煤礦瓦斯爆炸危險因素定量評價方法研究及應用

＊吳繼良

（山西中陽華潤聯盛蘇村煤業有限公司 山西 033400）

引言

在煤礦開采過程中，煤層及臨近采空區會產生各種有毒有害氣體，如甲烷、硫化氫、二氧化碳等，這些氣體可統稱為“礦井瓦斯”[1-3]。礦井瓦斯具有可燃性、毒害性和易爆性，是煤礦生產中的主要危害因素之一，在工程生產中必須采取相應的措施，防止煤礦瓦斯事故的發生[4]。因此，開展煤礦瓦斯爆炸危險因素定量評價方法研究及應用具有極為重要的工程價值[5]。

1.工程概況

蘇村煤業地處中陽縣蘇北村，中陽縣境內有307國道和孝-柳鐵路，交通十分便利。蘇村煤業采用地下開采，煤層瓦斯含量較大，礦井絕對瓦斯涌出量15.55m3/min，相對瓦斯涌出量9.26m3/t，具有瓦斯爆炸等潛在危險。因此，本文將著重對瓦斯爆炸的危險因素進行定量分析。

2.事故樹定量評價方法

事故樹分析方法是對故障樹分析方法的延伸和繼承，是安全生產分析評價中常用的一種定量分析方法。事故樹分析方法是基于邏輯推演的方式對系統的危險源和危險性進行識別和評判,該方法可以分析出促使事故發生的直接原因和潛在因素。

事故樹定量分析主要包含以下幾個重要步驟：

(1)事故樹的構造

事故樹是由各種符號和連接的邏輯門構成，事故樹包含了可能導致事故發生的主要危險因素，并可反應各種因素與事故之間的邏輯關系，一般來說，事故樹必須具有可靠性，即事故樹中包含的因素和邏輯關系要真實可靠。

(2)事故樹的定性分析

對事故樹進行定性分析主要采用求解最小割集和最小徑集的方法。最小割集一般通過布爾運算得到，依據最小割集可推演出事故樹上可能導致事故發生的途徑。從該途徑入手，逐步分析便可得到導致事故發生的真實原因。如某礦發生了瓦斯爆炸事故，在對可能途徑進行檢查時，逐步核對該途徑中所包含的事件，若該途徑中所包含的事件全部發生，則可斷定瓦斯爆炸事故由該途徑引起。若該途徑中有一個基本事件未發生，則排除該因素引發瓦斯爆炸的可能性。采用同樣的方法排查下一途徑，直至找出導致瓦斯爆炸事故發生的最小割集，導致事故發生的最小割集所包含的基本事件就是造成事故的內在原因。如煤礦的瓦斯爆炸事故由放炮產生明火，且風機停止運轉組成，則該最小割集包含四個基本事件，分別為瓦斯達到爆炸濃度、瓦斯與明火相遇、風機停止運轉和放炮起明火。在排查時，瓦斯達到爆炸濃度和瓦斯與明火相遇均已發生，可以直接跳過，排查風機是否停止運轉，若風機沒有停止運轉，說明事故不是由該最小割集引起。若風機停止運轉則繼續排查放炮是否引起明火，若排查出放炮引起明火，則便可確定瓦斯爆炸事故是由該最小割集引起的。

從上文的分析可知，事故的預防措施可根據最小割集來制定。最小割集所含的基本事件必須全部發生才能引起事故，我們只需要采取方法“制止”其中一個基本事件的發生，便可使該割集喪失危險性，斬斷事故發生的途徑。在實際分析中，也會遇到某個基本事件在同時存在于多個最小割集中，我們稱這類事件為關鍵事件，若避免關鍵事件的發生，則可“破壞”多個最小割集的形成條件。可依據關鍵事件在事故樹中的重要程度對關鍵事件進行排序，得到關鍵事件的重要度，在進行事故預防時便可有的放矢的選取關鍵事件，有效的預防事故的發生。

最小徑集是指不引起事故發生的最低限度的基本事件的集合，即這些基本事件不發生，事故就不會發生。通常，對事故樹進行定量分析，采用最小割集或最小徑集其中之一便可，為充分對瓦斯爆炸事故進行定量分析，本文采用最小割集和最小徑集兩種分析方法。

