安全系统工程课程设计报告矿井瓦斯爆炸事故树分析.docx
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安全系统工程课程设计报告矿井瓦斯爆炸事故树分析
安全系统工程课程设计报告
设计题目：
矿井瓦斯爆炸事故树分析
学院××××学院
专业班级安全工程101班
学号×××××
学生姓名×××
指导教师×××
设计时间2014-2015学年上学期
前言……………………………………………………………………...….4
第一编煤矿瓦斯介绍
一、矿井瓦斯及其来源………………………………...…………………5
二、矿井瓦斯的性质及其爆炸条件...........................................................5
（一）矿井瓦斯的性质.............................................................................5
（二）瓦斯浓度...........................................................................................6
（三）爆炸条件的分析.............................................................................6
三、矿井瓦斯燃烧和爆炸规律.....................................................................7
第二编事故树分析
一、事故树分析法简介.................................................................................7
（一）事故树分析法简介.............................................................................7
（二）事故树分析法的特点.........................................................................8
（三）事故树基本程序.................................................................................8
二、矿井瓦斯爆炸事故树定性及定量分析.................................................9
（一）最小割集及径集分析.........................................................................9
（二）顶事件概率.........................................................................................11
（三）各基本事件的结构重要度.................................................................11
（四）各基本事件的概率重要度.................................................................11
（五）各基本事件的临界重要度...............................................................12
第三编原因、后果及预防措施
一、煤矿发生瓦斯爆炸的原因.....................................................................12
二、煤矿瓦斯爆炸的危害后果.....................................................................14
三、煤矿瓦斯爆炸的预防措施.....................................................................14
（一）瓦斯积聚的防止措施........................................................................15
（二）引爆火源的防止措施..........................................................................15
