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应用事故树分析煤矿掘进面瓦斯爆炸事故
Lastrevisionon21December2020
应用事故树分析煤矿掘进面瓦斯爆炸事故
四川师范大学本科毕业论文
应用事故树分析煤矿掘进面瓦斯爆炸事故
学生姓名
陈维
院系名称
工学院
专业名称
安全工程
班级
2010级6班
学号
指导教师
刘照鹏
完成时间
年月日
应用事故树分析煤矿掘进面瓦斯爆炸事故
安全工程专业
学生姓名陈维指导教师刘照鹏
摘要通过危险源理论，分析了煤矿掘进工作面里瓦斯爆炸危险源，并根据掘进面瓦斯爆炸的一些典型事例，概括出导致瓦斯爆炸的基本事件，绘制掘进工作面瓦斯爆炸事故树。
应用事故树分析中的最小割集、最小径集和结构重要度,对矿井掘进面瓦斯爆炸事故进行了研究。
结论表明,控制引起瓦斯浓度达到瓦斯爆炸的爆炸界限，消除瓦斯环境中高温火源的存在，是预防矿井瓦斯爆炸的基本途径。
关键词：
危险源事故树掘进面瓦斯爆炸事故
ApplicationOfFaultTreeAnalysisHeadingFaceMineGasExplosion
AbstractByhazardtheory,thecoalmineexplosionhazardRivasheadingface,andaccordingtosometypicalexamplesofheadingfacegasexplosion,summedupthebasiceventsleadingtothegasexplosion,gasexplosionheadingfacedrawntree.ApplicationofFaultTreeAnalysisminimalcutsets,minimalpathsetsandstructuralimportanceoftheminegasexplosioninheadingfacewerestudied.Conclusionsshowthatthecontrollimitsexplosiongasexplosioncausedbygasconcentration,toeliminatethepresenceofhigh-temperaturegasfiresourceenvironmentisthebasicwaytopreventminegasexplosion.
Keywords:
HazardFaultTreeHeadingFaceGasExplosion
I
应用事故树分析煤矿掘进面瓦斯爆炸事故
0引言
经过三十多年的发展和改革开放，中国的综合国力有了很大的提高，逐步走向小康社会。
煤炭行业作为中国经济快速腾飞的根本保证，为大幅提高产业快速发展和综合国力做出了巨大的贡献[1]。
然而，在95%的矿井中都是在地下开采，地质条件复杂，恶劣的环境，经常受到水，火，瓦斯，煤尘和顶板等自然灾害的威胁，这些都增加了矿井的危险程度和恶劣的工作环境。
特别是在采矿过程中涌出的瓦斯，对煤矿安全生产的影响非常显着。
而且全国相对落后的技术和设备、工人的素质较低，煤矿事故仍时有发生。
在过去的十年中，随着现代科学技术的发展，煤矿的生产机械化及采掘一体化生产也得到了快速发展，使井下的火源点增加，增加了摩擦火花，不断增长的煤矿开采深度使瓦斯涌出量增加，瓦斯爆炸事故的可能性增大，都使得自然灾害的威胁在矿井出现，并表现得比较突出。
在开采过程中，由于瓦斯涌出量大幅增加，很多煤矿从原来的低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井，原来没有瓦斯突出煤层变成瓦斯突出煤层存在[2]。
此外，一些大型电力煤矿机械和设备（例如：
刨煤器，采煤机，掘进机等）操作过程中产生的火花，也使得煤矿瓦斯爆炸事故的潜在危险大大增加[3]。
