基于事故樹(shù)分析法的礦山透水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析

蔣成榮 秦宏楠

(1.攀枝花學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

基于事故樹(shù)分析法的礦山透水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析

蔣成榮1秦宏楠2

(1.攀枝花學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

我國(guó)多數(shù)礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜，近年來(lái)礦山突水事故頻發(fā)，已造成嚴(yán)重的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，有必要對(duì)引起礦山突水事故的原因進(jìn)行深入分析。運(yùn)用事故樹(shù)分析法，以湖南有色柿竹園多金屬礦為例，建立了礦山突水事故樹(shù)模型，分析了引發(fā)突水事故的各種因素，對(duì)該礦發(fā)生突水事故的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過(guò)結(jié)構(gòu)重要度分析，確定了礦井水災(zāi)害防治的關(guān)鍵：設(shè)置排水巷道；實(shí)地勘測(cè)，定期檢查防排水設(shè)備及排水巷道，全面掌握礦山空區(qū)及掘進(jìn)情況；制定合理有效的應(yīng)急預(yù)案，設(shè)計(jì)合理的避災(zāi)路線。

礦井突水 事故樹(shù)分析 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

礦山采用空?qǐng)龇ɑ驐l帶式開(kāi)采會(huì)形成大面積的采空區(qū)，這些采空區(qū)頂板在礦柱的支撐下在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)保持穩(wěn)定，形成許多長(zhǎng)期存在的空區(qū)[1]。對(duì)水文地質(zhì)復(fù)雜的礦山，當(dāng)采空區(qū)在地下水位以下時(shí)，將形成積水，一旦掘進(jìn)工程與采空區(qū)或與采空區(qū)連同的巷道、構(gòu)造貫通，將引發(fā)嚴(yán)重的透水事故，瞬間淹沒(méi)礦井。我國(guó)多數(shù)礦山都屬于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的類型[2-3]，2001年7月17日，廣西南丹礦區(qū)地下爆破引起老空區(qū)突水，造成81人死亡；2005年8月7日廣東省梅州市大興煤礦發(fā)生透水事故，121人死亡。2009年全國(guó)礦山發(fā)生水害52起，在20起較大以上水害事故中，屬于老空(窯)透水事故的17起、死亡108人，分別占事故總數(shù)的85%和死亡人數(shù)的82.4%。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)共有250多個(gè)礦井被淹，1 700多人死亡，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)350多億元人民幣[4]。隨著礦山資源的不斷開(kāi)采，越來(lái)越多的礦山進(jìn)入深部采區(qū)，水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，進(jìn)入21世紀(jì)以后，共發(fā)生礦井突水事故近500起，死亡3 000余人[4]。因此，有必要對(duì)可能造成礦山突水事故的各因素進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)分析，真實(shí)客觀地反映出礦山水災(zāi)防治的關(guān)鍵因素，幫助礦山企業(yè)有針對(duì)性地抓重點(diǎn)，定措施，建立可靠有效的事故管理制度和合理的應(yīng)急對(duì)策和措施，從而降低礦山突水事故率，提高安全生產(chǎn)效率。

1 事故樹(shù)分析方法

事故樹(shù)分析方法(FTA)是在圖論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的邏輯分析法，是一種由結(jié)果向原因逆向分析的方法。首先通過(guò)實(shí)地調(diào)研，分析可能導(dǎo)致事故發(fā)生的所有事件，分析事件規(guī)律，將事件的邏輯關(guān)系以邏輯門的形式鏈接起來(lái)，從而得到形象、簡(jiǎn)潔、關(guān)系清晰的邏輯關(guān)系樹(shù)圖，即事故樹(shù)。由于其簡(jiǎn)單易行，便于分析各事件直接的相互關(guān)系及與頂上事件的邏輯層次關(guān)系，在我國(guó)工程安全評(píng)價(jià)中得到普遍使用[5-7]。

