煤矿瓦斯爆炸危险因素定量评价方法研究及应用

＊吴继良

（山西中阳华润联盛苏村煤业有限公司 山西 033400）

引言

在煤矿开采过程中，煤层及临近采空区会产生各种有毒有害气体，如甲烷、硫化氢、二氧化碳等，这些气体可统称为“矿井瓦斯”[1-3]。矿井瓦斯具有可燃性、毒害性和易爆性，是煤矿生产中的主要危害因素之一，在工程生产中必须采取相应的措施，防止煤矿瓦斯事故的发生[4]。因此，开展煤矿瓦斯爆炸危险因素定量评价方法研究及应用具有极为重要的工程价值[5]。

1.工程概况

苏村煤业地处中阳县苏北村，中阳县境内有307国道和孝-柳铁路，交通十分便利。苏村煤业采用地下开采，煤层瓦斯含量较大，矿井绝对瓦斯涌出量15.55m3/min，相对瓦斯涌出量9.26m3/t，具有瓦斯爆炸等潜在危险。因此，本文将着重对瓦斯爆炸的危险因素进行定量分析。

2.事故树定量评价方法

事故树分析方法是对故障树分析方法的延伸和继承，是安全生产分析评价中常用的一种定量分析方法。事故树分析方法是基于逻辑推演的方式对系统的危险源和危险性进行识别和评判,该方法可以分析出促使事故发生的直接原因和潜在因素。

事故树定量分析主要包含以下几个重要步骤：

(1)事故树的构造

事故树是由各种符号和连接的逻辑门构成，事故树包含了可能导致事故发生的主要危险因素，并可反应各种因素与事故之间的逻辑关系，一般来说，事故树必须具有可靠性，即事故树中包含的因素和逻辑关系要真实可靠。

(2)事故树的定性分析

对事故树进行定性分析主要采用求解最小割集和最小径集的方法。最小割集一般通过布尔运算得到，依据最小割集可推演出事故树上可能导致事故发生的途径。从该途径入手，逐步分析便可得到导致事故发生的真实原因。如某矿发生了瓦斯爆炸事故，在对可能途径进行检查时，逐步核对该途径中所包含的事件，若该途径中所包含的事件全部发生，则可断定瓦斯爆炸事故由该途径引起。若该途径中有一个基本事件未发生，则排除该因素引发瓦斯爆炸的可能性。采用同样的方法排查下一途径，直至找出导致瓦斯爆炸事故发生的最小割集，导致事故发生的最小割集所包含的基本事件就是造成事故的内在原因。如煤矿的瓦斯爆炸事故由放炮产生明火，且风机停止运转组成，则该最小割集包含四个基本事件，分别为瓦斯达到爆炸浓度、瓦斯与明火相遇、风机停止运转和放炮起明火。在排查时，瓦斯达到爆炸浓度和瓦斯与明火相遇均已发生，可以直接跳过，排查风机是否停止运转，若风机没有停止运转，说明事故不是由该最小割集引起。若风机停止运转则继续排查放炮是否引起明火，若排查出放炮引起明火，则便可确定瓦斯爆炸事故是由该最小割集引起的。

从上文的分析可知，事故的预防措施可根据最小割集来制定。最小割集所含的基本事件必须全部发生才能引起事故，我们只需要采取方法“制止”其中一个基本事件的发生，便可使该割集丧失危险性，斩断事故发生的途径。在实际分析中，也会遇到某个基本事件在同时存在于多个最小割集中，我们称这类事件为关键事件，若避免关键事件的发生，则可“破坏”多个最小割集的形成条件。可依据关键事件在事故树中的重要程度对关键事件进行排序，得到关键事件的重要度，在进行事故预防时便可有的放矢的选取关键事件，有效的预防事故的发生。

最小径集是指不引起事故发生的最低限度的基本事件的集合，即这些基本事件不发生，事故就不会发生。通常，对事故树进行定量分析，采用最小割集或最小径集其中之一便可，为充分对瓦斯爆炸事故进行定量分析，本文采用最小割集和最小径集两种分析方法。

