基于改進(jìn)Bow-tie 模型的煤礦瓦斯爆炸事故分析與研究

侯瑋，林倩，馬潤澤，徐子怡

（河北工程大學(xué)礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

近年來，我國仍處于工業(yè)化快速發(fā)展階段，在復(fù)雜的國際環(huán)境下，煤炭在我國能源安全穩(wěn)定供應(yīng)中起到了兜底保障作用。然而隨著礦井深度的增加，風(fēng)險(xiǎn)變高，再加上環(huán)境的雜亂，危險(xiǎn)物品和設(shè)備的大量存在，使得開采時(shí)的事故更加難以進(jìn)行預(yù)防和控制。而根據(jù)張培森[1]等人的研究以及析煤礦安全網(wǎng)和國家煤礦安全監(jiān)察局通報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的2012—2021 年的煤礦事故起數(shù)，可知煤礦瓦斯爆炸事故約占事故總起數(shù)的20%，死亡人數(shù)更是高達(dá)33%。因此，對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故進(jìn)行深入分析和研究，對(duì)煤礦的安全管理具有十分重要的意義。

目前，針對(duì)煤礦事故安全運(yùn)行評(píng)價(jià)的方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色理論法、秩和比法等。通過對(duì)國內(nèi)外學(xué)者的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于事故分析較為書面并不直觀，且研究的重點(diǎn)多在于造成事故的原因上，對(duì)于事故發(fā)生后的預(yù)防措施和消減措施的研究有待進(jìn)一步深入。探究影響煤礦瓦斯爆炸事故的預(yù)防措施和消減措施，并更加圖像化地表現(xiàn)出來，不僅利于參與人員的采納和吸收，更便于管理人員決定發(fā)生事故后所采取的關(guān)鍵措施，對(duì)減少或避免煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 改進(jìn)Bow-tie 模型簡介

Bow-tie 模型分析法是一種可以圖像化地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的管理方法，通過對(duì)造成頂上事件發(fā)生的危險(xiǎn)性因素進(jìn)行分析提出相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)頂上事件造成的事故結(jié)果進(jìn)行分析提出相應(yīng)的消減措施[2]，Bow-tie 模型示意圖如圖1 所示。

而改進(jìn)Bow-tie 模型則是把事故原因從人、物、環(huán)、管4 個(gè)方面進(jìn)行分析，能夠更加清晰地對(duì)導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的原因進(jìn)行分類，從而直觀形象并可以更加突出重點(diǎn)地制定預(yù)防措施，從根源上防止發(fā)生事故；把事故后果分為安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)4 個(gè)方面，在事故發(fā)生后制定相應(yīng)的消減措施，來降低危害的程度[3]。改進(jìn)Bow-tie 模型從危險(xiǎn)源、頂級(jí)事件和后果的相互作用關(guān)系幾個(gè)方面來對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)還可以通過屏障思維[4]描述該項(xiàng)目采取何種措施來控制風(fēng)險(xiǎn)，比起一般的Bow-tie 模型更加利于原因分類分析，簡單方便，如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)Bow- t ie 模型示意Fig.2 Improved Bow-tie model

在此基礎(chǔ)上，通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道探究煤礦事故發(fā)生的原因，進(jìn)一步構(gòu)建瓦斯事故爆炸Bow-tie 模型，并基于事故的原因?qū)κ鹿式Y(jié)果進(jìn)行層次分析，對(duì)事故結(jié)果的重要度進(jìn)行比較，為煤礦瓦斯爆炸事故進(jìn)行安全屏障的搭建[5]。

2 瓦斯事故評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

運(yùn)用改進(jìn)Bow-tie 模型分析時(shí)，直接以煤礦瓦斯爆炸事故為頂事件，從人為因素、物為因素、管理因素以及環(huán)境因素4 個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行分析和研究。