事故樹(shù)定性分析主要有：求最小割集、最小徑集和基本事件結(jié)構(gòu)重要度分析。

(1)割集與最小割集。在事故樹(shù)中凡能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合稱作割集。即：該集合中的全部基本事件均發(fā)生時(shí)，一定導(dǎo)致頂上事件發(fā)生。而導(dǎo)致頂上事件發(fā)生最低限度基本事件的集合則稱之為最小割集。最小割集中只要有一個(gè)基本事件不發(fā)生，頂上事件就一定不會(huì)發(fā)生。

對(duì)于簡(jiǎn)化的事故樹(shù)，將事故樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)式展開(kāi)，所得每一項(xiàng)即可視為一個(gè)最小割集；對(duì)于尚未簡(jiǎn)化的事故樹(shù)，結(jié)構(gòu)函數(shù)式展開(kāi)后，需要用布爾代數(shù)運(yùn)算法則進(jìn)行處理，便可得到最小割集。

(2)最小徑集。在事故樹(shù)中凡是不能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合稱作徑集。最小徑集為不能導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件的集合的最低限度。在事故樹(shù)中，一個(gè)最小徑集也就意味著頂上事件不可發(fā)生情況就有一種，最小徑集越多，頂上不可發(fā)生的途徑就越多，系統(tǒng)就越安全[8]。在最小徑集中，去掉任何一個(gè)基本事件，便不能保證一定不發(fā)生事故，因此最小徑集表達(dá)了系統(tǒng)的安全性。

將事故樹(shù)轉(zhuǎn)化為對(duì)偶樹(shù)，求成功樹(shù)的最小割集即事故樹(shù)的最小徑集。

(3)結(jié)構(gòu)重要度。事故樹(shù)是由眾多基本事件構(gòu)成，這些基本事件都會(huì)對(duì)頂上事件產(chǎn)生不同程度的影響，其影響程度可以根據(jù)基本事件結(jié)構(gòu)重要度確定，結(jié)構(gòu)重要度是考慮在同等概率下，各基本事件對(duì)頂上事件所產(chǎn)生的影響程度。

通過(guò)確定相同重要度的基本事件，再利用最小割集和最小徑集對(duì)基本事件進(jìn)行比較，從而確定各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度。

2 工程實(shí)例

2.1 分析模型的建立

湖南柿竹園多金屬礦是全國(guó)最大的鎢精礦生產(chǎn)基地和全球最大的高純鉍生產(chǎn)商，年采剝總量位居湖南省有色礦山第一。由于歷史問(wèn)題和有色金屬價(jià)格上漲行情影響，礦山周邊亂采、盜采、非法開(kāi)采等行為屢禁不止，特別是周邊有證礦點(diǎn)超深越界開(kāi)采現(xiàn)象嚴(yán)重。在柿竹園礦和瑪瑙山礦以及蘇仙區(qū)大奎上鄉(xiāng)的交界處，有一約1 000萬(wàn)m3的高峰水庫(kù)緊鄰新老蛇形坪礦區(qū)，民采礦點(diǎn)逐漸蠶食新老蛇形坪礦區(qū)53#采空區(qū)與高峰水庫(kù)之間的防水礦柱，礦柱寬度已不足18 m。民采礦點(diǎn)各中段之間有平巷、天井、采空區(qū)相互貫通，與蛇形坪鉛鋅礦區(qū)、柴山礦區(qū)、橫山嶺礦區(qū)的多個(gè)中段貫通，一旦防水礦柱被蠶食殆盡，極有可能發(fā)生水庫(kù)透水事故。因此，水庫(kù)底部及周邊進(jìn)行的亂采、盜采、非法開(kāi)采，已經(jīng)形成了柿竹園多金屬礦突水事故安全隱患，嚴(yán)重威脅柿竹園礦的安全生產(chǎn)。

為了建立柿竹園突水事故樹(shù)模型，對(duì)該礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研，認(rèn)真分析了造成礦山突水事故的各個(gè)危險(xiǎn)源26項(xiàng)(見(jiàn)表1)。根據(jù)危險(xiǎn)源及造成礦山突水事故各因素的邏輯關(guān)系，建立了事故樹(shù)模型，如圖1。