3.定量评价结果

(1)瓦斯爆炸事故树

瓦斯爆炸需具备3个基本条件：甲烷浓度达到一定的范围；氧气浓度达到一定范围；有温度足够的火源。若矿井发生瓦斯爆炸事故，则必然满足以上3个基本条件，因此，我们可以从这3个基本条件入手对瓦斯爆炸事故进行定量分析。值得说明的是，由于井下人员作业需要氧气，因此，瓦斯爆炸的氧气浓度可满足条件，这里便不再分析该因素，重点分析火源和瓦斯浓度两个条件。依据瓦斯爆炸事故树便可进行定性分析，确定最小割（径）集和各基本事件的重要度，为进行煤矿瓦斯爆炸事故的机理分析和预防提供理论依据。

由苏北煤矿的瓦斯爆炸事故树可知，或门个数占比较大，达到80%，事故树中或门是只要一个基本事件发生便可引起顶层事件的发生。如风筒漏风（x2）或供风能力不足（x3）都可导致掘进面瓦斯的聚集（A3）。未按时监测（x10）或警报断电仪失灵（x11）都可引起瓦斯漏检（A5）。事故数中的与门个数仅占20%左右，与门是指多个基本事件同时发生，才能导致顶层事件的发生。如瓦斯爆炸浓度（A1）与火源（A2）同时达到引爆条件，才能引起瓦斯爆炸事故（T）。从苏北煤矿瓦斯爆炸事故树或与门的比例可以得出，该煤矿发生瓦斯爆炸事故的概率较大。

(2)最小割集分析

采用布尔运算得到苏北煤业瓦斯爆炸事故树的最小割集等效图，如图1所示。

图1 事故树最小割集等效图

从图1中可以看出瓦斯爆炸事故树共包含130组最小割集，这说明，引发苏北煤业瓦斯爆炸的可能途径有130种之多。当任意一个最小割集（Ki）中的基本时间全部发生时，则瓦斯爆炸事故也必发生。例如在最小割集K14中，包含4个基本事件分别为：瓦斯达到爆炸浓度（x26）；瓦斯与明火相遇（x27）；风筒漏风（x2）；放炮起火（x13）。若掘进工作面发生风筒漏风（x2），则瓦斯集聚到一定程度便会达到爆炸浓度（x26），此时若掘进工作面放炮起火（x13），则必然导致瓦斯与明火相遇（x26），从而发生瓦斯爆炸（T）。由最小割集的基本概念还可以得到，若最小割集中包含的基本事件越多，则该割集发生的概率越小。反之，最小割集中包含的基本事件越少，则该割集发生的概率越大。

(3)最小径集分析

由苏北煤业瓦斯爆炸事故树得到的最小径集如图2所示。

图2 事故树最小径集等效图

从图2中可以看出瓦斯爆炸事故树可以划分为6组最小径集，根据最小径集的定义，只要使Pi中任意一个不发生，则事故便不会发生。Pi不发生的条件是Pi中所包含的基本事件同时不发生。例如对于P1来说该最小径集只包含一个基本事件瓦斯达到爆炸浓度（x26），因此只要瓦斯达到爆炸浓度（x26）不发生，则瓦斯爆炸事故便不会发生。P4中则包含10个基本事件，要使P4不发生，则风机停转（x1）、风筒漏风（x2）、供风能力不够（x3）、风筒距工作面过长（x4）、风量不足（x5）、积聚的瓦斯未及时处理（x6）、采空区漏出（x8）、未按时检测瓦斯（x10）、警报断电仪失灵（x11）、警报断电仪位置不当（x12）均不能发生。因此应根据最小径集分析，制定合理的预防措施，如加强瓦斯检测制度管理、保证工作面供风量、及时检查风筒质量等。

4.结论

（1）采用事故树分析方法中的最小割集和最小径集定量分析法，对苏村煤业的矿井瓦斯爆炸危险因素进行定量分析，阐述了事故树定量分析的基本原理和主要分析步骤。

（2）构建了苏村煤业的矿井瓦斯爆炸事故树，事故树图中或门个数占比达到80%，表明该煤矿发生瓦斯爆炸事故的概率较大，事故树共包含130组最小割集和6组最小径集，依据最小割集和最小径集的概念，揭示了苏村煤业发生瓦斯爆炸的可能途径，并提出了相应的预防措施。