导航：安全管理网>> 安全论文>> 特种设备论文>>正文

基于事故树的充填管道泵送系统可靠性分析

文档作者：陈志敏刘晓辉王贻明焦华结文档来源： 1．北京科技大学土木与环境工程学院 2．中色非洲矿业有限公司		点击数：	更新时间： 2023年01月29日
下载地址：点击这里	文件大小： 376.13 KB 共6页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共6页]

本文件共6页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：376.13 KB 共6页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：埋地管道无损检测技术

上一篇：基于事故树分析的压力管道风险评价方法研究

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

2014年8月
第43卷第4期
中国矿山工程
China Mine Engineering ·65 ·
基于事故树的充填管道泵送系统可靠性分析
Reliability analysis for paste backfilling pipeline pumping system based on fault tree analysis
陈志敏 ，刘晓辉 ，王贻明 ，焦华结
(1．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083；2．中色非洲矿业有限公司，北京100029)
摘 要：针对膏体充填管道泵送系统事故频发、防控措施效果不理想的现状，基于事故树分析法(FTA)，结合现场实际工艺，建
立了泵送系统的事故树模型。通过最小割集与径集分析了泵送管路失效的路径和最优防控途径，并以某矿膏体充填管道泵
送系统进行了实例分析，结合专家打分法，确定了该系统各基本事件的失效概率。结果表明：系统失效概率为95．1％ ，根据事
故树基本事件3个重要度的计算分析，制定了相应的失效防控对策，确保了系统的安全稳定运行。
关键词：膏体充填；管道泵送；事故树；可靠性；专家打分法
Abstract：In view of the frequent accident in pipeline pumping system of paste backfilling and the low effectiveness of preventive
measures，a fault tree model was established for pipeline pumping system on the basis of Fauh Tree Analysis(FTA)and combined with
actual worksite technology situation．The paths of pipeline pumping system failure and the optimal prevention ways were analyzed by
using the least cut—set and the least path—set．Taking the pipeline pumping system of paste backfilling of a mine as a study ease，the
failure probability of each basic event in this system was confirmed by expert evaluation method．The results indicated that the
probability of this system failure was 95．1％ ．and the corresponding prevention and control measures were determined by the calculation
of importance magnitude，which ensured the safe and stable operation of the system．
Key words：paste backfilling；pipeline pumping；fault tree；reliability；expe~ evaluation method
文章编号：
1672—609X(2014)04一OO65-05
中图分类号：TP39
文献标志码：A
I
— — 一 0sEEE!■g g 葛
收稿日期：2013-10-12