煤矿掘进面是煤矿事故多发地点，事故和死亡人数占整个瓦斯事故的80％，据统计，在瓦斯爆炸中，约60％发生在矿井掘进面[4]。
如何控制掘进工作面瓦斯爆炸事故是目前煤矿安全生产工作里很需要解决的问题。
因此，我们就需要研究瓦斯爆炸危险源的组成，按照矿山危险源辨识理论来分析掘进面瓦斯爆炸危险源系统的结构性因素，并针对瓦斯爆炸事故的特点,应用事故树分析法对瓦斯爆炸事故发生的原因进行分析。
由于我国大多数煤矿埋藏深度大，恶劣的开采条件、煤层赋存不稳定，地质构造较复杂，较高的瓦斯浓度等各种客观因素存在[5]，煤矿安全生产形势依然严峻，煤炭面临的事故仍相当严重，造成的损失是极其痛苦的。
因此，只有千方百计确保煤炭行业安全生产发展，才能使煤炭行业稳步的向前发展。
1掘进面瓦斯爆炸事故危险源辨识
从实际现场调查，并结合相关的参考文献分析，发现影响掘进工作面最大的是瓦斯爆炸，它直接关系到整个矿井的安全局势[6]。
接下来，我们将影响掘进工作面瓦斯爆炸的各种危害和风险因素做一些详细的鉴定和分析，然后可以得到风险评估的一个系统的指标体系。
矿井瓦斯
矿井瓦斯是随着煤的变质程度和煤的形成伴随产生的，它是客观存在的。
2011年7月煤矿瓦斯的《煤矿安全规程》的最新版本的定义是：
矿井中主要由煤层气构成的以甲浣为主的有害气体,有时单独指甲烧[7]。
矿井瓦斯是一种无色，无味，无臭的气体。
在标准大气压下的瓦斯密度是m3，相对密度（即与空气比较而言）为，比空气轻。
因此，在煤矿，常在巷道的上部，上隅角，高处的地方，容易出现瓦斯积聚现象，但它是不容易发现。
气体扩散速率为空气的倍，很容易传播，一旦从煤（岩）释放将很快聚集到工作场所和巷道空间，这使得瓦斯变得更加难以管理。
瓦斯微溶于水，是空气的倍的渗透力，瓦斯本身既不助燃也不能维持人们呼吸，但是当达到一定浓度时，会发生瓦斯爆炸或瓦斯燃烧[8]。
学习瓦斯的基本属性和特点，可以更深入地探讨，并更好地了解发生瓦斯爆炸瓦斯爆炸的过程和机理以及影响瓦斯爆炸的因素。
瓦斯爆炸事故是煤矿的主要灾害之一[9]，不仅会造成大量的人员伤亡，而且会严重破坏井下生产设施，中断煤矿生产。
从本质上讲，瓦斯爆炸的机制是一定量的瓦斯（CH4）在高温火源作用下，并与空气中的氧气发生剧烈的化学反应，生成二氧化碳和水蒸气，同时释放出大量的热量，放出高温，高压的气体，以高速冲击力而产生向外的动力现象。
爆炸过程中会产生高温高压气体，巨大的冲击力和响声，使巷道的人们受伤，支架和设备烧毁。
因此，瓦斯爆炸拥有很严重的危害性和破坏性，为煤矿灾害之首。
事故发生影响因素分析
大量的事故资料表明,瓦斯爆炸必须同时具备三个条件,即影响煤矿掘进面瓦斯爆炸事故发生的主要因素有[10]:
瓦斯爆炸，瓦斯本身必须在一定的浓度范围内，我们将在一个正常的大气环境，瓦斯和空气或氧气的混合气体遇火源发生爆炸的浓度称为爆炸界限[11]。
在正常情况下，瓦斯在空气中的爆炸下限为5％至6％，14％至16％是爆炸上限。
其含义是：
当瓦斯的浓度为低于5％时，此时，由于在空气中的瓦斯含量过少，参与瓦斯爆炸的瓦斯浓度是不够的，则瓦斯遇火源时，是不会发生爆炸的，只会做短暂的燃烧后熄灭;当瓦斯浓度为％，因为它发生完全的化学氧化反应，则爆炸威力是最大的;当瓦斯浓度在16％或更多时，由于此时的瓦斯浓度过高，相对而言，没有足够的氧气浓度，排挤氧气在空气中的含量，此时瓦斯不会燃烧，爆炸也不会发生。
掘进工作面的瓦斯浓度，与煤矿的地质构造（褶皱，断层构造等），煤矿开采深度，通风系统，煤（岩）层的瓦斯含量，掘进面风量分布等复杂动态因素等都有很大的关系。
井下异常出现和高温火源的存在，是引起掘进工作面瓦斯爆炸的必要条件之一。
火源到达瓦斯的点燃温度的最低温度，在空气中就会引发瓦斯爆炸[12]。
实验室的实验数据表明，瓦斯的引火温度（即瓦斯的最小点火温度）通常被认为是650℃750℃，但这个是不固定的范围，这将随着不同类型的点火源，瓦斯浓度的大小，混合气体的压力强度等而发生变化。
