煤礦瓦斯爆炸危險(xiǎn)因素定量評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用

＊吳繼良

（山西中陽(yáng)華潤(rùn)聯(lián)盛蘇村煤業(yè)有限公司 山西 033400）

引言

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤層及臨近采空區(qū)會(huì)產(chǎn)生各種有毒有害氣體，如甲烷、硫化氫、二氧化碳等，這些氣體可統(tǒng)稱為“礦井瓦斯”[1-3]。礦井瓦斯具有可燃性、毒害性和易爆性，是煤礦生產(chǎn)中的主要危害因素之一，在工程生產(chǎn)中必須采取相應(yīng)的措施，防止煤礦瓦斯事故的發(fā)生[4]。因此，開(kāi)展煤礦瓦斯爆炸危險(xiǎn)因素定量評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用具有極為重要的工程價(jià)值[5]。

1.工程概況

蘇村煤業(yè)地處中陽(yáng)縣蘇北村，中陽(yáng)縣境內(nèi)有307國(guó)道和孝-柳鐵路，交通十分便利。蘇村煤業(yè)采用地下開(kāi)采，煤層瓦斯含量較大，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量15.55m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量9.26m3/t，具有瓦斯爆炸等潛在危險(xiǎn)。因此，本文將著重對(duì)瓦斯爆炸的危險(xiǎn)因素進(jìn)行定量分析。

2.事故樹(shù)定量評(píng)價(jià)方法

事故樹(shù)分析方法是對(duì)故障樹(shù)分析方法的延伸和繼承，是安全生產(chǎn)分析評(píng)價(jià)中常用的一種定量分析方法。事故樹(shù)分析方法是基于邏輯推演的方式對(duì)系統(tǒng)的危險(xiǎn)源和危險(xiǎn)性進(jìn)行識(shí)別和評(píng)判,該方法可以分析出促使事故發(fā)生的直接原因和潛在因素。

事故樹(shù)定量分析主要包含以下幾個(gè)重要步驟：

(1)事故樹(shù)的構(gòu)造

事故樹(shù)是由各種符號(hào)和連接的邏輯門構(gòu)成，事故樹(shù)包含了可能導(dǎo)致事故發(fā)生的主要危險(xiǎn)因素，并可反應(yīng)各種因素與事故之間的邏輯關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，事故樹(shù)必須具有可靠性，即事故樹(shù)中包含的因素和邏輯關(guān)系要真實(shí)可靠。

(2)事故樹(shù)的定性分析

對(duì)事故樹(shù)進(jìn)行定性分析主要采用求解最小割集和最小徑集的方法。最小割集一般通過(guò)布爾運(yùn)算得到，依據(jù)最小割集可推演出事故樹(shù)上可能導(dǎo)致事故發(fā)生的途徑。從該途徑入手，逐步分析便可得到導(dǎo)致事故發(fā)生的真實(shí)原因。如某礦發(fā)生了瓦斯爆炸事故，在對(duì)可能途徑進(jìn)行檢查時(shí)，逐步核對(duì)該途徑中所包含的事件，若該途徑中所包含的事件全部發(fā)生，則可斷定瓦斯爆炸事故由該途徑引起。若該途徑中有一個(gè)基本事件未發(fā)生，則排除該因素引發(fā)瓦斯爆炸的可能性。采用同樣的方法排查下一途徑，直至找出導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生的最小割集，導(dǎo)致事故發(fā)生的最小割集所包含的基本事件就是造成事故的內(nèi)在原因。如煤礦的瓦斯爆炸事故由放炮產(chǎn)生明火，且風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)組成，則該最小割集包含四個(gè)基本事件，分別為瓦斯達(dá)到爆炸濃度、瓦斯與明火相遇、風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)和放炮起明火。在排查時(shí)，瓦斯達(dá)到爆炸濃度和瓦斯與明火相遇均已發(fā)生，可以直接跳過(guò)，排查風(fēng)機(jī)是否停止運(yùn)轉(zhuǎn)，若風(fēng)機(jī)沒(méi)有停止運(yùn)轉(zhuǎn)，說(shuō)明事故不是由該最小割集引起。若風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)則繼續(xù)排查放炮是否引起明火，若排查出放炮引起明火，則便可確定瓦斯爆炸事故是由該最小割集引起的。

