煤礦采空區頂板災害事故樹分析研究

馬文婷

（蘭州資源環境職業技術學院,甘肅 蘭州 730030）

地下礦山開采屬于高風險行業，安全事故時有發生。今年來，政府相關部門加大安全生產的管理力度，采取了諸多安全管理和處罰措施，極大改變了煤礦等地下礦山的安全生產狀況，主要表現為煤礦安全事故和傷亡人數有一定程度的下降。但是，總體而言，煤礦安全事故仍處于多發狀態，仍是制約相關企業發展的重要因素。由于煤礦采空區頂板需要承受較大的應力，因此成為煤礦事故的高發區，加強采空區頂板災害分析與評價，對提高煤礦的安全生產水平具有十分重要的意義和作用。

1 事故樹分析法簡介

事故樹分析法最早由華特蓀在美國民兵洲際彈道導彈發射控制系統安全分析時提出，是安全系統工程領域的重要分析方法。該方法的基本思想是將涉及研究對象的事故條件及相應的災害后果進行分析，并依照先后順序和因果關系繪制出事故樹圖，以直觀形象地表示各個事故因素之間的先后順序與邏輯關系，然后通過相應的計算和分析對事故的概率和結構重要度進行判斷，并據此提出相應的安全措施。其主要步驟如下：

（1）確定頂上事件。頂上事件也就是指事故或故障，屬于事故樹分析法的研究分析對象。頂上事件的分析調查要以事故調查的事實情況作為基礎，通過對多元化事故調查內容進行有效篩選，最終得出某分析對象以及某事故的發生規律。

（2）全面知悉系統。頂上事件的發生必須要有生產系統作為基礎條件，需要針對生產系統中的設備、人員、管理條款、環境基礎等因素進行透徹的分析以及深入的探究。

（3）事故原因調查。從上述四大方面的因素入手，探求其中的缺陷以獲得構成事故的原因。在這些原因中不僅要重視因果關系，還應該重視關聯關系。

（4）明確控制對象。根據全面分析所得出的事故發生概率以及事故可能會導致的影響，進一步確定在控制事故過程中所影響的概率目標。

（5）構建事故樹。在上述分析的基礎上，以演繹推理為基礎，對事故的原因進行逐級推求和分析，并將各種事件的邏輯關系明確表達出來，最終獲取完善的故事樹。

（6）定性分析。根據此前所得出的故事樹，以調查結果為基礎，得出降低事故概率的最小徑集，構成事故的最小割集，最終得到和主要的對象相關的重要性排列。

（7）定量分析。以基本事件的概率值為基礎，推求頂上事件的概率，并了解基本事件的概率和臨界重要度。

（8）充實安全對策。根據事故樹的分析內容、數據結果，分析降低事故發生概率的最優方案，達到提高安全水準的現實目的。

2 煤礦采空區頂板災害事故樹分析

2.1 事故樹的建立

對我國1990 年-2015 年間發生的228 起較為典型的煤礦采空區意外事故情況進行全面分析，從類型上來看，發生的主要頂板事故可分為冒落、塌陷兩種類型。由此，可將頂板事故進行進一步區分，構成事故樹（可見圖1）。

圖1 煤礦頂板事故樹

2.2 事故樹定性分析

煤礦采空區頂板事故樹的結構函數為：

因此，煤礦頂板事故樹的最小割集有15 個，分別為：

計算事故樹的各個基本事件的結構重要度系數，公式如下：

根據計算結果，獲得如下的結構重要度系數以及排列順序：

由事故樹及上述分析結果可知，在煤礦采空區，能夠導致頂上事件發生的基本事件的個數有17 個，均為安全工作管理的重點防范對象。從定性分析結果來看，共有15 個最小割集，說明導致頂板事故的可能最小路徑共有15 條，為事故分析提供了必要依據。從結構重要度的定量計算結果可知，所有17 個基本事件中，結構重要度最大的是未按設計開采；其次為未封堵、封堵質量差和未填充；最小結重要度對應的因素為，采空區積水未排除、地下水賦存量過多、地下水進入采空區。

3 基于事故樹分析結果的安全管理建議

上文對煤礦頂板事故進行了事故樹分析，結果顯示：需以最高標準來降低意外事故的發生概率，同時采取多元化的預防措施，提高安全管理水平。同時，應該著重做好如下幾方面的工作：

