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基于事故樹(shù)的充填管道泵送系統(tǒng)可靠性分析

文檔作者：陳志敏劉曉輝王貽明焦華結(jié) 文檔來(lái)源： 1．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院 2．中色非洲礦業(yè)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2023年01月29日
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2014年8月
第43卷第4期
中國(guó)礦山工程
China Mine Engineering ·65 ·
基于事故樹(shù)的充填管道泵送系統(tǒng)可靠性分析
Reliability analysis for paste backfilling pipeline pumping system based on fault tree analysis
陳志敏 ，劉曉輝 ，王貽明 ，焦華結(jié)
(1．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2．中色非洲礦業(yè)有限公司，北京100029)
摘 要：針對(duì)膏體充填管道泵送系統(tǒng)事故頻發(fā)、防控措施效果不理想的現(xiàn)狀，基于事故樹(shù)分析法(FTA)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝，建
立了泵送系統(tǒng)的事故樹(shù)模型。通過(guò)最小割集與徑集分析了泵送管路失效的路徑和最優(yōu)防控途徑，并以某礦膏體充填管道泵
送系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)例分析，結(jié)合專家打分法，確定了該系統(tǒng)各基本事件的失效概率。結(jié)果表明：系統(tǒng)失效概率為95．1％ ，根據(jù)事
故樹(shù)基本事件3個(gè)重要度的計(jì)算分析，制定了相應(yīng)的失效防控對(duì)策，確保了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：膏體充填；管道泵送；事故樹(shù)；可靠性；專家打分法
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％ ．a(chǎn)nd 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
文章編號(hào)：
1672—609X(2014)04一OO65-05
中圖分類號(hào)：TP39
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
I
— — 一 0sEEE!■g g 葛
收稿日期：2013-10-12
作者簡(jiǎn)介：陳志敏(1976一)，男，
安徽銅陵人，高級(jí)工程師，主要從
事礦山安全管理方面的工作。
基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支
撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB08B02 )
1 前言
近年來(lái)，隨著對(duì)礦山環(huán)境保護(hù)力度的加大以及安全
形勢(shì)的不斷嚴(yán)峻，采用充填法進(jìn)行回采已成為礦山生產(chǎn)
的首選工藝 。相比之下，膏體充填技術(shù)具有充填強(qiáng)度
高、尾砂利用率大、接頂效果好等優(yōu)點(diǎn)，是充填技術(shù)未來(lái)
發(fā)展的趨勢(shì) 。與傳統(tǒng)的低濃度分級(jí)尾砂充填工藝相
比，膏體充填所涉及的工藝環(huán)節(jié)多、控制精度高，導(dǎo)致在
其管道泵送過(guò)程中事故頻發(fā)，由此造成的人員傷亡和設(shè)
備、設(shè)施損壞事故嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn) 。因
此，有必要對(duì)充填管道泵送系統(tǒng)事故的形成原因及可靠
度進(jìn)行分析，從而制定相應(yīng)的防控措施。
目前，部分學(xué)者利用系統(tǒng)工程方法已對(duì)此進(jìn)行了一
些研究，馮巨恩等通過(guò)層次分析并利用二級(jí)模糊綜合評(píng)
