露天煤礦火區早爆事故預防研究

張光權，劉殿書，吳春平

(1.中國礦業大學(北京)，北京100083；2. 北京中科力爆炸技術工程有限公司，北京 101318；3.北京礦冶研究總院，北京 100160)

露天煤礦火區早爆事故預防研究

張光權1,2，劉殿書1，吳春平3

(1.中國礦業大學(北京)，北京100083；2. 北京中科力爆炸技術工程有限公司，北京 101318；3.北京礦冶研究總院，北京 100160)

早爆事故是露天煤礦火區安全生產的主要威脅之一，為研究早爆事故的預防措施，本論文通過對露天煤礦火區事故的致因分析，得出了測溫儀故障、火區炮孔過深及一次作業炮孔過多等16個容易導致火區早爆事故的基本事件及2個條件事件?；谶@些事件構建了露天煤礦火區早爆事故樹，并對事故樹最小割集基本事件結構重要度進行了定量分析和排序。結合事故樹分析結果和寧夏某露天礦火區爆破實際情況，提出了爆破作業分區管理、建立火區爆破作業班組、逆程序施工作業、控制一次爆破作業時長及多方聯合測溫等預防露天煤礦火區爆破作業早爆事故的針對性措施。將這些措施應用到該礦實際爆破作業中取得了良好的效果，提高了作業效率、保證了火區爆破作業安全，為類似工程提供了較好的借鑒。

露天煤礦；高溫爆破；事故樹分析；預防措施

隨著露天采礦技術及設備的發展，露天可采深度不斷增加。國內可采用露天方式開采的礦山越來越多，尤其是建在寧夏、內蒙古等北方煤層埋藏相對較淺的地區。由于露天煤礦煤層露頭較淺，煤層與空氣接觸較充分，在一定條件下易引起煤層的自燃形成火區；此外，很多露天煤礦在建成之前，礦區內已有井工小窯亂采，在開采過程中遺留在采空區的火種點燃煤層并逐步造成煤炭大面積持續燃燒形成火區。

中國是世界上煤炭自燃災害最嚴重的國家，煤炭自燃面積累計已達720km2，形成中國北方煤火燃燒帶。據初步估算，每年直接燃燒損失的煤炭資源1000萬t以上，間接損失的優質煤炭達2億t，煤田自燃每年造成經濟損失近200億元[1]。

我國露天煤礦的覆蓋層硬度普遍比較大，覆蓋層的剝離往往都需要使用炸藥輔以深孔松動爆破或定向拋擲爆破，火區燃燒產生的高溫如果使炸藥或起爆器材達到了熱感度，便會發生早爆。近年來，高溫火區早爆事故時有發生，嚴重威脅爆破作業人員的生命安全[2]。大面積煤炭高溫火區的存在，使得煤炭高溫爆破安全作業問題成為一個亟待解決的行業難題。

國內眾多專家和學者對露天煤礦火區爆破安全問題進行了大量研究，取得了大量成果。李四海等[3]對煤層自燃條件進行了量綱分析，討論了井工開采誘發煤層自燃的機理以及露天礦開采高邊坡穩定性與煤層自燃環境的關系，提出了煤層發生自燃的基本要素。林謀金等[4]采用鍍金光纖作為分布式光纖測溫系統的測溫段對同一炮孔注水前后溫度變化情況進行了監測，發現炮孔溫度在注水降溫停止后的較短時間內即可回升至降溫前的溫度，現場裝藥連線等爆區區域內的工作需要在抽出水管后的較短時間內完成。束學來等[5]針對目前煤礦火區高溫爆破技術效率較低的問題，根據爆破器材的耐熱溫度和炮孔的降溫性能，并考慮安全裕度，把火區分為一級溫度區等5 個溫度區，然后根據各個溫度區炮孔特點，研究爆破技術，并在火區進行爆破實踐，取得了良好的成效。王飛等[6]針對發生在高溫火區炮孔裝藥的早爆安全事故，研究出了一種應用于高溫火區爆破的新型不可逆起爆網路。周名輝等[7]通過現場試驗，提出了使用含CaCl2、MgCl2的水對炮孔進行降溫的方法，并成功進行了應用。蔡光琪等[8]根據鉆孔溫度和孔底特性，將露天礦火區高溫爆破鉆孔分為火區上部的爆破鉆孔、打穿火區的爆破鉆孔、火區附近的爆破鉆孔等三類，并制定了相應的滅火降溫方案。

露天煤礦火區爆破作業最大的威脅之一是早爆事故，但現有研究大都僅針對測溫、降溫或爆破器材隔熱防護等單個問題，從早爆事故預防角度系統性研究防范措施的文獻尚不多見。本論文將通過早爆事故致因分析，建立露天煤礦早爆事故樹，并對事故樹進行定性分析，結合寧夏某礦山實際情況，提出露天煤礦火區早爆事故預防措施。