2.1 事故原因及屏障分析

造成煤礦瓦斯爆炸的原因有很多，根據(jù)2012—2021 年的瓦斯事故統(tǒng)計(jì)分析，從4 個(gè)角度出發(fā)分析瓦斯事故原因。

2.1.1 人為因素

在處理事故和預(yù)防事故時(shí)，人是最不易控制的因素，由于人是直接參與施工的操作者、組織者和指揮者，當(dāng)其狀態(tài)不好、反應(yīng)能力差等情況發(fā)生時(shí)均可能導(dǎo)致事故發(fā)生。尤其隨著發(fā)展，大量農(nóng)民工參與項(xiàng)目，由于其安全意識(shí)薄弱，使得危險(xiǎn)性驟增。特別是對(duì)于井下作業(yè)而言，造成事故的人的原因有很多，例如瓦斯檢測失誤或漏檢、焊接起火、帶電維修設(shè)備、違章爆破等。而工人們有時(shí)無意識(shí)地井下吸煙行為，更加大大提高了事故發(fā)生的可能[6]。

2.1.2 物為因素

由于煤礦內(nèi)環(huán)境復(fù)雜空間狹小，因此物品擺放較為混亂也易發(fā)生設(shè)備損傷。如設(shè)備防爆失效、無瓦斯監(jiān)測報(bào)警裝置或裝置失靈、電氣設(shè)備或設(shè)施短路、風(fēng)扇未運(yùn)行或故障電氣設(shè)備漏電等原因均有可能導(dǎo)致事故放生。

2.1.3 管理因素

盡管社會(huì)在進(jìn)步和發(fā)展，我國的煤礦企業(yè)仍然存在很多不應(yīng)該發(fā)生的現(xiàn)象，安全管理人員數(shù)量較少，且有少部分管理人員的專業(yè)水平并不高，使得其安全意識(shí)不足，上級(jí)管理人員在安全防護(hù)設(shè)施上投入的限制，安全自評(píng)、自檢、自控等管理工作的形式化，都是造成井下作業(yè)瓦斯爆炸事故的根源因素。同時(shí)由于建筑施工行業(yè)的流水性，導(dǎo)致施工人員經(jīng)常會(huì)面臨不同的環(huán)境、設(shè)施和條件，使得安全培訓(xùn)的難度大大提高。再加上許多企業(yè)的安全責(zé)任制形同虛設(shè)，安全管理制度和操作規(guī)程不完善，技術(shù)交底不到位，安全教育不到位，員工沒有經(jīng)過足夠的安全教育直接上崗，這些都會(huì)極易造成事故的發(fā)生。

2.1.4 環(huán)境因素

由于井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且操作空間較小，因此環(huán)境原因產(chǎn)生的影響有很多，如采面供風(fēng)不足、上隅角風(fēng)速低、采空區(qū)瓦斯?jié)舛却蟮扔性斐墒鹿实陌l(fā)生。此外，煤炭自燃以及摩擦撞擊產(chǎn)生火花的情況也應(yīng)引起注意。

2.2 事故后果及屏障分析

在井下作業(yè)發(fā)生瓦斯爆炸事故后，現(xiàn)場的工作人員和管理人員應(yīng)立即采取措施減少損失，避免導(dǎo)致其他更加不良后果的出現(xiàn)。

2.2.1 安全后果

由于井下空間狹小再加上瓦斯爆燃會(huì)產(chǎn)生高溫，造成煤礦起火，使人員受傷或死亡；粉塵爆炸也會(huì)產(chǎn)生大量對(duì)人體有傷害的氣體[5]。因此在發(fā)生瓦斯爆炸事故時(shí)人員傷亡會(huì)十分嚴(yán)重，當(dāng)發(fā)生爆炸事故時(shí)，醫(yī)務(wù)人員應(yīng)立刻攜帶醫(yī)療急救器材，到事故現(xiàn)場搶救受傷人員。當(dāng)現(xiàn)場的機(jī)械設(shè)備有所損壞時(shí)，要及時(shí)停止作業(yè)查找原因，以便排除隱患，避免除爆炸事故之外其他事故的發(fā)生。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)后果