判方法對(duì)某深井管道自流輸送工藝進(jìn)行了分析，得到了
系統(tǒng)的模糊綜合評(píng)判集和可接受的失效概率 。陳長(zhǎng)
杰等基于介質(zhì)元件、關(guān)聯(lián)系統(tǒng)等概念和理論，建立了金川
二礦膏體泵送充填系統(tǒng)的可靠性邏輯模型，通過(guò)對(duì)該系
統(tǒng)的工程可靠性進(jìn)行分析、研究，提出了若干針對(duì)性的改
進(jìn)和完善意見(jiàn) 。馮巨恩等利用事故樹(shù)分析方法(Fault
Tree Analysis簡(jiǎn)稱FTA)對(duì)某深井管路自流輸送充填系· 66· 中國(guó)礦山工程 2014年(第43卷)
統(tǒng)的可靠度進(jìn)行了分析和評(píng)述。。 。縱觀這些研究，
尚存在以下兩方面不足：①研究停留在定性的層面；
② 研究中部分基本事件失效概率的確定具有主觀
性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用FTA分析方法建立了
膏體泵送系統(tǒng)的事故樹(shù)模型，同時(shí)結(jié)合專家打分法
確定基本事件的失效概率，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)失效影
響因素及其可靠度的定性和定量分析，并提出了相
關(guān)的防控策略。
2 事故樹(shù)分析原理
事故樹(shù)分析(FTA)是一種圖形演繹方法，其基
本流程如圖1所示。事故樹(shù)分析能對(duì)導(dǎo)致災(zāi)害或功
能事故的各種因素及其邏輯關(guān)系做出全面、簡(jiǎn)潔和
形象的描述，為改進(jìn)設(shè)計(jì)、制定安全技術(shù)措施提供依
據(jù)，因此被廣泛用于復(fù)雜系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)中" 。
熟悉系統(tǒng)
調(diào)查事故
熟悉系統(tǒng)
定性分析 I l 定量分析
制定安全措施
圖1 事故樹(shù)分析基本流程
2．1 定性分析
事故樹(shù)定性分析的主要任務(wù)是求出導(dǎo)致系統(tǒng)失
效的全部故障模式 ，在此過(guò)程中，最小割集與最
小徑集的概念起著非常重要的作用。最小割集是指
導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件組合，反
映了系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，常用的求解方法為行列法、結(jié)構(gòu)
法以及布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法。與之相反，最小徑集是指
不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效基本事件的集合，代表了事故的
最佳預(yù)防措施與途徑。通過(guò)對(duì)最小割集或最小徑集
的分析，可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的安全
性和可靠性。
2．2 定量分析
事故樹(shù)的定量分析主要包括計(jì)算頂事件的發(fā)生
概率，以及對(duì)基本事件的三個(gè)重要度的分析 。
(1)結(jié)構(gòu)重要度。結(jié)構(gòu)重要度分析不考慮基本
事件發(fā)生的概率，僅從事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)上分析各基本
事件的發(fā)生對(duì)頂上事件的影響程度。其定量分析方
法主要是計(jì)算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，如
式(1)，按系數(shù)由大到小排列各基本事件重要順序：
， ( )= Σ[ (1,Xi)一 (0，Xi)] (1)
式中：n—— 構(gòu)成事故樹(shù)的基本事件個(gè)數(shù)；
(i)—— 基本事件 的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；
(1， )—— 基本事件 狀態(tài)為1(發(fā)生)時(shí)頂
事件的狀態(tài)；
(0， )—— 基本事件 狀態(tài)為0(不發(fā)生)時(shí)
頂事件的狀態(tài)。
