基于改进Bow-tie 模型的煤矿瓦斯爆炸事故分析与研究

侯玮，林倩，马润泽，徐子怡

（河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引言

近年来，我国仍处于工业化快速发展阶段，在复杂的国际环境下，煤炭在我国能源安全稳定供应中起到了兜底保障作用。然而随着矿井深度的增加，风险变高，再加上环境的杂乱，危险物品和设备的大量存在，使得开采时的事故更加难以进行预防和控制。而根据张培森[1]等人的研究以及析煤矿安全网和国家煤矿安全监察局通报数据统计的2012—2021 年的煤矿事故起数，可知煤矿瓦斯爆炸事故约占事故总起数的20%，死亡人数更是高达33%。因此，对煤矿瓦斯爆炸事故进行深入分析和研究，对煤矿的安全管理具有十分重要的意义。

目前，针对煤矿事故安全运行评价的方法主要有模糊综合评价法、灰色理论法、秩和比法等。通过对国内外学者的文献进行梳理和分析，发现国内外学者对于事故分析较为书面并不直观，且研究的重点多在于造成事故的原因上，对于事故发生后的预防措施和消减措施的研究有待进一步深入。探究影响煤矿瓦斯爆炸事故的预防措施和消减措施，并更加图像化地表现出来，不仅利于参与人员的采纳和吸收，更便于管理人员决定发生事故后所采取的关键措施，对减少或避免煤矿瓦斯爆炸事故的发生具有重要的现实意义。

1 改进Bow-tie 模型简介

Bow-tie 模型分析法是一种可以图像化地进行风险分析的管理方法，通过对造成顶上事件发生的危险性因素进行分析提出相应的预防措施，对顶上事件造成的事故结果进行分析提出相应的消减措施[2]，Bow-tie 模型示意图如图1 所示。

而改进Bow-tie 模型则是把事故原因从人、物、环、管4 个方面进行分析，能够更加清晰地对导致顶上事件发生的原因进行分类，从而直观形象并可以更加突出重点地制定预防措施，从根源上防止发生事故；把事故后果分为安全、经济、环境和社会4 个方面，在事故发生后制定相应的消减措施，来降低危害的程度[3]。改进Bow-tie 模型从危险源、顶级事件和后果的相互作用关系几个方面来对风险进行分析，同时还可以通过屏障思维[4]描述该项目采取何种措施来控制风险，比起一般的Bow-tie 模型更加利于原因分类分析，简单方便，如图2 所示。

图2 改进Bow- t ie 模型示意Fig.2 Improved Bow-tie model

在此基础上，通过查阅大量相关文献和报道探究煤矿事故发生的原因，进一步构建瓦斯事故爆炸Bow-tie 模型，并基于事故的原因对事故结果进行层次分析，对事故结果的重要度进行比较，为煤矿瓦斯爆炸事故进行安全屏障的搭建[5]。

2 瓦斯事故评价模型构建

运用改进Bow-tie 模型分析时，直接以煤矿瓦斯爆炸事故为顶事件，从人为因素、物为因素、管理因素以及环境因素4 个角度出发进行分析和研究。

2.1 事故原因及屏障分析

造成煤矿瓦斯爆炸的原因有很多，根据2012—2021 年的瓦斯事故统计分析，从4 个角度出发分析瓦斯事故原因。

2.1.1 人为因素

在处理事故和预防事故时，人是最不易控制的因素，由于人是直接参与施工的操作者、组织者和指挥者，当其状态不好、反应能力差等情况发生时均可能导致事故发生。尤其随着发展，大量农民工参与项目，由于其安全意识薄弱，使得危险性骤增。特别是对于井下作业而言，造成事故的人的原因有很多，例如瓦斯检测失误或漏检、焊接起火、带电维修设备、违章爆破等。而工人们有时无意识地井下吸烟行为，更加大大提高了事故发生的可能[6]。

