基于FTA-AHP方法的煤礦瓦斯爆炸事故分析

，

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

基于FTA-AHP方法的煤礦瓦斯爆炸事故分析

柳茹林1,2，于巖斌1,2

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

通過(guò)對(duì)煤礦瓦斯事故類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為瓦斯爆炸是瓦斯災(zāi)害的主要事故類型。瓦斯爆炸事故不僅容易造成群死群傷，而且易引起次生災(zāi)害，造成更多的人員傷亡。為了防止煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生，依據(jù)8起較典型的重特大瓦斯爆炸事故，建立了瓦斯爆炸事故樹(shù)，首先運(yùn)用最小割集和最小徑集對(duì)瓦斯爆炸事故原因進(jìn)行定性分析，得出各基本原因事件的結(jié)構(gòu)重要度。在此基礎(chǔ)上，利用層次分析方法，以瓦斯爆炸事故作為目標(biāo)層，事故樹(shù)各基本原因事件為指標(biāo)層，進(jìn)一步確定各基本事件的重要度排序。最后依照FTA-AHP分析結(jié)果，結(jié)合我國(guó)煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)相關(guān)政策法規(guī)，從理論和實(shí)踐角度提出防治煤礦瓦斯爆炸事故的對(duì)策及建議，以期為有效預(yù)防和控制煤礦瓦斯爆炸事故提供參考。

瓦斯爆炸事故；事故樹(shù)；層次分析；最小割集；最小徑集；防治策略

Abstract: The statistical analysis of coal mine gas accident types shows that gas explosion is the main type of gas disasters. Gas explosion accidents are likely to cause not only mass injury and death but also secondary disasters which will result in more casualties. In order to prevent coal mine gas explosion accidents, a gas explosion fault tree was firstly established on the basis of 8 typical serious gas explosion accidents. Then, by using the minimal cut sets and minimal path sets, a qualitative analysis of gas explosion reasons was made to obtain the structure importance of each basic event. Based on this and with the gas explosion accidents as the target layer and the basic events in fault tree as the index layer, the importance order of each basic event was further determined by using the analytic hierarchy process. Finally, according to the results of FTA-AHP (fault tree analysis-analytic hierarchy process) analysis and the relevant policies and legal regulations in coal industry, countermeasures and suggestions for prevention and control of coal mine gas explosion accidents were put forward so as to provide some guidance for effective prevention and control of coal mine gas explosion accidents.

Keywords: gas explosion accident; FTA; AHP; minimum cut set; minimum path set; prevention strategy

煤炭是我國(guó)的“第一能源”，煤炭工業(yè)的快速蓬勃發(fā)展支撐了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)[1]。同時(shí)，煤炭行業(yè)的生產(chǎn)條件十分復(fù)雜，可能受到水、火、瓦斯、煤塵、頂板等多種自然災(zāi)害的威脅，從而使得災(zāi)害防控成為煤礦安全生產(chǎn)的重中之重[2]。2014—2016年全國(guó)共發(fā)生煤礦事故95起，事故致亡人數(shù)為649人，其中瓦斯事故42起，占比44.21%，死亡342人，占比52.70%?？梢?jiàn)瓦斯事故易造成群死群傷，危害程度較大，因此，加強(qiáng)對(duì)瓦斯災(zāi)害的防控是煤礦安全生產(chǎn)中需要解決的突出問(wèn)題。

事故樹(shù)分析法(FTA)是安全系統(tǒng)工程中常用的分析方法之一[3]。即從已發(fā)生的事故開(kāi)始，層層分析其發(fā)生的原因，直到找出頂上事故發(fā)生的直接原因事件。實(shí)踐證明，用FTA描述事故的因果關(guān)系直觀明了，可以較全面地找出導(dǎo)致事故的各種危險(xiǎn)、有害因素。但由于通過(guò)FTA研究各基本原因事件對(duì)頂上事件的影響程度，得到的各基本事件結(jié)構(gòu)重要度較為宏觀，會(huì)出現(xiàn)各基本事件結(jié)構(gòu)重要度相等的情況，難以確定這些基本原因事件對(duì)頂上事件產(chǎn)生的具體影響程度。因此，引入層次分析方法[4](AHP)來(lái)改進(jìn)事故樹(shù)的定量分析，直觀地分析瓦斯爆炸事故中基本事件的重要度排序，從而為預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生提供參考。