(2)概率重要度。考慮各基本事件發(fā)生概率對(duì)
頂事件發(fā)生概率的影響，它表示第i個(gè)基本事件發(fā)
生概率的變化引起頂事件發(fā)生概率變化的程度，其
定量分析是依靠各基本事件的概率重要度系數(shù)，如
式(2)，據(jù)此可確定降低哪個(gè)基本事件的概率能迅
速有效地降低頂事件的發(fā)生概率：
n
，。(i)= (2)
dg
式中：， (i)—— 第i個(gè)基本事件的概率重要度；
p—— 頂事件發(fā)生概率；
ql—— 第i個(gè)基本事件的發(fā)生概率。
(3)臨界重要度。它表示第i個(gè)基本事件發(fā)生
概率的變化率引起頂事件概率的變化率，相比概率
重要度，臨界重要度更合理更具有實(shí)際意義，其計(jì)算
如式(3)：
0
)= ， (i) (3)
Y
式中： i)—— 第i個(gè)基本事件的臨界重要度系數(shù)；
， (i)—— 第i個(gè)基本事件的概率重要度系數(shù)；
9—— 頂事件的發(fā)生概率；
ql— —第i個(gè)基本事件發(fā)生概率。
3 膏體充填泵壓輸送系統(tǒng)失效事故樹(shù)
構(gòu)建
3．1 系統(tǒng)失效危險(xiǎn)源分析
由于井下巷道布置復(fù)雜、地質(zhì)條件多變，充填管
線在運(yùn)行過(guò)程中受各種因素的影響，如管線本身的
因素、輸送物料的性質(zhì)、以及外部環(huán)境和人為因素
等。當(dāng)一種或多種因素發(fā)生時(shí)，就會(huì)影響膏體正常
輸送，造成輸送不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致爆管、漏漿重大事
故。在分析中，以“泵壓輸送失效”事故作為系統(tǒng)的
頂事件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論分析，將該事故直接原因劃
分為堵管、管線漏漿、人為誤操作、管道破裂4類 ?。
(1)管線堵管。輸送物料級(jí)配不穩(wěn)定、濃度較
低、以及流量和流速的劇烈變化，都有可能引起漿體
的分層離析現(xiàn)象，從而導(dǎo)致堵管現(xiàn)象的發(fā)生。
差第4期 陳志敏等：基于事故樹(shù)的充填管道泵送系統(tǒng)可靠性分析 ·67·
(2)管線漏漿。漏漿將造成井下嚴(yán)重污染，甚
至引起人員傷亡、設(shè)備損毀。原因主要分為管道漏
漿、接頭漏漿兩部分。管道漏漿主要受管道腐蝕、初
始缺陷以及設(shè)計(jì)選型等方面的因素影響，而接頭漏
漿主要由密封、閥門(mén)及法蘭損壞等引起，同時(shí)，管道
對(duì)接失誤也是其重要誘發(fā)因素。
(3)人為誤操作。在膏體充填泵壓輸送過(guò)程
中，由于工藝復(fù)雜、井下條件多變；同時(shí)，受開(kāi)采進(jìn)度
影響，充填位置不斷變換，地表和井下通信難度大，常
發(fā)生因?qū)邮д`或聯(lián)系不暢而引起的輸送事故。
(4)管道破裂。主要包括管道質(zhì)量、規(guī)格引起
的直接原因；此外，充填過(guò)程中的管道磨損及靜壓突
增也是誘發(fā)管道破裂的主要原因。同時(shí)，井下地質(zhì)
環(huán)境復(fù)雜，條件多變，往往會(huì)發(fā)生礦巖冒落、裝運(yùn)設(shè)
備擠壓碰撞、爆破振動(dòng)破壞、人為破壞等意外事故。
3．2 泵送系統(tǒng)失效事故樹(shù)模型的建立
為探明管道泵送系統(tǒng)失效與各危險(xiǎn)源(即基本
事件)的內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)充填生產(chǎn)中危險(xiǎn)源的實(shí)際
調(diào)研結(jié)果，構(gòu)建了系統(tǒng)失效事故樹(shù)，如圖2所示。導(dǎo)
致泵送系統(tǒng)失效主要包括42個(gè)影響事件，如表1所
D
4
與門(mén)
或門(mén)
圖2 充填泵送系統(tǒng)失效事故樹(shù)模型· 68· 中國(guó)礦山工程 2014年(第43卷)
示，共有27個(gè)或門(mén)、3個(gè)與門(mén)。觀察可知，“或門(mén)”
較多而“與門(mén)”較少，這表示較少數(shù)量的基本事件
發(fā)生，則將導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，系統(tǒng)的危險(xiǎn)性
較大。
表1 基本事件名稱
4 泵送系統(tǒng)失效定性分析
