煤礦瓦斯爆炸事故重大危險源的辨識與評價模型建立

丁麗娟　劉歡歡

摘要：文章從危險源的概念出發(fā)，介紹了瓦斯爆炸事故中三類危險源的定義與成因，分析爆炸事故的形成條件，并對煤礦進行了危險源辨識，然后結合實際生產(chǎn)過程，建立了模型評判方法，用其對煤礦瓦斯爆炸危險進行評判及相應的定量化分析。通過科學有效的事前風險評價，對有效預防瓦斯爆炸和促進安全生產(chǎn)有著重要的意義。

關鍵詞：煤礦；瓦斯爆炸事故；重大危險源辨識；評價模型；定量化分析；風險評價 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD712 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

1 概述

煤炭資源是我國第一大能源，其使用量占我國目前一次能源消費量70%左右，據(jù)統(tǒng)計，2013年我國的煤炭年產(chǎn)量已經(jīng)達到了37億。但是隨著煤炭產(chǎn)量的逐漸提高，相關事故的發(fā)生率也在逐年增加，如煤礦透水、冒頂、火災以及瓦斯爆炸等。其中，瓦斯爆炸是最為嚴重的災難事故，它造成的人員傷亡數(shù)最多，經(jīng)濟損失最大，社會影響最惡劣。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2013年，我國發(fā)生的瓦斯爆炸事故多達189起，死亡總人數(shù)接近1500人。因此，采用有效的措施來評價煤礦瓦斯爆炸風險，對于遏止瓦斯爆炸事故和安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

2 瓦斯爆炸危險源及風險評價指標

2.1 煤礦瓦斯爆炸危險源理論

對瓦斯爆炸危險源的研究最早始于20世紀70年代的英國，由專門的技術咨詢委員會負責執(zhí)行。對于瓦斯爆炸危險源的辨識是保證煤礦安全工作的前提與關鍵，也是整個系統(tǒng)風險評價的第一步，其優(yōu)點是可應用于復雜系統(tǒng)的辨識且快速高效。辨別危險源要確定哪些是潛在發(fā)生事故的危險因素，通常采用經(jīng)驗分析預測法和理論分析法兩種方法來進行辨別。所謂的經(jīng)驗分析法就是根據(jù)已經(jīng)發(fā)生過的事故案例，通過查找其觸發(fā)因素找出基于現(xiàn)實條件下的危險源；理論分析法就是采用數(shù)學模型的方法，預測系統(tǒng)內(nèi)尚未發(fā)生的事故，反推其發(fā)生原因，找出其觸發(fā)因素及潛在的危險源。在本文中，主要采用理論分析法來辨別危險源。

2.2 煤礦瓦斯爆炸危險源辨識方法

根據(jù)危險源在事故中起到的作用，我國研究者提出了三類危險源理論，即瓦斯爆炸事故具有第一類、第二類和第三類危險源。第一類危險源：根據(jù)傳統(tǒng)的能量釋放理論，我們認為爆炸事故是危險物質(zhì)或能量意外釋放的一種形式，它可能造成過量的能量作用于人體或者是釋放出干擾人體和外界自然能量交換的物質(zhì)，這些就是造成人身傷害的直接原因。第二類危險源：為了防止能量的意外釋放而導致的限制能量措施的破壞失衡的各種因素稱之為第二類危險源。第三類危險源是一種主觀的危險源，是由于組織者的安全管理決策上的失誤以及一些不安全的行為從而造成了系統(tǒng)的失衡而導致的，這類危險源是一種隱藏的危險源，不易辨識。這三種危險源是息息相關的，第一類危險源在事故中會釋放出大量的能量，是導致人員傷亡以及財產(chǎn)損失的主體因素，直接決定著事故的嚴重程度；第二類危險源的出現(xiàn)是第一類危險源事故的產(chǎn)生的必要條件，其難易程度決定了事故發(fā)生的可能性的大??；第三類危險源的出現(xiàn)又增加了人們辨別前兩類危險源的難度。

瓦斯爆炸的危險源存在著以下特點：動態(tài)性。在煤礦開采過程中，隨著生產(chǎn)過程的進行，對象和環(huán)境不斷的更新，連續(xù)送入工作空間的新風對瓦斯的稀釋是非均勻性的，具有動態(tài)特征；非線性。整個瓦斯爆炸危險源系統(tǒng)是一個非常復雜的非線性體系，火源和瓦斯的濃度聚集具有相當大的偶然性，瓦斯聚集的形成變化是非線性的，濃度變化具有隨機性，瓦斯和空氣的混合有可能是由于瓦斯的長時間積聚，也有可能是瓦斯無規(guī)律的大量噴涌而造成；評價單元的復雜性。主要難點在于復雜系統(tǒng)的評價單元的劃分，單元內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔粌H和開采技術、煤礦性質(zhì)、工作空間狀態(tài)等有關，還和井下通風系統(tǒng)有關。

綜合上述觀點和瓦斯爆炸危險源的特點，容易看出這種三類危險源的分類方法可以全面反映危險存在的原因和根源，為從多角度多方面來辨識、評價、管理控制危險源提供了強有力的工具。

2.3 煤礦瓦斯爆炸危險源概述

瓦斯是一種煤層氣，其主要成分為甲烷，主要吸附在于圍巖或者煤體中。當甲烷和空氣以一定比例混合時，如果附近有火種，則兩者之間會發(fā)生猛烈的氧還原反應并伴隨強烈的力學沖擊，存在著爆炸的危險。因此，瓦斯?jié)舛冗_到一定限度，存在高溫、火源以及氧氣充足是瓦斯爆炸的三個必須條件。