作者简介：陈志敏(1976一)，男，
安徽铜陵人，高级工程师，主要从
事矿山安全管理方面的工作。
基金项目：国家“十二五”科技支
撑计划项目(2012BAB08B02 )
1 前言
近年来，随着对矿山环境保护力度的加大以及安全
形势的不断严峻，采用充填法进行回采已成为矿山生产
的首选工艺 。相比之下，膏体充填技术具有充填强度
高、尾砂利用率大、接顶效果好等优点，是充填技术未来
发展的趋势 。与传统的低浓度分级尾砂充填工艺相
比，膏体充填所涉及的工艺环节多、控制精度高，导致在
其管道泵送过程中事故频发，由此造成的人员伤亡和设
备、设施损坏事故严重影响了企业的正常生产 。因
此，有必要对充填管道泵送系统事故的形成原因及可靠
度进行分析，从而制定相应的防控措施。
目前，部分学者利用系统工程方法已对此进行了一
些研究，冯巨恩等通过层次分析并利用二级模糊综合评
判方法对某深井管道自流输送工艺进行了分析，得到了
系统的模糊综合评判集和可接受的失效概率 。陈长
杰等基于介质元件、关联系统等概念和理论，建立了金川
二矿膏体泵送充填系统的可靠性逻辑模型，通过对该系
统的工程可靠性进行分析、研究，提出了若干针对性的改
进和完善意见 。冯巨恩等利用事故树分析方法(Fault
Tree Analysis简称FTA)对某深井管路自流输送充填系· 66· 中国矿山工程 2014年(第43卷)
统的可靠度进行了分析和评述。。 。纵观这些研究，
尚存在以下两方面不足：①研究停留在定性的层面；
② 研究中部分基本事件失效概率的确定具有主观
性。针对上述问题，本文利用FTA分析方法建立了
膏体泵送系统的事故树模型，同时结合专家打分法
确定基本事件的失效概率，从而实现了系统失效影
响因素及其可靠度的定性和定量分析，并提出了相
关的防控策略。
2 事故树分析原理
事故树分析(FTA)是一种图形演绎方法，其基
本流程如图1所示。事故树分析能对导致灾害或功
能事故的各种因素及其逻辑关系做出全面、简洁和
形象的描述，为改进设计、制定安全技术措施提供依
据，因此被广泛用于复杂系统的安全评价中" 。
熟悉系统
调查事故
熟悉系统
定性分析 I l 定量分析
制定安全措施
图1 事故树分析基本流程
2．1 定性分析
事故树定性分析的主要任务是求出导致系统失
效的全部故障模式 ，在此过程中，最小割集与最
小径集的概念起着非常重要的作用。最小割集是指
导致顶上事件发生的最低限度的基本事件组合，反
映了系统的危险性，常用的求解方法为行列法、结构
法以及布尔代数化简法。与之相反，最小径集是指
不会导致系统失效基本事件的集合，代表了事故的
最佳预防措施与途径。通过对最小割集或最小径集
的分析，可以找出系统的薄弱环节，提高系统的安全
性和可靠性。
2．2 定量分析
事故树的定量分析主要包括计算顶事件的发生
概率，以及对基本事件的三个重要度的分析 。
(1)结构重要度。结构重要度分析不考虑基本
事件发生的概率，仅从事故树的结构上分析各基本
事件的发生对顶上事件的影响程度。其定量分析方
法主要是计算出各基本事件的结构重要度系数，如
式(1)，按系数由大到小排列各基本事件重要顺序：
， ( )= Σ[ (1,Xi)一 (0，Xi)] (1)
式中：n—— 构成事故树的基本事件个数；
(i)—— 基本事件 的结构重要度系数；
(1， )—— 基本事件 状态为1(发生)时顶
事件的状态；
(0， )—— 基本事件 状态为0(不发生)时
顶事件的状态。
(2)概率重要度。考虑各基本事件发生概率对
顶事件发生概率的影响，它表示第i个基本事件发
生概率的变化引起顶事件发生概率变化的程度，其
定量分析是依靠各基本事件的概率重要度系数，如
式(2)，据此可确定降低哪个基本事件的概率能迅
速有效地降低顶事件的发生概率：
n
，。(i)= (2)
dg
式中：， (i)—— 第i个基本事件的概率重要度；
p—— 顶事件发生概率；
ql—— 第i个基本事件的发生概率。
(3)临界重要度。它表示第i个基本事件发生
概率的变化率引起顶事件概率的变化率，相比概率
重要度，临界重要度更合理更具有实际意义，其计算
如式(3)：
0
)= ， (i) (3)
Y
式中： i)—— 第i个基本事件的临界重要度系数；
， (i)—— 第i个基本事件的概率重要度系数；
9—— 顶事件的发生概率；
ql— —第i个基本事件发生概率。
3 膏体充填泵压输送系统失效事故树
构建
3．1 系统失效危险源分析
由于井下巷道布置复杂、地质条件多变，充填管
线在运行过程中受各种因素的影响，如管线本身的
因素、输送物料的性质、以及外部环境和人为因素
等。当一种或多种因素发生时，就会影响膏体正常
输送，造成输送不稳定，甚至导致爆管、漏浆重大事
故。在分析中，以“泵压输送失效”事故作为系统的