為確定泵送系統(tǒng)的危險(xiǎn)性大小，探明各危險(xiǎn)源
在系統(tǒng)中的重要程度，從而制定相應(yīng)的防范措施。
利用布爾代數(shù)下行法計(jì)算了頂事件的最小割集及徑
集。結(jié)果表明：其中一階割集34個(gè)、二階割集6個(gè)，
如表2所示，同時(shí)，求得最小徑集為8個(gè)。
表2 最小割集統(tǒng)計(jì)表
割集類型 詳細(xì)情況
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
一階割集(34個(gè))
16 ， 30 ， 32 ，X31 ，X29
二階割集(6個(gè)) { 8， 10}，{ 35， 36}，{z8， l1}，{ 37，x38}，{ 9，x1I}，； 9， 1o
根據(jù)上述結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了定性分析：相比之
下，割集數(shù)目較多，說(shuō)明管道泵送系統(tǒng)失效的路徑較
多，且影響泵送系統(tǒng)的原因復(fù)雜。同時(shí)，一階割集較
多，說(shuō)明系統(tǒng)可能發(fā)生故障的事件組合很多，可靠性
較差。在34個(gè)一階割集中，任一因素單獨(dú)發(fā)生故障
時(shí)，均會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)失效，因此應(yīng)嚴(yán)格控制上述因
素的發(fā)生，防微杜漸，把事故發(fā)生機(jī)率降低到最小。
5 應(yīng)用實(shí)例
某礦采用膏體充填采礦技術(shù)，充填物料由全尾
砂、水淬渣以及水泥等組分混合而成，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)
為78％ 左右。充填管線垂高約1 300m左右，水平
長(zhǎng)約2 000m左右，最小充填倍線為2．9，并隨開(kāi)采深
度的加大不斷減小。在充填過(guò)程中，由于輸送工藝
復(fù)雜，管線長(zhǎng)度大等因素，漏漿、爆管等事故頻發(fā)。
因此，有必要采用FTA分析方法對(duì)其事故形成原因
及發(fā)生概率進(jìn)行分析，進(jìn)而提出針對(duì)性的防控措施。
5．1 頂事件失效概率計(jì)算
若要計(jì)算頂上事件的發(fā)生概率，則必須明確每
一基本事件發(fā)生的概率，本文主要利用專家打分法
來(lái)確定基本事件發(fā)生的概率，結(jié)果如表3所示，其表
示基本事件在1年中發(fā)生的概率。
可利用布爾真值法計(jì)算頂事件，其公式¨ 為：
Q=Σ ( )H g (1一qi) -Xi (4)
式中： ( )—— 頂事件的狀態(tài)值， ( )=0或者
( )=1；
n ——n個(gè)事件的概率積；
ql—— 個(gè)基本事件的概率；
Xi—— 基本事件i的狀態(tài)值，X =0或者X =1。
利用上式進(jìn)行計(jì)算，最終得到頂事件的失效概
率為95．1％。部分基本事件的重要度計(jì)算結(jié)果及
分類如表4所示。第4期 陳志敏等：基于事故樹(shù)的充填管道泵送系統(tǒng)可靠性分析 ·69·
級(jí)配不合理( )
充填前潤(rùn)管不充分( )
充填后洗管不徹底( )
信號(hào)聯(lián)系失誤( )
o．025
o．025
o．025
o．025
1．0
1．0
1．O
1．0
o．526 3個(gè)重要度系數(shù)均較高，說(shuō)明該類基本事件對(duì)系統(tǒng)失效的
o 327 影響最大，在制定失效防控措施時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮
o．327
0．105
格篩破損( l3) o．025 1．o o．1O5
5．2 泵送系統(tǒng)失效的防控策略
利用式(1)～式(3)計(jì)算了各基本事件的3個(gè)
重要度，從而為事故診斷以及確定相應(yīng)的防范措施
提供了依據(jù)。結(jié)合前述關(guān)于該系統(tǒng)事故樹(shù)模型最小
割集和最小徑集的分析，提出了以下防控對(duì)策。
(1)充填前潤(rùn)管不充分( )，充填后洗管不徹
底( )，信號(hào)聯(lián)系失誤( ： )均為直接的或潛在的人
為因素，因此要避免和減少充填堵管故障的發(fā)生，特
別是一些重大、惡性故障發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)把人員、安檢關(guān)，
