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大采高综放面支架围岩系统失稳的模糊事故树法研究

文档作者：何富连赵志志何尚森李通达殷帅峰文档来源：中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院		点击数：	更新时间： 2021年09月17日
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第46卷第1O期
2014年第lO期
煤炭工程
COAL ENGINEERING
Vo1．46，No．10
No．10， 2014
doi： 10．1 1799／ce2014lO045
大采高综放面支架一围岩系统失稳的
模糊事故树法研究
何富连，赵志志，何尚森，李通达，殷帅峰
(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)
摘要：基于同忻矿大采高综放面支架一围岩系统失稳机理，探究影响综放面稳定性的因
素，建立了大采高综放面支架一围岩系统失稳事故树；运用三角模糊函数和布尔代数法求出顶事
件发生的模糊概率，评价系统的安全性；对基本事件的模糊重要度进行排序，从而确定导致综放
面支架一围岩系统失稳的主要因素。
关键词：大采高综放面；支架一围岩系统失稳；事故树；三角模糊数
中图分类号：TD323 文献标识码：A 文章编号：1671—0959(2014)10-0158-04
Fuzzy Fault Tree Analysis on Instability of Bracket —．Rock System
in Fully M echanized Caving Face with Large Cutting Height
HE Fu—lian， ZHAO Zhi—zhi， HE Shan g—sen， LI Tong—da，YIN Shuai—feng
(School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)
Abstract：Based on the instability mechanism of bracket— rock system in fully mechanized caving face with large cutting
height in Tongxin coal mine，the influence factors was investigated for the stability of fully mechanized caving face，and
the instability fault tree was established．The fuzzy probability of top event was calculated with triangular fuzzy function and
Boolean algebra method，and the security of the system was evaluated．The importance degree of elementary event was
ranked to ascertain the dominant factor for the instability of bracket—rock system in fully mechanized caving face with large
cutting height．
Keywords：fully mechanized caving face；instability of bracket—rock system；fault tree；triangu lar fuzzy numbers
大采高综放开采由于煤层较厚、生产条件特殊，相对
于普通综放开采对支架等相关设备有了更高的要求，设备
的维护和管理难度加大，故障率也较普通综放面设备要高；
加之操作不慎，组织失误等人为因素，使得工作面支护往
往达不到理想效果甚至出现支护失效。另外，由于采高和
顶煤厚度大幅增加，大采高综放面还存在覆岩运动规律不
清，力源不明⋯ 等复杂地质问题，致使支架一围岩系统失
稳的几率进一步增大，因此保证大采高综放面支架一围岩
系统的安全稳定是煤矿实现高产高效的必要条件。
同忻矿8105综放工作面主采煤层为石炭系3 ～5 煤，
采用单一走向长壁后退式综合机械化放顶煤开采，工作面
倾斜长200m，中部支架为ZF15000／27．5／42型支撑掩护式
低位放顶煤支架，采高为3．9m，放煤厚度11．59m。在该工
作面的开采过程中比较严重的片帮冒顶等异常矿压现象时
