基于事故樹理論的煤礦瓦斯爆炸事故原因分析和對策研究

＊王俊波 梅歡

（國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司 湖北 430074）

引言

我國能源結構目前是以煤、石油、天然氣等化石能源為主，煤炭在我國能源結構中占比依然較大。在煤礦開采現場，由于各煤層地質條件與瓦斯賦存條件不同，且受開采設備、開采技術等因素影響，瓦斯爆炸等事故時有發生，嚴重威脅人礦井安全開采及作業人員的生命安全[1]。只有找出引發事故的根源，才能從根本上防范甚至杜絕事故的發生。因此，有必要對瓦斯爆炸事故的原因進行分析，找出事故發生的途徑，最終實現本質安全。

事故樹分析（FTA）是安全系統工程的重要分析方法之一，它是運用邏輯推理對各種系統的危險性進行辨識和評價，既可定性分析，又可定量分析，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因[2]，從而找出各因素內在規律，進而采取相應的防范措施，防范乃至杜絕事故的發生，本文將采用事故樹分析方法對瓦斯爆炸事故進行分析，根據分析結果找出切斷事故鏈的辦法和途徑，為礦井防治瓦斯爆炸的發生提供對策。

1.事故原因

爆炸的因素有三個，缺一不可，分別是：達到爆炸極限的可燃物、足夠溫度的引火源、足夠的氧氣濃度[3]。本文將從引發瓦斯爆炸事故的三要素逐條進行分析，列出發生瓦斯爆炸事故的條件（即原因事件），構造事故樹，并分析找出阻止事故發生的途徑。

(1)爆炸性瓦斯

一定濃度范圍內的積聚性瓦斯是瓦斯爆炸事故發生的根源[4]。凡是濃度高于爆炸上限或者低于爆炸下限，其瓦斯混合物與引火源接觸時火焰無法自行傳播，經研究發現，瓦斯爆炸濃度范圍通常為5%～16%[4]。當瓦斯濃度低于6%時，過量的惰性介質氣體空氣參與燃燒反應，起到冷卻作用，阻礙火焰的自行傳播；當瓦斯濃度為9.5%時，氧氣和瓦斯完全反應，其爆炸威力最大；當瓦斯濃度高于16%時，燃燒物過剩，導致阻燃物空氣中的氧氣量不足，化學反應不完全，阻礙了火焰自行傳播，失去爆炸性，但遇火仍會燃燒。

產生瓦斯積聚的原因主要有通風故障問題、瓦斯積存問題、瓦斯控制失誤等三大方面原因。

①通風故障

通風故障一般由以下幾個方面：斷電導致停風，設計風量低、供風設備老舊等原因導致供風能力不足，串聯通風、局扇打循環風。

②瓦斯積存

地質條件變化導致瓦斯量變大進而產生較高濃度的積聚性瓦斯，盲巷、老塘等區域瓦斯積存，上隅角瓦斯積聚，放炮后瓦斯積存。

③控制措施適當

瓦斯漏檢，無法及時準確知悉瓦斯濃度，進而導致瓦斯積聚；瓦斯排放不到位導致瓦斯積聚；巷道貫通后應進行而未及時進行通風導致瓦斯積聚。

(2)足夠能量的引火源

達到引爆能量的引火源存在，是引發瓦斯爆炸的必要條件之一。引火源溫度不低于650℃，能量大于0.28MJ，持續時間大于爆炸感應器。在煤炭開采過程中可能產生的火源比較容易滿足，達到引爆能量的引火源主要是由以下幾方面原因造成：煤炭自燃、放炮火源、摩擦撞擊造成的火花、抽煙等明火、電火花等；其中，放炮火源一般包括炸藥變質不合格、短間隔放炮、放明炮等；電氣火花包括電器失爆、電纜設備短路、電機車火花、靜電火花等。

(3)合適的氧氣濃度

當氧氣濃度＞12%時，瓦斯燃燒爆炸反應方可持續進行，當氧氣濃度＜12%時，該化學反應不可持續，瓦斯氣體失去爆炸性。一般巷道、掘進面和采面等工作面的氧氣濃度一般＞12%，而井下封閉區域、裂隙處等區域因有氧消耗或無供氧，可能會出現氧氣濃度＜12%的情況。故而，掘進面、采面等工作面的瓦斯積聚情況是分析瓦斯爆炸事故發生的重要內容。

通過以上分析，梳理并列出原因事件，具體詳見表1。

表1 瓦斯爆炸事故原因事件匯總表

2.瓦斯爆炸事故的事故樹繪制與分析

本文的主要分析對象為瓦斯爆炸事故，故而以瓦斯爆炸事故為頂上事件。通過第1節分析得出瓦斯爆炸事故的基本原因事件，然后根據導致瓦斯爆炸的條件和可能造成的原因及邏輯關系畫出事故樹，如圖1所示。