同样，在引火温度相同时，较长的点火时间，较大的火源面积，瓦斯被点燃的越容易;当瓦斯浓度在7％至8％，最有可能被点燃;当混合气压力增大时，瓦斯引燃的所需的温度就会下降。
在井下的违章明火作业，煤炭的自燃，电气设备发生故障产生的电气火花，防爆设施的失爆，爆破产生的火花，金属表面过热，撞击或摩擦产生的火花等能遇到的很大一部分火源都是引起瓦斯爆炸的危险隐患。
所以，当在有瓦斯的矿矿井作业时，工人必须严格规范自己的行为，完全遵照《煤矿安全规程》的有关规定来执行相关的操作。
《煤矿安全规程》规定，在井下作业场所的氧气浓度不低于20％。
在正常情况下，在瓦斯集聚区，只要有12％的氧气浓度，在遇到所述火源会引起瓦斯爆炸，所以这个条件一般是满足的。
研究表明，爆炸界限和空气中的氧气含量有一定的关系：
当降低在混合气体中氧气的浓度，瓦斯的爆炸界限也会收缩[13]。
瓦斯爆炸的爆炸下限随着空气中的氧气的浓度下降而缓慢上升，当氧气含量在12％以下的空气中，由于缺乏氧气，瓦斯会失去爆炸性，即使遇到火源也不会发生爆炸[14]。
因为管理人员水平不高，对火源的管理出现失误，对瓦斯爆炸事故的预防和工作管理不到位或责任心不够强，培训考核的组织不到位，用于防治瓦斯爆炸的专项经费不足，瓦斯检查者自身的文化水平低，瓦斯监测监控系统设置设置不合理或无效，防治瓦斯爆炸的管理制度落实不到位，各种不安全因素，一定条件下都可能会引起瓦斯爆炸。
事故三类危险源分析
第一类危险源指的就是能量本身或能量载体或危险物质。
例如:
瓦斯涌出量、煤（岩）层中的瓦斯、机电设备的失爆、瓦斯含量、断层构造柱陷落、引燃瓦斯的点火源、炸药等各种不安全因素。
它是导致事故发生的前提条件和物质基础。
第二类危险源指的是对第一类危险源施行的限制措施、约束条件、控制体系等失败（或者出现了故障或者失效）。
例如:
通风机、采煤机、刨煤机、运输提升机、掘进机等大型生产设备出现故障,瓦斯抽放系统出现故障,消防系统失效,煤矿井下瓦斯监控监测系统、预警报警系统发生故障或失效,防止水害的设施设备发生故障，电气控制系统失灵或损坏等不安全因素。
它是造成事故发生的触发性条件。
第三类危险源指的是管理因素。
例如:
管理系统的可靠性、管理层决策的有效性、培训的执行情况、规章制度的有效性、员工的配置情况（数量和素质）等,这些都是行政命令可以管理得到的。
再如:
安全信念、安全文化、安全责任感、安全氛围等一些"软约束"的因素,这些都是行政命令所管不到的,需要依靠企业自发地去组织,而且需要经过长时间的熏陶才可以形成。
它是导致事故发生的组织性前提和根本原因[15]。
煤矿生产系统庞大复杂,包括的子系统非常之多,由掘进系统、采煤系统、运输提升系统、通风系统、供排水系统、机电系统等构成。
针对每个子系统都有其各种具体形式的三类危险源。
煤矿掘进工作面瓦斯爆炸事故危险源的形式复杂多变,分布范围广泛,具有一定的隐蔽性和偶然性。
通过对瓦斯爆炸事故的发生过程的分析以及对煤矿危险源的辨识过程,可以看出,掘进工作面瓦斯爆炸事故危险源系统是由瓦斯和空气的混合气体、掘进的作业场所、工种作业人员、掘进工作面的煤（岩）体、机电设备、工作面风量、炸药、瓦斯监测监控系统、隔（抑）爆设施、管理因素等组成的一个空间立体分布的人为因素和自然因素共同存在的混合系统。
根据危险源理论，得到掘进面瓦斯爆炸危险源系统的组成见图1。
图1掘进面瓦斯爆炸危险源系统组成
由图1可知:
在矿井掘进工作面瓦斯爆炸事故危险源系统中,由掘进工作面的掘进工作面各种来源的火源、地质构造情况和掘进工作面的瓦斯涌出量三者共同形成了其第一类危险源,即构成了掘进工作面发生瓦斯爆炸事故的物质基础和前提条件。
掘进工作面的出现个体失误（例如:
瓦斯漏检等）或消防设施设备、防爆设施设备、瓦斯抽放设备、瓦斯监测监控设备等对这些危险的控制、约束措施失败或失效（例如:
电气设备形成失控的电气火花等危险火源等）,这时就出现了第二类危险源。
由于管理人员的失误或疏忽（例如:
安全文化意识淡薄、领导的安全管理决策失误、企业的安全文化氛围欠佳、人的不安全行为等）,这就构成了第三类危险源。
如果这三类危险源同时相遇,则煤矿掘进工作面必定会发生瓦斯爆炸事故。
2事故树分析法
事故树分析（FTA），也被称为故障树分析，是系统安全工程分析中最重要和最常见的方法。
事故树分析法作为预测系统事故及系统安全性分析，评价的先进的科学方法，在国内外已被广泛应用。
事故树是表达事故因果关系的有方向的“树”，它从一个可能发生的事故开始，一层一层，逐渐找到了造成事故的直接和间接原因以及触发事件，并分析这些原因之间的相互逻辑关系，把这些原因和他们的逻辑关系用逻辑树图表示出来，绘制事故树。
它可以定性分析，而且还可以定量分析。
进行定量分析时，事故树分析法的步骤很多，计算过程比较复杂，原始数据不可以在国内完全获得，所以定量分析需要做大量的工作。
事故树分析程序一般可以分成以下四个步骤：
编制事故树
（1）确定顶上事件。
就是确定一个事件为研究对象，将后果更容易发生而且出现严重的事故为顶上事件进行分析。
（2）调查事件的原因。
这是调查各种与顶上事件相关的不安全因素和事件。
（3）编制事故树。
根据事故树的原则，从顶上事件逐层开始，逐渐找到引起事故发生的直接和间接原因以及触发事件，依靠相互之间的逻辑关系，用每个逻辑门将各种事件连接上，形成一个倒置的逻辑树形图，它们就构成了事故树图。
事故树定性分析
定性分析是事故树分析的核心内容之一。
根据事故树图，列出相应的布尔代数表达式，通过简化结构算出事故树的最小径集和最小割集，并因此确定每个事件的结构重要度[16]。
根据定性分析的结果，并结合企业的实际情况，根据不同情况，制定切实可行的措施。
事故树定量分析
根据各种原因事件引发顶上事件的概率，选择恰当的计算方法来算出顶上事件发生的概率。
在算出顶上事件的概率的基础上，然后再进一步算出各个原因事件的临界重要系数和概率重要系数。
根据定量分析求得的结果，进行风险评估，利用数据来说明该系统的安全性。
制定预防事故对策
基于事故树定性或定量分析的基础上，结合企业的实际情况，寻找降低发生顶事件的概率的最佳解决方案，并制定具体的事故预防措施并付诸实施，以确保该系统安全。
由于在煤矿生产的危险的复杂性和煤炭生产的特殊性，这种风险评估方法可以创建关于特定事件的事故树。
并且事故树的建立，以可控基本事件分析终端时，没有具体向下细分。
它的基本目的是为了明确生产经营单位是可以控制这些事件的，以避免发生事故，起到指导煤矿安全生产方面的积极作用。
3掘进面瓦斯爆炸事故树分析
[17]。
从引起瓦斯爆炸事故发生的原因出发,主要就火源和瓦斯积聚这两方面考虑,将影响矿井掘进工作面瓦斯爆炸事故发生的基本事件总结,为下一步构造矿井掘进工作面瓦斯爆炸事故的事故树做好准备。
图2矿井掘进面瓦斯爆炸事故树图
计算最小割集
根据构造出的矿井掘进面瓦斯爆炸事故树，列出事故树的结构函数式，并用布尔代数法求解最小割集，详细过程为：
T=A1A2X20
=（B1+B2+B3+X19）B4B5X20
=（X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X19）（C1+C2+C3）X9X10X20
=（X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X19）（X11X12+D1+X16+X17+X18）X9X10X20