有发生，不仅如此，在该煤层开采的过程中也曾发生严重
的支架一围岩事故。如在8107综放工作面曾发生大范围的
冒顶片帮和底鼓事故，事故初期，煤壁发生严重片帮，片
帮深度达1．5～2．5m，局部大于3．Om；后期，顶板大范围
冒漏，大量矸石漏至工作面，最大冒高达17m以上，大量
冒落煤岩体侵入到支架中，导致工作面停产，严重威胁井
下人员的安全。
为了保障8105工作面的后续安全生产需要对支架一围
收稿日期：2013—08—19
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51234005)；国家重点基础研究发展计划资助(2010CB226802)；中央高校基本
科研业务费专项资金资助项目(2010YZ02)
作者简介：何富连(1966一)，男，浙江临海人，教授，博士生导师，主要从事矿山压力与岩层控制方面研究，
E—mail：1046171715@ qq．con。
引用格式：何富连，赵志志，何尚森，等．大采高综放面支架一围岩系统失稳的模糊事故树法研究[J]．煤炭工程，
2014，46(10)：158—161．
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岩系统进行深入研究。目前，大采高综放开采虽然在理论
和实践都有一些进展，但是由于各个矿井的地质生产条件
差异较大，支架一围岩系统稳定性的关键影响因素也有较
大区别，并且现有研究也极少对支架一围岩这一复杂的矿
山系统进行全面细致的分析，矿井安全事故的“蝴蝶效应”
时有发生。因此，本文将模糊事故树法引入到大采高综放
工作面支架一围岩系统稳定性的研究中。
事故树分析法作为一种全面有效的系统安全评价方法，
其描述事故的因果关系具有直观明了、思路清晰、逻辑性
强等优点，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地
揭示出导致事故的潜在原因，传统的事故树分析要求基本
事件有精确的概率，但在煤矿系统中，存在很多不确定因
素，这些不确定性的因素对系统基本事件的发生行为有影
响，基本事件的精确概率并不是一成不变的；另外有些基
本事件也没有精确的统计概率，为了尽可能准确描述事故
发生的可能性引入三角模糊数表征基本事件发生的概率。
1 三角模糊数
1)
2)
如图1所示为两个三角模糊数；三角模糊数的相关计
算原则可参考文献[2]，不再赘述。
图1 两个三角模糊数
2 支架一围岩事故树的建立及分析
2．1 支架一围岩系统失稳事故树建立
基于大采高综放面支架一围岩系统失稳机理结合8105
综放工作面地质生产条件以及矿井工作面以往事故统计，
主要从支架和围岩的两方面探讨导致事故发生的原因，统
卜支架一围岩失稳；A1一支架失稳；A2一围岩失稳；A3一劳动作业管理不善；Bl一支架故障；B2一支护质量差；
一围岩开裂软弱；B4一异常矿压显现；B5一移护不规范；B6一割煤质量差；Cl一机械故障；C2一泄漏故障；
C3一支设质量差；C4一支架稳定性差；C5一煤岩体松软破碎；C6一构造发育；C7一围岩异常破断；C8一预测防护不力
JDl一支架构件损坏；D2一液压系统泄漏；D 一端面围岩事故；D4一顶板异常来压；D5一围岩裂动机理不明；
E】一管路故障；E2一立柱泄漏；E3一千斤顶泄漏；E4一操纵阀泄漏；E5一单向阀泄漏
图2 大采高综放工作面支架一围岩系统失稳事故树
2．2 事故树的分析
2．2．1 定量分析
稳事
． -
，
的概
难以
见表
X26、
1)利用布尔代数法，计算出顶上事件 的发生概率为
0．31—0．52，表明8105综放工作面支架一围岩系统稳定性
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较差，系统的潜在危险性较大，应提高警惕并采取相应措
施确保工作面支架一围岩系统的安全。
2)三个A级事件的概率降序为支架失稳(0．22—
0．25)、劳动作业管理不善(0．12—0．22)、围岩失稳
(0．06～0．11)，表明支架失稳是支架一围岩系统失稳的主
因，要使系统的整体稳定性得到较大提高应着眼于如何保
持支架的稳定性。
3)支架泄漏故障概率为0．136—0．141，在支架整体故
障中所占的比例达到60．9％ ，表明支架的泄漏故障是造成
支架性能欠佳的主因，另外支架的液压阀泄漏故障即操纵
阀、安全阀、单向阀三者泄漏故障之和占支架泄漏故障的
96．4％ ，因此加强液压阀的检修是保证支架液压系统良好
工作的重中之重。
表1 大采高综放工作面支架一围岩系统失稳事故树基本事件的三角模糊概率数
符号 基本事件 三角模糊概率数 符号 基本事件 三角模糊概率数