（三）加强职工安全的教育、宣传和培训................................................16
四、瓦斯爆炸前的预兆及采取的措施..........................................................16
五、其他防止瓦斯爆炸事故的措施..............................................................16
（一）煤矿瓦斯抽放技术..............................................................................16
（二）矿井瓦斯浓度及火源监测技术..........................................................17
结束语..............................................................................................................17
参考文献..........................................................................................................18
矿井瓦斯爆炸事故树分析
摘要：
瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一，而瓦斯爆炸在瓦斯灾害中占很大比例，不仅造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁井巷设施，中断生产，有时还会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌等二次灾害。
煤矿瓦斯爆炸事故，不仅会给职工生命和国家财产带来巨大损失，而且造成恶劣的社会影响。
本文分析了煤矿瓦斯的来源及爆炸的条件,并用事故树分析法分析了瓦斯爆炸的原因，在此基础上提出了相应的防治措施，进而可以指导人们有效地预防煤矿瓦斯爆炸事故的发生。
关键词：
瓦斯爆炸事故树分析防治措施
引言：
矿井瓦斯是指煤矿井下空气以甲烷（CH4）为主的有毒有害气体的总称。
瓦斯在一定条件下可发生爆炸，爆炸时产生的高温（可达1850℃-2650℃）不仅会烧伤职工、烧坏设备，还可能点燃木支架和煤壁，引起瓦斯连续多次爆炸、煤尘爆炸和井下火灾，从而加重灾害程度，扩大灾害面积；爆炸产生的高压可破坏巷道和设备；爆炸后产生的有害气体（如CO达2%-4%）,氧气大量减少（仅为6%-10%）,井下人员将因中毒、窒息而死亡。
瓦斯事故发生的概率虽然比较小,但它一次所造成的危害程度却是十分严重的。
我国是世界上煤炭生产和消费大国,煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要能源。
由于井下自然环境的特点,作业空间有限,煤矿井下生产中,时刻面临着水、火、瓦斯、粉尘、顶板的威胁,加之当前安全装备水平不高、工人技术素质低、抗灾能力差等原因,生产中还存在着重生产轻安全的状况,煤矿事故时有发生。
如果能够正确的认识,掌握事故规律,了解事故发生前的预兆,及时采取正确预防和避灾方法,对保证煤炭工业可持续性发展是极为有益的。
而一旦井下发生灾害事故时,能够做到不惊慌失措,采取正确的预防和避灾方法,控制事故扩大和恶化,尽量减少因事故造成人身伤亡和损失。
第一编煤矿瓦斯介绍
一、矿井瓦斯及其来源
矿井瓦斯就是煤矿井下各种有害气体的总称。
矿井瓦斯包括从煤层、岩层、采空区放出的各种有毒有害气体,如沼气（CH4）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、氢气（H2）等。
在这些有毒有害气体中,沼气的含量占80%以上,所以人们习惯上把沼气叫做瓦斯。
在煤矿生产过程中,矿井瓦斯的来源有四方面:
（1）从采落下来的煤炭中放出瓦斯;
（2）从采掘工作面煤壁中放出瓦斯;
（3）从煤巷、岩巷两帮及顶板放出瓦斯;
（4）从采空区内放出瓦斯。
一些矿井的测定表明，从采落下来的煤炭中放出的瓦斯约占瓦斯总量的20%~25%,还有75%~80%的瓦斯是从其他三个来源向井下放出的。
这说明，矿井即使临时停产不出煤,瓦斯仍能大量、不断地放出。
二、矿井瓦斯的性质及其爆炸条件
（一）矿井瓦斯的性质
1.矿井瓦斯是一种无色、无臭、无味的气体,对空气的比重为0.554,比空气轻,常聚集在巷道的顶部。
