充填管道堵塞的事故树分析

张钦礼 吴立宏,2 卞继伟(.中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 40083；2.铜陵化工集团新桥矿业有限公司,安徽 铜陵 24432)

充填管道堵塞的事故树分析

张钦礼1吴立宏1,2卞继伟1(1.中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083；2.铜陵化工集团新桥矿业有限公司,安徽 铜陵 244132)

充填管道的稳定性是充填系统安全运行的关键，而充填管道堵塞是料浆输送过程中发生最为频繁的事故。为合理分析充填管道堵塞的直接原因和间接原因，在综合分析充填管道堵塞事故的基础上，运用安全系统工程中的事故树分析法，建立了充填管道堵塞事故树模型。通过分析和计算事故树的最小割集、最小径集和基本事件的结构重要度，找出了导致充填管道堵塞的主要因素。结果表明：导致充填管道堵塞的路径共有落入异物、格筛破损、管道内径不当等22条，预防充填管道堵塞的途径共有合理控制料浆配比、规范相关设计、消除管理缺陷等4种；水泥用量不合理、料浆配比不合理、弯管较多等16个因素是导致充填管道堵塞的最重要因素。事故树分析法能对导致充填管道堵塞的各种因素及逻辑关系做出全面的阐述，并根据结构重要度提出针对性的防治措施，为充填管道的安全管理提供了可靠的参考依据。

事故树分析 充填管道堵塞 最小割集 最小径集 结构重要度

随着地表浅部可开采资源的不断减少，合理开发利用深部资源已成为趋势，而岩爆、岩石冒落、高温成为制约深部资源开采利用的重要因素，严重影响深井作业的安全和效率[1]。充填采矿法是深部资源开采的主要采矿方法，可以有效地控制岩爆、预防岩石冒落、降低岩温，可以保证深部资源开采的安全和效率[3]。在充填采矿法实施过程中，充填系统的可靠性直接影响矿山的连续、安全生产。而在整个充填系统中，管道输送系统是薄弱环节之一，利用管道进行料浆输送过程中可能出现爆裂、磨损和堵塞等一系列安全问题[4]。而矿山生产实践表明，充填管道堵塞是料浆输送过程中发生最为频繁的事故，极易对矿山的正常生产作业造成严重影响，同时可能会造成巨大的损失。因此，合理分析充填管道堵塞的原因，可以针对性采取应对措施，避免出现严重的充填管道堵塞事故，以保证矿山的正常生产[5]。

王新民等[6]运用层次分析法和未确知测度理论构建风险预测模型指标体系，对充填管道堵塞风险进行综合评判。充填管道堵塞通常是由多种因素综合造成的，在多种因素共同作用时，往往以其中一二种原因为主，其他原因只是对这一二种原因起加速作用的[7]。本研究运用事故树分析法进行了系统分析，找出充填管道堵塞的关键因素以及各个因素之间的相互关系，为充填作业的安全进行提供理论与技术指导。

1 事故树分析法

1.1 事故树分析法简介

事故树分析(FTA)是对既定的生产系统或作业中可能出现的事故条件及可能导致的灾害后果，按工艺流程、先后次序和因果关系绘成程序方框图，表示导致灾害、伤害事故(不希望发生)的各种因素之间的逻辑关系[8]。事件树分析是一种演绎的逻辑分析法，描述事故发生和发展的动态过程，找出事故的直接原因和间接原因及原因的组合[9]。采用事故树分析法进行分析的过程，是一个对系统更深入认识的过程，了解系统内各要素间的内在联系，弄清各种潜在因素对事故发生影响的途径和程度，寻求防止结果发生的措施[10]。