1 露天煤礦火區早爆事故及致因分析

1.1 早爆及其分類

早爆是指炸藥或起爆器材在預定的起爆時間之前起爆。按早爆引發原因大致可分為起爆器材和炸藥引起的早爆及外界電干擾引起的早爆兩大類[9]，而露天煤礦火區早爆事故往往由前者導致。

1.2 露天煤礦火區早爆事故致因分析

按照安全系統工程理論及事故致因理論，可從人的不安全行為和物的不安全狀態兩個方面來進行分析，人的不安全行為主要包括測溫人員未按要求測溫、設計人員未按規程設計及作業人員違章作業等；物的不安全狀態主要是起爆器材或炸藥處于溫度高于其熱感度的炮孔中。造成炸藥早爆的因素較多，為使分析更具有針對性，本研究僅分析露天煤礦爆破施工中可能造成火區早爆事故、且實際施工中發生頻率相對較高的主要事件，結合工程實踐，歸納出早爆事故的頂上事件、中間事件及基本事件等如表1所示。

表1 露天煤礦火區早爆事故致因分析表

2 露天煤礦火區煤礦早爆事故樹分析

2.1 露天煤礦高溫火區早爆事故樹構建

本研究旨在找出預防露天煤礦火區爆破作業早爆產生的措施和方法，避免早爆事故的發生，故選擇產生炸藥早爆作為事故樹頂上事件T。根據前述露天煤礦火區早爆致因的系統分析及事件間的邏輯關系可以建立如圖1所示的事故樹。

圖1 露天煤礦火區早爆事故樹

2.2 煤礦火區早爆事故樹分析

從露天煤礦早爆事故致因分析表及事故樹可看出，孔溫測量結果較實際偏低及熱量積聚導致孔溫驟升是火區早爆事故發生的主要原因，當異溫區誤用雷管起爆或高溫區使用導爆索起爆但未采取有效降溫隔熱措施而冒險裝藥，且滿足條件事件“測溫偏差值與熱量積聚導致的孔溫升高值之和大于雷管或導爆索熱感度與測量溫度之差值”時，頂上事件將發生。

事故樹中一組基本事件發生就能夠導致頂上事件的發生，這組基本事件稱割集，最小割集就是導致頂上事件發生的最低限度的割集。對某一系統而言，最小割集越多，該系統出現故障的可能性就越大。用布爾代數化簡求圖1所示的事故樹的最小割集，見式(1)。

T=A1+A2=B1·B2+B3·X13·X14·X15·X16=X1·X2·X3· (C2+C3)·α+(C2+C3)·X13·X14·X15·X16·β=(X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12)·(X1·X2·X3·α+X13·X14·X15·X16·β)=X1·X2·X3·X4·α+X1·X2·X3·X5·α+……X1·X2·X3·X12·α+X4·X13·X14·X15·X16·β+X5·X13·X14·X15·X16·β+……+X12·X13·X14·X15·X16·β

(1)

化簡后可知該事故樹總共有18個最小割集，即這18個最小割集中的任意一組事件發生都將會導致露天煤礦高溫火區的早爆事故，所以露天煤礦高溫火區的早爆事故的預防涉及到多方面的因素，要預防早爆事故的發生，須同時防止18個割集中的基本事件發生。

根據割集基本事件重要度系數計算方法，設某一事件有φ個最小割集，最小割集Er中含有mr個基本事件，則基本事件Xi的割集重要度系數Iφ(i)可按式(2)計算。

(2)

由布爾代數化簡結果可知，φ=18，i=1～16，則各基本事件重要度系數計算見式(3)～(5)。

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=1/8

(3)

Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)=1/10

(4)

Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)=1/40

(5)

由此得各基本事件的重要性排序，見式(6)。

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)>Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)>Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(12)

(6)

從結構重要度排序可看出，由于設計失誤、設計審查不嚴、現場安全監督不到位等原因導致在高溫或異溫區錯誤的使用雷管起爆，最容易導致早爆事故；而在火區正常使用導爆索起爆時，炮孔未按要求降溫或降溫達不到裝藥作業要求，且未采取有效的孔內隔熱措施而冒險裝藥、現場監督管理人員未及時制止時容易發生早爆事故；此外，測溫儀故障、測溫儀選型不當、測溫方法不正確、一次裝藥炮孔過多、施工組織不到位、作業人員作業技能差、炮孔預裝藥、高溫區炮孔過深等原因也將導致作業時間過長、使爆破器材處于不安全狀態而增大早爆事故發生的幾率?？梢娙说牟话踩袨槭菍е鲁霈F露天煤礦火區早爆事故的主要因素，要預防早爆事故的發生，必須加強作業人員作業技能和安全意識培訓教育、強化施工組織管理、加大安全監督管控力度。