如果事故造成一定的設(shè)備設(shè)施損壞，要承擔(dān)相應(yīng)的修復(fù)費(fèi)用以免再次出現(xiàn)其他影響，如果事態(tài)嚴(yán)重甚至要承擔(dān)停產(chǎn)費(fèi)用。因此應(yīng)做好工傷保險(xiǎn)工作，及時(shí)搶救傷員和設(shè)備設(shè)施，以減少治療費(fèi)用和物質(zhì)財(cái)產(chǎn)損失并在一切處理得當(dāng)后盡早恢復(fù)生產(chǎn)，減少日工損失。

2.2.3 社會(huì)后果

積極應(yīng)對(duì)事故，加快處理時(shí)間及力度，以最快的速度解決問題，并及時(shí)對(duì)接安撫傷患及其家屬，以減少社會(huì)影響。

2.2.4 環(huán)境后果

爆炸產(chǎn)生的粉塵以及巷道塌陷都會(huì)嚴(yán)重影響作業(yè)人員的身心健康，嚴(yán)重者甚至造成環(huán)境污染，影響周邊居民的正常生活。

2.3 構(gòu)建改進(jìn)Bow-tie 模型圖

用改進(jìn)Bow-tie 分析法對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故的致因和后果進(jìn)行全面分析，并對(duì)不同人員的職責(zé)進(jìn)行區(qū)分，使分析結(jié)果更加直觀，從而更加便于管理人員進(jìn)行預(yù)防和管控，且通過該模型圖，可以對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步研究，確認(rèn)每個(gè)預(yù)防或消減措施的應(yīng)用是否，來查驗(yàn)相應(yīng)安全管理的程度[2]。結(jié)合以上分析的結(jié)果，構(gòu)建煤礦瓦斯爆炸事故Bow-tie圖，如圖3 所示。

圖3 瓦斯爆炸事故改進(jìn)Bow- t ie 模型Fig.3 Improved Bow-tie model of gas explosion accident

2.4 聯(lián)系度及評(píng)價(jià)等級(jí)確定

根據(jù)Bow-tie 模型中的原因并結(jié)合文獻(xiàn)[6-8]進(jìn)行權(quán)重分析，運(yùn)用層次分析法建立煤礦瓦斯爆炸事故原因的遞階層次模型，如圖4 所示。

圖4 煤礦瓦斯爆炸事故原因遞階層次模型Fig.4 Cause hierarchical model of coal mine gas explosion accident

由遞階層次模型構(gòu)造判斷矩陣W、W1、W2、W3、W4，W表示以第一層為準(zhǔn)則，從第二層4 個(gè)因素即B1、B2、B3和B4的角度建立比較矩陣，W1、W2、W3和W4分別表示Cj(j= 1，2……，16)與Bi(i=1，2，3，4)之間的比較矩陣[9]。

表1 判斷矩陣標(biāo)度Table 1 Judgment matrix scale

根據(jù)評(píng)價(jià)模型，按照公式（1） 求得各評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量近似值：

按照公式（2） 將各評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量作歸一化處理：

按照公式（3） 根據(jù)第二層各評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量計(jì)算矩陣最大特征值λmax：

最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

式中：n為矩陣的階數(shù)。

如果求得的檢驗(yàn)指標(biāo)CI=0，那么就證明權(quán)重向量通過了一致性檢驗(yàn)；如果求出的檢驗(yàn)指標(biāo)CI≠0，則需要計(jì)算隨機(jī)一致性比率：

式中：RI為平均隨機(jī)一致性，取值見表2。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)值Table 2 Random consistency index values

若CR≤0.1，表明該權(quán)重向量通過了一致性檢驗(yàn)；若CR＞0.1，那么表明該權(quán)重向量沒有通過一致性檢驗(yàn)，則需要從根本上解決，即改變判斷矩陣，之后再進(jìn)行上述運(yùn)算步驟，直至CR≤0.1。