2.1.2 物为因素

由于煤矿内环境复杂空间狭小，因此物品摆放较为混乱也易发生设备损伤。如设备防爆失效、无瓦斯监测报警装置或装置失灵、电气设备或设施短路、风扇未运行或故障电气设备漏电等原因均有可能导致事故放生。

2.1.3 管理因素

尽管社会在进步和发展，我国的煤矿企业仍然存在很多不应该发生的现象，安全管理人员数量较少，且有少部分管理人员的专业水平并不高，使得其安全意识不足，上级管理人员在安全防护设施上投入的限制，安全自评、自检、自控等管理工作的形式化，都是造成井下作业瓦斯爆炸事故的根源因素。同时由于建筑施工行业的流水性，导致施工人员经常会面临不同的环境、设施和条件，使得安全培训的难度大大提高。再加上许多企业的安全责任制形同虚设，安全管理制度和操作规程不完善，技术交底不到位，安全教育不到位，员工没有经过足够的安全教育直接上岗，这些都会极易造成事故的发生。

2.1.4 环境因素

由于井下作业环境复杂且操作空间较小，因此环境原因产生的影响有很多，如采面供风不足、上隅角风速低、采空区瓦斯浓度大等有造成事故的发生。此外，煤炭自燃以及摩擦撞击产生火花的情况也应引起注意。

2.2 事故后果及屏障分析

在井下作业发生瓦斯爆炸事故后，现场的工作人员和管理人员应立即采取措施减少损失，避免导致其他更加不良后果的出现。

2.2.1 安全后果

由于井下空间狭小再加上瓦斯爆燃会产生高温，造成煤矿起火，使人员受伤或死亡；粉尘爆炸也会产生大量对人体有伤害的气体[5]。因此在发生瓦斯爆炸事故时人员伤亡会十分严重，当发生爆炸事故时，医务人员应立刻携带医疗急救器材，到事故现场抢救受伤人员。当现场的机械设备有所损坏时，要及时停止作业查找原因，以便排除隐患，避免除爆炸事故之外其他事故的发生。

2.2.2 经济后果

如果事故造成一定的设备设施损坏，要承担相应的修复费用以免再次出现其他影响，如果事态严重甚至要承担停产费用。因此应做好工伤保险工作，及时抢救伤员和设备设施，以减少治疗费用和物质财产损失并在一切处理得当后尽早恢复生产，减少日工损失。

2.2.3 社会后果

积极应对事故，加快处理时间及力度，以最快的速度解决问题，并及时对接安抚伤患及其家属，以减少社会影响。

2.2.4 环境后果

爆炸产生的粉尘以及巷道塌陷都会严重影响作业人员的身心健康，严重者甚至造成环境污染，影响周边居民的正常生活。

2.3 构建改进Bow-tie 模型图

用改进Bow-tie 分析法对煤矿瓦斯爆炸事故的致因和后果进行全面分析，并对不同人员的职责进行区分，使分析结果更加直观，从而更加便于管理人员进行预防和管控，且通过该模型图，可以对分析结果进行进一步研究，确认每个预防或消减措施的应用是否，来查验相应安全管理的程度[2]。结合以上分析的结果，构建煤矿瓦斯爆炸事故Bow-tie图，如图3 所示。

图3 瓦斯爆炸事故改进Bow- t ie 模型Fig.3 Improved Bow-tie model of gas explosion accident

2.4 联系度及评价等级确定

根据Bow-tie 模型中的原因并结合文献[6-8]进行权重分析，运用层次分析法建立煤矿瓦斯爆炸事故原因的递阶层次模型，如图4 所示。

图4 煤矿瓦斯爆炸事故原因递阶层次模型Fig.4 Cause hierarchical model of coal mine gas explosion accident

由递阶层次模型构造判断矩阵W、W1、W2、W3、W4，W表示以第一层为准则，从第二层4 个因素即B1、B2、B3和B4的角度建立比较矩阵，W1、W2、W3和W4分别表示Cj(j= 1，2……，16)与Bi(i=1，2，3，4)之间的比较矩阵[9]。