顶事件，根据经验和理论分析，将该事故直接原因划
分为堵管、管线漏浆、人为误操作、管道破裂4类 ⋯。
(1)管线堵管。输送物料级配不稳定、浓度较
低、以及流量和流速的剧烈变化，都有可能引起浆体
的分层离析现象，从而导致堵管现象的发生。
差第4期 陈志敏等：基于事故树的充填管道泵送系统可靠性分析 ·67·
(2)管线漏浆。漏浆将造成井下严重污染，甚
至引起人员伤亡、设备损毁。原因主要分为管道漏
浆、接头漏浆两部分。管道漏浆主要受管道腐蚀、初
始缺陷以及设计选型等方面的因素影响，而接头漏
浆主要由密封、阀门及法兰损坏等引起，同时，管道
对接失误也是其重要诱发因素。
(3)人为误操作。在膏体充填泵压输送过程
中，由于工艺复杂、井下条件多变；同时，受开采进度
影响，充填位置不断变换，地表和井下通信难度大，常
发生因对接失误或联系不畅而引起的输送事故。
(4)管道破裂。主要包括管道质量、规格引起
的直接原因；此外，充填过程中的管道磨损及静压突
增也是诱发管道破裂的主要原因。同时，井下地质
环境复杂，条件多变，往往会发生矿岩冒落、装运设
备挤压碰撞、爆破振动破坏、人为破坏等意外事故。
3．2 泵送系统失效事故树模型的建立
为探明管道泵送系统失效与各危险源(即基本
事件)的内在联系，根据充填生产中危险源的实际
调研结果，构建了系统失效事故树，如图2所示。导
致泵送系统失效主要包括42个影响事件，如表1所
D
4
与门
或门
图2 充填泵送系统失效事故树模型· 68· 中国矿山工程 2014年(第43卷)
示，共有27个或门、3个与门。观察可知，“或门”
较多而“与门”较少，这表示较少数量的基本事件
发生，则将导致顶事件的发生，系统的危险性
较大。
表1 基本事件名称
4 泵送系统失效定性分析
为确定泵送系统的危险性大小，探明各危险源
在系统中的重要程度，从而制定相应的防范措施。
利用布尔代数下行法计算了顶事件的最小割集及径
集。结果表明：其中一阶割集34个、二阶割集6个，
如表2所示，同时，求得最小径集为8个。
表2 最小割集统计表
割集类型 详细情况
X1， 15 ， 25 ， 28 ， 4 ， 12 ， 19 ，X24 ，X27，X40，X6 ， 13 ，X22 ， 39 ， 42 ， 7 ， 23 ， 2 ，X3 ，XI7 ， 14 ，X26 ，X33 ， 5， 20，X21 ， 4l ， l 8 ，X34
一阶割集(34个)
16 ， 30 ， 32 ，X31 ，X29
二阶割集(6个) { 8， 10}，{ 35， 36}，{z8， l1}，{ 37，x38}，{ 9，x1I}，； 9， 1o
根据上述结果对系统进行了定性分析：相比之
下，割集数目较多，说明管道泵送系统失效的路径较
多，且影响泵送系统的原因复杂。同时，一阶割集较
多，说明系统可能发生故障的事件组合很多，可靠性
较差。在34个一阶割集中，任一因素单独发生故障
时，均会直接导致系统失效，因此应严格控制上述因
素的发生，防微杜渐，把事故发生机率降低到最小。
5 应用实例
某矿采用膏体充填采矿技术，充填物料由全尾
砂、水淬渣以及水泥等组分混合而成，料浆质量分数
为78％ 左右。充填管线垂高约1 300m左右，水平
长约2 000m左右，最小充填倍线为2．9，并随开采深
度的加大不断减小。在充填过程中，由于输送工艺
复杂，管线长度大等因素，漏浆、爆管等事故频发。
因此，有必要采用FTA分析方法对其事故形成原因
及发生概率进行分析，进而提出针对性的防控措施。
5．1 顶事件失效概率计算
若要计算顶上事件的发生概率，则必须明确每
一基本事件发生的概率，本文主要利用专家打分法
来确定基本事件发生的概率，结果如表3所示，其表
示基本事件在1年中发生的概率。
可利用布尔真值法计算顶事件，其公式¨ 为：
Q=Σ ( )H g (1一qi) -Xi (4)
式中： ( )—— 顶事件的状态值， ( )=0或者
( )=1；
n ——n个事件的概率积；
ql—— 个基本事件的概率；
Xi—— 基本事件i的状态值，X =0或者X =1。
利用上式进行计算，最终得到顶事件的失效概
率为95．1％。部分基本事件的重要度计算结果及
分类如表4所示。第4期 陈志敏等：基于事故树的充填管道泵送系统可靠性分析 ·69·
级配不合理( )
充填前润管不充分( )
充填后洗管不彻底( )
信号联系失误( )
o．025
o．025
o．025
o．025
1．0
1．0
1．O
1．0
o．526 3个重要度系数均较高，说明该类基本事件对系统失效的
o 327 影响最大，在制定失效防控措施时应优先考虑
o．327
0．105
格筛破损( l3) o．025 1．o o．1O5
5．2 泵送系统失效的防控策略
