基于事故樹(shù)的煤礦瓦斯爆炸機(jī)理分析

李 楠

(大同煤礦集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組管理部軒煤分部，山西原平 034100)

0 引言

根據(jù)國(guó)家安全監(jiān)督管理總局公布的數(shù)據(jù)，2013—2017年5年時(shí)間內(nèi)全國(guó)共發(fā)生瓦斯爆炸事故52起，死亡人數(shù)521人，其中2013年發(fā)生的19起瓦斯爆炸事故死亡221人，2014年發(fā)生的12起瓦斯爆炸事故死亡89人，2015年的7起瓦斯爆炸事故死亡49人，2016年發(fā)生9起瓦斯爆炸事故死亡117人，2017年發(fā)生的5起瓦斯爆炸事故死亡45人。這52起事故中只有2起未發(fā)生人員死亡，死亡人數(shù)超過(guò)10及以上的事故達(dá)到20起，占事故總數(shù)的38．5%。瓦斯爆炸在煤礦事故災(zāi)害中的危害性十分嚴(yán)重，不僅造成生命和財(cái)產(chǎn)損失，也對(duì)社會(huì)造成很大影響。

因此，如何采取有效措施減少煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生十分必要，文中通過(guò)事故樹(shù)理論分析瓦斯爆炸事故發(fā)生的各類(lèi)關(guān)鍵因素，以便采取針對(duì)性措施預(yù)防瓦斯爆炸事故發(fā)生。

1 瓦斯爆炸原因分析

1．1 瓦斯爆炸機(jī)理

瓦斯是煤炭開(kāi)采過(guò)程中，由煤、巖層中涌出的以CH4為主的有害氣體總稱。通常CH4占瓦斯含量90%以上，瓦斯分為游離、吸附兩種狀態(tài)，初始情況下煤層中的瓦斯處于平衡狀況，隨著開(kāi)采活動(dòng)對(duì)煤、巖層初始狀態(tài)的破壞，失衡后吸附狀態(tài)的瓦斯會(huì)轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，在壓力作用下沿縫隙涌出。當(dāng)井巷空氣中瓦斯?jié)舛群窟_(dá)到5% ～16%左右，遇到火源將會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。通常瓦斯爆炸以爆燃為主，當(dāng)瓦斯爆炸壓力達(dá)到限值會(huì)向爆轟轉(zhuǎn)化，并向四周產(chǎn)生沖擊波。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到9．5%時(shí)，瓦斯爆轟壓力可以達(dá)1 719 MPa，速率為1 804 m/s。由于井下作業(yè)環(huán)境空間狹小，爆炸易在巷道中形成高溫氣體灼傷影響范圍內(nèi)的人員皮膚、呼氣系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等，毀壞井下電氣設(shè)備并形成火源向其他區(qū)域蔓延。同時(shí)大范圍的瓦斯轟燃會(huì)大幅度降低井巷空氣氧氣含量，產(chǎn)生大量有毒氣體，造成人員窒息。爆炸沖擊波直接影響范圍內(nèi)的人體造成沖擊傷害，致人死亡，對(duì)井巷內(nèi)設(shè)備、支護(hù)、圍巖以及通風(fēng)設(shè)施造成直接破壞。由于井下煤塵較多，極易產(chǎn)生二次煤塵爆炸。

1．2 瓦斯爆炸危險(xiǎn)源識(shí)別

根據(jù)瓦斯爆炸機(jī)理，需要氧氣、燃燒物、火源三要素。換言之，發(fā)生瓦斯爆炸需要3個(gè)條件，一是井巷空氣中的氧氣濃度應(yīng)能支持爆炸的氧化作用，井巷空氣中氧氣濃度與大氣氧濃度相同約為20%，而瓦斯爆炸的最低氧含量為12%;二是瓦斯?jié)舛刃枰_(dá)到爆炸范圍，產(chǎn)生爆炸需要的瓦斯體積百分?jǐn)?shù)5% ～16%，完全爆炸濃度約為9．5%;三是引發(fā)爆炸的火源。燃燒、爆炸等劇烈化學(xué)反應(yīng)需達(dá)到650°左右的溫度條件，通常瓦斯爆炸需有明火或電火花才能引燃。通過(guò)上述對(duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)源辨識(shí)的分析，防止瓦斯爆炸主要從控制瓦斯聚集、杜絕火源兩方面展開(kāi)工作。主要做法有恰當(dāng)?shù)耐L(fēng)，瓦斯抽采，電氣設(shè)備采用隔爆型或本質(zhì)安全型產(chǎn)品，采煤機(jī)、綜掘機(jī)割煤滾筒設(shè)置水噴霧頭防止工作時(shí)生產(chǎn)火花，嚴(yán)格制度杜絕抽煙等明火。