圖1 瓦斯爆炸事故樹圖

由事故樹圖寫出其布爾表達式為：

(1)最小割集

最小割集表示的是系統的危險性，它是引起頂上事件發生的基本事件的集合，即每一組最小割集，就是一種事故發生的模式，最小割集越多，說明系統的危險性越大[5]。事故樹頂事件的發生，必然是某個最小割集中基本事件同時發生的結果。一旦發生事故，就可以方便地知道所有可能發生事故的途徑，較快地查出本次事故的最小割集，這就是導致本次事故的基本事件的集合。同時最小割集為降低系統的危險性提出了控制方向和預防措施。每個最小割集都代表了一種事故模式，由事故樹的最小割集可以直觀的判斷哪種事故模式最危險，哪種次之，哪種可以忽略，以及如何采取措施使事故發生概率降低。

通過計算得出該事故樹的最小割集一共有110個，分別為：X2·a·X1·X12·b～X2·a·X1·X22·b，X3·a·X1·X12·b～X3·a·X1·X22·b…X11·a·X1·X12·b～X11·a·X1·X22·b，即引起瓦斯爆炸的可能途徑有110種。由此可見，瓦斯爆炸事故的危險性是非常大的。

(2)最小徑集

最小經集表示的是系統的安全性，當最小經集中所包含的基本事件都不發生，就可防止頂事件發生；即每一組最小經集，就是一種阻止事故發生的模式。最小徑集有利于選取確保系統安全的最佳方案。每一個最小徑集都是防止頂事件發生的一個方案，可以根據最小徑集中所包含的基本事件個數的多少、技術上的難易程度、耗費的時間以及投入的資金數量，來選擇最經濟、最有效的控制事故的方案。

通過計算得出，該事故樹的最小經集共有5個，分別為：P1={a},P2={X1},P3=,P4={X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11},P5={X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X20、X21、X22}。可知，使瓦斯爆炸事故不發生的可能途徑有5種，當以上任意一組最小經集內的全部基本事件都不發生，則瓦斯爆炸事故必然不會發生。而一般在井下，氧氣濃度通常超過12%，引火源也能達到引爆能量，即條件X1和b都是滿足的，故而重點防范事故發生的模式主要為防范P1、P4和P5的發生。

(3)結構重要度

根據事故樹的最小割集或最小徑集，一般按照以下準則定性判斷基本事件的結構重要度：

①單事件最小割（徑）集中的基本事件結構重要度最大；②僅在同一最小割（徑）集中出現的所有基本事件結構重要度相等；③兩個基本事件僅出現在基本事件個數相等的若干最小割（徑）集中，這時在不同最小割（徑）集中出現次數相等的基本事件其結構重要度相等；出現次數最多的結構重要度大，出現次數少的結構重要度小。

根據所計算結果，采用所求最小徑集來判斷各基本事件的結構重要度，可得出各基本事件結構重要度順序為：I(a)=I(X1)=I(b)＞I(X2)=I(X3)…=I(X11)＞I(X12)=I(X13)=…=I(X22)。由此可見，瓦斯達到爆炸濃度、濃度在引爆范圍內的氧氣和達到引爆能量火源的結構重要度最高；其次是瓦斯漏檢，瓦斯排放失誤和巷道貫通后未及時通風，斷電停風，供風能力不足，局扇打循環風，串聯通風，地質變化瓦斯積聚，盲巷、老塘等瓦斯積聚和放炮后瓦斯積存；最后是炸藥變質不合格，短間隔放炮，放明炮，抵抗線不足，摩擦撞擊火花，煤炭自燃，明火，電器失爆，電纜設備短路，電機車火花和靜電火花。

3.事故預防措施

根據第二節的分析可知，瓦斯爆炸事故發生的模式有110種，而防止瓦斯爆炸事故發生的模式有5種，即P1至P5中的任一個事件不發生，則事故就不發生。而P2和P3通常都是滿足的，故而預防措施要使P1、P4和P5中的任意一個或多個事件不發生，即可避免瓦斯爆炸事故的發生。采取措施如下：

（1）使P1（即a條件）不發生，即使瓦斯積聚無法達到爆炸濃度。可采取如下預防措施：加強通風管理，保證通風系統穩定可靠，防止停電停風事故造成的瓦斯聚集；消除串聯通風、循環風；及時處理局部積存的瓦斯等。

（2）使P4不發生，即使X1、X2……X13等同時不發生，則瓦斯無法積聚。主要通過技術措施和管理措施，減少因技術及操作失誤等引發的瓦斯泄露和積聚，為此則需采取具體措施有：保證供風量，加強盲巷管理；局部通風機必須做到“三專兩閉鎖”“雙風機，雙電源”，做到風機自動導臺，電源自動切換，以降低、防止瓦斯事故發生。對瓦斯量檢測做到“應檢必檢”避免漏檢等，并根據其他基本事件，采取相應的防范措施。

（3）使P5不發生，即使X14、X15……X29等都不發生，則不出現引火源。采取的措施主要是加強對各類火源的管理和控制，如禁止攜帶火種下井、井下禁止穿化纖類衣服等，尤其要注意電火花和放炮火源。

綜上，采?。?）～（3）中的一種或其組合方式的預防措施，即可有效預防瓦斯爆炸事的發生。