Методические подходы к прогнозу пожароопасности шахтных ленточных конвейеров

Методические подходы к прогнозу пожароопасности шахтных ленточных конвейеров

Ленточный конвейер — сложное транспортное оборудование, состоящее из электрических приводов с заполненными маслом редукторами, электрической аппаратуры управления, пусковой аппаратуры, кабелей, линейного става с большим количеством роликоопор, приводными и натяжными барабанами, гидромуфтами, а также конвейерной ленты, проходящей по всей длине става и, следовательно, по значительной длине горных выработок. В состав конвейерной ленты входят горючие материалы, которые при определенных условиях могут гореть и выделять токсичные продукты.

Анализ пожаров, происшедших в шахтах на ленточных конвейерах, показывает, что загорание конвейерных лент возможно от следующих источников зажигания:

внешних, образующихся при загорании шахтной деревянной крепи, угля, электрических кабелей или других горючих изделий и веществ, когда в зоне горения находится конвейерная лента;

возникающих при работе самих конвейеров, в основном от трения ленты на барабанах конвейера, неисправных роликоопорах, металлических конструкциях става конвейера и т. п.

Для прогноза и оценки пожароопасности подземных ленточных конвейеров, определения вероятности возникновения и развития пожара на нем воспользуемся методом системного анализа путем установления логических взаимосвязей между причинами, определяющими возникновение и развитие пожаров на ленточном конвейере, и их последствиями.

Такой подход к прогнозу возможности пожара на ленточном конвейере требует учета основных взаимосвязей между элементами оборудования, выявления роли каждого из них в общем процессе функционирования системы. Кроме того, при таком подходе процесс проектирования системы безопасности может быть сведен к итерационному процессу последовательного чередования анализа и синтеза до тех пор, пока на основе обратной связи не будет обеспечен требуемый уровень пожаробезопасности.

Наиболее наглядным и доступным для широкого круга специалистов служит метод системного анализа, получивший также название «дерево отказов» (или «дерево решений») [1−5].

«Дерево отказов» представляет собой схему взаимосвязи событий, приводящих к отказу при нормальном функционировании какой-либо системы. Под отказом в системе понимают совершение события, которое само по себе или в совокупности с другими может привести к отказу в функционировании системы в целом, к так называемому головному событию — пожару.

Этот метод позволяет наглядно представить качественную сторону взаимосвязи элементарных событий, однако полностью его возможности раскрываются через количественный анализ. Исходными данными для такого анализа должны быть значения вероятностей p_i появления элементарного события, которые могут иметь смысл частоты его возникновения за определенный промежуток времени, установленный на основе статистических данных.

Графический метод «дерева отказов» позволяет наглядно представить причинно-следственные связи развития экстремального события, на основе чего в результате осуществления последующих этапов выявляется мера опасности изучаемого процесса.

Разработанная блок-схема (см. рисунок) причинно-следственной связи основных событий, приводящих к возникновению пожара на ленточном конвейере, по своей сути является «деревом отказов» в аварийном функционировании технологической схемы конвейера.

В блок-схеме введены следующие уровни: 1 — вид ГШО; 2 — составные части; 3 — элементы составных частей (пожароопасные узлы); 4 — внешние причины; 5 — непосредственные причины; 6 — защита, блокировка; 7 — вид теплового источника зажигания; 8 — горючая среда в пожароопасном узле; 9 — загорание. На рисунке первое число в блоках указывает номер уровня, а второе — порядковый номер блока на этом уровне:

• 1.1 — ленточный конвейер;
• 2.1 — приводная станция; 2.2 — натяжная станция; 2.3 — линейный став;
• 3.1 — электродвигатель; 3.2 — редуктор; 3.3 — гидромуфта; 3.4 — приводной барабан; 3.5 — натяжной барабан; 3.6 — элементы линейной части конструкции; 3.7 — поддерживающие ролики;

Блок-схема причинно-следственной связи событий, приводящих к возникновению пожара на ленточном конвейере.