3.1 選擇合理的開采方法

既往煤礦頂板事故的預防經驗表示，煤礦生產技術落實不合理，規章制度未遵守是導致頂板安全事故的重要原因。因此，在煤礦開采設計中，應該采用具有安全性好、工藝簡單、回采強度高，具有良好的經濟效果的開采方法。例如，根據近年來煤礦開采實踐，伴隨煤礦巷道深度不斷增加，巷道所承受的地應力也在不斷提高，傳統的分步回采方法出現了諸多問題，當前應積極落實機械化措施來豐富煤礦生產方式，從而在保證填充質量的同時，控制好頂板的高度，對減少頂板事故，保證安全生產具有重要作用。

3.2 強化頂板管理，重視支護和維修

在煤礦開采過程中，經常會遇到松軟巖層，如果處理不當，極易誘發頂板事故。因此，在面對巖層強度不理想開采面時，必須要在巷道中架設永久性支架，同時永久性支架的架設要及時，避免造成上部巖層在卸荷之后產生大變形。一般來說，綜掘面和永久支架的距離必須要控制在3m 以內，若是頂板的穩定性不符合要求，綜掘面和永久性支架之間的距離還需要進一步縮短，同時還要根據實際情況增加支架。此外，要定期檢查所有井巷的支護情況，如有問題應該及時進行維修或更換。

3.3 做好頂板的鑒定與分級管理

為了做好頂板的管理，使管理工作更有針對性和有效性，需要對所有掘進面的頂板進行鑒定，并根據鑒定結果進行分級。頂板分級的依據主要是頂板部位巖體的穩固程度、是否存在斷層、裂隙等地質構造、開采面的跨度、地下水賦存情況以及是否有透水性等。具體的分級標準如下：（1）一級頂板。其標準為滿足下列條件之一：頂板的巖石屬于軟巖類型，且存在比較發達的節理，表現為明顯的壓碎狀態；頂板巖層存在較大的斷層，或者在穿越斷層時形成三角形巖體；采場較大已經超過關于跨度的規定，或者在進行最后一個分層開采時出現了頂板透水問題。（2）二級頂板。頂板巖層的持力性交叉，且內部節理若相對發育，斷層的數量比較少，部分位置存在中型亦或者小型的三角巖體，或者頂板的局部存在滲水或透水現象。（3）頂板巖體具有良好的穩定性和整體性，頂板巖層節理發育不明顯，不存在突出的斷層，采用少量的支柱頂板便可保持良好穩定性。

3.4 及時處理采空區

煤礦安全生產的理論和實踐均表明，對采空區進行及時、科學的處理對防止采空區頂板事故的發生具有十分重要的意義和價值，同時也是最合理與最有效的手段。目前，處理煤礦采空區的主要方法有三種，分別是對采空區進行充填、封閉以及崩落。其中，對采空區進行徹底充填是最為徹底的處理方式，但是需要針對采空區特征建立相應的充填系統，需要較高的成本投入。針對采空區進行崩落處理無疑是較為簡單的處理方式，同時成本投入也較低，其不利之處是往往會造成地表的破壞，因此地表存在建筑、農田、河流的情況下并不適合該方法；相對而言，封閉采空區是三種處理方式中最為簡單和成本最低的處理方式，但是僅適用于相對比較孤立，遠離作業面的小型采空區。因此，在煤礦生產過程中，必須要對各個采空區進行深入的調查、研究和分析，處理好采煤工作面與采空區處理之間的關系，制定出適合采空區處理的最佳技術方案。

3.5 加強頂板浮石的檢查與處理

目前，水平分層充填采礦法仍舊是我國煤礦生產過程中采用的主要方法之一。在該作業方法下，生產人員基本要在采空區下進行生產作業，因此浮石掉落就成為影響人員和設備安全的重要因素，同時也是高發性因素。因此，在生產過程中務必要對浮石進行全方位的檢查以及處理，尤其是在爆破處理完成后，安全人員需要根據實際情況進行復查，在確保安全之后，再音帶其他人員進場。同時，各煤礦應該加大設備和技術的投入力度，例如引進現代化的頂板服務臺車，提高頂板的安全檢查和問題處理的效率和質量，保證作業過程中的人員和設備安全。

4 結語

事故樹分析法是進行生產事故分析的重要工具和有效工具，該方法的使用可以尋求造成事故發生的誘因及其相關關系，由此可以掌握事故發生的內在機理和表現形式，為獲取預防事故發生的最佳方法提供強有力的支持。本文以煤礦頂板事故為例，探討了和分析了事故樹分析法在煤礦安全生產中的應用價值和方法。研究結果對指導煤礦頂板事故的預防工作具有重要的理論價值和實踐意義。當然，煤礦安全生產工作是一項復雜的系統性工作，不僅需要研究方法和安全管理技術方面的支撐，更需要各級管理部門的重視，通過有效的部門和人員合作，將煤礦安全生產事故水平降到最低。