充填管道堵塞的事故樹分析

張欽禮 吳立宏,2 卞繼偉(.中南大學資源與安全工程學院,湖南 長沙 40083；2.銅陵化工集團新橋礦業(yè)有限公司,安徽 銅陵 24432)

充填管道堵塞的事故樹分析

張欽禮1吳立宏1,2卞繼偉1(1.中南大學資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083；2.銅陵化工集團新橋礦業(yè)有限公司,安徽 銅陵 244132)

充填管道的穩(wěn)定性是充填系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵，而充填管道堵塞是料漿輸送過程中發(fā)生最為頻繁的事故。為合理分析充填管道堵塞的直接原因和間接原因，在綜合分析充填管道堵塞事故的基礎(chǔ)上，運用安全系統(tǒng)工程中的事故樹分析法，建立了充填管道堵塞事故樹模型。通過分析和計算事故樹的最小割集、最小徑集和基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，找出了導致充填管道堵塞的主要因素。結(jié)果表明：導致充填管道堵塞的路徑共有落入異物、格篩破損、管道內(nèi)徑不當?shù)?2條，預防充填管道堵塞的途徑共有合理控制料漿配比、規(guī)范相關(guān)設(shè)計、消除管理缺陷等4種；水泥用量不合理、料漿配比不合理、彎管較多等16個因素是導致充填管道堵塞的最重要因素。事故樹分析法能對導致充填管道堵塞的各種因素及邏輯關(guān)系做出全面的闡述，并根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度提出針對性的防治措施，為充填管道的安全管理提供了可靠的參考依據(jù)。

事故樹分析 充填管道堵塞 最小割集 最小徑集 結(jié)構(gòu)重要度

隨著地表淺部可開采資源的不斷減少，合理開發(fā)利用深部資源已成為趨勢，而巖爆、巖石冒落、高溫成為制約深部資源開采利用的重要因素，嚴重影響深井作業(yè)的安全和效率[1]。充填采礦法是深部資源開采的主要采礦方法，可以有效地控制巖爆、預防巖石冒落、降低巖溫，可以保證深部資源開采的安全和效率[3]。在充填采礦法實施過程中，充填系統(tǒng)的可靠性直接影響礦山的連續(xù)、安全生產(chǎn)。而在整個充填系統(tǒng)中，管道輸送系統(tǒng)是薄弱環(huán)節(jié)之一，利用管道進行料漿輸送過程中可能出現(xiàn)爆裂、磨損和堵塞等一系列安全問題[4]。而礦山生產(chǎn)實踐表明，充填管道堵塞是料漿輸送過程中發(fā)生最為頻繁的事故，極易對礦山的正常生產(chǎn)作業(yè)造成嚴重影響，同時可能會造成巨大的損失。因此，合理分析充填管道堵塞的原因，可以針對性采取應(yīng)對措施，避免出現(xiàn)嚴重的充填管道堵塞事故，以保證礦山的正常生產(chǎn)[5]。

王新民等[6]運用層次分析法和未確知測度理論構(gòu)建風險預測模型指標體系，對充填管道堵塞風險進行綜合評判。充填管道堵塞通常是由多種因素綜合造成的，在多種因素共同作用時，往往以其中一二種原因為主，其他原因只是對這一二種原因起加速作用的[7]。本研究運用事故樹分析法進行了系統(tǒng)分析，找出充填管道堵塞的關(guān)鍵因素以及各個因素之間的相互關(guān)系，為充填作業(yè)的安全進行提供理論與技術(shù)指導。

