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基于事故樹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) 文檔來源： 1．北京科技大學土木與環(huán)境工程學院 2．中色非洲礦業(yè)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2023年01月29日
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2014年8月
第43卷第4期
中國礦山工程
China Mine Engineering ·65 ·
基于事故樹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．北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083；2．中色非洲礦業(yè)有限公司，北京100029)
摘 要：針對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，基于事故樹分析法(FTA)，結(jié)合現(xiàn)場實際工藝，建
立了泵送系統(tǒng)的事故樹模型。通過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)進行了實例分析，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
故樹基本事件3個重要度的計算分析，制定了相應的失效防控對策，確保了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
關(guān)鍵詞：膏體充填；管道泵送；事故樹；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：
1672—609X(2014)04一OO65-05
中圖分類號：TP39
文獻標志碼：A
I
— — 一 0sEEE!■g g 葛
收稿日期：2013-10-12
作者簡介：陳志敏(1976一)，男，
安徽銅陵人，高級工程師，主要從
事礦山安全管理方面的工作。
基金項目：國家“十二五”科技支
撐計劃項目(2012BAB08B02 )
1 前言
近年來，隨著對礦山環(huán)境保護力度的加大以及安全
形勢的不斷嚴峻，采用充填法進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)具有充填強度
高、尾砂利用率大、接頂效果好等優(yōu)點，是充填技術(shù)未來
發(fā)展的趨勢 。與傳統(tǒng)的低濃度分級尾砂充填工藝相
比，膏體充填所涉及的工藝環(huán)節(jié)多、控制精度高，導致在
其管道泵送過程中事故頻發(fā)，由此造成的人員傷亡和設(shè)
備、設(shè)施損壞事故嚴重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn) 。因
此，有必要對充填管道泵送系統(tǒng)事故的形成原因及可靠
度進行分析，從而制定相應的防控措施。
目前，部分學者利用系統(tǒng)工程方法已對此進行了一
些研究，馮巨恩等通過層次分析并利用二級模糊綜合評
判方法對某深井管道自流輸送工藝進行了分析，得到了
系統(tǒng)的模糊綜合評判集和可接受的失效概率 。陳長
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，通過對該系
統(tǒng)的工程可靠性進行分析、研究，提出了若干針對性的改
進和完善意見 。馮巨恩等利用事故樹分析方法(Fault
Tree Analysis簡稱FTA)對某深井管路自流輸送充填系· 66· 中國礦山工程 2014年(第43卷)
統(tǒng)的可靠度進行了分析和評述。。 ?？v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。針對上述問題，本文利用FTA分析方法建立了
膏體泵送系統(tǒng)的事故樹模型，同時結(jié)合專家打分法
確定基本事件的失效概率，從而實現(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 事故樹分析原理
事故樹分析(FTA)是一種圖形演繹方法，其基
本流程如圖1所示。事故樹分析能對導致災害或功
能事故的各種因素及其邏輯關(guān)系做出全面、簡潔和
形象的描述，為改進設(shè)計、制定安全技術(shù)措施提供依
據(jù)，因此被廣泛用于復雜系統(tǒng)的安全評價中" 。
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 事故樹分析基本流程
2．1 定性分析
事故樹定性分析的主要任務(wù)是求出導致系統(tǒng)失
效的全部故障模式 ，在此過程中，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)化簡法。與之相反，最小徑集是指
不會導致系統(tǒng)失效基本事件的集合，代表了事故的
最佳預防措施與途徑。通過對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
事故樹的定量分析主要包括計算頂事件的發(fā)生
概率，以及對基本事件的三個重要度的分析 。
(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，僅從事故樹的結(jié)構(gòu)上分析各基本
事件的發(fā)生對頂上事件的影響程度。其定量分析方
法主要是計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)成事故樹的基本事件個數(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)時頂
事件的狀態(tài)；
(0， )—— 基本事件 狀態(tài)為0(不發(fā)生)時
頂事件的狀態(tài)。
(2)概率重要度?？紤]各基本事件發(fā)生概率對
頂事件發(fā)生概率的影響，它表示第i個基本事件發(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個基本事件的概率重要度；
p—— 頂事件發(fā)生概率；
ql—— 第i個基本事件的發(fā)生概率。
(3)臨界重要度。它表示第i個基本事件發(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際意義，其計算
如式(3)：
0
)= ， (i) (3)
Y
式中： i)—— 第i個基本事件的臨界重要度系數(shù)；
， (i)—— 第i個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
構(gòu)建
3．1 系統(tǒng)失效危險源分析
由于井下巷道布置復雜、地質(zhì)條件多變，充填管
線在運行過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。當一種或多種因素發(fā)生時，就會影響膏體正常
輸送，造成輸送不穩(wěn)定，甚至導致爆管、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，從而導致堵管現(xiàn)象的發(fā)生。
差第4期 陳志敏等：基于事故樹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)計選型等方面的因素影響，而接頭漏