2 煤礦瓦斯爆炸事故樹(shù)分析

2．1 事故樹(shù)的建立

由于瓦斯爆炸事故是煤礦生產(chǎn)中的主要災(zāi)害之一，同時(shí)該類(lèi)事故的危險(xiǎn)性十分嚴(yán)重，通過(guò)事故樹(shù)分析法對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行分析，對(duì)防止瓦斯爆炸的事故發(fā)生有著十分重要的意義。煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)與工廠等作業(yè)環(huán)境有著本質(zhì)區(qū)別，生產(chǎn)對(duì)象為非均質(zhì)性質(zhì)賦存的煤、巖層，隨井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境不斷變化，作業(yè)空間內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)也呈現(xiàn)非均質(zhì)、非固態(tài)的狀態(tài)。瓦斯積聚、涌出以及井巷中瓦斯?jié)舛鹊淖兓簿哂信既恍浴㈦S機(jī)性，因此研究瓦斯爆炸的發(fā)生原因呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)化、非線性、復(fù)雜性。根據(jù)以往事故經(jīng)驗(yàn)表明，瓦斯爆炸事故的多發(fā)地點(diǎn)為采煤工作面、掘進(jìn)工作面。通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)、通風(fēng)機(jī)性能、風(fēng)筒狀態(tài)等都會(huì)影響瓦斯?jié)舛茸兓⒎e聚。電氣設(shè)備漏電、電焊、爆破、煙頭、明火以及煤炭自燃等都會(huì)是形成瓦斯爆炸事故的火源。總結(jié)上述各類(lèi)因素，構(gòu)建瓦斯爆炸事故樹(shù)如圖1所示。

2．2 事故樹(shù)定量分析

關(guān)于事故樹(shù)最小割集的結(jié)構(gòu)函數(shù)為:

整個(gè)事故樹(shù)共有最小割集180個(gè):

因此可以看出導(dǎo)致瓦斯爆炸的各類(lèi)事件的可能性組合較多。

關(guān)于事故樹(shù)最小徑集的結(jié)構(gòu)函數(shù)為:

該事故樹(shù)的最小徑集有4個(gè):{X1};{X2，X3，…，X10};{X11，X12};{X13，X14，…，X22}，因此得出為避免瓦斯爆炸事故樹(shù)中事件發(fā)生各個(gè)因素的結(jié)構(gòu)重要度大小為:

瓦斯爆炸事故樹(shù)的最小割集為180組，說(shuō)明能夠引發(fā)煤礦井下瓦斯爆炸的途徑存在180條。而最小徑集為阻止事故樹(shù)頂上事件最終發(fā)生的路徑，則存在4條路徑能夠阻止礦井瓦斯爆炸的發(fā)生:一是X1氧氣對(duì)頂上事件發(fā)生起關(guān)鍵作用，但是實(shí)際工作中氧氣不可調(diào)控，瓦斯爆炸多數(shù)發(fā)生在采煤工作面、掘進(jìn)工作面，這類(lèi)環(huán)境必須要充足的新鮮空氣，以保證作業(yè)人員的正常呼吸;二是X13、X14事件為主要的控制路徑，及時(shí)處置瓦斯含量超限，有效避免爆炸事故的發(fā)生;三是控制礦井生產(chǎn)中可能導(dǎo)致瓦斯超限和產(chǎn)生火源的各類(lèi)因素，能夠徹底切斷瓦斯爆炸事故發(fā)生的各類(lèi)可能性。