1.2 事故树分析的步骤

事故树分析虽然根据对象系统的性质、分析目的的不同，分析的程序也不同，但是一般可按以下基本程序进行[11]。

(1)熟悉系统。要详细了解系统状态及各种参数，必要时绘制工艺流程图或布置图。

(2)调查事故。收集事故案例，进行事故统计，设想给定系统可能发生的事故[12]。

(3)确定顶上事件。要分析的对象事件即为顶上事件。对所调查的事故进行全面的分析，从中找出后果严重且较易发生的事故作为顶上事件。

(4)调查原因事件。从人、机、环境和信息等方面找出与事故树顶上事件有关的所有事故原因，确定事故原因并进行影响分析。

(5)绘制事故树。从顶上事件开始，按照演绎法，逐级找出直接原因事件，直到所要分析的深度，按其逻辑关系，画出事故树。

(6)分析事故树。定性分析依据事故树结构进行简化，求出事故树的最小割集和最小径集以及基本事件的结构重要度[13]。根据定性分析的结果，确定预防事故的安全保障措施。定量分析主要根据引起事故发生的各基本事件的发生概率，计算事故树顶上事件发生的概率，计算各基本事件的概率重要系数和临界重要系数。根据定量分析的结果以及事故发生以后可能造成的危害，对系统进行风险分析。

1.3 结构重要度分析

结构重要度是指从事故树结构上分析各基本事件的重要度(不考虑各基本事件的发生概率)或假定各基本事件发生概率相等的情况下，分析各基本事件的发生对顶上事件发生的影响程度。在缺乏定量分析数据的前提下，结构重要度定性分析就显得很重要[14]。结构重要度的求解常采用2种方法：1种是利用最小割集或最小径集分析判断方法进行结构重要度判断，另1种是运用计算公式准确求出各个基本事件的结构重要度系数。

结构重要度系数的计算公式为

(1)

(2)

(3)

式中，k为最小割集总数；kj为第j个最小割集；nj为第i个基本事件所在Kj的基本事件总数。

一般来说，若最小割集中的基本事件个数相同，3个公式都可以保证排序的正确性；若最小割集间的阶数差别较大，式(2)、式(3)可以保证排序的正确；若最小割集间的阶数差别仅为1或2，使用式(1)、式(2)就可能产生较大的误差。

2 充填管道堵塞事故树分析

2.1 充填管道堵塞事故树的确立

充填管道堵塞是发生在固体物料长距离水力自流输送中的一种常见的非正常输送现象，通常会造成管道内的流速和压力随时间剧烈变化，引起系统瘫痪和破坏。在长距离和复杂管道输送中应尽量避免堵管的发生，控制其危害程度。料浆性质是料浆输送的基础，充填管道是料浆输送的主要载体，料浆位能是料浆输送的动力，充填管道堵塞主要与料浆性质、充填管道、料浆位能3个方面有关。

基于以上分析，以充填管道堵塞作为顶上事件，建立了充填管道堵塞事故树的基本模型，逐级找出造成充填管道堵塞的直接原因事件，直到找到最基本的原因事件为止。根据这一思路，建立事故树图(见图1)。图1中各事故树的事件含义如表1所示。

2.2 事故树的定性分析

2.2.1 事故树结构函数

根据充填管道堵塞事故树中各事件之间的逻辑关系，可以得到事故树的布尔代数式：

图1 充填管道堵塞事故树

表1 事故树的事件含义Table 1 The events meaning in fault tree

T=A1+A2+A3=(A4+X4+X5+X6)+(A5+A6+A7)+(A8+A9+X24)=(X1+X2+X3+X4+X5+X6)+(A10·X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19)+(X20·X21+X22+X23+X24)=(X1+X2+X3+X4+X5+X6)+[(X7+X8+X9+X10+X11)·X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19]+(X20·X21+X22+X23+X24)=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7·X12+X8·X12+X9·X12+X10·X12+X11·X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20·X21+X22+X23+X24.

2.2.2 最小割集和最小径集

根据布尔代数法则化简，可以得到事故树的最小割集数为22个。将充填管道堵塞事故树中的“或门”和“与门”对换，则事故树变为成功树，成功树的最小割集即为充填管道堵塞事故树的最小径集。最小割集和最小径集见表2。

表2 最小割集和最小径集Table 2 Minimal cut set and minimal path set

2.2.3 结构重要度分析

由于最小割集间的基本事件数仅相差1，可根据结构重要度系数的计算式(3)，求得各个基本事件的结构重要度系数。

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)=Iφ(17)=Iφ(18)=Iφ(19)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)=1，

Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(20)=Iφ(21)=1/2，

Iφ(12)=31/32.