3 實例分析與應用

3.1 工程概況

寧夏某露天煤礦原為井工礦，已有數十年開采歷史，近年來因安全需要及提升產能等原因改為露天開采，采區內存在多處大面積火區，火區溫度一般在80 ℃左右，最高達400 ℃以上。該煤田盛產著名的太西煤，資源非常稀缺，每年因煤炭自燃造成的資源損失非常大，亟需對火區煤炭進行搶救性開采。由于火區開采存在較高的風險和作業難度，專業性較強，為提高開采效率、降低成本并保證施工安全，該礦將存在火區的部分采區通過招標發包方式交由第三方專業的爆破公司進行爆破作業。

3.2 火區早爆事故預防措施分析

通過對露天煤礦火區早爆事故的事故樹分析，結合該礦作業管理的實際情況，提出了以下幾方面的關鍵預防措施。

3.2.1 加強安全作業培訓及安全審查與監督

從火區早爆事故樹及分析結果可知，設計失誤、審查不嚴及安全監督不到位等人的不安全行為是導致早爆事故的重要原因，要避免早爆事故的發生須控制好人的行為。首先要強化作業與管理人員安全意識，做好培訓教育，同時要抓好設計及設計審批工作，嚴格落實現場安全監督，防止在火區使用雷管作為孔內起爆器材、高溫區未采取有效降溫隔熱措施或降溫隔熱到不到要求而冒險裝藥等不安全行為發生。

3.2.2 爆破作業區域劃分與分區作業管理

高溫是導致露天煤礦火區早爆事故的直接原因，結合事故樹分析結果，測溫偏差和熱量集聚、孔溫反彈或驟升是導致露天煤礦火區早爆事故發生的主要原因之一，要預防早爆事故，必須做好火區溫度管理，防止在溫度測量和起爆器材的選擇上出現大的偏差。

做好火區劃分及火區管理是預防早爆事故的關鍵，爆破設計和作業前須對火區進行辨識和分區管理。為此，在爆破作業時根據孔溫將爆破作業區域劃分為常溫區、異溫區和高溫區。根據以往施工和測溫經驗，該礦常溫區孔內溫度一般常年保持在30 ℃以下，同時，基于謹慎性原則，在火區劃分時須保證一定的安全冗余度；因此，將孔溫在30 ℃以下界定為常溫區，溫度在30～60 ℃之間的區域界定為異溫區，孔溫在60 ℃及以上的區域界定為高溫區。

常溫區鉆孔后須對炮孔溫度進行測量和監控，防止待爆破區域溫度變化，爆前復測仍低于30 ℃時，可按常規方式正常進行爆破作業；異溫區域作業時須合理選用爆破器材，并控制好作業持續時間，采用反程序高溫爆破法進行施工作業[10]；由于在露天煤礦高溫區中使用隔熱防護器材目前不符合經濟合理性與便捷性要求，故一般情況下嚴禁在60 ℃以上的高溫區實施爆破作業，必須采取降溫措施，使炮孔溫度降到60 ℃以下，且10 min內不反彈或反彈溫度低于60 ℃，方可按異溫區進行作業。

3.2.3 合理選擇測溫儀器及測溫方法

由事故樹分析可知，測溫儀器選擇的適當與否及測溫儀器性能的可靠性是影響測溫準確性的重要因素。溫度測量的準確性是保證火區爆破安全的基礎，只有準確的知道炮孔溫度情況才能采取有針對性措施，保證爆破作業的安全。為保證測溫儀器性能的可靠性，須對測溫儀定期進行校核，異溫區采用紅外線和熱敏電阻兩種測溫儀同時對每一個炮孔進行測溫，并取溫度高者作為記錄孔溫。

同時，為保證測溫過程主觀上的可靠性，根據礦區安全生產管理實際情況，實行礦方生產技術科、安管科及監理公司、施工方爆破公司等多方聯合測溫方式，各相關方均指派有經驗的測溫員分別使用各自的測溫儀器，在現場對擬爆破區域的每個炮孔進行測溫，取多方聯合測溫中溫度最高者作為記錄溫度。由于火區作業時炮孔溫度會因熱量傳導、集聚等原因導致孔溫變化，在鉆孔完畢后及爆破裝藥作業前分別進行測溫。

3.2.4 嚴格控制火區一次起爆裝藥作業時長

根據前述事故樹分析及以往施工經驗，測溫偏差及孔內熱量積聚導致的孔溫反彈驟升是火區早爆事故的主要，炮孔深度較大時測溫易出現偏差，且更容易因熱量集聚而導致孔溫升高或反彈。因此，在孔溫高于30 ℃火區進行布孔作業時，應合理控制炮孔深度；此外，在火區爆破時，為盡量減少一次起爆作業時間，防止巖體熱傳導或炸藥自發熱反應使熱量集聚而導致孔溫升高或反彈過大，且一次裝藥爆破炮孔數量不宜過多。根據經驗，在本礦區作業時布孔數量不超過8個，孔深不超過12 m。

