煤矿瓦斯爆炸事故危险源机理分析及风险评价研究*

2020-01-09周小祥陈海英

陕西煤炭 2020年1期

周小祥，陈海英

(重庆交通大学经济与管理学院，重庆 400074)

0 引言

近年来，全球能源消费结构向清洁能源转变的趋势十分明显，但在未来相当一段时期内化石能源仍是能源消费绝对主力。煤炭开采作为一个巨复杂系统，瓦斯、顶板、火灾、透水等安全事故频发，造成了极大的社会不良影响和经济损失。因此，对煤矿安全事故进行危险源分析，建立事故致因模型，构建评价预警体系，是煤矿安全管理中的重点。据统计，瓦斯事故占煤矿事故总数的35%以上，在重特大瓦斯爆炸事故中，瓦斯矿井的瓦斯爆炸事故占瓦斯爆炸事故总数的42%以上[1]。目前，针对瓦斯爆炸风险事故，国内外学者从概率风险评价、专家系统、多因素算子风险评价、事故致因理论、危险源理论、安全行为管理学理论等出发对煤矿瓦斯爆炸事故做了细致深入的分析[2-6]。但煤矿瓦斯爆炸事故受诸多危险源的影响并且具有很大的不确定性，各因素间存在一定的层次性和模糊性，传统的安全检查表法、可靠性分析法对于全面客观分析煤矿瓦斯爆炸事故影响机理及危害存在一定的局限性，而鱼骨图作为一种发现问题“根本原因”的方法，运用不遗漏、不重叠原则将问题层层进行分析，用这种方法分析事故，可以使复杂的原因系统化、条理化[7]，构建起事故发生的因果链。

文章利用改进的对吻鱼骨图进行瓦斯爆炸事故致因分析，同时利用模糊数学原理解决专家评价主观上的不完备性和模糊性，将两者结合，建立起煤矿瓦斯爆炸事故链对吻鱼骨全息模型，定量分析各个因素的影响权重，在此基础上可对危险源进行分级分类管理，并采取针对性的预警措施，从而提高煤矿安全管理水平。

1 瓦斯爆炸事故机理分析

鱼骨图(Fish Bone Fig)又名鱼刺图或特性因素图，因形状与鱼的骨架相似而得名，是日本东京大学的ISHIKAWA教授设计的一种找出问题潜在影响因素的方法[7]。鱼骨图广泛应用于生产质量管理领域，主要关注于找出潜在可能的问题。在安全风险管理领域，鱼骨图能够详细分层地分析安全事故发生的各种因素，找出风险发生事故链，但一般应用中仅分析了风险因素，对风险损失及其影响缺乏关注，笔者尝试在进行事故分析时将风险发生的机理即风险三要素“风险因素—风险事件—风险损失”统筹加以考虑并以图示进行表示，从而全面深入地查找引发事件的原因，展示因果关系和风险事件作用过程及其影响，形成改进的对吻鱼骨图。

1.1 瓦斯爆炸条件分析

从化学上看，瓦斯爆炸是一种热-链式反应。当爆炸混合物吸收能量达到一定条件后，反应分子断裂离解成2个或2个以上的自由基。此类游离基因化学活性强成为反应活化中心并持续进行反应，最后可能发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。因此，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。虽然煤矿瓦斯爆炸事故影响因素众多，但就本质来看，瓦斯事故的发生必须具备一定浓度的瓦斯、火源及氧气3个基本要素[1]。

瓦斯浓度达到阈值：研究表明，空气中的瓦斯浓度范围在5%～16%，就可能引起瓦斯爆炸，其中9.5%爆炸威力最强，7%～8%最易发生爆炸。造成瓦斯积聚的原因主要有通风不良、冒顶区瓦斯积聚、盲巷瓦斯积聚以及采掘面瓦斯积聚等。

高温火源的存在：一般而言，当火源的温度大于瓦斯燃点温度650～750 ℃并能持续一定时间就容易引发剧烈反应(瓦斯最小点燃能量为0.28 mJ)。煤矿井下高温火源主要有明火、摩擦撞击火花、静电、爆破火焰、电气火花和煤炭自燃等。

氧气充足：瓦斯爆炸另一必备条件要求就是空气中的氧气含量不低于12%。根据矿井通风的相关规定，井下空气中氧浓度都必须在20%以上，因此，在分析煤矿瓦斯爆炸事故中，一般忽略氧气含量这个基本要素。

1.2 瓦斯爆炸的发生机理及危害

瓦斯爆炸即可燃物瓦斯局部被点燃到燃烧快速传播，短时间内发生急剧的氧化反应，释放大量能量，并对人员、设备及财产产生重大危害。

瓦斯一旦局部点燃即形成火焰锋面，火焰锋面一边释放热量(热量又加速反应进行)一边传播发展，速度也越来越快，从正常燃烧速度到爆轰式传播速度，并伴随高温(焰面温度可高达 2 000℃以上)。焰面经过之处，造成人体皮肤和呼吸器官受损，电器设备也同时被烧坏，巷道内的可燃物被点燃以致发生火灾，进而造成重大的人员伤亡和财产损失。