1 事故樹分析法

1.1 事故樹分析法簡介

事故樹分析(FTA)是對既定的生產(chǎn)系統(tǒng)或作業(yè)中可能出現(xiàn)的事故條件及可能導致的災害后果，按工藝流程、先后次序和因果關(guān)系繪成程序方框圖，表示導致災害、傷害事故(不希望發(fā)生)的各種因素之間的邏輯關(guān)系[8]。事件樹分析是一種演繹的邏輯分析法，描述事故發(fā)生和發(fā)展的動態(tài)過程，找出事故的直接原因和間接原因及原因的組合[9]。采用事故樹分析法進行分析的過程，是一個對系統(tǒng)更深入認識的過程，了解系統(tǒng)內(nèi)各要素間的內(nèi)在聯(lián)系，弄清各種潛在因素對事故發(fā)生影響的途徑和程度，尋求防止結(jié)果發(fā)生的措施[10]。

1.2 事故樹分析的步驟

事故樹分析雖然根據(jù)對象系統(tǒng)的性質(zhì)、分析目的的不同，分析的程序也不同，但是一般可按以下基本程序進行[11]。

(1)熟悉系統(tǒng)。要詳細了解系統(tǒng)狀態(tài)及各種參數(shù)，必要時繪制工藝流程圖或布置圖。

(2)調(diào)查事故。收集事故案例，進行事故統(tǒng)計，設(shè)想給定系統(tǒng)可能發(fā)生的事故[12]。

(3)確定頂上事件。要分析的對象事件即為頂上事件。對所調(diào)查的事故進行全面的分析，從中找出后果嚴重且較易發(fā)生的事故作為頂上事件。

(4)調(diào)查原因事件。從人、機、環(huán)境和信息等方面找出與事故樹頂上事件有關(guān)的所有事故原因，確定事故原因并進行影響分析。

(5)繪制事故樹。從頂上事件開始，按照演繹法，逐級找出直接原因事件，直到所要分析的深度，按其邏輯關(guān)系，畫出事故樹。

(6)分析事故樹。定性分析依據(jù)事故樹結(jié)構(gòu)進行簡化，求出事故樹的最小割集和最小徑集以及基本事件的結(jié)構(gòu)重要度[13]。根據(jù)定性分析的結(jié)果，確定預防事故的安全保障措施。定量分析主要根據(jù)引起事故發(fā)生的各基本事件的發(fā)生概率，計算事故樹頂上事件發(fā)生的概率，計算各基本事件的概率重要系數(shù)和臨界重要系數(shù)。根據(jù)定量分析的結(jié)果以及事故發(fā)生以后可能造成的危害，對系統(tǒng)進行風險分析。

1.3 結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度是指從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的重要度(不考慮各基本事件的發(fā)生概率)或假定各基本事件發(fā)生概率相等的情況下，分析各基本事件的發(fā)生對頂上事件發(fā)生的影響程度。在缺乏定量分析數(shù)據(jù)的前提下，結(jié)構(gòu)重要度定性分析就顯得很重要[14]。結(jié)構(gòu)重要度的求解常采用2種方法：1種是利用最小割集或最小徑集分析判斷方法進行結(jié)構(gòu)重要度判斷，另1種是運用計算公式準確求出各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。

結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中，k為最小割集總數(shù)；kj為第j個最小割集；nj為第i個基本事件所在Kj的基本事件總數(shù)。

一般來說，若最小割集中的基本事件個數(shù)相同，3個公式都可以保證排序的正確性；若最小割集間的階數(shù)差別較大，式(2)、式(3)可以保證排序的正確；若最小割集間的階數(shù)差別僅為1或2，使用式(1)、式(2)就可能產(chǎn)生較大的誤差。

2 充填管道堵塞事故樹分析

2.1 充填管道堵塞事故樹的確立

充填管道堵塞是發(fā)生在固體物料長距離水力自流輸送中的一種常見的非正常輸送現(xiàn)象，通常會造成管道內(nèi)的流速和壓力隨時間劇烈變化，引起系統(tǒng)癱瘓和破壞。在長距離和復雜管道輸送中應(yīng)盡量避免堵管的發(fā)生，控制其危害程度。料漿性質(zhì)是料漿輸送的基礎(chǔ)，充填管道是料漿輸送的主要載體，料漿位能是料漿輸送的動力，充填管道堵塞主要與料漿性質(zhì)、充填管道、料漿位能3個方面有關(guān)。

