基于安全評價方法對木城澗煤礦瓦斯爆炸研究

劉 健

(四川省樂山市犍為縣應急管理局,四川 樂山614400)

0 引言

隨著國家對煤礦災害治理的重視,礦井的安全狀況進一步提升,我國煤礦安全事故總量與事故傷亡率均呈逐年下降趨勢[1-2],但礦井瓦斯爆炸事故仍然突出。據統計,2005—2014年共發生重大及特別重大瓦斯爆炸事故110起、死亡2 789人,占該期間所有重特大煤礦事故發生起數的51%、死亡人數的59%,超過第2位的水災事故1倍以上[3-5]。

礦井瓦斯爆炸事故危害巨大,國內外學者更加重視對其研究。王蒙蒙[6]采用事故樹方法對山西朱家店煤礦進行瓦斯爆炸事故定量分析,對該礦危險源進行評價,并提出管理措施和建議。祝楷[7]采用事故致因“2-4”模型研究礦井瓦斯爆炸事故,分析事故原因并提出相對應的預防措施。孫海山[8]從人的因素分析瓦斯爆炸的原因并提出治理對策。趙華杰等[9]基于煤礦瓦斯爆炸建立危險源評價模型；Kent Anderson[10]對煤礦瓦斯爆炸事故中的危險源進行了統計,提出了煤礦瓦斯爆炸危險源辨識理論,得出是否發生瓦斯爆炸主要取決于系統中是否存在臨界的危險源。學者們從不同角度出發,采用不同的研究方法分析礦井瓦斯爆炸事故,對治理瓦斯爆炸事故有積極作用,但偏于定性或定量方法研究。

采用爆炸危險源辨識、瓦斯爆炸危險因子評估法與事故樹分析法相結合的評價方法,對木城澗煤礦有可能會發生的瓦斯爆炸事故進行綜合安全評價,并對可能導致瓦斯爆炸的隱患提出預防措施,為礦井瓦斯災害防治提供依據。

1 木城澗煤礦瓦斯爆炸危險源辨識

1.1 木城澗煤礦概況

木城澗煤礦屬雙紀井田,開采石炭二疊紀和侏羅紀煤層。目前石炭紀資源已基本枯竭,主要以生產侏羅紀煤為主。該礦煤層地質十分復雜,煤層賦存極不穩定,且儲量可靠性差、資源量緊張、采區接替和水平接替十分困難。為了維持其年產150萬t的較高產量規模,煤礦一直采用多水平、多工作面同時開采。2011年,經過對礦井瓦斯等級鑒定:該礦井瓦斯絕對涌出量最大2.35 m3/min,瓦斯相對涌出量最大0.74 m3/t；二氧化碳絕對涌出量最大3.51 m3/min,二氧化碳相對涌出量最大1.10 m3/t。經北京市發改委批準,木城澗煤礦為低瓦斯礦井。

木城澗煤礦開采的不利因素眾多,雖然鑒定結果表明該礦井為低瓦斯礦井,但是并非安全礦井,甚至有可能因管理不善、制度不健全等原因會成為事故多發礦井[11]。因此,根據木城澗煤礦概況,對該煤礦進行瓦斯爆炸事故評價是相當有必要的。

1.2 木城澗煤礦瓦斯爆炸三類危險源分析

在礦井瓦斯事故分析中,引起瓦斯事故的主要因素有5個:①瓦斯固有危險源。②瓦斯濃度處于爆炸極限范圍內,即5%～16%。瓦斯爆炸極限是不固定的,當受到某些因素影響時,爆炸極限將相應地縮小或放大。③存在引燃引爆火源,溫度為650～750℃。④環境中氧氣的濃度大于12%。⑤管理缺陷。

因素①屬于第一類危險源。②、③、④是引起能量意外釋放的條件,是造成限制能量措施失效或破壞的不安全因素,屬于第二類危險源。而有效的管理措施可以防止3種因素同時出現,相反,管理缺陷可直接造成這3種因素的產生,從而導致對第二類危險源的控制失效,因此,⑤屬于第三類危險源。

以礦井瓦斯爆炸危險源劃分為依據,根據木城澗煤礦實際情況,對可能造成瓦斯爆炸的危險因素進行劃分,劃分結果見表1。

表1 木城澗煤礦瓦斯爆炸危險源劃分

2 木城澗煤礦瓦斯爆炸事故安全評價

2.1 木城澗煤礦瓦斯爆炸危險因子評估法

2.1.1 瓦斯爆炸危險因子評估法

采用FTA理論分析,可得瓦斯爆炸事故樹,如圖1所示。

圖1 瓦斯爆炸事故樹

如圖1所示的事故樹分析中,各符號代表的事件如下:T為礦井瓦斯爆炸事故；X1為礦井瓦斯等級；X2為礦井瓦斯管理；X3為井下通風管理；X4為機電設備失爆率；X5為瓦斯檢查員素質；X6為機電工人素質；X7為放炮員素質；X8為領導執行安全方針；X9為機電設備和硐室的安全保護裝置；X10為安全管理現狀。

圖1所示的事故樹結構,可得出事故樹的結構函數為:

式中:各符號均表示其對應因子值,c為礦井瓦斯等級因素；d為礦井瓦斯管理因素；e為井下通風管理因素；f為機電設備失爆率因素；g為瓦斯檢查員素質因素；h為機電工人素質因素；i為放炮員素質因素；j為領導執行安全方針因素；k為機電設備和硐室的安全保護裝置因素；m為安全管理現狀。

