煤矿水害防治中事故树分析法的应用研究

2015-01-12李明珠张俊虎

华北科技学院学报 2015年4期

李昊，李明珠，张俊虎

(1. 华北科技学院，北京东燕郊 101601；2.神东煤炭集团公司寸草塔二矿，内蒙古鄂尔多斯 017209)

矿井水害是煤矿的五大自然灾害之一。随着煤矿开采水平向深部延伸，水文地质条件日趋复杂，且开采强度的增大，导致煤矿水害威胁日益凸显。近年来，全国煤矿因水害事故导致的死亡人数仅次于瓦斯事故[1]。因此，在准确探查水文地质和及时监测预报水害的基础上，采用科学的安全评价方法对矿井水害的致灾事件进行分析，提出科学合理的防治水措施，确保煤矿的安全生产具有重要意义。

事故树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)是一种演绎分析的方法，也是我国安全评价的重要方法之一。即从一个可能的事故(顶事件)开始，自上而下、一层一层地寻找事件的直接原因事件和间接原因事件，直到基本事件，并用逻辑图把这些事件之间的逻辑关系表达出来[2]。事故树分析法的分析包括最小割集、最小径集和结构重要度3个方面。由于煤矿水害事故中基本事件发生的概率难以测算，所以该方法在水害事故中运用主要以定性为主。

1 矿井水文地质概况

以西北矿区某现代化煤矿潜在的水害危险为评价对象，开展矿井水灾事故树分析。该矿核定生产能力11.30 Mt/a，2014年实际产量16.30 Mt/a。矿井可采煤层的总厚度为24.22 m，最小总厚度为5.87 m，平均总厚度为17.02 m。可采煤层前期开采的上组煤有2层，由上而下分别为1-2、2-2煤层；后期开采的下组煤有2层，由上而下分别是4-3、5-1煤层。

井田位于乌兰木伦河中游西岸，南高北低，海拔1057～1273 m，相对高差最大216 m。矿区内地下水较贫乏，仅在沙层覆盖区的古洼地，古冲沟及煤系火烧岩区的地下水较丰富。井田内的主要地下水有松散层孔隙潜水和火烧区烧变岩裂隙水两种。松散层孔隙潜水有两种，一是河谷冲积层潜水；二是地表的风积、冲积、湖积孔隙潜水层，广布于本区。矿区降水量相对集中，7～9月份占全年的60～70%左右，而地表沙层透水性好，有利于地下水的补给。矿井的年平均涌水量大多在100 m3/h之内，矿井的采掘工程一般不受水害影响，应为水文地质条件简单(矿井大部分区域)的矿井。

2 矿井水害的致灾因素

矿井水害事故构成三要素为充水水源、充水通道和充水强度。矿井水害事故的致灾来源主要有地表水、老空水、冲积层水、底板水[3]。从构成要素和致灾来源分析矿井水害的致灾因素，从而进一步探讨引发矿井水害事故的基本事件。此外，防治水系统和监测系统的安全可靠性也至关重要。

2.1 矿井充水水源

纵观全区，煤系基岩含水微弱，渗透系数很小，故不会对矿井安全构成威胁。第四系松散层孔隙潜水、烧变岩孔洞裂隙潜水是浅埋煤层矿井开采构成威胁的主要水源。此外大气降水通过入渗补充地下，地表水构成间接充水水源。

矿井井田边界直接有关系小窑目前有16个，其中越界开采14个。除两个煤矿(一个为井工开采，另一个为露天开采)正在生产，其他的煤矿全部关闭。由于小窑所开采的区域大部分位于沟谷煤层火烧区的边缘地带，所以小窑老空水是矿井的重要充水水源。

部分煤层存在上下煤层同时开采，上分层工作面中积有大量采空区积水，下分层工作面开采之前必须提前疏放上覆采空区的积水。

2.2 矿井充水通道

井田内1-2上煤和1-2煤上覆基岩厚度大部分区域小于煤层开采后形成的导水裂隙带发育高度，局部甚至小于冒落带高度，故此两带是沟通各种水源进入采空区的主要通道。局部存在溃水溃砂隐患。

烧变岩孔洞裂隙潜水的充水通道主要是工作在相邻烧变岩围岩的基岩裂隙和火烧裂隙通道，一般通道均较细小，导水能力差。当直接接触到烧变岩裂隙发育较强段时，充水通道才畅通，导水性强，成为矿井涌水溃砂的主要原因。