從上文的分析可知，事故的預(yù)防措施可根據(jù)最小割集來(lái)制定。最小割集所含的基本事件必須全部發(fā)生才能引起事故，我們只需要采取方法“制止”其中一個(gè)基本事件的發(fā)生，便可使該割集喪失危險(xiǎn)性，斬?cái)嗍鹿拾l(fā)生的途徑。在實(shí)際分析中，也會(huì)遇到某個(gè)基本事件在同時(shí)存在于多個(gè)最小割集中，我們稱這類事件為關(guān)鍵事件，若避免關(guān)鍵事件的發(fā)生，則可“破壞”多個(gè)最小割集的形成條件?？梢罁?jù)關(guān)鍵事件在事故樹(shù)中的重要程度對(duì)關(guān)鍵事件進(jìn)行排序，得到關(guān)鍵事件的重要度，在進(jìn)行事故預(yù)防時(shí)便可有的放矢的選取關(guān)鍵事件，有效的預(yù)防事故的發(fā)生。

最小徑集是指不引起事故發(fā)生的最低限度的基本事件的集合，即這些基本事件不發(fā)生，事故就不會(huì)發(fā)生。通常，對(duì)事故樹(shù)進(jìn)行定量分析，采用最小割集或最小徑集其中之一便可，為充分對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行定量分析，本文采用最小割集和最小徑集兩種分析方法。

3.定量評(píng)價(jià)結(jié)果

(1)瓦斯爆炸事故樹(shù)

瓦斯爆炸需具備3個(gè)基本條件：甲烷濃度達(dá)到一定的范圍；氧氣濃度達(dá)到一定范圍；有溫度足夠的火源。若礦井發(fā)生瓦斯爆炸事故，則必然滿足以上3個(gè)基本條件，因此，我們可以從這3個(gè)基本條件入手對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行定量分析。值得說(shuō)明的是，由于井下人員作業(yè)需要氧氣，因此，瓦斯爆炸的氧氣濃度可滿足條件，這里便不再分析該因素，重點(diǎn)分析火源和瓦斯?jié)舛葍蓚€(gè)條件。依據(jù)瓦斯爆炸事故樹(shù)便可進(jìn)行定性分析，確定最小割（徑）集和各基本事件的重要度，為進(jìn)行煤礦瓦斯爆炸事故的機(jī)理分析和預(yù)防提供理論依據(jù)。

由蘇北煤礦的瓦斯爆炸事故樹(shù)可知，或門個(gè)數(shù)占比較大，達(dá)到80%，事故樹(shù)中或門是只要一個(gè)基本事件發(fā)生便可引起頂層事件的發(fā)生。如風(fēng)筒漏風(fēng)（x2）或供風(fēng)能力不足（x3）都可導(dǎo)致掘進(jìn)面瓦斯的聚集（A3）。未按時(shí)監(jiān)測(cè)（x10）或警報(bào)斷電儀失靈（x11）都可引起瓦斯漏檢（A5）。事故數(shù)中的與門個(gè)數(shù)僅占20%左右，與門是指多個(gè)基本事件同時(shí)發(fā)生，才能導(dǎo)致頂層事件的發(fā)生。如瓦斯爆炸濃度（A1）與火源（A2）同時(shí)達(dá)到引爆條件，才能引起瓦斯爆炸事故（T）。從蘇北煤礦瓦斯爆炸事故樹(shù)或與門的比例可以得出，該煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故的概率較大。