表1 柿竹園突水類型及危險(xiǎn)源

圖1 柿竹園礦突水事故樹(shù)模型

2.2 最小割集計(jì)算及突水路徑分析

利用布爾代數(shù)簡(jiǎn)化法求解柿竹園礦突水事故樹(shù)的最小割集：

T=A1A2A3=(B1+B2+B3)(X17X18X19)(B4+B5)=(X1X2+X1X3+X1X4+X1X5+

X1X6+X1X7+X1X8X9X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16)(X17X18X19)(X20+

X21+X22+X23+X24+X25+X26) ,

(1)

柿竹園礦發(fā)生突水事故的最小割集為：

φ={{X1X2X17X18X19X20},{X1X3X17X18X19X20}，…，{X16X17X18X19X20，…，{X16X17X18X19X26}} .

(2)

通過(guò)計(jì)算，共得出91個(gè)最小割集(見(jiàn)式(2))，每個(gè)最小割集代表柿竹園礦突水的一種基本事件組合，即柿竹園共存在91種突水路徑或突水模式，因此防治難度非常大。每個(gè)路徑包括一個(gè)使非正常涌水量增加的基本事件、3個(gè)使排水能力不足的基本事件和一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)失效的基本事件組成。從最小割集計(jì)算可以得出：

(1)使非正常涌水量增加的16個(gè)基本事件是造成柿竹園礦各種突水災(zāi)害發(fā)生的最重要原因。在這16個(gè)基本事件中，有地表水流入事件4種，頂?shù)装逅袄峡账凰录?種，隔水礦柱破壞事件9種，未設(shè)排水通道1種。其中，由于未設(shè)置排水巷道引發(fā)的礦區(qū)被高峰水庫(kù)水淹事故占49種。因此，在高峰水庫(kù)與礦區(qū)接觸關(guān)鍵部位設(shè)置排水巷道是降低突水事故災(zāi)害的有效手段，并建議在這些關(guān)鍵部位設(shè)置防水門。

(2)從突水危害程度來(lái)看，后果最嚴(yán)重的基本事件是未設(shè)置排水巷道、禁采區(qū)范圍不足、非法開(kāi)采破壞、巷道布置不合理、開(kāi)采順序不合理、斷層破碎帶溝通水庫(kù)以及隔水礦柱自身尺寸及力學(xué)性質(zhì)不足導(dǎo)致的高峰水庫(kù)突水。高峰水庫(kù)水潰入不僅僅會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)被淹，威脅柿竹園礦生產(chǎn)工人的生命安全和礦山財(cái)產(chǎn)安全，造成不可想象的災(zāi)難。柿竹園礦已有非法亂采亂挖的小坑洞導(dǎo)致的地表及大氣降水灌入坑道，也可引發(fā)部分礦區(qū)或中段被水淹；超層越界開(kāi)采或探放不利引起的頂?shù)装寮袄峡諈^(qū)突水，可使工作面甚至水平被淹；技術(shù)與管理方面的應(yīng)急失效，引發(fā)或加重事故的災(zāi)害性。

(3)從91個(gè)最小割集的基本事件組合中可以知道，超設(shè)備排水能力、超水倉(cāng)容量、排水巷道不通暢或被堵是發(fā)生礦井被淹沒(méi)的必要條件，因此在有被淹風(fēng)險(xiǎn)的礦區(qū)中段安置排水能力可靠的設(shè)備，定期檢查排水巷道，保證排水巷道通暢是減輕礦井被淹危害的有效手段。

2.3 最小徑集計(jì)算與防治措施分析

將柿竹園礦突水事故樹(shù)變成了“成功樹(shù)”，求解成功樹(shù)的最小割集為：

(3)

因此，突水事故樹(shù)存在8個(gè)最小徑集，分別為：

(4)