制定切實(shí)可行的規(guī)章制度，并嚴(yán)格執(zhí)行，提高操作人
員的責(zé)任心和業(yè)務(wù)水平是經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)防手段。料
漿級(jí)配不合理( )以及格篩破損( ，)是造成管道
堵塞的重要原因，在制備過(guò)程中應(yīng)引起足夠認(rèn)識(shí)。
(2)流速較大( )、管徑變化( 。 )、斷流回流
( ，)以及管道內(nèi)部腐蝕( ： )雖然直接造成故障的
可能性較小，但會(huì)對(duì)膏體充填的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行造
成巨大的影響。
(3)對(duì)于管線漏漿，管道上的漏漿事故主要是
由于料漿的沖刷磨損和管道本身質(zhì)量不過(guò)關(guān)不匹配
等因素引起，而接頭處的漏漿多為人為因素造成的。
因此，針對(duì)不同的時(shí)期和階段，應(yīng)采取不同的管理方
法。對(duì)于管道的磨損，應(yīng)從設(shè)計(jì)和選型角度考慮，保
證所選用的管道與所輸送的料漿在物理、化學(xué)各方
面性質(zhì)上均達(dá)到高度的匹配；而針對(duì)接頭處的故障，
應(yīng)加強(qiáng)人員管理，避免上述事故的發(fā)生。
(4)礦巖冒落砸壞管道是由于巖體中的應(yīng)力使
巖體產(chǎn)生變形或破壞的附加結(jié)果，事故發(fā)生的地點(diǎn)
和嚴(yán)重程度無(wú)法預(yù)知，但往往對(duì)管線的破壞是巨大
的，一旦事故發(fā)生，對(duì)管線的破壞是毀滅性的，造成
巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)從管線設(shè)計(jì)之初就避免
此類事故的發(fā)生，使管線盡量避免應(yīng)力較大、圍巖破
碎或滲水較大的巷道中，應(yīng)選擇圍巖穩(wěn)固且整體性
較好的巷道中。
6 結(jié)論
(1)引起充填泵送系統(tǒng)失效的危險(xiǎn)源主要有42
(下轉(zhuǎn)第77頁(yè))第4期 劉 鵬：圓形深井泵房?jī)?nèi)力計(jì)算與設(shè)計(jì) ·77·
表2 圓形泵房鋼筋混凝土壁板(柱殼)厚度
≤4 根據(jù)具體情況確定4( ≤6 300～500
610 根據(jù)具體情況確定
圖5 深井泵房剖面圖
格，只需輸入基本的參數(shù)，就可自動(dòng)計(jì)算出泵房任意
截面的內(nèi)力。通過(guò)3種(手算、電算、Excel表格計(jì)
圖6 泵房平面配筋圖
算)計(jì)算方式對(duì)幾個(gè)工程實(shí)例的對(duì)比，Excel表格計(jì)
算結(jié)果與手算、電算均一致，驗(yàn)證了其可靠性及實(shí)用
性，可供設(shè)計(jì)參考。
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業(yè)出版社，1984．
[2] 鋼筋混凝土特種結(jié)構(gòu)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版
社．1987．
(上接第69頁(yè))
種，利用FTA分析方法建立r泵送系統(tǒng)失效的事故
樹(shù)模型，通過(guò)對(duì)最小割集和徑集的計(jì)算，結(jié)果表明：
泵送系統(tǒng)有4O種失效路徑，8種最優(yōu)防控措施，其
中管理和人的因素在系統(tǒng)失效中占有重要地位，應(yīng)
加強(qiáng)管理和技術(shù)培訓(xùn)。
(2)對(duì)某礦膏體充填管道泵送系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)例
分析，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的失效概率為95．1％ ，同時(shí)
通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)事故樹(shù)基本事件3個(gè)重要度的計(jì)算分
析，確定了失效防控措施的優(yōu)先順序，提出了有針對(duì)
性的對(duì)策。
[參考文獻(xiàn)]
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