各个基本事件结构重要度排序：

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)=Iφ(17)=Iφ(18)=Iφ(19)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)>Iφ(12)>Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(20)=Iφ(21).

2.3 结果分析

(1)从充填管道堵塞事故树结构可以看出，“或门”比较多，说明在料浆不合格、管道问题和料浆位能不足的情况下，充填管道堵塞很容易发生。

(2)最小割集是能够引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的组合，是系统发生故障的充分必要条件。最小割集表示系统的危险性：事故树的最小割集数越多，说明顶上事件发生的可能性越大；最小割集中基本事件数越少，事故发生就越容易。求出最小割集也就掌握了事故发生的所有可能途径，全面掌握事故发生规律，找出系统内各事件间的内在联系，发现系统的薄弱环节。从以上分析计算中可以得出，该事故树的最小割集有22个，也就是导致充填管道堵塞的最小路径有22条，且最小割集中基本事件数只有1或2个，说明充填管道堵塞事故发生的可能性很大。

(3)最小径集是能够使得顶上事件不发生的最低数量的基本事件的组合，它是保证顶事件不发生的充分必要条件。最小割集表示系统的安全性：事故树的最小径集数越多，系统越安全。从以上分析计算中可以得出，充填管道堵塞事故树的最小径集有4个，也就是使充填管道堵塞事故不发生的最小路径有4条。也就是说，只要上述4个最小径集任何1组不发生，充填管道堵塞事故就不会发生。

(4)结构重要度系数反映了该基本事件在事故树结构中所占的地位。由以上分析计算可知，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X22、X23、X24的结构重要度系数最大，X12的结构重要度系数次之。

3 结 论

通过对充填管道堵塞的各种原因和发生机理进行调查分析，采用安全系统工程中事故树分析法，建立了充填管道堵塞事故树模型，并对其进行了详细的定性定量分析。

(1)从充填管道堵塞事故树结构上看，“或门”比较多，说明在料浆不合格、管道问题和料浆位能不足的情况下，充填管道堵塞很容易发生。

(2)从事故树的最小割集和最小径集看，事故树共有22个最小割集和4个最小径集，也说明充填管道堵塞事故容易发生，同时预防的途径较少，即充填管道共有22条失稳路径和4种最优防治措施组合。

(3)从结构重要度分析可知，水泥用量不合理、料浆配比不合理、弯管较多等16个因素是影响充填管道堵塞的最重要因素。根据结构重要度大小顺序，可以确定充填管道堵塞防治的优先顺序，从而使得防治对策具有较强的理论依据，且更具有针对性。

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(责任编辑 徐志宏)

Fault Tree Analysis of Filling Pipeline Blockage

Zhang Qinli1Wu Lihong1,2Bian Jiwei1
(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.TCIGCLXinqiaoMiningCo.，Ltd.,Tongling244132,China)

The stability of filling pipeline is the key to keep safe operation for the filling system，while filling pipeline blockage is the most frequent accident in slurry delivery process.In order to rationally analyze the direct and indirect causes for the filling pipeline blockage，and based on comprehensive analysis of accidents about the filling pipeline blockage，the fault tree model about filling pipeline blockage is established by using fault tree analysis of safety system engineering.By calculating minimal cut set，minimal path set and analyzing structure importance of basic event，the main factors influencing filling pipeline blockage are found out.The results show that there are 22 ways leading to the filling pipeline blockage，for example，objects fallen into，grizzly damage and improper pipe diameter，and 4 ways of preventing the filling pipeline blockage，including reasonable control of slurry ratio，elimination of management deficiencies，specifications of relevant design; Unreasonable amount of cement，unreasonable slurry ratio，more elbow and other 16 factors are the most important factors leading to the filling pipeline blockage.Fault tree analysis can make a comprehensive description about various factors which lead to filling pipeline blockage and the logical relationships among them.According to the structure importance，some corresponding prevention measures are put forward.It provides a reliable reference for safety management of filling pipeline.

Fault tree analysis，Filling pipeline blockage，Minimal cut set，Minimal path set，Structure importance

2014-10-23

“十一五”国家科技支撑计划项目(编号：2008BAB32B03)。

张钦礼(1964—)，男，教授，博士研究生导师。

TD853.34

A

1001-1250(2015)-01-145-04