基于数理统计的余吾煤矿瓦斯超限事故发生规律及对策研究

2021-05-10毛俊睿

煤矿安全 2021年4期

柴沛，杨明，2，3，毛俊睿，柳磊

（1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003；2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南焦作454003；3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454003）

随着我国瓦斯治理技术的不断提高，瓦斯爆炸事故正在逐年减少，但瓦斯超限事故在井下作业过程中却时有发生[1]。针对此问题，国家煤矿安监局也曾明确提出要加强瓦斯零超限目标管理。瓦斯超限事故是指在煤矿采掘工作面等作业地点的瓦斯浓度超过《煤矿安全规程》规定的浓度值[2]。当瓦斯超限事故发生后，如果不及时采取措施，就有可能诱发瓦斯积聚，造成瓦斯燃烧、瓦斯爆炸等瓦斯事故[3]。因此针对瓦斯超限事故的问题应加以重视，从其事故发生规律入手，探寻瓦斯超限原因，制定相应措施，以达到减少事故发生的目的。近年来，国内学者通常采用数理统计的方法研究事故发生规律[4-9]；文献［1，10－11］通过对瓦斯超限致因因素的研究，从多个方面建立了瓦斯超限预警指标体系，并利用不同的数学理论建立了基于多指标模式的瓦斯超限预测模型；任威[12]通过灰色关联分析法筛选出了掘进工作面瓦斯超限预测的主要指标，并利用物元可拓集合理论建立了瓦斯超限危险性预测的物元可拓模型。综上所述，现阶段国内学者针对瓦斯超限事故已经进行了大量的深入研究并取得良好进展，为瓦斯超限事故治理提供了理论依据。基于此，结合前人的研究成果，以余吾煤矿2018 年1 月至2019 年8 月期间所发生的瓦斯超限（预警）事故为基础，运用数理统计方法从事故发生班次、预警时长及最高浓度等方面对其进行数据分析，得出瓦斯超限事故发生规律及事故致因，并根据事故发生规律提出相应的对策，为解决井下瓦斯超限问题提供指导意见。

1 事故发生规律

1.1 事故发生班次

根据统计，余吾煤矿在此期间瓦斯超限（预警）事故共计发生50 起，其中2018 年28 起，2019 年22起。经调查可知，余吾煤矿采用“三八制”作业，因此可按照0 点班、8 点班、4 点班对事故进行分类，各班次事故发生率如图1。

图1 各班次事故发生率Fig.1 Rate of accidents for each shift

由图1 可以看出，在1 d 的工作时间中，0 点班事故发生率最高，相较于事故发生率最低的4 点班高出12%。其原因是由于0 点班的工作时间是人体机能处于疲劳的时间阶段，反应能力相较于白天较弱，工作效率相对较低。因此在针对班次进行防控时，应着重加强针对0 点班班次的超限隐患排查工作，从事故发生率最高的班次入手，达到降低事故发生的目的。

为进一步分析瓦斯超限事故的阶段性特征，将1 d 的工作时段按每1 h 为时间间隔对事故进行统计，运用控制图法[13]对期间发生的瓦斯超限（预警）事故做进一步分析。以瓦斯超限（预警）事故起数为考察指标，各控制线计算公式如下：

式中：CL、UCL、LCL 分别为中心控制线、控制上限、控制下限；xi为第i 个时间段内瓦斯超限（预警）事故起数；n 为统计时间段总数。

当瓦斯超限（预警）事故起数处于控制上、下限以内，则表明事故的发生仍处于可控范围，一旦超过了控制上限，则表示超出了可控范围，如果低于控制下限，则表示瓦斯超限（预警）事故的发生已经得到了有效控制。根据计算可以得出，瓦斯超限（预警）事故的中心控制线CL=2.17，控制上限UCL=5.11，控制下限LCL=-0.78（取LCL=0），瓦斯超限事故控制限图如图2。

图2 瓦斯超限事故控制限图Fig.2 Gas over-limit accident control chart

由图2 可以看出，在1 d 工作时间内，瓦斯超限（预警）事故的发生都处于控制上、下限内，表明事故整体都处于可控范围，但在0 点班内的01:00—02:00时间段和06:00—07:00 时间段内事故起数趋近于控制上限。

因此在针对0 点班制定瓦斯超限（预警）事故防控措施时，应着重加强这2 个时间段内的管控措施，对易发生预警的地点安排专人进行排查，发现超限隐患及时处理，避免其超过控制上限。