此外，火區作業時，為縮短作業時間，保證作業安全，除了控制一次爆破作業炮孔數量外，還應挑選爆破作業經驗豐富、體能較好的年輕爆破員，成立專門的火區爆破作業班組，經火區作業專項訓練并考核合格后才能進入火區實施爆破作業。一般情況下每孔作業人員不超過2人，總人數不超過9人，從開始裝藥到起爆整個作業過程時間不能超過5 min。

3.3 應用效果

該礦區曾因火區早爆發生過較為嚴重傷亡事故，爆破安全生產形勢一度比較嚴峻。采取上述預防措施后，大大提高了施工效率，保證了爆破安全，從技術和制度層面有效防范了早爆事故的發生。近兩年來，該礦區年采剝總量達2000萬m3以上，年出煤量近600萬t，未發生一起火區早爆安全事故，取得了較好的成效。

4 結論

通過對露天煤礦火區早爆事故樹分析，結合寧夏某露天煤礦火區爆破實踐，得出以下結論。

1)在火區使用雷管起爆、不按規定對炮孔測溫、降溫等人的不安全行為是露天煤礦火區早爆事故的首要原因，爆破器材處于高溫炮孔中等人的不安全行為所引發的物的不安全狀態是早爆事故發生的直接原因，要預防早爆事故，必須從控制人的不安全行為著手。

2)為預防露天煤礦火區早爆事故，須加強各環節作業技能培訓和安全意識教育，確保設計、鉆孔、測溫、裝藥、封堵等作業按規定進行；加強測溫儀器等設備的檢驗檢測工作，確保性能可靠；實行多方聯動驗孔、測溫，并做好火區作業分區管理，嚴格控制火區作業時炮孔深度不大于12 m，一次起爆作業炮孔數量不超過8個，限制裝藥作業時炮孔溫度在60℃以下，作業時長不超過5 min。

3)在寧夏某露天礦火區爆破作業的實踐表明，露天煤礦火區早爆事故可防可控，通過事故樹分析提出的預防措施在應用中效果明顯，對類似火區爆破工程有較好的借鑒意義。

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2016年我國黃金產量453t

據中國黃金協會最新統計數據顯示，2016年，我國國內累計生產黃金453.486 t，同比上升0.76%，連續10年成為全球最大黃金生產國，其中，黃金礦產金完成394.883 t、有色副產金完成58.603 t。 2016年全國黃金消費量975.38 t，同比下降6.74%，連續4年成為世界第一黃金消費國。

據中國黃金協會介紹，2016年國際金價延續寬幅震蕩之勢，年平均價為1 246.14美元/盎司。在嚴峻形勢下，黃金行業積極采取應對措施，努力實現穩中求進的目標。中國黃金深入開展全過程成本管控；紫金礦業2016年實現海外黃金產量超過10 t，旗下剛果(金)卡莫阿銅業公司銅資源儲量獲得重大突破，達到3 340萬t；山東黃金實施內部市場化改革和科技創新，礦山由降本增效向提質增效轉變；山東招金打造互聯網黃金生態圈，為黃金產業鏈上下游企業和消費者創造價值。

Research on theprevention of premature explosion accident in high-temperature zone of open-cast coal mine

ZHANG Guangquan1,2, LIU Dianshu1, WU Chunping3

(1.China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Beijing Zhongkeli Blast Technology Engineering Co., Ltd., Beijing 101318, China; 3.Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy, Beijing 100160, China)

Premature explosion accident is one of the main threatens to safety production in high-temperature zone of open-cast coal. To find out the preventive measure of the premature explosion accident, 2 conditional events and 16 basic events such as thermodetector failure and excessive deep hole in fire area are presented, through accident-causing analysis of premature explosion fault in fire zone of open-pit coal mine. Based on those events, premature explosion fault tree of open-pit coal mine is constructed. Combined with the qualitative analysis results of the ATA and the actual situation of some open-cast coal in Ningxia, some corresponding measures such as blasting zoning management of high-temperature area and establishing operations team of high-temperature blasting and multipartite temperature measurement are suggested to prevent premature explosion accident in high-temperature zone of open-pit coal mine, which obtains good results in the practice of the blasting operation and provides a good reference for similar engineering.

open-cast coal；high-temperature blasting；accident tree analysis (ATA)；preventive measure

2016-09-23

863計劃項目資助(編號：2011AA060405)

張光權(1981-)，男，博士，主要從事爆破參數優化、爆破安全技術及采礦工藝等方面的研究,E-mail：zhangguangquanone@126.cm。

TD77+1

A

1004-4051(2017)03-0112-05