一個(gè)最小徑集就表示頂上事件不可發(fā)生的事件就有一種，計(jì)算結(jié)果知：

(1)P5、P6、P7代表預(yù)防突水事故發(fā)生的最短路徑，措施是使柿竹園礦各個(gè)礦區(qū)及中段安置合理高效的排水設(shè)備，或水倉(cāng)容積能夠承受這種突水事故壓力。柿竹園礦由于緊挨高峰水庫(kù)，尤其客觀條件的特殊性，顯然沒(méi)有辦法擴(kuò)大排水能力或開(kāi)挖足夠容積的水倉(cāng)去承擔(dān)高峰水庫(kù)水潰入引發(fā)的巨大水量，只能通過(guò)保證排水巷道的排水能力，這與在最小割集分析結(jié)果是一致的。

(2)P1由7個(gè)基本事件組成，措施是在高峰水庫(kù)與礦區(qū)相鄰關(guān)鍵部位設(shè)置排水巷道，保證水庫(kù)水不涌入的水淹事故；對(duì)非法亂挖亂采的地表坑洞處做好封堵工作，防止再出現(xiàn)新非法開(kāi)采的坑洞與礦區(qū)坑道溝通；嚴(yán)格按照地測(cè)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)挖巷道，防止越界開(kāi)采，同時(shí)在開(kāi)挖過(guò)程中做好探放水工作，以防止發(fā)生頂?shù)装寮袄峡諈^(qū)水流入。

(3)P8由7個(gè)基本事件組成，措施是避免應(yīng)急預(yù)案中的技術(shù)與管理失誤。應(yīng)急預(yù)案與設(shè)計(jì)和投產(chǎn)時(shí)預(yù)計(jì)礦井正常水量、最大涌水量及突水特點(diǎn)相匹配，應(yīng)急預(yù)案措施足以保證最大限度的減小在正常開(kāi)采條件下突水事故損失。對(duì)由高峰水庫(kù)造成的非正常用水量增加，設(shè)計(jì)合理的避災(zāi)路線，關(guān)鍵部位設(shè)置防水門改變水流路線等措施，減少人員傷亡。

(4)P2、P3、P4由13個(gè)基本事件組成，措施是保證隔水礦柱的穩(wěn)定性，同時(shí)避免地表水及地下水與井下巷道溝通。在13個(gè)基本事件當(dāng)中，禁采區(qū)范圍不足、巷道不合理、開(kāi)采順序不合理等基本事件都屬于技術(shù)問(wèn)題，因此保證設(shè)計(jì)的合理性具有重要的意義；另一方面，對(duì)可能會(huì)與高峰水庫(kù)接觸或很接近的斷層及破碎帶做好封堵防滲，以及隔水礦柱的應(yīng)力及變形監(jiān)測(cè)工作。

2.4 結(jié)構(gòu)重要度比較分析及防治方案的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)重要度分析是從事故樹(shù)結(jié)構(gòu)入手分析各基本事件的重要程度。結(jié)構(gòu)重要度分析一般可以采用兩種方法：精確求出結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；用最小割集或最小徑集排除結(jié)構(gòu)重要度順序。

在此利用簡(jiǎn)易算法計(jì)算最小割集結(jié)構(gòu)重要度：對(duì)每一最小割集都賦予值1，最小割集中每個(gè)基本事件都得到相同的權(quán)重，對(duì)每個(gè)基本事件累計(jì)權(quán)重，按其得分多少排出結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。求得：Iφ(1)累計(jì)權(quán)重為7.875;Iφ(2)=Iφ(3)=…=Iφ(6)=Iφ(7),累計(jì)權(quán)重為1.167;Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10),累計(jì)權(quán)重為0.875;Iφ(11)=Iφ(12)=…=Iφ(15)=Iφ(16),累計(jì)權(quán)重為1.4;Iφ(17)=Iφ(18)=Iφ(19),累計(jì)權(quán)重為16.275;Iφ(20)=Iφ(21)=…=Iφ(25)=Iφ(26),累計(jì)權(quán)重為2.325。

因此，有Iφ(17)>Iφ(1)>Iφ(20)>Iφ(11)>Iφ(2)>Iφ(8).