表1 判断矩阵标度Table 1 Judgment matrix scale

根据评价模型，按照公式（1） 求得各评价因素权重向量近似值：

按照公式（2） 将各评价因素权重向量作归一化处理：

按照公式（3） 根据第二层各评价因素权重向量计算矩阵最大特征值λmax：

最后对结果进行一致性检验：

式中：n为矩阵的阶数。

如果求得的检验指标CI=0，那么就证明权重向量通过了一致性检验；如果求出的检验指标CI≠0，则需要计算随机一致性比率：

式中：RI为平均随机一致性，取值见表2。

表2 随机一致性指标值Table 2 Random consistency index values

若CR≤0.1，表明该权重向量通过了一致性检验；若CR＞0.1，那么表明该权重向量没有通过一致性检验，则需要从根本上解决，即改变判断矩阵，之后再进行上述运算步骤，直至CR≤0.1。

3 实例应用

本文基于对邯郸矿业集团云驾岭矿安全评价项目，以云驾岭煤矿发生瓦斯爆炸的危险性为评价对象，择取了2 位煤矿领域的安全专家对对图4 中风险指标的重要度进行打分，为方便专家打分，打分采用指标两两对比的原则。首先由专家对同一层次内的指标两两比较，按照重要程度对比可分为①极端不重要、②明显不重要、③同等重要、④明显更重要、⑤极端更重要5 个等级，构建专家打分矩阵W。

以评价模型第二层各因素为例进行分析得:

根据式（1） 计算求得各评价因素权重向量近似值：

根据公式（2） 可得第二层各评价因素权重向量：W={0.255，0.05，0.581，0.114}

根据第二层各评价因素权重向量计算矩阵最大特征值可得λmax=4.078 75。

对其进行一致性检验，得到:

一致性检验查表得RI=0.90

则CR = CI/RI=0.049/0.90=0.029＜0.10

同理对C1,C2,C3,C4进行层次分析:

结合式（1）、式（2） 对C1,C2,C3,C4的权重向量作归一化处理可得第三层各评价因素权重向量：

经计算CR均小于0.1，满足要求。

各个指标的权重及排序见表3 ～表7。

表3 Bi 指标权重及排序Table 3 Bi index weight and ranking

由表3 可知，管理体系欠缺和人的不安全行为是导致高处坠落事故发生的主要原因。因此，在安全投资有限的情况下，预防事故的重点的工作应集中于人本身，加强安全管理并规范相关人员的行为。

由表4 ～表7 可知，管理方面隐患排查治理不到位以及无开采资质或组织方案不完善违章操作；人因方面违章爆破；物因方面电气设备故障等是导致瓦斯爆炸事故发生的主要原因，但事故发生根源原因还是在人，无论人失误还是人管理。管理体系欠缺是整个企业对“安全第一”的观念没有得到落实，才会导致人员违章操作，最终导致事故的发生[10]。

表4 人为因素指标权重及排序Table 4 Weight and ranking of human factors index

表5 物为因素指标权重及排序Table 5 Object as factor index weight and ranking

表6 环境因素指标权重及排序Table 6 Weight and ranking of environmental factors

表7 管理因素指标权重及排序Table 7 Index weight and ranking of management factors

4 结论

（1） 通过对往年事件的分析和研究，运用改进Bow-tie 模型，从人因、物因、管理、环境4 个方面半定量分析了煤矿瓦斯爆炸事故的致因和危害，从而列出相应的预防措施来进行分级管控，并针对安全、经济、社会和环境后果列出相应的消减措施，来对事故危险性进行研究。此后在Bow-tie模型分析结果的基础上采用层次分析法从人、物、管、环4 个方面进行定量分析，使分析结果和针对对象更加明确。

（2） 改进Bow-tie 模型图通过梳理煤矿瓦斯爆炸事故的原因，明确了责任人及相关人员，依据屏障思维理论将危险因素与事故后果图像化，便于操作人员和管理人员更加直观清晰理解该类事故的处理办法，有效指导了煤矿瓦斯爆炸事故的风险控制和管理，有利于将事故损失和影响降到最低，提升煤矿企业的安全效益。