圖1 煤礦瓦斯爆炸事故樹(shù)示意圖

3 瓦斯防治措施

3．1 通風(fēng)管理

防止礦井瓦斯超限的最有效措施是井下通風(fēng)，為此選擇合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)管理，保證井下通風(fēng)連續(xù)、有效，并維持合理的風(fēng)量和風(fēng)速，使井下各處瓦斯含量低于《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的限值。嚴(yán)禁使用自然通風(fēng)，礦井必須設(shè)計(jì)有獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，避免獨(dú)眼井通風(fēng)，避免生產(chǎn)中循環(huán)風(fēng)、巷道串聯(lián)風(fēng);正確使用局部通風(fēng)設(shè)施，確保局部風(fēng)壓低于全風(fēng)壓以避免循環(huán)風(fēng)，局部風(fēng)機(jī)應(yīng)采用高效風(fēng)機(jī)，并采用雙風(fēng)機(jī)、雙電源，局部通風(fēng)機(jī)中必須掛牌管理，專人持證管理;加強(qiáng)井下作業(yè)管理，局部通風(fēng)機(jī)使用過(guò)程中，應(yīng)確保工作面空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)后人員方能進(jìn)入;井巷貫通前應(yīng)制定安全預(yù)防措施，防止誤聯(lián)通火區(qū)、老塘、采空區(qū)、廢棄井巷等處，防止瓦斯超限;工作面或井巷停止作業(yè)后應(yīng)繼續(xù)通風(fēng)。局部通風(fēng)機(jī)非正常停止時(shí)，及時(shí)停工并撤出人員，長(zhǎng)時(shí)間停工設(shè)置警示標(biāo)志及柵欄，廢棄井巷、工作面及時(shí)做好密閉。

3．2 瓦斯超限管理

掌握各個(gè)作業(yè)地點(diǎn)瓦斯?jié)舛燃皶r(shí)采取措施避免瓦斯突出及瓦斯爆炸事故的基本舉措有:對(duì)井下作業(yè)過(guò)程中各工作地點(diǎn)設(shè)置瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或瓦斯超限報(bào)警器，配備專業(yè)的瓦檢員，當(dāng)作業(yè)過(guò)程中風(fēng)機(jī)、電機(jī)、電氣設(shè)施20 m范圍的瓦斯?jié)舛瘸鱿拗?.5%后，及時(shí)停工，切斷電源，撤出人員，排查后采取措施。瓦檢員、監(jiān)控設(shè)備數(shù)量應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦安全規(guī)程》第154條中的規(guī)定。當(dāng)采取上述措施后，瓦斯?jié)舛热匀痪痈卟幌拢仨毑扇⊥咚钩椴杉夹g(shù)，增設(shè)瓦斯抽采系統(tǒng)。

3．3 火源管理

井下作業(yè)人員禁止攜帶引火物及穿著易引起靜電的服裝，井下禁止出現(xiàn)明火及明電照明。選用的通風(fēng)及電氣設(shè)施應(yīng)滿足井下防火、防爆要求，同時(shí)通風(fēng)機(jī)設(shè)置應(yīng)按照“三專兩閉鎖”設(shè) 計(jì)，電氣安裝或維修禁止帶電操作，并確保電線、電纜完好無(wú)破損，同時(shí)應(yīng)確保局部風(fēng)機(jī)、電氣開(kāi)關(guān)處10 m范圍內(nèi)的瓦斯含量低于0．5%的限值。當(dāng)工作面或其掘進(jìn)巷道中內(nèi)部瓦斯?jié)舛瘸^(guò)1．0%時(shí)，應(yīng)停止電鉆鉆孔、爆破等作業(yè)，并且井下爆破時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”和“三人連鎖”制度。

3．4 安全管理制度

必須具備完善的安全管理機(jī)構(gòu)，配備足夠的專業(yè)人員及設(shè)備，落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，嚴(yán)格落實(shí)管理人員、職工的安全培訓(xùn)制度，確保各項(xiàng)安全規(guī)則制度切實(shí)執(zhí)行，杜絕作業(yè)人員違章作業(yè)。具備完整的瓦斯爆炸災(zāi)害救援機(jī)構(gòu)和預(yù)案，確保救護(hù)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，并配備專用設(shè)備。

4 結(jié)語(yǔ)

文中根據(jù)瓦斯爆炸發(fā)生的特點(diǎn)，應(yīng)用事故樹(shù)分析法對(duì)可能導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的各類(lèi)原因進(jìn)行分析，計(jì)算了不同因素對(duì)事故產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)重要度，并根據(jù)分析結(jié)果提出了針對(duì)性的預(yù)防措施和控制手段，為煤礦瓦斯防治工作提供了理論依據(jù)，具有一定的操作性。