2.3 充水强度

井田地面因素导致矿井充水的强度主要决定于砂砾层含水层的富水性、渗透性，降水汇水面积，煤层上覆基岩厚度，并受大气降水特征和黄土隔水层的明显影响。

大气降水对充水强度的影响，主要反映在暴雨或持续降雨，塌陷区汇水条件有利，充水量将大幅增加，此外降水有诱发突水涌沙作用。所以，生产矿井在疏排地下水的同时，还应加强防雨溃沙措施。随井下开采，覆岩运动导致的裂隙直接接触到烧变岩时，其易变为强发育段，成为充水通道。

2.4 防治水系统

防治水系统影响矿井水害的因素主要由以下几个方面决定：矿井地面工业场地防洪系统应齐全，各井口位置不受洪水威胁，工业广场有排水沟，顶部和两侧有挡墙、排水沟；在雨季期间各井口准备有防洪沙袋，确保洪水不会顺井口灌入井下；对矿井地面的塌陷和地裂缝进行定期观测，及时进行充填夯实处理，防止大气降水沿采空区塌陷裂隙灌入或渗入井下；井田范围内小窑应予以关闭，小窑老空区积水位置、范围、积水量应探明，矿井与小窑采空区间必须留设保护煤柱，在靠近小窑采空区时严格执行先探后掘，执行防治水相关规定[4]。

3 矿井水害的事故树分析[2][5]

3.1 事故树模型的确立

根据以上矿井水灾致灾因素分析，结合工作面回采、安全、排水等系统的工艺流程，编制矿井水害事故树。通过事故树分析，找出可供预防的主要事件。

根据最小割(径)集个数的判定式，可得出该事故树的最小割集数有960个，最小径集有5个。所以，采用最小径集分析较为方便。即把水灾的事故树转换为事故成功树如图1，图内具体事件见表1。

图1 矿井水害的事故成功树

序号事件序号事件T井下水害事故A1采掘透水A2人员处于危险区B1透水条件B2预报和处理失误C1地表水灌入C2地质条件C3探放水失误C4没有预测预报D1防洪指挥不当D2措施不当X1洪水爆发X2未配备防洪指挥班子X3无防洪规划X4缺乏防洪物资X5缺少防洪人员X6洪水从地表钻孔灌入X7井口位置低于灌入洪水X8地面水体渗入X9防洪水沟堵塞X10防洪水沟外溢X11奥灰水顺断层陷落柱导入X12采空区有积水X13周边矿井越界开采X14防水煤柱太小X15没有打探水孔X16超前打钻距离不够X17判断透水征兆失误X18技术指导错误X19没有预报X20预报错误X21通讯系统失灵X22透水封堵出口X23撤离不及时X24避灾路线错误

3.2 最小径集求解

矿井水害的事故成功树，采用布尔代数法求得结构函数式如下

展开后，得5个最小径集如下：

P1=(X1，X11，X12，X13，X14)；

P2=(X2，X3，X4，X5，X11，X12，X13，X14)；

P3=(X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14)；

P4=(X15，X16，X17，X18，X19，X20)；

P5=(X21，X22，X23，X24)。

3.3 基本事件结构重要度求解

由此，可得结构重要度的排序为：

Iφ(21)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)>Iφ(11)=Iφ(12)

=Iφ(13)=Iφ(14)>Iφ(1)>Iφ(15)

=Iφ(16)=Iφ(17)=Iφ(18)=Iφ(19)

=Iφ(20)>Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)>Iφ(6)

=Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)。

3.4 结果分析

1) 该系统有960个最小割集，表明有960个可能导致事故发生的途径，该系统危险性很大，故应引起人们的足够重视。最小径集有5条，表明有5条预防途径，说明事故还是可以避免的。

2) 从结构重要度分析，P5中的各基本事件结构重要度最大，是主要的预防对象，制定正确的防治水规划和采用先进高效的水害监测监控设备能有效防范以上基本事件的发生；其次是X11，X12，X13，X14各基本事件，它分布在P1、P2、P3三个最小径集中，也是预防顶上事件发生的重要途径，在矿井开采设计和采掘过程中严格按照《煤矿防治水规定》显得尤其重要；再次是X1，它是地表水灌入矿井的一个条件，是人为不可控制的对象。