根据图2 对每班次事故发生的阶段性特征进行分析可以看出，在每班次开始时事故起数都有1 段上升趋势，且在每班次的前2 h 内达到峰值，然后开始出现下降趋势，呈现出开工时事故起数多的规律。这是因为在这2 h 内工作人员刚刚完成交接班工作，尚未进入工作状态，安全防范意识松懈，同时上一班次作业中存在的瓦斯超限隐患未交接到位也是造成开工时事故起数多的问题之一。在工作人员逐渐进入工作状态后，即每班次的第2～第4 h 内，事故发生率呈现出下降趋势。在这一时间段内，工作人员身心完全沉入工作中，针对隐患问题能够很快发现并解决，使得超限事故起数随着时间的推移不断下降。在经过4 h 的工作后，即每班次的第4～第6 h 内，工作人员的体力及精力已经有了很大的消耗，在进行设备操作及隐患排查工作中极易出现失误，因此造成这一时间段内超限事故又有所上升。在每班次的最后2 h，即收工阶段，此时段的工作人员逐渐退出工作状态，对这一班次中造成的超限隐患进行排查，为交接班做准备，因此在这一时间段内事故起数又出现下降趋势，呈现出收工时事故起数少的规律。

针对这一规律，应着重加强对工作人员的安全教育，提高其开工前的工作积极性；同时加大对每班次收工时的隐患排查力度，尽量减少隐患遗留问题；对井下工作人员的时间安排应尽量分配合理，避免出现长时间高体力消耗作业，使工人们能够长期保持较好的精神状态，减少操作失误；同时对部分耗体力的工作应考虑增加作业人数，进行轮班工作。

1.2 事故发生地点

由于井下环境复杂，而且煤矿事故的发生具有典型的地点依赖特征[14]。因此不同地点发生超限事故的可能性也存在差异性。所以从余吾煤矿瓦斯超限（预警）事故的发生地点对事故发生规律进行统计分析。

据统计，在50 起瓦斯超限（预警）事故中，发生在掘进工作面内的共计44 起，其中发生在煤巷掘进40 起，岩巷掘进4 起，总占比88%；回采工作面内共计4 起，占比8%；回风大巷共计2 起，占比4%，说明瓦斯超限事故一般发生在掘进工作中，尤其是在运输巷及回风巷等煤巷掘进中。

因此在制定井下瓦斯超限防治措施时应加强对掘进工作的监控管理。尤其是在煤巷掘进工作中，应严格控制割煤速度及割煤路线，时刻注意前方煤体情况，避免因割煤速度快引起片帮或高顶等意外发生，造成煤体垮落涌出大量瓦斯而引发瓦斯超限。

2 瓦斯超限（预警）时长

2.1 预警时长及最高预警浓度耦合

根据井下实际情况，传感器预警时长与最高预警浓度两者之间有很强的关联性，因此将瓦斯超限（预警）事故按照预警时长分为小于5 min、5～30 min、大于30 min 3 类，按照预警最高浓度分为小于1%、1%～3%、大于3% 3 类，预警时长与预警最高浓度耦合分析如图3。

图3 预警时长与预警最高浓度耦合分析Fig.3 Coupling analysis of warning duration and warning maximum concentration

由图3 可知，传感器预警时长与预警最高浓度之间存在很明显的耦合特征。38 起瓦斯超限事故发生时长在5 min 之内，37 起事故发生时预警最高浓度在1%以下，29 起瓦斯超限事故发生时间都在5 min 之内，且预警最高浓度都在1%以下。因此针对此类短时长、低预警浓度瓦斯超限（预警）事故应制定相应的应急处置措施，使传感器一旦发生预警，能够快速的降低瓦斯浓度值至标准值以下。结合井下实际情况，可对巷道内负压通风管道进行改造，当预警发生后，快速打开负压通风管道使其成为临时抽出式通风，以达到降低巷道内瓦斯浓度的目的。

2.2 长时间预警事故致因

瓦斯超限是造成瓦斯积聚的主要因素之一，当巷道内瓦斯浓度长时间处于超限状态，就有可能造成瓦斯积聚引起瓦斯爆炸事故，因此针对长时间预警事故也应制定相应防控措施，防止其不断积聚。

