对时刻t的状态i到时刻t+1的状态j进行分析，可以得到:

状态0。该工作水平面下，当有K台水泵工作正常，其余n－K台为备用或修理时，系统正常。

状态1。该工作水平面下，当有K－1台工作正常，则有n－K+1台水泵故障，1台修理，其余待修，认为系统故障。

………

状态i。该工作水平面下，当有K－1台工作正常，则有n－K+i台水泵故障，1台修理，其余待修，认为系统故障。

………

状态j。该工作水平面下，当有K－j台工作正常，则有n－K+j台水泵故障，其中1台修理，其余待修，认为系统故障。

………

状态K。该工作水平面下，当有0台工作正常，则有n台水泵故障，其中1台修理，其余待修，认为系统故障。

该系统视为冷贮备系统，设λ为失效率，u为修复率。其状态转移矩阵为

这里通过建立稳态方程组，进行求解，设状态向量

得到稳态方程组

通过对上面线性方程的求解，得到系统的稳态可用度(有效度)为

利用上述步骤分别对表1中不同台数的水泵进行稳态可用度的求解，结果表明系统在长期运行过程中，大约有A的时间比例处于正常状态。这里依据3个矿务局的10对矿井的38台水泵的实测统计资料分析［3］，取单位时间故障率为λ=0.006 85，维修率为μ=0.463 34，通过代入(3)式，得到表2相关结果。

表2 水泵稳态可用度数据分析

通过数据分析发现，在排水能力一定的情况下，运行的设备台数越少，系统的可靠性越高。同时根据对备用水泵的台数不应该少于工作水泵台数的70%的规定，进行计算发现其设备的可用度并不高，说明此种规定不具备科学性，因为水泵的型号、质量、维修技术与最大涌水量的差别，以及涌水期的不同均可导致设备可用度发生变化。为了从实际出发，通过运用系统可靠性理论，令T为最大涌水期时间，对不同状态下MTTF(系统平均无故障时间)的值进行计算，给出了水泵数量配比公式

该公式虽然对影响水泵台数选择的相关因素进行了考虑，也比以往常规的计算方法更具科学性，但并没有将不同工作水平下不同的排水系统构造方式予以考虑，显然不能对矿井下整体排水系统的可靠性进行系统的分析。因此将矿井排水系统中集中排水系统和分段排水系统的可靠性分别予以讨论，运用公式(4)寻找各水平下最佳的水泵配比数的同时，通过公式(2)对各个水平中水泵的合理配比台数进行可靠性分析，再分别对下述2种排水系统进行分析，进而找出整个排水系统的可用度指标［5］。

3 不同排水系统的可靠性分析

3.1 直接排水系统的可靠性分析

直接排水系统是指将井下的涌水通过排水设备直接排到地面。即如下部水平的涌水量大，则宜分别直接排至地面，以免各水平都安设大流量水泵，称直接排水［6］。它可以分为竖井单水平与多水平排水系统、斜井集中排水系统。这种排水系统的水平层面上的泵房数量少，系统简单可靠，基建投资和运行费用少，维护的工作量要减少一半以上，便于管理，且上、下水平的排水设备互不影响。即1个水平设备的失效，并不能导致其他水平设备的失效。该排水系统类似一套并联系统，只有当各个水平上的排水系统失效，整个排水系统才不具备可用度。直接排水系统的基本原理如图1所示。

图1 直接排水系统基本原理

假设各个水平排水系统从1到M水平的可用度通过公式(3)求出，那么并联系统下整个排水系统的可用度为

3.2 分段排水系统的可靠性分析

分段排水系统是指将井下的涌水通过几段排水设备转排到地面。即当矿井多水平生产时，如上部水平涌水量大于下部，宜将下部涌水先排至上部水平，再由上部水平转排至地面，称分段排水。一般适用于矿井较深，且受排水设备能力所限制的矿井排水。此外，对于多水平同时开采，为减少井筒内管路铺设的趟数，也常采用分段排水系统。采用中继排水，在井筒中部设置1套排水系统，可有效降低主排水设备的扬程，从而降低主排水设备的规模。缺点是当1套排水设备发生故障时，会影响整个矿井的排水效果。分段排水系统从水平底部到顶部相当于一套串联系统，其基本原理如图2所示。

图2 分段排水系统基本原理

假设各个水平排水系统从1到M水平的可用度通过公式(3)求出，那么串联系统下整个排水系统的可用度

3.3 集中排水系统的可靠性分析

集中排水系统是指将矿水集中到水仓，然后用排水设备直接排送至地面［7］。集中排水系统具有系统简单，泵房、水仓及管道铺设开拓量和基建投资小，排水设备数量少，易维护检修，管理方便等优点。在现有水泵扬程满足排水高程的情况下，一般采用集中排水系统。集中排水系统也是我国煤矿通常采用的一种排水系统。就其可靠性而言，类似于直接排水系统，且仅以1台设备作为支撑，不具有可靠性串并联系统的特点，这里不做论述。

值得注意的是:为了提高井下排水系统的可用度，除了对系统的设备数量、连接结构进行分析研究以外，提高水泵自身的运转可靠性也是必不可少的。针对矿用水泵常见的故障，在实际系统可靠性研究中，需要对水泵的故障率、维修率进行分析，实现综合评判，达到对整体排水系统的故障准确分析和针对性故障排除。