(2)最小割集分析

采用布爾運(yùn)算得到蘇北煤業(yè)瓦斯爆炸事故樹(shù)的最小割集等效圖，如圖1所示。

圖1 事故樹(shù)最小割集等效圖

從圖1中可以看出瓦斯爆炸事故樹(shù)共包含130組最小割集，這說(shuō)明，引發(fā)蘇北煤業(yè)瓦斯爆炸的可能途徑有130種之多。當(dāng)任意一個(gè)最小割集（Ki）中的基本時(shí)間全部發(fā)生時(shí)，則瓦斯爆炸事故也必發(fā)生。例如在最小割集K14中，包含4個(gè)基本事件分別為：瓦斯達(dá)到爆炸濃度（x26）；瓦斯與明火相遇（x27）；風(fēng)筒漏風(fēng)（x2）；放炮起火（x13）。若掘進(jìn)工作面發(fā)生風(fēng)筒漏風(fēng)（x2），則瓦斯集聚到一定程度便會(huì)達(dá)到爆炸濃度（x26），此時(shí)若掘進(jìn)工作面放炮起火（x13），則必然導(dǎo)致瓦斯與明火相遇（x26），從而發(fā)生瓦斯爆炸（T）。由最小割集的基本概念還可以得到，若最小割集中包含的基本事件越多，則該割集發(fā)生的概率越小。反之，最小割集中包含的基本事件越少，則該割集發(fā)生的概率越大。

(3)最小徑集分析

由蘇北煤業(yè)瓦斯爆炸事故樹(shù)得到的最小徑集如圖2所示。

圖2 事故樹(shù)最小徑集等效圖

從圖2中可以看出瓦斯爆炸事故樹(shù)可以劃分為6組最小徑集，根據(jù)最小徑集的定義，只要使Pi中任意一個(gè)不發(fā)生，則事故便不會(huì)發(fā)生。Pi不發(fā)生的條件是Pi中所包含的基本事件同時(shí)不發(fā)生。例如對(duì)于P1來(lái)說(shuō)該最小徑集只包含一個(gè)基本事件瓦斯達(dá)到爆炸濃度（x26），因此只要瓦斯達(dá)到爆炸濃度（x26）不發(fā)生，則瓦斯爆炸事故便不會(huì)發(fā)生。P4中則包含10個(gè)基本事件，要使P4不發(fā)生，則風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)（x1）、風(fēng)筒漏風(fēng)（x2）、供風(fēng)能力不夠（x3）、風(fēng)筒距工作面過(guò)長(zhǎng)（x4）、風(fēng)量不足（x5）、積聚的瓦斯未及時(shí)處理（x6）、采空區(qū)漏出（x8）、未按時(shí)檢測(cè)瓦斯（x10）、警報(bào)斷電儀失靈（x11）、警報(bào)斷電儀位置不當(dāng)（x12）均不能發(fā)生。因此應(yīng)根據(jù)最小徑集分析，制定合理的預(yù)防措施，如加強(qiáng)瓦斯檢測(cè)制度管理、保證工作面供風(fēng)量、及時(shí)檢查風(fēng)筒質(zhì)量等。

4.結(jié)論

（1）采用事故樹(shù)分析方法中的最小割集和最小徑集定量分析法，對(duì)蘇村煤業(yè)的礦井瓦斯爆炸危險(xiǎn)因素進(jìn)行定量分析，闡述了事故樹(shù)定量分析的基本原理和主要分析步驟。

（2）構(gòu)建了蘇村煤業(yè)的礦井瓦斯爆炸事故樹(shù)，事故樹(shù)圖中或門個(gè)數(shù)占比達(dá)到80%，表明該煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故的概率較大，事故樹(shù)共包含130組最小割集和6組最小徑集，依據(jù)最小割集和最小徑集的概念，揭示了蘇村煤業(yè)發(fā)生瓦斯爆炸的可能途徑，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。