基于事故树理论的煤矿瓦斯爆炸事故原因分析和对策研究

＊王俊波 梅欢

（国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 湖北 430074）

引言

我国能源结构目前是以煤、石油、天然气等化石能源为主，煤炭在我国能源结构中占比依然较大。在煤矿开采现场，由于各煤层地质条件与瓦斯赋存条件不同，且受开采设备、开采技术等因素影响，瓦斯爆炸等事故时有发生，严重威胁人矿井安全开采及作业人员的生命安全[1]。只有找出引发事故的根源，才能从根本上防范甚至杜绝事故的发生。因此，有必要对瓦斯爆炸事故的原因进行分析，找出事故发生的途径，最终实现本质安全。

事故树分析（FTA）是安全系统工程的重要分析方法之一，它是运用逻辑推理对各种系统的危险性进行辨识和评价，既可定性分析，又可定量分析，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潜在原因[2]，从而找出各因素内在规律，进而采取相应的防范措施，防范乃至杜绝事故的发生，本文将采用事故树分析方法对瓦斯爆炸事故进行分析，根据分析结果找出切断事故链的办法和途径，为矿井防治瓦斯爆炸的发生提供对策。

1.事故原因

爆炸的因素有三个，缺一不可，分别是：达到爆炸极限的可燃物、足够温度的引火源、足够的氧气浓度[3]。本文将从引发瓦斯爆炸事故的三要素逐条进行分析，列出发生瓦斯爆炸事故的条件（即原因事件），构造事故树，并分析找出阻止事故发生的途径。

(1)爆炸性瓦斯

一定浓度范围内的积聚性瓦斯是瓦斯爆炸事故发生的根源[4]。凡是浓度高于爆炸上限或者低于爆炸下限，其瓦斯混合物与引火源接触时火焰无法自行传播，经研究发现，瓦斯爆炸浓度范围通常为5%～16%[4]。当瓦斯浓度低于6%时，过量的惰性介质气体空气参与燃烧反应，起到冷却作用，阻碍火焰的自行传播；当瓦斯浓度为9.5%时，氧气和瓦斯完全反应，其爆炸威力最大；当瓦斯浓度高于16%时，燃烧物过剩，导致阻燃物空气中的氧气量不足，化学反应不完全，阻碍了火焰自行传播，失去爆炸性，但遇火仍会燃烧。

产生瓦斯积聚的原因主要有通风故障问题、瓦斯积存问题、瓦斯控制失误等三大方面原因。

①通风故障

通风故障一般由以下几个方面：断电导致停风，设计风量低、供风设备老旧等原因导致供风能力不足，串联通风、局扇打循环风。

②瓦斯积存

地质条件变化导致瓦斯量变大进而产生较高浓度的积聚性瓦斯，盲巷、老塘等区域瓦斯积存，上隅角瓦斯积聚，放炮后瓦斯积存。

③控制措施适当

瓦斯漏检，无法及时准确知悉瓦斯浓度，进而导致瓦斯积聚；瓦斯排放不到位导致瓦斯积聚；巷道贯通后应进行而未及时进行通风导致瓦斯积聚。

(2)足够能量的引火源

达到引爆能量的引火源存在，是引发瓦斯爆炸的必要条件之一。引火源温度不低于650℃，能量大于0.28MJ，持续时间大于爆炸感应器。在煤炭开采过程中可能产生的火源比较容易满足，达到引爆能量的引火源主要是由以下几方面原因造成：煤炭自燃、放炮火源、摩擦撞击造成的火花、抽烟等明火、电火花等；其中，放炮火源一般包括炸药变质不合格、短间隔放炮、放明炮等；电气火花包括电器失爆、电缆设备短路、电机车火花、静电火花等。

(3)合适的氧气浓度

当氧气浓度＞12%时，瓦斯燃烧爆炸反应方可持续进行，当氧气浓度＜12%时，该化学反应不可持续，瓦斯气体失去爆炸性。一般巷道、掘进面和采面等工作面的氧气浓度一般＞12%，而井下封闭区域、裂隙处等区域因有氧消耗或无供氧，可能会出现氧气浓度＜12%的情况。故而，掘进面、采面等工作面的瓦斯积聚情况是分析瓦斯爆炸事故发生的重要内容。

通过以上分析，梳理并列出原因事件，具体详见表1。

表1 瓦斯爆炸事故原因事件汇总表

2.瓦斯爆炸事故的事故树绘制与分析

本文的主要分析对象为瓦斯爆炸事故，故而以瓦斯爆炸事故为顶上事件。通过第1节分析得出瓦斯爆炸事故的基本原因事件，然后根据导致瓦斯爆炸的条件和可能造成的原因及逻辑关系画出事故树，如图1所示。