• 4.1 — нарушение изоляции обмоток; 4.2 — трение в подшипниках; 4.3 — поломка вала; 4.4 — прочие неисправности в редукторе; 4.5 — трение в узлах; 4.6 — понижение уровня масла; 4.7 — наличие механических примесей в рабочей жидкости; 4.8 — поломка подшипникового вала; 4.9 — попадание влаги или штыба между лентой и барабаном; 4.10 — завал в местах загрузки конвейера; 4.11 — заштыбовка конвейера; 4.12 — торможение ленты посторонним предметом; 4.13 — заклинивание ленты; 4.14 — перегрузка ленточного конвейера; 4.15 — заклинивание натяжного барабана; 4.16 — нарушение линейности става; 4.17 — вращение ролика с неисправным подшипником; 4.18 — заштыбовка ролика;
• 5.1 — короткое замыкание; 5.2 — перегрузка двигателя; 5.3 — перегрузка турбомуфты; 5.4 — пробуксовка приводного барабана; 5.5 — трение ленты о натяжной барабан; 5.6 — трение ленты об элементы конструкции или деревянные стойки; 5.7 — трение ленты о заклиненный ролик;
• 6.1 — защита электродвигателя от короткого замыкания; 6.2 — защита от перегрузки; 6.3 — тепловая защита; 6.4 — защита приводного барабана от пробуксовки; 6.5 — температурная защита барабана;
• 7.1 — искрение; 7.2 — нагревание поверхности электродвигателя; 7.3 — нагревание турбомуфты; 7.4 — нагревание приводного барабана; 7.5 — нагревание натяжного барабана; 7.6 — нагревание элементов конструкции конвейера или древесины; 7.7 — нагревание подшипника ролика; 7.8 — нагревание заклиненного ролика;
• 8.1 — метан; 8.2 — угольная пыль; 8.3 — рабочая жидкость; 8.4 — конвейерная лента; 8.5 — штыб; 8.6 — древесина; 8.7 — штыб; 8.8 — смазка, полимерные вкладыши;
• 9.1 — загорание.

Блок-схему можно использовать для разработки вероятностной модели возникновения пожара на ленточном конвейере на всем его протяжении. В общем виде вероятность возникновения пожара на ленточном конвейере можно выразить в следующем виде:

(1).

где P_п — вероятность возникновения пожара в течение года;

р_i — вероятности возникновения загорания в пожароопасных узлах конвейера в течение года.

В данном случае количество таких узлов n = 7 (уровень 3): электродвигатель, редуктор, турбомуфта, приводной барабан, натяжной барабан, элементы линейной части конструкции, поддерживающие ролики.

Запишем в развернутом виде вероятности p_і для пожароопасных узлов с учетом возможных внешних причин создания экстремальных условий (уровень 4) и отказа блокировки или защиты (уровень 6). При этом предполагаем, что концентрация кислорода и количество горючего вещества достаточны для устойчивого горения.

Возникновение загорания в пожароопасном узле конвейера обусловлено совместным образованием в нем горючей среды (событие ГС) и появлением в этой среде источника зажигания (событие ИЗ). Считая, что события ГС и ИЗ независимы, получим.

(2).

где р_i(ГС) — вероятность образования горючей среда в i-м пожароопасном узле;

р_i(ИЗ) — вероятность появления в горючей среде этого узла источника зажигания;

р_i(ОК) — вероятность наличия концентрации кислорода в вентиляционном потоке, достаточной для воспламенения горючей среды.

Согласно разработанной функциональной блок-схеме вероятность возникновения источника зажигания в каждом пожароопасном узле конвейера можно записать следующим образом:

(3).

где р₁(ИЗ₇₁) — вероятность появления электрической искры в электродвигателе;

р₄₁ — вероятность нарушения изоляции обмоток электродвигателя;

р₆₁ — вероятность отсутствия или неисправности системы блокировки или защиты от КЗ в электродвигателе;

(4).

где р₁(ИЗ₇₂) — вероятность нагревания поверхности электродвигателя свыше предельно допустимых температур;

р₄₂ — вероятность возникновения трения в подшипниках;

р₄₃ — вероятность поломки вала электродвигателя;

р₆₂ — вероятность отсутствия или неисправности защиты от перегрузки;

(5).

где р₂(И3₇₃) — вероятность нагревания редуктора свыше предельно допустимой температуры;

р₄₄ — вероятность возникновения прочих неисправностей в редукторе;

р₄₅ — вероятность понижения уровня масла;

р₄₆ — вероятность трения в узлах редуктора;

р₆₃ — вероятность отсутствия или неисправности тепловой защиты;

(6).

где р₃(ИЗ₇₃) — вероятность нагревания турбомуфты свыше предельно допустимой температуры;

р₄₇ — вероятность наличия механических примесей в рабочей жидкости турбомуфты;

р₄₈ — вероятность поломки подшипникового вала гидромуфты;

(7).

где р₄(ИЗ₇₄) - вероятность нагревания поверхности приводного барабана свыше предельно допустимых температур;

р₄₉ — вероятность попадания влаги или штыба между лентой и барабаном;

р₄₁₀ — вероятность образования завала в местах загрузки конвейера углем;

р₄₁₁ — вероятность заштыбовки конвейера;

р₄₁₂ — вероятность торможения конвейерной ленты посторонним предметом;

р₄₁₃ — вероятность заклинивания конвейерной ленты;

р₄₁₄ — вероятность возникновения перегрузки ленточного конвейера;

р₆₄ — вероятность отсутствия или неисправности защиты от пробуксовки приводного барабана;

р₆₅ — вероятность отсутствия ила неисправности температурной защиты приводного барабана;

(8).