當瓦斯的濃度累計到一定范圍時，遇到火源才會發(fā)生爆炸，這個臨界濃度稱之為瓦斯的爆炸界限，據(jù)研究，這個爆炸界限為5%～16%。如果瓦斯?jié)舛鹊陀?%，遇到火源時不會爆炸，只會產(chǎn)生一層明顯的燃燒層；瓦斯?jié)舛葹?%時，爆炸性最強；瓦斯?jié)舛雀哂?6%時，則失去爆炸性，但是遇到明火會發(fā)生燃燒。這一爆炸界限并不是恒定的，它還受壓力，溫度，以及氣體組分的影響。瓦斯的著火溫度為650℃～750℃，受瓦斯的相對濃度、火源性質(zhì)以及氣壓的影響。另外環(huán)境中的氧氣濃度達到12%時，瓦斯與空氣混合氣體才會發(fā)生爆炸。因此，在開啟封閉區(qū)域的時需要格外慎重，必須在火種完全熄滅后才能打開，防止新鮮空氣的進入導致瓦斯爆炸。因此，通過分析我們得出，瓦斯爆炸事故危險源模型與下述的五種因素緊密相關：（1）固有的瓦斯危險源，瓦斯涌入量（第一類危險源）；（2）引燃瓦斯的火源（誘發(fā)危險源，第二類危險源）；（3）環(huán)境中的氧氣濃度達到12%（誘發(fā)危險源，第二類危險源）；（4）瓦斯?jié)舛忍幱诒ǖ臉O限范圍內(nèi)（誘發(fā)危險源，第二類危險源）；（5）人為的管理缺陷，制度缺失（第三類危險源）。

一般來說，絕大多數(shù)瓦斯爆炸事故只有在這五種因素同時存在并且相互作用時才有可能發(fā)生。采用這種因素分析方法模型，能夠準確地描述事故的過程，迅速地確定事故的發(fā)生原因。

3 瓦斯爆炸危險源風險評價體系的建立

建立瓦斯爆炸危險源風險評價體系有以下原則：（1）理論性原則。根據(jù)危險源理論分析得到的指標，必須和實際工況相聯(lián)，真實地反映爆炸事故的特征；（2）明確性原則。指標的概念必須要明確，明確指標的范圍；（3）層次性原則。各指標之間需要有明確的從屬關系和相互作用關系，具有明晰的層級結構，更好地反映系統(tǒng)風險評價功能；（4）適用性原則。建立評價體系時要結合不同地區(qū)的實際情況和特征進行評價。

根據(jù)事故發(fā)生理論可知，人、機器和環(huán)境這三個必需的要素只有在同一時空中兩兩相交的時候才有可能發(fā)生事故，圖1所示為瓦斯爆炸人-機-環(huán)境系統(tǒng)，有三種危險因素，圖中兩個圓交叉的部分為事故較易發(fā)生區(qū)，三個圓的交叉部分為事故高發(fā)頻率區(qū)。

圖1 瓦斯爆炸的人、機、環(huán)境系統(tǒng)示意圖

為了研究煤礦瓦斯事故爆炸的危險性，尋找整個運行系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)從而進一步提高系統(tǒng)安全性，我們在遵守危險源風險評價體系建立原則的基礎上，充分考慮瓦斯爆炸“人-機-環(huán)境”這一特點，初步建立了重大危險源風險評價模型并將其應用于實踐。

重大危險源風險評價模型方程。本文根據(jù)煤礦瓦斯的爆炸特點和對以往事故的分析，參考其他行業(yè)的評估方法，提出了一個簡化的風險評價模型。

H=K*D/6000 （1）

式1中H為系統(tǒng)危險源總的風險度，0

其中：

K=（P1+P2+P3）/3 （2）

P1，P2，P3分別為人，機器和環(huán)境的不安全系數(shù)。

D=L*E*C （3）

L為事故發(fā)生的可能概率，E為作業(yè)場所的人口密度，C為預估的事故嚴重度

上述公式中的所有參數(shù)都可以在相應的國標中查出。該方法簡便易行，分析簡單，具有較強的實際操作意義。

4 相關案例分析

某礦區(qū)發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，作業(yè)人員64人，死亡52人，受傷12人中重傷2人，直接經(jīng)濟損失200萬?？睖y得瓦斯涌出量為1.9cm3/min，濃度達到10%以上?？睖y得事故原因為相關人員違章操作拉出電線，電火花引起了瓦斯爆炸。

根據(jù)我國相關國標的規(guī)定，可以得到可能發(fā)生事故的概率L=10，作業(yè)場所人口密度E=6，事故嚴重度C=100，計算得到D=6000，查找相關規(guī)定，屬于極其危險的級別，企業(yè)應該停產(chǎn)整頓。

由經(jīng)驗可以判斷，在本事故中，人、機、環(huán)境的不安全情況均比較嚴重，P1、P2、P3均取0.6，則K=0.6。

根據(jù)公式1，H=0.6，屬于風險較大的級別，該事故是極其容易發(fā)生的。

5 結語

本論文以安全工程學、危險源學說以及相應的事故致因理論為基礎，結合實際情況下煤礦瓦斯爆炸的特點，對如何辨識煤礦瓦斯爆炸危險源進行了探討，提出了評價瓦斯爆炸風險的半定量模型和計算方法，通過實際案例分析證實了其可能性，對于瓦斯爆炸的事前預防具有積極的意義。但是瓦斯爆炸是一種非常復雜的現(xiàn)象，因此該評價模型仍需進一步的完善，從而更好地預測事故可能性，進一步降低瓦斯爆炸造成的經(jīng)濟損失。

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作者簡介：丁麗娟（1983-），女，河南南陽人，河南省煤炭科學研究院有限公司助理工程師，研究方向：煤礦設備檢（監(jiān)）測。

（責任編輯：王 波）