图1 瓦斯爆炸事故树图

由事故树图写出其布尔表达式为：

(1)最小割集

最小割集表示的是系统的危险性，它是引起顶上事件发生的基本事件的集合，即每一组最小割集，就是一种事故发生的模式，最小割集越多，说明系统的危险性越大[5]。事故树顶事件的发生，必然是某个最小割集中基本事件同时发生的结果。一旦发生事故，就可以方便地知道所有可能发生事故的途径，较快地查出本次事故的最小割集，这就是导致本次事故的基本事件的集合。同时最小割集为降低系统的危险性提出了控制方向和预防措施。每个最小割集都代表了一种事故模式，由事故树的最小割集可以直观的判断哪种事故模式最危险，哪种次之，哪种可以忽略，以及如何采取措施使事故发生概率降低。

通过计算得出该事故树的最小割集一共有110个，分别为：X2·a·X1·X12·b～X2·a·X1·X22·b，X3·a·X1·X12·b～X3·a·X1·X22·b…X11·a·X1·X12·b～X11·a·X1·X22·b，即引起瓦斯爆炸的可能途径有110种。由此可见，瓦斯爆炸事故的危险性是非常大的。

(2)最小径集

最小经集表示的是系统的安全性，当最小经集中所包含的基本事件都不发生，就可防止顶事件发生；即每一组最小经集，就是一种阻止事故发生的模式。最小径集有利于选取确保系统安全的最佳方案。每一个最小径集都是防止顶事件发生的一个方案，可以根据最小径集中所包含的基本事件个数的多少、技术上的难易程度、耗费的时间以及投入的资金数量，来选择最经济、最有效的控制事故的方案。

通过计算得出，该事故树的最小经集共有5个，分别为：P1={a},P2={X1},P3={b},P4={X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11},P5={X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X20、X21、X22}。可知，使瓦斯爆炸事故不发生的可能途径有5种，当以上任意一组最小经集内的全部基本事件都不发生，则瓦斯爆炸事故必然不会发生。而一般在井下，氧气浓度通常超过12%，引火源也能达到引爆能量，即条件X1和b都是满足的，故而重点防范事故发生的模式主要为防范P1、P4和P5的发生。

(3)结构重要度

根据事故树的最小割集或最小径集，一般按照以下准则定性判断基本事件的结构重要度：

①单事件最小割（径）集中的基本事件结构重要度最大；②仅在同一最小割（径）集中出现的所有基本事件结构重要度相等；③两个基本事件仅出现在基本事件个数相等的若干最小割（径）集中，这时在不同最小割（径）集中出现次数相等的基本事件其结构重要度相等；出现次数最多的结构重要度大，出现次数少的结构重要度小。

根据所计算结果，采用所求最小径集来判断各基本事件的结构重要度，可得出各基本事件结构重要度顺序为：I(a)=I(X1)=I(b)＞I(X2)=I(X3)…=I(X11)＞I(X12)=I(X13)=…=I(X22)。由此可见，瓦斯达到爆炸浓度、浓度在引爆范围内的氧气和达到引爆能量火源的结构重要度最高；其次是瓦斯漏检，瓦斯排放失误和巷道贯通后未及时通风，断电停风，供风能力不足，局扇打循环风，串联通风，地质变化瓦斯积聚，盲巷、老塘等瓦斯积聚和放炮后瓦斯积存；最后是炸药变质不合格，短间隔放炮，放明炮，抵抗线不足，摩擦撞击火花，煤炭自燃，明火，电器失爆，电缆设备短路，电机车火花和静电火花。

3.事故预防措施

根据第二节的分析可知，瓦斯爆炸事故发生的模式有110种，而防止瓦斯爆炸事故发生的模式有5种，即P1至P5中的任一个事件不发生，则事故就不发生。而P2和P3通常都是满足的，故而预防措施要使P1、P4和P5中的任意一个或多个事件不发生，即可避免瓦斯爆炸事故的发生。采取措施如下：

（1）使P1（即a条件）不发生，即使瓦斯积聚无法达到爆炸浓度。可采取如下预防措施：加强通风管理，保证通风系统稳定可靠，防止停电停风事故造成的瓦斯聚集；消除串联通风、循环风；及时处理局部积存的瓦斯等。

（2）使P4不发生，即使X1、X2……X13等同时不发生，则瓦斯无法积聚。主要通过技术措施和管理措施，减少因技术及操作失误等引发的瓦斯泄露和积聚，为此则需采取具体措施有：保证供风量，加强盲巷管理；局部通风机必须做到“三专两闭锁”“双风机，双电源”，做到风机自动导台，电源自动切换，以降低、防止瓦斯事故发生。对瓦斯量检测做到“应检必检”避免漏检等，并根据其他基本事件，采取相应的防范措施。

（3）使P5不发生，即使X14、X15……X29等都不发生，则不出现引火源。采取的措施主要是加强对各类火源的管理和控制，如禁止携带火种下井、井下禁止穿化纤类衣服等，尤其要注意电火花和放炮火源。

综上，采取（1）～（3）中的一种或其组合方式的预防措施，即可有效预防瓦斯爆炸事的发生。