利用式(1)～式(3)计算了各基本事件的3个
重要度，从而为事故诊断以及确定相应的防范措施
提供了依据。结合前述关于该系统事故树模型最小
割集和最小径集的分析，提出了以下防控对策。
(1)充填前润管不充分( )，充填后洗管不彻
底( )，信号联系失误( ： )均为直接的或潜在的人
为因素，因此要避免和减少充填堵管故障的发生，特
别是一些重大、恶性故障发生，应严把人员、安检关，
制定切实可行的规章制度，并严格执行，提高操作人
员的责任心和业务水平是经济合理的预防手段。料
浆级配不合理( )以及格筛破损( ，)是造成管道
堵塞的重要原因，在制备过程中应引起足够认识。
(2)流速较大( )、管径变化( 。 )、断流回流
( ，)以及管道内部腐蚀( ： )虽然直接造成故障的
可能性较小，但会对膏体充填的长时间稳定运行造
成巨大的影响。
(3)对于管线漏浆，管道上的漏浆事故主要是
由于料浆的冲刷磨损和管道本身质量不过关不匹配
等因素引起，而接头处的漏浆多为人为因素造成的。
因此，针对不同的时期和阶段，应采取不同的管理方
法。对于管道的磨损，应从设计和选型角度考虑，保
证所选用的管道与所输送的料浆在物理、化学各方
面性质上均达到高度的匹配；而针对接头处的故障，
应加强人员管理，避免上述事故的发生。
(4)矿岩冒落砸坏管道是由于岩体中的应力使
岩体产生变形或破坏的附加结果，事故发生的地点
和严重程度无法预知，但往往对管线的破坏是巨大
的，一旦事故发生，对管线的破坏是毁灭性的，造成
巨大的经济损失。因此，应从管线设计之初就避免
此类事故的发生，使管线尽量避免应力较大、围岩破
碎或渗水较大的巷道中，应选择围岩稳固且整体性
较好的巷道中。
6 结论
(1)引起充填泵送系统失效的危险源主要有42
(下转第77页)第4期 刘 鹏：圆形深井泵房内力计算与设计 ·77·
表2 圆形泵房钢筋混凝土壁板(柱壳)厚度
≤4 根据具体情况确定4( ≤6 300～500
610 根据具体情况确定
图5 深井泵房剖面图
格，只需输入基本的参数，就可自动计算出泵房任意
截面的内力。通过3种(手算、电算、Excel表格计
图6 泵房平面配筋图
算)计算方式对几个工程实例的对比，Excel表格计
算结果与手算、电算均一致，验证了其可靠性及实用
性，可供设计参考。
[参考文献]
[1] 给水排水工程结构设计手册[M]．北京：中国建筑工
业出版社，1984．
[2] 钢筋混凝土特种结构[M]．北京：中国建筑工业出版
社．1987．
(上接第69页)
种，利用FTA分析方法建立r泵送系统失效的事故
树模型，通过对最小割集和径集的计算，结果表明：
泵送系统有4O种失效路径，8种最优防控措施，其
中管理和人的因素在系统失效中占有重要地位，应
加强管理和技术培训。
(2)对某矿膏体充填管道泵送系统进行了实例
分析，结果显示，该系统的失效概率为95．1％ ，同时
通过对该系统事故树基本事件3个重要度的计算分
析，确定了失效防控措施的优先顺序，提出了有针对
性的对策。
[参考文献]
[1] 周爱民，古德生．基于工业生态学的矿山充填模式
[J]．中南大学学报，2004，35(3)：468．
[2] 刘同有，蔡嗣经．国内外膏体充填技术的应用与研究
现状[J]．中国矿业，1998，7(5)：1—4．
[3] 张德明，王新民，郑晶晶，赵 彬．深井充填钻孔内管
道磨损机理及成因分析[J]．武汉理工大学学报，
2010，32(13)：100—105．
[4] 冯巨恩，吴 超．深井充填管道失效概率准则的模糊
综合评判[J]．中南大学学报(自然科学版)，2005，36
(6)：1079—1083．
[5] 陈长杰，蔡嗣经．金川二矿膏体泵送充填系统可靠性
研究[J]．金属矿山，2002，(1)：8—9，53．
[6] 冯巨恩，吴 超．管道自流输送尾砂充填系统的故障
树分析[J]．中国矿山工程，2005，34(5)：38—42．
[7] 李永红．基于事故树分析法的矸石山安全评价[J]．辽
宁工程技术大学学报(自然科学版)，2011，30(z1)：
1—4．
[8] 王长申，孙亚军，杭远．基于事故树分析的煤矿潜在
突水危险评价研究[J]．岩石力学与工程学报，2009，
28(2)：298—305．
[9] 臧艳彬，王瑞和，张锐等．基于事故树的钻柱失效分
析方法[J]．石油学报，2011，32(1)：171—176．
[1O] 冯巨恩．金属矿深井充填系统的安全评价与失效控
制方法研究[D]．长沙：中南大学博士学位论文，
2005．
[11] 高吕和，田晶晶，李世武等．基于事故树分析的车辆
安全状态模糊综合评价模型[J]．吉林大学学报(工
学版)，2011，41(1)：95—100．

网友评论 more

特种设备论文最新内容

05-04