基于以上分析，以充填管道堵塞作為頂上事件，建立了充填管道堵塞事故樹的基本模型，逐級找出造成充填管道堵塞的直接原因事件，直到找到最基本的原因事件為止。根據(jù)這一思路，建立事故樹圖(見圖1)。圖1中各事故樹的事件含義如表1所示。

2.2 事故樹的定性分析

2.2.1 事故樹結(jié)構(gòu)函數(shù)

根據(jù)充填管道堵塞事故樹中各事件之間的邏輯關(guān)系，可以得到事故樹的布爾代數(shù)式：

圖1 充填管道堵塞事故樹

表1 事故樹的事件含義Table 1 The events meaning in fault tree

T=A1+A2+A3=(A4+X4+X5+X6)+(A5+A6+A7)+(A8+A9+X24)=(X1+X2+X3+X4+X5+X6)+(A10·X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19)+(X20·X21+X22+X23+X24)=(X1+X2+X3+X4+X5+X6)+[(X7+X8+X9+X10+X11)·X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19]+(X20·X21+X22+X23+X24)=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7·X12+X8·X12+X9·X12+X10·X12+X11·X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20·X21+X22+X23+X24.

2.2.2 最小割集和最小徑集

根據(jù)布爾代數(shù)法則化簡，可以得到事故樹的最小割集數(shù)為22個。將充填管道堵塞事故樹中的“或門”和“與門”對換，則事故樹變?yōu)槌晒?，成功樹的最小割集即為充填管道堵塞事故樹的最小徑集。最小割集和最小徑集見?。

表2 最小割集和最小徑集Table 2 Minimal cut set and minimal path set

2.2.3 結(jié)構(gòu)重要度分析

由于最小割集間的基本事件數(shù)僅相差1，可根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的計算式(3)，求得各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)=Iφ(17)=Iφ(18)=Iφ(19)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)=1，

Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(20)=Iφ(21)=1/2，

Iφ(12)=31/32.

各個基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序：

Iφ(1)=Iφ(2)=Iφ(3)=Iφ(4)=Iφ(5)=Iφ(6)=Iφ(13)=Iφ(14)=Iφ(15)=Iφ(16)=Iφ(17)=Iφ(18)=Iφ(19)=Iφ(22)=Iφ(23)=Iφ(24)>Iφ(12)>Iφ(7)=Iφ(8)=Iφ(9)=Iφ(10)=Iφ(11)=Iφ(20)=Iφ(21).

2.3 結(jié)果分析

(1)從充填管道堵塞事故樹結(jié)構(gòu)可以看出，“或門”比較多，說明在料漿不合格、管道問題和料漿位能不足的情況下，充填管道堵塞很容易發(fā)生。

(2)最小割集是能夠引起頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件的組合，是系統(tǒng)發(fā)生故障的充分必要條件。最小割集表示系統(tǒng)的危險性：事故樹的最小割集數(shù)越多，說明頂上事件發(fā)生的可能性越大；最小割集中基本事件數(shù)越少，事故發(fā)生就越容易。求出最小割集也就掌握了事故發(fā)生的所有可能途徑，全面掌握事故發(fā)生規(guī)律，找出系統(tǒng)內(nèi)各事件間的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。從以上分析計算中可以得出，該事故樹的最小割集有22個，也就是導致充填管道堵塞的最小路徑有22條，且最小割集中基本事件數(shù)只有1或2個，說明充填管道堵塞事故發(fā)生的可能性很大。