где р₅(И3₇₅) — вероятность нагревания поверхности натяжного барабана свыше предельно допустимой температуры;

р₄₁₅ — вероятность заклинивания натяжного барабана конвейера;

р₆₆ — вероятность отсутствия или неисправности защиты от пробуксовки натяжного барабана;

р₆₇ — вероятность отсутствия или неисправности температурной защиты натяжного барабана;

(9).

где р₆(И3₇₆) — вероятность нагревания элементов конструкции ленточного конвейера или древесины;

p₄₁₆ — вероятность нарушения линейности става конвейера;

р₆₈ — отсутствие или неисправность устройства контроля линейности става;

(10).

где р₇(ИЗ₇₇) — вероятность нагревания поддерживающего ролика из-за выхода из строя его подшипника;

р₄₁₇ — вероятность вращения ролика с неисправным подшипником;

р₆₉ — вероятность отсутствия иди неисправности системы контроля работы поддерживающих роликов;

(11).

где р₇(ИЗ₇₈) — вероятность нагревания поддерживающего ролика из-за его заштыбовки;

р₄₁₈ — вероятность заштыбовки поддерживающего ролика.

Тогда вероятность возникновения загорания в каждом пожароопасном узле в соответствии с формулой (2) определяется следующим образом.

Вероятность p₁ возникновения загорания на электродвигателе равна.

(12).

где р₈₁ — вероятность наличия метана в зоне образования короткого замыкания;

р₈₂ — вероятность образования на поверхности электродвигателя слоя угольной пыли (штыба).

Вероятность p₂ возникновения загорания на редукторе равна.

(13).

где р₈₃ — вероятность наличия или образования горючей среды. Вероятность p₃ возникновения загорания на гидромуфте равна.

. (14).

Вероятность р₄ возникновения загорания на приводном барабане конвейера определяется из равенства.

(15).

где р₈₄— вероятность наличия горючей конвейерной ленты;

р₈₅ — вероятность наличия угольного штыба.

Вероятность p₅ возникновения загорания на натяжном барабане конвейера определяется следующим образом:

. (16).

Вероятность р₆ возникновения загорания на линейной части конвейера из-за трения конвейерной ленты об элементы конструкции става или древесину равна.

(17).

где p₈₆ — вероятность того, что древесина будет иметь низкую влажность.

Вероятность р₇ загорания на линейной части конвейера из-за выхода из строя поддерживающего ролика определится следующим образом:

(18).

где p₈₇ — вероятность наличия угольного штыба у ролика;

р₈₈ — вероятность наличия горючей смазки или полимерных вкладышей ролика из горючих материалов.

Таким образом, подставляя значения из выражений (12) — (18) в равенство (1), получим вероятность возникновения загорания на всем протяжении ленточного конвейера в течение года.

Разработанная математическая модель (1) — (18) позволяет выполнить прогноз и оценку пожарной опасности конкретного ленточного конвейера с учетом условий его эксплуатации в горной выработке угольной шахты.

прогноз пожар шахта оборудование.

• 1. Алексеенко О. М. Системный анализ в оценке эффективности мероприятий по пожарной безопасности на метрополитенах /О.М. Алексеенко // Противопожарная защита подземных сооружений метрополитенов: сб. науч. тр. / ВНИИПО. — М., 1986. — С. 55 — 63.
• 2. Ихно С. А. Об оценке уровня пожаробезопасности рудничных передвижных компрессорных станций без обслуживающего персонала /С.А. Ихно, П. С. Залесский, А. Ф. Косенко // Безопасная эксплуатация электромеханического оборудования в шахтах: сб. науч. тр. / МакНИИ. — Макеевка-Донбасс, 1983. — С. 36 — 41.
• 3. Мамаев В. В. Системный подход к определению пожарной опасности горно-шахтного оборудования / В. В. Мамаев // Пути развития горноспасательного дела: тр. науч.-практ. конф., 21−23 окт. 1997 г. / НИИГД. — Донецк, 1997. — С. 94 — 95.
• 4. Мамаев В. В. Методы системного анализа в работе экспертно-технической комиссии при пожаре в шахте / В. В. Мамаев // Проблемы пожарной безопасности. Ликвидация аварий и их последствий: тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. / НИИГД. — Донецк, 2002. — С. 177 — 179.
• 5. Хорошун В. И. Системный анализ причин развития подземных пожаров / В. И. Хорошун, В. Т. Хорольский, Ю. А. Хорошилов // Ведение горноспасательных работ и предупреждение аварий: сб. науч. тр. /ВНИИГД. — Донецк, 1984. — С. 11 — 15.