由于頂上事件發生概率的大小表示了事故發生的可能性的大小,其實質就是體現了事故危險性的嚴重程度,因而,可以把頂上事件發生概率P用危險嚴重程度W來表示,則W為:

2.1.2 木城澗煤礦瓦斯爆炸危險性評估

根據木城澗煤礦實際情況,依據瓦斯爆炸危險因子取值表,對相關因子取值,見表2。

表2 木城澗煤礦瓦斯爆炸危險因子取值

將各因子取值帶入礦井瓦斯事故危險程度評估函數公式(3)中,得出礦井瓦斯爆炸危險程度分值,計算得出木城澗煤礦爆炸危險度分值為6。參考礦井瓦斯爆炸危險度分值分級標準可知:當5＜W≤20時,礦井瓦斯爆炸危險度級別為Ⅲ級,危險程度為比較危險。

2.2 木城澗煤礦瓦斯爆炸事故樹評價

2.2.1 木城澗煤礦瓦斯爆炸原因及事故樹構成

通過對木城澗礦井的調查,將引起木城澗礦井瓦斯爆炸的瓦斯積聚和引爆火源的原因列于表3、表4中。表中的百分比依據次數/總次數來計算。根據瓦斯爆炸機理的相關理論,瓦斯爆炸主要是由于爆炸性瓦斯遇到引爆火源而未被及時處理所致,瓦斯爆炸作為研究的頂上事件,用T表示；各類導致瓦斯積聚、引爆火源的因素又構成了可能引起瓦斯爆炸發生的基本事件,用X表示；Ai、Bi(i=1,2,…,n)為中間事件。按照事故樹的編制規則,將各類導致瓦斯積聚、引爆火源的因素之間的關系通過“與”“或”邏輯關系連接起來,建立起瓦斯爆炸事故樹模型,如圖2所示。

表3 木城澗煤礦瓦斯積聚的原因

表4 木城澗煤礦產生引爆火源的原因

圖2 木城澗礦井瓦斯爆炸事故樹

2.2.2 木城澗煤礦事故樹分析

1)結構表達式

2)最小割集求解

利用布爾代數法對式(4)進行簡化,分析得出最小割集156組,每一個最小割集就是一條引起瓦斯爆炸的途徑。最小割集包括:

由上式化簡結果可得出成功樹的6個割集,對其對偶變化即為事故樹的6個最小徑集:{X1,X2,X3,…,X13},{X14,X15,X16,…,X25},{α},{β},{γ},{λ}。

4)結構重要度

從上面的最小割集求解可知,每個最小割集中基本事件的個數相等,故運用最小割集排列法進行結構重要度分析,即基本事件重復次數多的比重復次數少的結構重要度大。在事故樹的156個最小割集中,α,β,γ,λ各出現156次,X1,X2,X3,…,X13各出現12次,X14,X15,X16,…,X25各出現13次。所以,其結構重要度按從大到小排序為:

3 木城澗煤礦瓦斯爆炸預防措施

3.1 防止瓦斯積聚

①對瓦斯含量較大的煤巷和半煤巖巷掘進工作面,嚴格檢查瓦斯、裝藥放炮、灑水降塵、局部通風等項目。②加強通風管理和瓦斯監測,對不合理的通風系統要迅速改造,使通風系統合理、穩定、可靠,實行分區通風。③排放瓦斯前必須制定專門的瓦斯排放措施,并按《煤礦安全規程》規定進行報批,嚴格按要求進行排放。④按規定配齊便攜式瓦斯報警儀,下井人員要佩帶便攜式瓦斯報警儀。⑤避免出現任何形式的盲巷,長期不用的巷道必須及時封閉。

3.2 防止引爆火源

①加強火藥放炮管理,推廣使用水膠炸藥和乳化炸藥,使用水炮泥。②井下杜絕一切火源產生或限制其引爆能量,禁止一切明火、電火花、炮火、摩擦火花、靜電火花等。③加強機電設備維修,提高電器設備防爆性能,建立和執行機電設備使用、操作、維護和檢查責任制。

3.3 防止管理失誤

①完善管理制度,加強培訓,培養組織安全文化、安全氛圍。②加強安全態度、安全法制、安全知識、安全技能的教育。

3.4 防止傷亡事故擴大

①進一步提高煤礦應急救援管理意識,完善并落實應急救援責任制。②建立投入保障機制,加大安全投入,規范煤礦井下安全避險“六大系統”設計。③要加強應急預案的培訓工作,提高職工應急救援意識和技能,增強煤礦企業應對突發事件的能力。

4 結論

1)依據礦井瓦斯爆炸危險源等級劃分標準,對木城澗煤礦所存在可能導致瓦斯爆炸的危險因素進行劃分,得出了木城澗煤礦瓦斯爆炸的第一類、第二類、第三類危險源。

2)根據木城澗煤礦實際情況,采用瓦斯爆炸危險因子評估方法,得出木城澗煤礦爆炸危險度分值為6,礦井瓦斯爆炸危險度級別為Ⅲ級,危險程度為比較危險。分析木城澗煤礦瓦斯爆炸事故樹,得出事故樹有156組最小割集,即有156種可能導致瓦斯爆炸的途徑。結合瓦斯爆炸事故樹最小徑集與結構重要度的計算結果,更能準確掌握可能會導致木城澗煤礦瓦斯爆炸的主要因素。

3)采用危險源辨識與等級劃分、危險因子評估法以及事故樹方法對木城澗煤礦瓦斯爆炸事故進行安全評價,綜合分析評價結果,從而制定符合木城澗煤礦實際情況的瓦斯爆炸預防措施。