(3)最小徑集是能夠使得頂上事件不發(fā)生的最低數(shù)量的基本事件的組合，它是保證頂事件不發(fā)生的充分必要條件。最小割集表示系統(tǒng)的安全性：事故樹的最小徑集數(shù)越多，系統(tǒng)越安全。從以上分析計算中可以得出，充填管道堵塞事故樹的最小徑集有4個，也就是使充填管道堵塞事故不發(fā)生的最小路徑有4條。也就是說，只要上述4個最小徑集任何1組不發(fā)生，充填管道堵塞事故就不會發(fā)生。

(4)結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)反映了該基本事件在事故樹結(jié)構(gòu)中所占的地位。由以上分析計算可知，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X22、X23、X24的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最大，X12的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)次之。

3 結(jié) 論

通過對充填管道堵塞的各種原因和發(fā)生機理進行調(diào)查分析，采用安全系統(tǒng)工程中事故樹分析法，建立了充填管道堵塞事故樹模型，并對其進行了詳細的定性定量分析。

(1)從充填管道堵塞事故樹結(jié)構(gòu)上看，“或門”比較多，說明在料漿不合格、管道問題和料漿位能不足的情況下，充填管道堵塞很容易發(fā)生。

(2)從事故樹的最小割集和最小徑集看，事故樹共有22個最小割集和4個最小徑集，也說明充填管道堵塞事故容易發(fā)生，同時預防的途徑較少，即充填管道共有22條失穩(wěn)路徑和4種最優(yōu)防治措施組合。

(3)從結(jié)構(gòu)重要度分析可知，水泥用量不合理、料漿配比不合理、彎管較多等16個因素是影響充填管道堵塞的最重要因素。根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度大小順序，可以確定充填管道堵塞防治的優(yōu)先順序，從而使得防治對策具有較強的理論依據(jù)，且更具有針對性。

[1] 張欽禮，曹瑞鋒，王 石，等．基于熵權(quán)和模糊數(shù)學的充填管道堵塞風險評價[J]．科技導報，2013，31(28/29)：30-34． Zhang Qinli，Cao Ruifeng，Wang Shi,et al.Risk assessment on blocking of filling pipeline based on the entropy and fuzzy mathematics[J].Science and Technology Review,2013,31(28/29):30-34.

[2] 王新民，古德生，張欽禮．深井礦山充填理論與管道輸送技術(shù)[M]．長沙：中南大學出版社，2010． Wang Xinmin，Gu Desheng，Zhang Qinli.Theory of Backfilling Activity and Pipeline Transportation Technology of Backfill in Deep Mines[M].Changsha：Central South University Press,2010.

[3] 王新民，王 石，鄢德波，等．基于未確知測度理論的充填管道堵塞風險性評價[J]．中國安全科學學報，2012，22(4)：151-156． Wang Xinmin，Wang Shi，Yan Debo,et al.Risk assessment on blocking of filling pipeline based on Uncertainty Measurement Theory[J].China Safety Science Journal,2012,22(4):151-156.

[4] 張欽禮，曹瑞鋒，王 石．基于熵權(quán)和綜合指數(shù)模型的充填管道堵塞風險性評價[J]．廣西大學學報：自然科學版，2013，84(4)：1021-1025． Zhang Qinli，Cao Ruifeng，Wang Shi.Risk assessment on blocking of filling pipeline based on comprehensive index and entropy[J].Journal of Guangxi University：Natural Science，2013,84(4):1021-1025.

[5] 趙利安，許振良．礦漿管道堵管事故原因分析及防治措施[J]．遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版，2009，28(S)：10-12． Zhao Li′an，Xu Zhenliang.Cause analysis and precaution measure of slurry pipeline plugging accident[J].Liaoning Technical University:Natural Science,2009,28(S):10-12.

[6] 王新民，高瑞文，胡 威．充填管道堵塞風險預測模型[J]．中南大學學報:自然科學版，2013，44(11)：4604-4610． Wang Xinmin，Gao Ruiwen，Hu Wei.Risk prediction model of filling pipeline blockage[J].Journal of Central South University:Science and Technology,2013,44(11):4604-4610.