l 破损结构件检修不力 (0．014，0．054，0．016) 3 顶梁俯仰异常 (0．0019，0．039，0．0012)
2 立柱损坏 (0．00002，0．0001，0．00005) 顶煤破碎 (0．00097，0．003，0．00097)
千斤顶弯曲脱落 (0．00002，0．0002，0．00001) 底板松软 (0．00255，0．00917，0．00255)
操纵阀手把顿挫失灵 (O．001，0．006，0．002) x26 裂隙发育 (O．00073，0．005，0．00073)
底座主筋断裂 (0．00003，0．0001，0．00002) 7 夹层繁多 (0．00615，0．01233，0．00615)
液压软管破损 (0．001，0．005，0．003) 8 断层 (0．00134，0．0015，0．00134)
玛 管路堵塞 (0．006，0．02，0．008) 9 煌斑岩入侵 (0．01224，0．023，0．01224)
管路接头损坏 (0．005，0．015，0．005) 0 严重片帮 (0．005，0．043，0．003)
乳化液泄漏发现不及时 (0．05，0．65，0．05) l 冒顶 (0．002，0．009，0．OO4)
l0 立柱泄漏 (0．0004，0．003，0．0007) 32 周期来压过大 (0．00883，0．022，0．00883)
J 立柱活塞腔串液 (0．0006，0．005，0．0009) 3 顶板大面积来压 (0．00075，0．00157，0．00075)
l2 千斤顶漏液 (0．007，0．O1，0．003) 34 防护措施不及时 (0．0015，0．005，0．o024)
13 千斤顶活塞腔串液 (0．003，0．03，0．005) 5 冒落片帮机理不明 (0．12246，0．25，0．12246)
l4 操纵阀漏泄 (0．OO4，0．O1，0．003) X36 覆岩破断运动机理不明 (0．07071，0．36667，0．07071)
l5 操纵阀串液 (0．O1，0．05，0．02) 37 推进速度过慢 (0．003，0．015，0．001)
l6 单向阀漏液 (0．003，0．008，0．002) 8 采高超限 (0．016，0．O44，0．006)
17 单向阀高低串液 (0．007，0．013，0．009) X39 支护不及时 (0．0005，0．003，0．0003)
l8 安全阀漏液 (0．O04，0．055，0．005) 0 梁端距过大 (0．003，0．032，0．007)
l9 液压管漏液 (0．002，0．005，0．001) 1 接顶距过大 (0．007，0．035，0．013)
初撑力不足 (0．005，0．02．0．007) 2 底板未割平 (0．0122，0．025，0．0122)
21 支架前梁不接顶 (0．006，0．04，0．004) 托3 煤壁未采直 (0．0245，0．014，0．0245)
2 支架倾倒歪斜 (0．0021，0．015，0．0038)
2．2．2 定性分析
1)事故树的最小割集。采用布尔代数法求系统的最小
割集，应用到支架一围岩事故树，其表达式如下：
T = Al+A2+A3
： l[ + + + +( + + )]+
[( l0+ l1)+( l2+ l3)+( l4+ 15)+
( 16+X17)+ l8+ l9]+[( 20+ 1)+
( 22+ 3)]+( + 5+ 6+ l27)+
( 。+ )+[ o+ ，+ + ]
[X3 +( 5+ 6)]+[ 7+恐8+(恐9+
40+ 。)+( 42+ )]
由上式可知，该故障树最小割集数46，任意一个最小
割集的发生都能影响支架一围岩系统的稳定性。
从8105综放工作面支架一围岩系统失稳事故树的逻辑
门构成分析，逻辑门共28个，其中逻辑“或” 门25个，
占89．3％ ；而“与” 门3个，仅占10．7％ 。“或” 门较多
表明大部分单个事件都有输出，即每一个单个事件的发生
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都会引起相应的故障或事故，支架一围岩系统的稳定性
较差。
2)基本事件的模糊重要度分析。基本事件的模糊重要
度S 反映了对顶上事件的影响程度，基本事件的模糊重要
度越大，表明其对系统的影响越大。本文采用模糊重要度
中值法 】，求出基本事件的模糊重要度，并对其排序，令
S 为基本事件置的模糊重要度，则基本事件的模糊重要度
排序：
S9< < <540>< J<
Sl3<$42><
S27<
S10

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