瓦斯和空气混合在一起后,既看不到、摸不着,也闻不出来,这是非常危险的。
要检查空气中是否含有瓦斯,必须使用专用的瓦斯检测仪器才能测定出来。
2.矿井瓦斯对人有窒息作用。
矿井瓦斯虽然无毒,但在空气中的浓度增大时,能使空气中的氧气含量相对降低,而使人窒息。
当空气中的瓦斯含量达到40%以上时,能使人立即死亡。
3.矿井瓦斯具有燃烧性和爆炸性。
矿井瓦斯在空气中的含量达到适当浓度时,遇到引爆热源能引起燃烧和爆炸。
（二）瓦斯浓度
瓦斯与空气（氧气）均匀混合形成爆炸性气体,瓦斯浓度达到一定的范围时,遇到明火或一定的引爆能量立即发生爆炸,这个浓度范围称为瓦斯爆炸极限。
其中,形成爆炸性混合气体的瓦斯最低浓度称为瓦斯爆炸下限,形成爆炸性混合气体的瓦斯最高浓度称为瓦斯爆炸上限。
能最易（即在最小着火能量下）激发着火（爆炸）,并且爆炸中能释放出最大能量的瓦斯浓度称为瓦斯最佳爆炸浓度。
瓦斯的爆炸极限为5%-16%,当瓦斯浓度低于5%时,遇火不能发生爆炸,但能在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度为9.5%时,其爆炸威力最大（氧气和瓦斯完全反应）；瓦斯浓度在16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。
瓦斯爆炸界限并不是固定不变的,它还受到①其它可燃性气体的混入；②惰性气体的混入；③初始压力；④初始温度的影响。
（三）爆炸条件的分析
煤矿瓦斯爆炸必须同时（同地）具备3个条件:
①空气中瓦斯浓度在爆炸范围内（5%-16%）；②高温热源存在时间长度大于瓦斯引火感应期；③瓦斯—空气混合气体中的氧浓度大于12%。
具体分析如下：
（1）瓦斯的浓度：
在新鲜空气中,瓦斯浓度达到5%～16%时,就达到爆炸浓度,也称爆炸界限。
因矿井内涌出的可燃性气体,不单纯是沼气,还有一部分重碳氢化合物。
重碳氢化合物分子量越重,其爆炸下限越低。
（2）具有引燃引爆瓦斯的高温热源：
在新鲜空气中,瓦斯的引燃温度为650℃～750℃。
比如,引燃的香烟头的温度都在千度以上,所以明火、吸烟、电火
花、放炮产生的火焰以及摩擦火花,都可以引起瓦斯爆炸。
煤矿井下引起瓦斯爆炸的点燃源主要有如下几类:
机械类:
包括机械运行中的摩擦、坚硬岩石及钢铁支架、设备之间的撞击。
电气类:
与输电线路、电气设备有关的电火花、电弧、电器失爆等。
火焰类:
有燃烧反应的点燃,如吸烟、火灾、气体切割和焊接等。
炸药类:
与炸药爆破有关的,如使用非许可炸药、钻孔充填不当引起爆破火焰等。
其它类:
上述不包含的点燃,如闪电、压缩管路破裂气体喷出等。
（3）氧气的浓度：
氧气的作用是助燃,空气中氧气的浓度在12%以上时,就可使瓦斯爆炸。
这是最容易获得的条件,因为在正常通风风流中氧气的浓度通常大于20%,而引起其浓度下降的原因有两个:
自身的消耗和其它气体涌入后的稀释。
瓦斯爆炸和火灾都会消耗空气中的氧,但由于风流的流动,对于开放的区域空气中的氧气可以迅速得到补充。
三、矿井瓦斯燃烧和爆炸规律
矿井瓦斯的燃烧和爆炸是有规律的。
其规律主要决定于瓦斯在空气中的浓度。
当瓦斯浓度在5%以下时,遇到火源能燃烧,不能爆炸,其火焰呈蓝色；当瓦斯浓度大于16%时,在混合气体内遇到火源不能燃烧,也不能爆炸,如有新鲜空气供给,在混合气体与新鲜空气的接触面上,遇火就会燃烧；其浓度在5%～16%时,遇火源就会爆炸,瓦斯浓度在7%～8%时,最容易爆炸,在9.5%时,爆炸威力最强。
煤矿井下的瓦斯爆炸属于可燃气体爆燃现象,该过程通常是处于爆炸限内的瓦斯空气混合气体首先在点火源处被引燃,形成厚度仅有0.01～0.1mm的火焰峰面。
该火焰峰面向未燃的混合气体中传播,传播的速度称为燃烧速度。
瓦斯燃烧产生的热使燃烧峰面前方的气体受到压缩,产生一个超前于燃烧峰面的压力波,该压力波以当地音速向前传播,行进在燃烧峰面前,称为前驱冲击波。
压力波作用于未燃气体使其温度升高,从而使火焰的燃烧速度进一步增大,这样就产生压力更高的压力波,从而获得更高的火焰传播速度。
层层产生的压力波相互追赶并叠加,形成具有强烈破坏作用的冲击波,这就是爆炸。
第二编事故树分析
一、事故树分析法简介
（一）事故树分析法简介
事故树分析（FaultTreeAnalysis，缩写为FTA）是一种表示与导致灾害事故有关的各种因素之间因果关系和逻辑关系的分析法。
FTA就是对某一种失效状态在一定条件下进行逻辑推理和图形演绎，通过层层深入对可能造成系统事故或导致灾害后果的各种因素（包括硬件、软件、环境、人等）的分析，根据工艺流程、先后次序和因果关系，把所有的失效原因、失效模式用逻辑和或逻辑积的关系绘制成的一个树形结构。