比較結(jié)果說(shuō)明，柿竹園礦排水能力的基本事件結(jié)構(gòu)重要度最大。在正常開(kāi)采條件下，排水系統(tǒng)是礦防治水系統(tǒng)的最重要環(huán)節(jié)。針對(duì)高峰水庫(kù)水量巨大的特點(diǎn)，在民采盜采猖獗、大量違法開(kāi)采的條件下，突水危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)排水設(shè)備的排水能力，因此，在緊鄰高峰水庫(kù)的關(guān)鍵部位開(kāi)鑿排水通道是唯一有效的排水措施。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)實(shí)地調(diào)研及搜集相關(guān)資料，確定了柿竹園礦突水類型及危險(xiǎn)源，建立了突水事故樹(shù)模型，能直觀地反映各個(gè)因素與發(fā)生最終突水事故之間的邏輯關(guān)系。通過(guò)最小徑集的計(jì)算，確定了造成突水事故的關(guān)鍵因素；通過(guò)最小割集的計(jì)算，確定了礦山突水事故的防治重點(diǎn)；通過(guò)結(jié)構(gòu)重要度分析，確定了防治方案的優(yōu)先級(jí)別。

(2)通過(guò)對(duì)事故樹(shù)最小割集的計(jì)算，確定了在不同危險(xiǎn)水源情況下存在的91種突水路徑或突水模式。其中，由于未設(shè)置排水巷道引發(fā)的突水事故有49種，占全部突水模式的53.8%，因此在高峰水庫(kù)與礦區(qū)接觸關(guān)鍵部位設(shè)置排水巷道是降低突水事故災(zāi)害的有效手段。超設(shè)備排水能力、超水倉(cāng)容量、排水巷道不通暢是發(fā)生礦山突水傷亡事故的必要條件。做好引水入倉(cāng)及排水工作十分重要，但不足以消化高峰水庫(kù)的巨大水量，建議在緊鄰高峰水庫(kù)的礦區(qū)關(guān)鍵部位設(shè)置排水巷道，以此避免由于非正常涌水量突增而造成的淹井事故。

(3)管理及應(yīng)急。要求礦山做好基礎(chǔ)地測(cè)資料，在施工中要嚴(yán)格按照真實(shí)地測(cè)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工；編制合理的應(yīng)急預(yù)案，規(guī)劃設(shè)置合理的避災(zāi)路線，定期檢查排水設(shè)備及排水通道，確保排水設(shè)施的可靠性及排水通道的通暢；組織作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，并定期進(jìn)行逃生演練；加強(qiáng)地表盜采、亂采、非法開(kāi)采等地表坑洞處的封堵工作；做好檢查和監(jiān)督工作，通過(guò)有效的監(jiān)管、教育、法律等手段杜絕違規(guī)開(kāi)采，防止再出現(xiàn)新的非法開(kāi)采的坑洞與礦區(qū)坑道溝通。

[1] 馬海濤.“11.6”特別重大塌陷事故礦區(qū)采場(chǎng)穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬分析[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2007，3(6)：68-72.

[2] 范維唐，盧鑒章，申寶宏.煤礦災(zāi)害防治的技術(shù)與對(duì)策[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

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Analysis on the Risk Evaluation of Mine Water Inrush Based on Fault Tree Analysis Method

Jiang Chengrong1Qin Hongnan2

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Panzhihua University;2.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science & Technology)

The hydrogeological conditions of the most mines in our country are complex,in recent yeras,the mine water inrush accidents outbreak frequently,enormous casualties and property loss are caused,so,it is necessary to analyze the cause of mine water inrush accidents.Take the Shizhuyuan polymetallic mine as the research object,the fault tree analysis method is adopted to establish the fault tress model of mine water inrush accidents.The risk of inrush accident of Shizhuyuan polymetallic mine is evaluated by analyzing the all factors influencing the inrush accidents.By conducting structure importance degree analysis,the preventing and controlling method of the mine water disasters are determined,they are including setting the drainage roadway,conducting filed survey so as to check the waterproof and drainage equipments and drainage tunnels to make understanding of mining zone and driving conditions comprehensively,formulating rational and effective emergency plans and designing reasonable route to avoid disasters.

Mine water inrush, Fault tree analysis, Risk evaluation

2014-07-02)

蔣成榮(1963—)，男，副教授，617000 四川省攀枝花市。