3 實(shí)例應(yīng)用

本文基于對(duì)邯鄲礦業(yè)集團(tuán)云駕嶺礦安全評(píng)價(jià)項(xiàng)目，以云駕嶺煤礦發(fā)生瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性為評(píng)價(jià)對(duì)象，擇取了2 位煤礦領(lǐng)域的安全專家對(duì)對(duì)圖4 中風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的重要度進(jìn)行打分，為方便專家打分，打分采用指標(biāo)兩兩對(duì)比的原則。首先由專家對(duì)同一層次內(nèi)的指標(biāo)兩兩比較，按照重要程度對(duì)比可分為①極端不重要、②明顯不重要、③同等重要、④明顯更重要、⑤極端更重要5 個(gè)等級(jí)，構(gòu)建專家打分矩陣W。

以評(píng)價(jià)模型第二層各因素為例進(jìn)行分析得:

根據(jù)式（1） 計(jì)算求得各評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量近似值：

根據(jù)公式（2） 可得第二層各評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量：W={0.255，0.05，0.581，0.114}

根據(jù)第二層各評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量計(jì)算矩陣最大特征值可得λmax=4.078 75。

對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到:

一致性檢驗(yàn)查表得RI=0.90

則CR = CI/RI=0.049/0.90=0.029＜0.10

同理對(duì)C1,C2,C3,C4進(jìn)行層次分析:

結(jié)合式（1）、式（2） 對(duì)C1,C2,C3,C4的權(quán)重向量作歸一化處理可得第三層各評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量：

經(jīng)計(jì)算CR均小于0.1，滿足要求。

各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重及排序見表3 ～表7。

表3 Bi 指標(biāo)權(quán)重及排序Table 3 Bi index weight and ranking

由表3 可知，管理體系欠缺和人的不安全行為是導(dǎo)致高處墜落事故發(fā)生的主要原因。因此，在安全投資有限的情況下，預(yù)防事故的重點(diǎn)的工作應(yīng)集中于人本身，加強(qiáng)安全管理并規(guī)范相關(guān)人員的行為。

由表4 ～表7 可知，管理方面隱患排查治理不到位以及無開采資質(zhì)或組織方案不完善違章操作；人因方面違章爆破；物因方面電氣設(shè)備故障等是導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生的主要原因，但事故發(fā)生根源原因還是在人，無論人失誤還是人管理。管理體系欠缺是整個(gè)企業(yè)對(duì)“安全第一”的觀念沒有得到落實(shí)，才會(huì)導(dǎo)致人員違章操作，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生[10]。

表4 人為因素指標(biāo)權(quán)重及排序Table 4 Weight and ranking of human factors index

表5 物為因素指標(biāo)權(quán)重及排序Table 5 Object as factor index weight and ranking

表6 環(huán)境因素指標(biāo)權(quán)重及排序Table 6 Weight and ranking of environmental factors

表7 管理因素指標(biāo)權(quán)重及排序Table 7 Index weight and ranking of management factors

4 結(jié)論

（1） 通過對(duì)往年事件的分析和研究，運(yùn)用改進(jìn)Bow-tie 模型，從人因、物因、管理、環(huán)境4 個(gè)方面半定量分析了煤礦瓦斯爆炸事故的致因和危害，從而列出相應(yīng)的預(yù)防措施來進(jìn)行分級(jí)管控，并針對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境后果列出相應(yīng)的消減措施，來對(duì)事故危險(xiǎn)性進(jìn)行研究。此后在Bow-tie模型分析結(jié)果的基礎(chǔ)上采用層次分析法從人、物、管、環(huán)4 個(gè)方面進(jìn)行定量分析，使分析結(jié)果和針對(duì)對(duì)象更加明確。

（2） 改進(jìn)Bow-tie 模型圖通過梳理煤礦瓦斯爆炸事故的原因，明確了責(zé)任人及相關(guān)人員，依據(jù)屏障思維理論將危險(xiǎn)因素與事故后果圖像化，便于操作人員和管理人員更加直觀清晰理解該類事故的處理辦法，有效指導(dǎo)了煤礦瓦斯爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)控制和管理，有利于將事故損失和影響降到最低，提升煤礦企業(yè)的安全效益。