煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)安全評價體系的構(gòu)建及其應(yīng)用

李峰鴿,劉小開

(新疆中巖恒泰爆破工程有限公司,烏魯木齊 830000)

井工煤礦在實際生產(chǎn)中存在著瓦斯爆炸、瓦斯窒息、冒頂片幫等多種安全隱患,盡管造成礦井災(zāi)害事故成因各不相同,但造成事故的因素卻是相互影響、相互制約的[1]。新疆某地區(qū)一所資源整合煤礦的井田按井筒及大巷的煤柱分為兩個盤區(qū),首采區(qū)位于井田中段主采二1號煤層。為提高煤礦安全生產(chǎn)水平,需及時全面地對礦山進(jìn)行定性與定量安全評價,以此為保障礦山生產(chǎn)安全提供指導(dǎo)[2]。

1 礦井危險因素

1.1 冒頂片幫

二1號煤層直頂板以砂巖為主,厚度為0.49～36.29 m,017探線與013探線西側(cè)占整個井田的66%,巖性中等至粗砂巖,硬度系數(shù)f=8～10,煤層裂縫不發(fā)育,巖體穩(wěn)定,波動小。因其厚度大,強(qiáng)度差,在工作面上、下兩條順槽均沿著頂板掘進(jìn)。二1煤層中有少量的泥巖及砂質(zhì)泥巖偽頂,采時出落,故在工作面上易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。局部分布的砂泥巖型直接頂板,極易發(fā)生塌方,造成工人受傷。在斷裂帶附近開采或巷道通過斷層時,如果沒有及時支護(hù)及安全措施,很可能會出現(xiàn)冒頂片幫,導(dǎo)致事故發(fā)生[3]。

1.2 煤與瓦斯突出

煤礦與瓦斯突出是由外部力量打破原有煤體的平衡而引起的突然爆發(fā),煤層中的有毒氣體夾雜著煤炭及石塊從煤層中冒出來,將來不及躲閃的人與設(shè)備掩埋,高濃度的瓦斯很快充斥整個通道,當(dāng)氧氣含量下降到12%時,受困人員會因缺氧而窒息。該煤礦為煤與瓦斯的突出地,二1煤層為煤與瓦斯突出煤。煤礦瓦斯排放是煤礦的主要安全風(fēng)險。

1.3 瓦斯爆炸

瓦斯爆炸一般發(fā)生在煤礦工作面、工作面上偶角、裝有機(jī)械設(shè)備的回風(fēng)巷,主要原因是由于這些部位的氣體易于聚集,當(dāng)氣體濃度超過限制時,遇到電器設(shè)備失爆、短路火花、爆破火焰或明火等引起瓦斯爆炸。根據(jù)2022年度的評估,該礦瓦斯?jié)舛葹?0.29 m3/min,相對瓦斯釋放量為17.76 m3/t。整個礦山CO2的絕對噴出量分別為7.4 m3/min、6.48 m3/t。瓦斯與空氣在一定濃度下遇明火發(fā)生爆炸,故瓦斯爆炸是該煤礦安全生產(chǎn)的主要危險因素。

1.4 煤塵爆炸

煤塵爆破應(yīng)滿足以下條件:煤灰是一種可爆炸的物質(zhì),煤塵的爆炸下限為30～50 g/m3,上限為1500～2000 g/m3,微量煤灰的起爆火源在610 ℃～1015 ℃及700 ℃～900 ℃。二1煤層在生產(chǎn)中存在著煤塵爆炸危險。

1.5 水災(zāi)

礦井水災(zāi)是煤礦安全的主要危險因素,主要表現(xiàn)為突水、滲水及崩水[4]。該煤礦水災(zāi)風(fēng)險為頂板上含水層突水及斷裂突水。該礦山直接充水煤層含水層為底部太原組石灰?guī)r含水層,頂板砂巖含水層含水量低,來水量約50 m3/h。該礦田中斷層多為導(dǎo)水?dāng)嗔?當(dāng)開采活動臨近大型導(dǎo)水?dāng)嗔褧r,如果不及時進(jìn)行注漿加固會發(fā)生突水,嚴(yán)重時會淹沒采區(qū)或井下。

1.6 火災(zāi)

引發(fā)煤礦火災(zāi)包括內(nèi)部原因及外部原因[5]。經(jīng)鑒定,二1煤層為難自燃煤層,但如果管理不當(dāng),煤層開采容易發(fā)生緩慢的氧化,熱量不易逸散,導(dǎo)致自然發(fā)火。外部原因包括爆破作業(yè)、電器設(shè)備短路、氣割焊接、干鉆眼、機(jī)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不良、摩擦生熱等,都會導(dǎo)致礦井火災(zāi)及瓦斯煤塵爆炸,危害性較大,應(yīng)重點防范。礦井火災(zāi)的主要發(fā)生地為采礦作業(yè)面、鋪設(shè)電纜的巷道、機(jī)電硐室、采空區(qū)、廢棄煤巷等。

2 定性與定量評價

對該煤礦的危害因子進(jìn)行分析,將其分為冒頂片幫、瓦斯突出、瓦斯爆炸、煤塵爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)等單元,按照安全評估單元的劃分,分別采用安全檢查表法與事故樹分析法對其進(jìn)行定性與定量評價。