=（X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X19）（X11X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18）X9X10X20=X1X11X12X9X10X20+X2X11X12X9X10X20+X3X11X12X9X10X20+X4X11X12X9X10X20+X5X11X12X9X10X20+X6X11X12X9X10X20+X7X11X12X9X10X20+X8X11X12X9X10X20+X19X11X12X9X10X20+......+X1X18X9X10X20+X2X18X9X10X20+X3X18X9X10X20+X4X18X9X10X20+X5X18X9X10X20+X6X18X9X10X20+X7X18X9X10X20+X8X18X9X10X20+X19X18X9X10X20
经过求解，得到的最小割集有63组，分别是：
K1={X1X11X12X9X10X20};K2={X2X11X12X9X10X20};K3={X3X11X12X9X10X20};K4={X4X11X12X9X10X20};
......
K60={X6X18X9X10X20};K61={X7X18X9X10X20};
K62={X8X18X9X10X20};K63={X19X18X9X10X20}。
根据掘进工作面瓦斯爆炸事故树，列出了关于事故树的结构函数式，用布尔代数进行运算，通过简化获得了63组最小割集，表示矿井掘进面瓦斯爆炸事故发生的可能途径拥有63种。
事故树定性分析原则表明：
如果得到的最小割集的数目越多，它显示了掘进面瓦斯爆炸的可能性和危险性就越大【18】。
计算最小径集
根据图2的事故树做出相应的成功树，如图3所示：
图3矿井掘进面瓦斯爆炸成功树图
由矿井掘进面瓦斯爆炸成功树图，列出成功树的结构函数式，并用布尔代数法求解最小径集，其详细过程为：
T′=A1′+A2′+X20′
=B1′B2′B3′X19′+（B4′+B5′）+X20′
=X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X19′+C1′C2′C3′+X9′+X10′+X20′
=X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X19′+（X11′+X12′）D1′X16′X17′X18′+X9′+X10′+X20′
=X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X19′+（X11′+X12′）X13′X14′X15′X16′X17′X18′+X9′+X10′+X20′
=X1′X2′X3′X4′X5′X6′X7′X8′X19′+X11′X13′X14′X15′X16′X17′X18′+X12′X13′X14′X15′X16′X17′X18′+X9′+X10′+X20′
计算整理后，得到成功树的最小割集即事故树的最小径集有6组，分别为：
P1=X9；
P2=X10；
P3=X20；
P4=X11X13X14X15X16X17X18；
P5=X12X13X14X15X16X17X18；
P6=X1X2X3X4X5X6X7X8X19。
通过煤矿掘进面瓦斯爆炸成功树，列出关于成功树的结构函数式，用布尔代数法进行运算，化简后的到了成功树的最小割集也就是事故树的最小径集有6组，说明了预防煤矿掘进面瓦斯爆炸的可能途径有6种。
根据安全学原理可以知道：
系统的最小径集越多，它显示了系统的安全性越好。
只要确保每个最小径集的最基本的事件的不会发生，我们就可以有效地控制瓦斯爆炸的发生，它提供了一个很好的方法，以防止事故的发生。
经过对求出的6组最小径集进行分析可知,包含基本事件最少的是P1、P2和P3,故而应该将P1、P2和P3视为控制和预防瓦斯爆炸事故发生的三条最优途径。
结构重要度分析
从理论上讲,可以用简易算法、最小径集排列法、最小割集排列法等多种方法来进行结构重要度的分析【19】。