瓦斯爆炸还产生强烈的冲击波。冲击波由于速度大于音速，其锋面压力由几个大气压到20个大气压，加之前向冲击波叠加和反射作用导致气压更强。冲击波所到之处造成人员创伤、设施设备损坏、冒顶、巷道损坏坍塌等，并可造成二次伤害。

瓦斯燃爆还将导致井下空气成分发生变化，生成大量有害气体(主要是一氧化碳)，成为瓦斯爆炸事故人员大量伤亡的主要因素之一。

1.3 瓦斯爆炸事故对吻鱼骨图

以大同煤矿集团四台煤矿为例，分析瓦斯爆炸风险事故链机理，结合对瓦斯爆炸链锁反应的本质分析和文献[9-12]，构建了瓦斯爆炸事故对吻鱼骨图事故链全息模型，如图1所示。从图中可以看出，煤矿瓦斯爆炸事故受多种因素影响，同时也产生火焰锋面、冲击波和有害气体等危害，一旦事故发生将造成重大损失。

2 瓦斯爆炸危险源风险定量分析模型

为利用层次分析法确定基本权重，引入九级标度法进行度量标度，提高两两比较形成初始互补判断矩阵Rij，见表1。并利用模糊数学对不确定性因素处理的优势，进一步得到模糊判断矩阵。

图1 煤矿瓦斯爆炸事故风险对吻鱼骨图

表1 九级标度

Rij=(rij)n×n,rij=1-rji

(1)

步骤1 求取模糊一致性矩阵

(2)

(3)

先对初始互补判断矩阵求行的和，然后利用公式(3)进行改造，求取模糊一致性矩阵，此种改造解决了判断矩阵一致性问题，符合实际中对风险多因素的逻辑处理，最大限度地避免了主观因素对风险判断结果的不利影响。

步骤2 求取各因素权重

(4)

(5)

利用公式(2)得到瓦斯爆炸危险源评价各指标的权重，并根据不同层指标的权重利用公式(5)最终得出相对于目标层的各个权重值。得出权重值后，可对单个指标权重进行排序，从而找到系统关键核心指标，进而采取有针对性的管控举措。

3 实例分析

以大同煤矿集团四台煤矿为例，应用上述模型和方法对瓦斯爆炸事故进行全面分析。分别邀请一线工人、安全管理人员、行业专家对危险源因素进行分析，并对危险源不可靠度进行打分和比较，得出该矿瓦斯爆炸事故影响因素及其事故树,如图2所示。因为打分具有主观性和模糊性，因此采用第2部分建立的模糊层次分析法确定权重，经统计计算，得到指标权重，见表2。

从表2可以看出，瓦斯检测不准确X19、瓦斯排放施工人员不足X23、冒顶区瓦斯浓度超限X11、瓦斯排放不符合规定X22、掘进工作面瓦斯浓度大X13、瓦斯监测员不足X21等风险因素指标权重位居前列，是该矿瓦斯安全管理的核心和关键要素，需要特别有针对性地采取措施：加强对瓦斯抽放、检测相关人员业务知识和安全知识的培训考核，做到保障到位、按章操作、责任心强；加强对仪器设备的校准和维护，确保仪器设备正常运行和精度准确，提升设备的可靠性；加强对重点区域如冒顶区、掘进工作面的瓦斯浓度检测和排放处理，确保井下作业环境的作业安全。以此为基础，结合对事故最底层危险源(X1,X2,…,X38)风险发生可能性、危险源重要程度以及事故损失，可以将上述危险源分为4个等级来进行管理和控制，见表3，风险值排序越靠前，等级越高，表示越需优先控制。

图2 瓦斯爆炸事故风险事故链模型

表2 各指标含义及综合权重

4 结论

(1)通过建立煤矿瓦斯爆炸事故风险对吻鱼骨图全息模型，能够比较直观地展示瓦斯爆炸事故机理，即瓦斯爆炸危险源—风险事件—风险损失，为后续开展量化研究和有针对性的预警措施奠定了基础。对吻鱼骨图具有直观性、系统性、层次性、综合性等基本特点，对于全面分析事故原因和其影响以及事故发生过程是一种较好的分析方法。

(2)模糊数学方法能够较为方便地用于处理煤矿瓦斯爆炸事故多因素影响定量评价，并在一定程度上克服了人员主观评价的局限性，特别是通过模糊一致性改造，避免了矩阵计算过程中判断矩阵不一致问题，较好地保证了权重系数的准确性和客观性，实际计算中具有简便性和实用性特点。