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