2.1 定性評價

通過與評估的礦井現(xiàn)場調(diào)研對比,采用安全檢查表法,確定各評估子級單位是否達(dá)到要求,指出當(dāng)前的安全隱患,得出評估結(jié)論,提出相應(yīng)的安全措施。以通風(fēng)系統(tǒng)安全檢查為例,根據(jù)該煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實際情況,依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》等相關(guān)法律法規(guī)及煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查,確定造成礦井安全隱患的主要原因,編制安全檢查項目并確定檢查內(nèi)容進(jìn)行檢驗與分析,得出結(jié)論,給出建議。詳見表1。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)安全檢查Tab.1 Ventilation system safety check

煤礦通風(fēng)設(shè)備齊全,自給自足,各主要通風(fēng)口都是一次備用,一次使用,運(yùn)行情況良好,供風(fēng)量基本滿足安全生產(chǎn)及工業(yè)衛(wèi)生需求。使用該安全檢查表對18個項目進(jìn)行檢驗均合格,合格率100%。

2.2 定量評價

針對該礦瓦斯爆炸危險性采用基于事件樹的方法對其進(jìn)行風(fēng)險評估[6]。

2.2.1 繪制事故樹分析圖

運(yùn)用事故樹方法對系統(tǒng)內(nèi)的各類內(nèi)在危險因子、危險程度、原因進(jìn)行調(diào)查,為下一步的設(shè)計制定技術(shù)對策,以便制定相應(yīng)的安全管理措施,掌握事故原因。按照事故樹的編寫原理及程序編制瓦斯爆炸事故樹解析圖,如圖1所示。

圖1 瓦斯爆炸事故樹Fig.1 Gas explosion accident tree

2.2.2 瓦斯爆炸事故樹的定量分析

求瓦斯爆炸最小割集。用布爾代數(shù)法,事故樹的最小割集如下:

T=x29x30M1M2

=x29x30(M3+M4+x8+x9+M5)M2

=x29x30[(x1+x2+x3+x4+x5)+(x6+x7+x10x11x12)+x8+x9+(x13+x14+x15)]M2

=x29x30(x1+x2+x3+x4+x5++x6+x7+x8+x10x11x12+x9+x13+x12+x13)·(x16+x17+x18+x19+x20+x21+x22+x23+x24+x25+x26+x27+x28)

(1)

分解上式可得最小割集,組數(shù)為169組。進(jìn)一步求瓦斯爆炸最小徑集,其中6個最小割集即為事故樹的6組最小的徑集,即

P1={x29};P2={x30}

P3={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x13,x14,x15};

P4={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x11,x13,x14,x15};

P5={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x12,x13,x14,x15};

P6={x16,x17,x18,x19,x20,x21,x22,x23,x24,x25,x26,x27,x28}

(2)

2.2.3 頂上事件發(fā)生概率

基本事件概率見表2。

表2 基本事件概率Tab.2 Basic event probability

(3)

式中,NG為系統(tǒng)中最小徑集數(shù),r為最小徑集序數(shù),i為基本事件序數(shù),xi∈p為第i個基本事件屬于第r個最小徑集,qi為第i個基本事件的概率。

根據(jù)式(3)求得頂上事件的發(fā)生概率為:g=0.000004184。

2.2.4 瓦斯爆炸結(jié)構(gòu)重要度分析

不同的基本事件在130組割集中出現(xiàn)頻率大小表明了該基本事件在瓦斯爆炸事故發(fā)生中的重要程度。X1、X2、X3、X4、X5、X8、X9出現(xiàn)在13組割集中,X6出現(xiàn)在38組割集中。概率重要度系數(shù)為:

(4)

式中,Ig(i)為基本事件i的概率重要度系數(shù),P(T)為頂事件發(fā)生概率,qi為基本事件i發(fā)生概率。

基本事件概率重要度系數(shù)根據(jù)式(4)計算,設(shè)計過程中使用FreeFTA軟件計算。

2.2.5 瓦斯爆炸事故樹結(jié)果定量評價

故障樹的數(shù)量超過80%。從定義可知,大多數(shù)單一的基礎(chǔ)事件都具有輸出,如果局部扇形停止(X1),則會引起煤層的瓦斯聚集(M3)。最小割集的最小分集數(shù)目為169個,說明存在169條可能途徑。該礦采煤工作面采高、煤巷開挖面采用放炮,二1煤層瓦斯含量高,礦井下有多種機(jī)械作業(yè),在采煤機(jī)、掘進(jìn)面放炮時會噴出大量瓦斯,如果管理不當(dāng),很容易引起各種火花、摩擦、撞擊、放炮等,導(dǎo)致瓦斯爆炸。

3 結(jié)束語

采用安全檢查表法及事故樹方法進(jìn)行定性定量評價了某礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀。該煤礦由于開采深度大、礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈,易導(dǎo)致片幫冒頂、支架變形損壞的發(fā)生,巷道及采煤工作面不易維護(hù),給礦井安全生產(chǎn)帶來了一定的隱患。建議在施工過程中充分利用正面?zhèn)刹炝旱扰R時支撐,采用噴漿等臨時支護(hù)。應(yīng)制訂安全技術(shù)措施,以避免主通風(fēng)機(jī)及部分通風(fēng)機(jī)無計劃停電、停風(fēng),避免瓦斯超限、瓦斯積聚。消除盲巷及不合理的擴(kuò)散通風(fēng),對臨時停風(fēng)巷進(jìn)行封閉或在巷口設(shè)置柵欄及警示標(biāo)志,避免瓦斯聚集,造成瓦斯事故。