由于本文前边已经求出了事故树的最小径集和最小割集,所以在这里我们选用排列法来进行求解,得到矿井掘进工作面瓦斯爆炸事故各基本事件的结构重要度的排列结果如下:
I9=I10=I20>I13=I14=I15=I16=I17=I18>I11=I12>I1=I2=I3=I4=I5=I6=I7=I8=I19
由结构重要度分析得出的结果可以看出,基本事件X9、X10和X20。
这三者的结构重要度在所有基本事件中是最大的,说明基本事件X9、X10和X20在系统中的重要性是居于首位的,这三个因素对矿井掘进工作面瓦斯爆炸事故的影响是最大的,其次才是：
X13、X14、X15、X16、X17、X18。
经过事故树的分析可以知道,能够从两个方面入手来控制和预防矿井掘进工作面瓦斯爆炸事故的发生:
①消除瓦斯环境中高温火源的存在；②控制引起瓦斯浓度达到瓦斯爆炸的爆炸界限。
小结
总结以上对事故树的分析，求得了最小割集和最小径集，并得出结构重要度顺序。
由分析结果可以得知，该事故树割集数量庞大，共63个，即引起顶上事件发生的途径有63种，任何一种途径的基本事件全部发生，均可导致矿井掘进面瓦斯爆炸，因此该系统具有很大的危险性。
为了防止事故的发生，分析最小径集可知，在六个径集中，应尽量确保每个径集中的基本事件不同时发生，那么该顶上事件则不会发生。
由结构重要度顺序可知，安全防护工作的重点在于消除瓦斯环境中高温火源的存在和控制引起瓦斯浓度达到瓦斯爆炸的爆炸界限。
只有将这两项工作落到实处后，同时做好针对其他基本事件而进行的防范工作，并且严谨、细致、认真地对待每一个工作环节，才能避免瓦斯爆炸事故的发生。
为了有效的做好安全工作，防止一切有损于生命财产的事故发生，根据以上事故树的分析总结，分别针对瓦斯特性、安全管理制度、人员、环境、硬件设备等制定了以下安全保障措施，为煤矿安全生产提供一定的参考依据。
4预防措施
（1）掘进工作面应及时采取措施应对瓦斯超限。
如果掘进面的瓦斯体积分数超限了，必须采取有效的措施，及时对瓦斯超限处理，确保掘进工作面的安全。
（2）工作人员禁止携带引火物到掘进工作面，并加强井下火区的管理，严禁明火和照明用电器在掘进工作面必须拥有良好的防爆性能，加强对电气设备，电器的安全管理，防止电缆破损，电气设备检修工作时严禁带电作业，掘进工作面必须使用合格的煤矿许用炸药和雷管，在严格按照煤矿安全规程爆破，严格执行“一炮三检”的制度。
（3）矿井应选择合理的通风系统，科学的管理，消除井下循环风和井下串联风，矿井应保持足够的空气流通和风速，使掘进工作面瓦斯的体积分数达到安全规程要求[20]。
（4）加强掘进工作面的瓦斯浓度检测，对瓦斯体积分数变化的准确掌握，是预防瓦斯爆炸的重要手段。
掘进面要配备一定数量的瓦斯检查员和瓦斯自动监测设备，煤矿对安全规程的相关规定要严格执行。
（5）认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，采取有效措施，管理和控制掘进工作面瓦斯爆炸危险的隐患，加强干部职工的管理和培训，提高安全技术人员的素质，建立和完善各项规章制度，杜绝违章指挥违章作业，并增加安全检查力度。
5结论
综合以上对危险源的分析以及事故树的分析结果可知，为了防止煤矿掘进面瓦斯爆炸事故的发生，必须预防瓦斯的积聚，注意通风，防止瓦斯超限达到爆炸浓度，同时避免引火源与瓦斯的相遇。
由于事故树是由一系列基本事件通过逻辑关系连接起来，因此结构严谨，而且所得割集数量庞大，若出现基本事件错误必会导致较大误差，影响分析的进行，所以在分析基本事件时应认真谨慎，确保各个环节的准确。
根据瓦斯爆炸事故的特点,应用事故树分析法针对掘进面瓦斯爆炸事故发生的原因分析,从而可以更科学、更全面地提出预防瓦斯爆炸的措施,真正的做到对事故进行有效预防和控制,从而保证煤矿的安全生产。
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