[7] 張 蓓．矸石充填綜采大垂深投料及堵管監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]．采礦與安全工程學報，2009，26(3)：386-390． Zhang Bei.Design of the deep batching system and blockage supervisory system for waste backfilling with fully-mechanized coal mining technology[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2009,26(3):386-390.

[8] 王新民，丁德強．事故樹方法在地下采空區(qū)災害分析中的應(yīng)用[J]．金屬礦山，2006(10)：65-68． Wang Xinmin，Ding Deqiang.Application of fault tree analysis in underground mined-out area disaster[J].Metal Mine,2006(10):65-68．

[9] 徐志勝，姜學鵬．安全系統(tǒng)工程[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2012． Xu Zhisheng,Jiang Xuepeng.System Safety[M].Beijing:China Machine Press,2012.

[10] 張景林，崔國璋．安全系統(tǒng)工程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2002． Zhang Jinglin，Cui Guozhang.System Safety[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House，2002.

[11] 何俊材，朱恒忠．基于事故樹理論的露天礦山邊坡失穩(wěn)分析[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2014(1)：85-88． He Juncai，Zhu Hengzhong.Instability analysis of open pit mine slope based on fault tree theory[J].Modern Mining,2014(1):85-88.

[12] 閆乃存．快遞企業(yè)全面提高服務(wù)質(zhì)量研究[D]．青島：山東科技大學，2012． Yan Naicun.Research on Express Enterprise Comprehensively Improve the Service Quality[D].Qingdao:Shandong University of Science and Technology,2012.

[13] 樓 芬．露天礦邊坡安全的模糊隨機可靠度分析[D]．長沙：中南大學，2008． Lou Fen.Fuzzy-random Reliability Analysis of Slope Safety of Open-pit Mine[D].Changsha：Central South University,2008.

[14] 張小平，王 杰，胡明亮．事故樹分析在排樁基坑工程安全評價中的應(yīng)用研究[J]．巖土工程學報，2011，33(6)：960-965． Zhang Xiaoping，Wang Jie，Hu Mingliang.Application of FTA in safety assessment of row piles of excavation engineering[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(6)：960-965．

(責任編輯 徐志宏)

Fault Tree Analysis of Filling Pipeline Blockage

Zhang Qinli1Wu Lihong1,2Bian Jiwei1
(1.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.TCIGCLXinqiaoMiningCo.，Ltd.,Tongling244132,China)

The stability of filling pipeline is the key to keep safe operation for the filling system，while filling pipeline blockage is the most frequent accident in slurry delivery process.In order to rationally analyze the direct and indirect causes for the filling pipeline blockage，and based on comprehensive analysis of accidents about the filling pipeline blockage，the fault tree model about filling pipeline blockage is established by using fault tree analysis of safety system engineering.By calculating minimal cut set，minimal path set and analyzing structure importance of basic event，the main factors influencing filling pipeline blockage are found out.The results show that there are 22 ways leading to the filling pipeline blockage，for example，objects fallen into，grizzly damage and improper pipe diameter，and 4 ways of preventing the filling pipeline blockage，including reasonable control of slurry ratio，elimination of management deficiencies，specifications of relevant design; Unreasonable amount of cement，unreasonable slurry ratio，more elbow and other 16 factors are the most important factors leading to the filling pipeline blockage.Fault tree analysis can make a comprehensive description about various factors which lead to filling pipeline blockage and the logical relationships among them.According to the structure importance，some corresponding prevention measures are put forward.It provides a reliable reference for safety management of filling pipeline.

Fault tree analysis，F(xiàn)illing pipeline blockage，Minimal cut set，Minimal path set，Structure importance

2014-10-23

“十一五”國家科技支撐計劃項目(編號：2008BAB32B03)。

張欽禮(1964—)，男，教授，博士研究生導師。

TD853.34

A

1001-1250(2015)-01-145-04