漿主要由密封、閥門及法蘭損壞等引起，同時，管道
對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程
中，由于工藝復雜、井下條件多變；同時，受開采進度
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，井下地質(zhì)
環(huán)境復雜，條件多變，往往會發(fā)生礦巖冒落、裝運設(shè)
備擠壓碰撞、爆破振動破壞、人為破壞等意外事故。
3．2 泵送系統(tǒng)失效事故樹模型的建立
為探明管道泵送系統(tǒng)失效與各危險源(即基本
事件)的內(nèi)在聯(lián)系，根據(jù)充填生產(chǎn)中危險源的實際
調(diào)研結(jié)果，構(gòu)建了系統(tǒng)失效事故樹，如圖2所示。導
致泵送系統(tǒng)失效主要包括42個影響事件，如表1所
D
4
與門
或門
圖2 充填泵送系統(tǒng)失效事故樹模型· 68· 中國礦山工程 2014年(第43卷)
示，共有27個或門、3個與門。觀察可知，“或門”
較多而“與門”較少，這表示較少數(shù)量的基本事件
發(fā)生，則將導致頂事件的發(fā)生，系統(tǒng)的危險性
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)的危險性大小，探明各危險源
在系統(tǒng)中的重要程度，從而制定相應的防范措施。
利用布爾代數(shù)下行法計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、二階割集6個，
如表2所示，同時，求得最小徑集為8個。
表2 最小割集統(tǒng)計表
割集類型 詳細情況
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)
16 ， 30 ， 32 ，X31 ，X29
二階割集(6個) { 8， 10}，{ 35， 36}，{z8， l1}，{ 37，x38}，{ 9，x1I}，； 9， 1o
根據(jù)上述結(jié)果對系統(tǒng)進行了定性分析：相比之
下，割集數(shù)目較多，說明管道泵送系統(tǒng)失效的路徑較
多，且影響泵送系統(tǒng)的原因復雜。同時，一階割集較
多，說明系統(tǒng)可能發(fā)生故障的事件組合很多，可靠性
較差。在34個一階割集中，任一因素單獨發(fā)生故障
時，均會直接導致系統(tǒng)失效，因此應嚴格控制上述因
素的發(fā)生，防微杜漸，把事故發(fā)生機率降低到最小。
5 應用實例
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)量分數(shù)
為78％ 左右。充填管線垂高約1 300m左右，水平
長約2 000m左右，最小充填倍線為2．9，并隨開采深
度的加大不斷減小。在充填過程中，由于輸送工藝
復雜，管線長度大等因素，漏漿、爆管等事故頻發(fā)。
因此，有必要采用FTA分析方法對其事故形成原因
及發(fā)生概率進行分析，進而提出針對性的防控措施。
5．1 頂事件失效概率計算
若要計算頂上事件的發(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個事件的概率積；
ql—— 個基本事件的概率；
Xi—— 基本事件i的狀態(tài)值，X =0或者X =1。
利用上式進行計算，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算結(jié)果及
分類如表4所示。第4期 陳志敏等：基于事故樹的充填管道泵送系統(tǒng)可靠性分析 ·69·
級配不合理( )
充填前潤管不充分( )
充填后洗管不徹底( )
信號聯(lián)系失誤( )
o．025
o．025
o．025
o．025
1．0
1．0
1．O
1．0
o．526 3個重要度系數(shù)均較高，說明該類基本事件對系統(tǒng)失效的
o 327 影響最大，在制定失效防控措施時應優(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)計算了各基本事件的3個
重要度，從而為事故診斷以及確定相應的防范措施
提供了依據(jù)。結(jié)合前述關(guān)于該系統(tǒng)事故樹模型最小
割集和最小徑集的分析，提出了以下防控對策。
(1)充填前潤管不充分( )，充填后洗管不徹
底( )，信號聯(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，應嚴把人員、安檢關(guān)，
制定切實可行的規(guī)章制度，并嚴格執(zhí)行，提高操作人
員的責任心和業(yè)務(wù)水平是經(jīng)濟合理的預防手段。料
漿級配不合理( )以及格篩破損( ，)是造成管道
堵塞的重要原因，在制備過程中應引起足夠認識。
(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，但會對膏體充填的長時間穩(wěn)定運行造
成巨大的影響。
(3)對于管線漏漿，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，針對不同的時期和階段，應采取不同的管理方
法。對于管道的磨損，應從設(shè)計和選型角度考慮，保
證所選用的管道與所輸送的料漿在物理、化學各方
面性質(zhì)上均達到高度的匹配；而針對接頭處的故障，
應加強人員管理，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
和嚴重程度無法預知，但往往對管線的破壞是巨大
的，一旦事故發(fā)生，對管線的破壞是毀滅性的，造成
巨大的經(jīng)濟損失。因此，應從管線設(shè)計之初就避免
此類事故的發(fā)生，使管線盡量避免應力較大、圍巖破
碎或滲水較大的巷道中，應選擇圍巖穩(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)失效的危險源主要有42
(下轉(zhuǎn)第77頁)第4期 劉 鵬：圓形深井泵房內(nèi)力計算與設(shè)計 ·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)，就可自動計算出泵房任意
截面的內(nèi)力。通過3種(手算、電算、Excel表格計
圖6 泵房平面配筋圖
算)計算方式對幾個工程實例的對比，Excel表格計
算結(jié)果與手算、電算均一致，驗證了其可靠性及實用
性，可供設(shè)計參考。
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社．1987．
(上接第69頁)
種，利用FTA分析方法建立r泵送系統(tǒng)失效的事故
樹模型，通過對最小割集和徑集的計算，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
加強管理和技術(shù)培訓。
(2)對某礦膏體充填管道泵送系統(tǒng)進行了實例
分析，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的失效概率為95．1％ ，同時
通過對該系統(tǒng)事故樹基本事件3個重要度的計算分
析，確定了失效防控措施的優(yōu)先順序，提出了有針對
性的對策。
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