再通过事故树的定性和定量分析，判明灾害或功能故障的发生途经和导致灾害、功能故障的各种因素之间的关系，以及系统故障发生概率及其他定量指标（如结构重要度、概率重要度、临界重要度），并据此采取相应的措施，以提高系统的安全性和可靠性。
因此，对事故树的分析可以找出系统的薄弱环节，从而可采取相应措施加以改善，提高系统本质安全。
（二）事故树分析法的特点
a.采用演绎方法分析事故的因果关系，能详细找出系统各种固有的潜在的危险因素，为安全设计、制定安全技术措施和安全管理要点提供依据。
b.能简洁、形象地表示出事故和各种原因之间的因果关系及逻辑关系。
c.在事故树分析中，顶上事件可以是已经发生的事故，也可以是预想的事故，通过分析找出原因，从而起到预测、预防事故的作用。
d.可用于定性分析，求出危险因素对事故影响的大小；也可用于定量分析，由各危险因素的概率计算出事故发生的概率，从数量上说明是否能满足预定目标值的要求，从而采取对策措施的重点和轻重缓急顺序。
e.可选择最感兴趣的事故作为顶上事件进行分析。
f.分析人员必须非常熟悉对象系统，具有丰富的实践经验，能准确和熟练应用分析方法。
常会出现不同分析人员编制的事故树和分析结果不同的现象。
g.复杂系统的事故树往往很庞大，分析计算的工作量大。
h.进行定量分析时，必须知道事故树中各事件的故障数据，若数据不准确，定量分析就不能进行。
（三）事故树基本程序
事故树的分析程序，常因分析对象、分析目的、粗细程度的不同而不同，但主要的内容包括：
熟悉系统、事故调查、确定顶上事故、原因时间调查、建造事故树、修改和简化事故树、定性和定量分析、制定安全措施。
事故树分析法大致包括以下几个步骤。
a．编制事故树模型。
根据以往发生火灾或爆炸的原因和积累的经验利用教学方法构思出一种树形事故过程模型。
b．化简事故树。
（1）求最小割集。
最小割集是引起顶上事件发生的最起码的基本事件的集合。
（2）求最小径集。
最小径集是使顶上事件不发生所必须的最低限度的径集。
（3）利用最小割集或最小径集排出结构重要度。
（4）求出事件的结构重要度，概率重要度，临界重要度对事件进行定量分析。
（5）对事故原因进行分析，提出预防和改进措施。
二、矿井瓦斯爆炸事故树定性及定量分析
（一）最小割集及径集分析
建立事故树,为了分析矿井瓦斯爆炸事故发生的原因,根据事故树分析法，,综合考虑有可能引发火灾爆炸事故的各个基本因素,建立事故树。
事故树中的顶事件、中间事件和各基本事件的说明如下表所示
基本事件
代号
基本事件
代号
基本事件
代号
瓦斯爆炸事故
T
风筒管口距工作面远
X3
放炮起火
X16
瓦斯积聚
A1
接头不严
X4
吸烟
X17
引爆火源
A2
人为将风流短路
X5
矿灯使用
X18
风量不足
A3
挂坏风筒
X6
摩擦撞击产生火花
X19
聚集的瓦斯处理不力
A4
未及时发现
X7
火区火源
X20
无风
A5
未及时处理
X8
带电检修
X21
瓦斯漏检
A6
局部通风设备损坏
X9
电缆破坏
X22
明火
A7
违章停局部通风机
X10
漏电
X23
其他火源
A8
全矿井停电
X11
设备失爆
X24
电气起火
A9
检测时间不合理
X12
电压高绝缘击穿短路
X25
电气短路
A10
警报断电仪失灵
X13
电气接工不合要求
X26
含氧量适中
X1
警报断电仪位置不当
X14
变压器电机、开关内短路
X27
达到爆炸浓度
X2
静电火花
X15
根据所做的事故树可得：
T=X1X2A1A2
=X1X2（A3+A4+A5+A6）（A7+X19+X20+A8+A9）
=X1X2（X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14）（X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25+X26+X27）
根据布尔代数法进行逻辑运算和化简求得最小割集12*13=156个
最小割集如下：
K1-13=X1X2X3（X15+X16+…+X26+X27）K14-26=X1X2X4（X15+X16+…+X26+X27）
K27-39=X1X2X5（X15+X16+…+X26+X27）K40-52=X1X2X6（X15+X16+…+X26+X27）
K53-65=X1X2X7（X15+X16+…+X26+X27）K66-78=X1X2X8（X15+X16+…+X26+X27）
K79-91=X1X2X9（X15+X16+…+X26+X27）K92-104=X1X2X10（X15+X16+…+X26+X27）
K105-117=X1X2X11（X15+X16+…+X26+X27）K118-130=X1X2X12（X15+X16+…+X26+X27）