长时间预警事故汇总及原因分析见表1。根据统计，长时间预警事故共计发生5 次，可以看出：在这5 次事故中，其中有3 次是由事故发生时工作面配风量不足，无法达到瓦斯稀释的要求引起瓦斯超限。因此在制定长时间预警事故预防措施时应着重针对工作面配风量不足制定相关措施。如在进行风筒更换作业时提前对巷道内瓦斯浓度进行预测，并在更换完毕后对接口部分进行检查，避免漏风情况的发生；尽量避免长时间作业，缩短工作面无风时间；明确调节风窗开闭状态，在进行调整时应提前向调度室报告；针对风量较低的巷道，应加强对瓦斯浓度及风量的监控，发现问题及时向调度室报告。

表1 长时间预警事故汇总及原因分析Table 1 Summary and cause analysis of long - time warning accidents

3 瓦斯超限事故致因类型

根据对事故发生规律的研究分析，在瓦斯超限（预警）事故致因中涉及到多种不同的作业类型，其大致可分为瓦斯管路延伸、风筒接换作业、割煤作业、钻孔作业、传感器安装位置、调节风窗开关状态6 大类。同时在一起超限事故中有可能会涉及到2种及2 种以上的作业类型，因此可以根据不同作业类型对事故致因进行分类，不同类型事故起数如图4。

图4 不同类型事故起数Fig.4 Number of accidents for different types

由图4 可以看出，在余吾煤矿发生的瓦斯超限（预警）事故中，大多数事故集中在割煤作业、风筒接换作业和钻孔作业3 种作业类型，其中又以割煤作业导致的瓦斯超限事故起数最多，共计23 起，占比39.66%。而其他3 种类型的超限事故起数较少，在这3 种作业类型中，事故起数最多的为瓦斯管路延伸作业，共计发生5 起，占比8.62%。因此本节主要从割煤作业、风筒接换作业和钻孔作业3 种作业类型入手，对事故发生原因进行归类分析，从不同方面探寻事故发生原因，达到减少事故发生的目的。

根据图4，分别对风筒接换作业、割煤作业、钻孔作业3 种作业类型的超限致因进行统计研究。其中风筒接换作业中大致可分为3 种致因类型，违章作业、人为因素和环境因素。其中违规作业包括在作业过程中未正确进行反压边、风筒未提前悬挂等操作造成漏风、风筒折弯等现象引起供风量不足。根据统计分析，由违规作业引起的瓦斯超限（预警）事故最多，共计6 起，占风筒作业类型事故数的66.67%，占总事故数的10.34%，由人为因素引起的事故2起，占比22.21%，由管理因素引起的事故共1 起，占比11.12%。

在割煤作业中可分为割煤速度快、割煤路线错误以及进刀方式不适3 种类型，这3 种类型都有可能造成煤体垮落使大量瓦斯涌出造成瓦斯超限，其中又以割煤速度过快引起的瓦斯超限（预警）事故最多，共18 起，占割煤作业类型事故数的78.26%，占总事故数的31.03%；由未调整割煤路线引起的事故共2 起，占比17.39%；由进刀方式不适引起的事故共3 起，占比21.74%。

在钻孔作业中可分为钻孔位置不适、退钻过程以及瓦斯喷孔3 种类型，钻空位置不适主要包括钻孔布置不均匀以及钻孔有效控制距离不足等；退钻过程主要包括强制退钻、停钻时间过长以及未开启防喷孔装置等；瓦斯喷孔主要包括未及时增加卸压孔以及防喷孔装置失效等。根据统计，在钻孔作业类型中，由钻孔位置不当引起的瓦斯超限（预警）事故最多，共8 起，占钻孔作业类型事故数的50%，占总事故数的13.79%，由退钻过程失误引起的超限事故共5 起，占比31.25%，占总事故数的8.62%。

根据以上分析，在预防井下瓦斯超限事故时，应着重针对割煤作业进行防治，严格规范作业方式，加强对操作人员的实操培训，避免出现由于割煤速度过快引起片帮等意外情况，造成瓦斯异常涌出引起瓦斯超限；在进行风筒作业时应制定严格的规章制度并保证井下工作人员能够严格执行，在安装风筒时进行反压边等一系列防止风筒漏风的安全措施，同时还要保证作业时间不能过长，避免工作面长时间无风；在进行钻孔布置时，应保证其有效控制距离足够且布置均匀，避免出现钻孔堵死的现象发生，在退钻过程中要开启防喷孔装置并避免长时间停钻。