3.定量評價結果

(1)瓦斯爆炸事故樹

瓦斯爆炸需具備3個基本條件：甲烷濃度達到一定的范圍；氧氣濃度達到一定范圍；有溫度足夠的火源。若礦井發生瓦斯爆炸事故，則必然滿足以上3個基本條件，因此，我們可以從這3個基本條件入手對瓦斯爆炸事故進行定量分析。值得說明的是，由于井下人員作業需要氧氣，因此，瓦斯爆炸的氧氣濃度可滿足條件，這里便不再分析該因素，重點分析火源和瓦斯濃度兩個條件。依據瓦斯爆炸事故樹便可進行定性分析，確定最小割（徑）集和各基本事件的重要度，為進行煤礦瓦斯爆炸事故的機理分析和預防提供理論依據。

由蘇北煤礦的瓦斯爆炸事故樹可知，或門個數占比較大，達到80%，事故樹中或門是只要一個基本事件發生便可引起頂層事件的發生。如風筒漏風（x2）或供風能力不足（x3）都可導致掘進面瓦斯的聚集（A3）。未按時監測（x10）或警報斷電儀失靈（x11）都可引起瓦斯漏檢（A5）。事故數中的與門個數僅占20%左右，與門是指多個基本事件同時發生，才能導致頂層事件的發生。如瓦斯爆炸濃度（A1）與火源（A2）同時達到引爆條件，才能引起瓦斯爆炸事故（T）。從蘇北煤礦瓦斯爆炸事故樹或與門的比例可以得出，該煤礦發生瓦斯爆炸事故的概率較大。

(2)最小割集分析

采用布爾運算得到蘇北煤業瓦斯爆炸事故樹的最小割集等效圖，如圖1所示。

圖1 事故樹最小割集等效圖

從圖1中可以看出瓦斯爆炸事故樹共包含130組最小割集，這說明，引發蘇北煤業瓦斯爆炸的可能途徑有130種之多。當任意一個最小割集（Ki）中的基本時間全部發生時，則瓦斯爆炸事故也必發生。例如在最小割集K14中，包含4個基本事件分別為：瓦斯達到爆炸濃度（x26）；瓦斯與明火相遇（x27）；風筒漏風（x2）；放炮起火（x13）。若掘進工作面發生風筒漏風（x2），則瓦斯集聚到一定程度便會達到爆炸濃度（x26），此時若掘進工作面放炮起火（x13），則必然導致瓦斯與明火相遇（x26），從而發生瓦斯爆炸（T）。由最小割集的基本概念還可以得到，若最小割集中包含的基本事件越多，則該割集發生的概率越小。反之，最小割集中包含的基本事件越少，則該割集發生的概率越大。

(3)最小徑集分析

由蘇北煤業瓦斯爆炸事故樹得到的最小徑集如圖2所示。

圖2 事故樹最小徑集等效圖

從圖2中可以看出瓦斯爆炸事故樹可以劃分為6組最小徑集，根據最小徑集的定義，只要使Pi中任意一個不發生，則事故便不會發生。Pi不發生的條件是Pi中所包含的基本事件同時不發生。例如對于P1來說該最小徑集只包含一個基本事件瓦斯達到爆炸濃度（x26），因此只要瓦斯達到爆炸濃度（x26）不發生，則瓦斯爆炸事故便不會發生。P4中則包含10個基本事件，要使P4不發生，則風機停轉（x1）、風筒漏風（x2）、供風能力不夠（x3）、風筒距工作面過長（x4）、風量不足（x5）、積聚的瓦斯未及時處理（x6）、采空區漏出（x8）、未按時檢測瓦斯（x10）、警報斷電儀失靈（x11）、警報斷電儀位置不當（x12）均不能發生。因此應根據最小徑集分析，制定合理的預防措施，如加強瓦斯檢測制度管理、保證工作面供風量、及時檢查風筒質量等。

4.結論

（1）采用事故樹分析方法中的最小割集和最小徑集定量分析法，對蘇村煤業的礦井瓦斯爆炸危險因素進行定量分析，闡述了事故樹定量分析的基本原理和主要分析步驟。

（2）構建了蘇村煤業的礦井瓦斯爆炸事故樹，事故樹圖中或門個數占比達到80%，表明該煤礦發生瓦斯爆炸事故的概率較大，事故樹共包含130組最小割集和6組最小徑集，依據最小割集和最小徑集的概念，揭示了蘇村煤業發生瓦斯爆炸的可能途徑，并提出了相應的預防措施。