K131-143=X1X2X13（X15+X16+…+X26+X27）K144-156=X1X2X14（X15+X16+…+X26+X27）
由此可知矿井瓦斯爆炸事故的可能途径有156种之多，证实了矿井瓦斯发生爆炸的危险性大，因此需要制定切实有效的措施加以预防和管理。
求最小径集：
T’=X’1+X’2+A’1+A’2
=X’1+X’2+A’3A’4A’5A’6+A’7X’19X’20A’8A’9
=X’1+X’2+X’3X’4X’5X’6X’7X’8X’9X’10X’11X’12X’13X’14+X’15X’16X’17X’18X’19X’20X’21X’22X’23X’24X’25X’26X’27
由此可知最小径集只有四个。
最小径集如下：
P1={X1}
P2={X2}
P3={X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14}
P4={X15X16X17X18X19X20X21X22X23X24X25X26X27}
由此可知有四种避免顶事件发生的可能途径，只要保证任何一组最小径集中基本事件的集合都不发生"顶上事件便不会发生。
（二）顶事件概率
各基本事件的概率均假设为0.02
T=X1X2（X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14）（X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X24+X25+X26+X27）
∴P（T）=P（X1）P（X2）（P（X3）+P（X4）+…+P（X13）+P（X14））（P（X15）+P（X16）+…+P（X26）P（X27））
=0.02*0.02（0.02+0.02+…+0.02+0.02）（0.02+0.02+…0.02+0.02）
=2.496×10-5
（三）各基本事件的结构重要度
结构重要度分析，是从事故树结构上分析各基本事件的重要程度，即在不考虑各基本事件的发生概率，或者说假定各基本事件的发生概率都相等的情况下，分析各基本事件的发生对顶事件发生所产生的影响程度，一般用Iφ（i）表示。
基本事件结构重要度越大，它对顶事件的影响程度就越大，反之亦然。
通过分析最小径集及最小割集可得到各基本事件的结构重要度排序如下:
Iφ
（1）=Iφ
（2）>Iφ（3）=Iφ（4）=Iφ（5）=Iφ（6）=Iφ（7）=Iφ（8）=Iφ（9）=Iφ（10）=Iφ（11）=Iφ（12）=Iφ（13）=Iφ（14）>Iφ（15）=Iφ（16）=Iφ（17）=Iφ（18）=Iφ（19）=Iφ（20）=Iφ（21）=Iφ（22）=Iφ（23）=Iφ（24）=Iφ（25）=Iφ（26）=Iφ（27）
（四）各基本事件的概率重要度
基本事件的结构重要度分析只是按事故树的结构分析各基本事件对顶事件的影响程度，所以，还应考虑各基本事件发生概率对顶事件发生概率的影响，即对事故树进行概率重要度分析。
事故树的概率重要度分析是依靠各基本事件的概率重要度系数大小进行定量分析。
所谓概率重要度分析，它表示第i个基本事件发生的概率的变化引起顶事件发生概率变化的程度。
Ig
（1）=
=P（X2）（P（X3）+P（X4）+…+P（X13）+P（X14））（P（X15）+P（X16）+…+P（X26）P（X27））=0.001248
同理可得：
Ig
（2）=0.001248
Ig（3）=Ig（4）=…=Ig（13）=Ig（14）=0.000104
Ig（15）=Ig（16）=…=Ig（26）=Ig（27）=0.000096
（五）各基本事件的临界重要度
根据一般当各qi不等时，改变qi大的Xi较容易，但概率重要度系数并未反映qi变化，考虑从本质上反映Xi在FT中的重要程度。
临界重要度分析，它表示第i个基本事件发生概率的变化率引起顶事件概率的变化率；相比概率重要度关键重要度，更合理更具有实际意义。
Ic
（1）=Ig
（1）×
=0.001248×
=1
同理可得：
Ic
（2）=1
Ic（3）=Ic（4）=…=Ic（13）=Ic（14）=0.083333
Ic（15）=Ic（16）=…=Ic（26）=Ic（27）=0.076923
第三编原因、后果及预防措施
一、煤矿发生瓦斯爆炸的原因
煤矿发生瓦斯爆炸事故是由很多原因造成的，但总的来说分为客观原因和主观原因两种。
主观原因就是瓦斯积聚和引爆火源的存在；客观原因与自然条件、安全技术手段、安全装备水平、安全意识和管理水平等有关，发生瓦斯爆炸事故往往就是以上原因相互作用所导致的。
⑴瓦斯积聚的存在
煤矿井下造成瓦斯积
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