1 2014—2016年煤礦瓦斯事故類型分析

瓦斯事故分為瓦斯(中毒、窒息)、瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出3種類型[5]，對(duì)這3種類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖1所示。

圖1 2014—2016年不同瓦斯事故類型分布圖Fig. 1 Distribution of different types of gas accidents in 2014—2016

從圖中可以看出，瓦斯爆炸事故發(fā)生最多為22起，占總事故起數(shù)的52.38%，所造成的死亡人數(shù)最多為223人，占總死亡人數(shù)的65.20%；瓦斯突出事故發(fā)生了13起，占總事故起數(shù)的30.95%，所造成的死亡人數(shù)為83人，占總死亡人數(shù)的24.27%；瓦斯(中毒、窒息)事故發(fā)生7起，占總事故起數(shù)的16.67%，所造成的死亡人數(shù)為36人，占總死亡人數(shù)的10.53%。由此可見(jiàn)，瓦斯爆炸事故為主要的事故類型。這是因?yàn)橥咚贡ㄊ鹿示哂型话l(fā)性特征，難以預(yù)測(cè)，不僅容易造成即時(shí)的群死群傷，而且容易引起一系列次生災(zāi)害。因此，研究掌握瓦斯爆炸事故的原因及預(yù)兆，能夠?yàn)檠芯恐贫ㄓ行ьA(yù)防措施、降低煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生，進(jìn)而為保證煤礦安全生產(chǎn)持續(xù)向好的趨勢(shì)提供參考。

2 瓦斯爆炸事故樹(shù)分析

2.1 最小割集分析

最小割集是能引起頂上事件發(fā)生的最低限度的基本事件集合[6]。最小割集表示頂上事件發(fā)生的原因組合，可以研究系統(tǒng)發(fā)生事故的規(guī)律。

通過(guò)對(duì)“硯石臺(tái)煤礦6·3瓦斯爆炸”、“永吉煤礦10·9瓦斯爆炸”、“浦草壩煤礦3·31瓦斯爆炸”、“新久煤礦9·4瓦斯爆炸”、“東方煤礦8·19瓦斯爆炸”、“賀西煤礦11·17瓦斯爆炸”、“沙壩煤礦5·3瓦斯爆炸”、“瀘興煤礦6·18瓦斯爆炸”這8起重特大瓦斯爆炸事故原因的總結(jié)分析，總結(jié)出導(dǎo)致瓦斯爆炸事故產(chǎn)生的主要致因因素繪出瓦斯爆炸事故樹(shù)分析圖，如圖2所示，圖中序號(hào)所表示的基本事件名稱如表1所示。

圖2 瓦斯爆炸事故樹(shù)圖Fig.2 Fault tree of gas explosion accidents

用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)如圖2所示的事故樹(shù)為：

T=A1·A2·X21=(A3·A4·X22)·(A5+A6)·X21=(A7+A8)·(X9+X10+X11)·X22· (X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20)·X21

=(X1+X2+X3+X4+X5+A9)·(X9+X10+X11)·X22· (X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20)·X21

=(X1+X2+X3+X4+X5+X6·X7·X8)·(X9+X10+X11)·X22·(X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20)·X21。

(1)

表1 基本事件表Tab.1 Table of basic event

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出該瓦斯爆炸事故樹(shù)的最小割集為162個(gè)，結(jié)合事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)，可以看出導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的基本原因有162個(gè)?？梢?jiàn)引發(fā)煤礦瓦斯爆炸的因素有很多，這些因素相互組合都會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性必須引起足夠的重視。而由求出的最小割集可知，每個(gè)最小割集中都有X21，X22，由此可知，瓦斯只要達(dá)到爆炸濃度，且與火源相遇，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

2.2 最小徑集分析

最小徑集是保證頂上事件不發(fā)生所需的最低限度的基本事件的集合[7]，通過(guò)最小徑集可以得到避免頂上事件發(fā)生的可行方案，從而為控制事故提供依據(jù)。

圖3 瓦斯爆炸成功樹(shù)圖Fig.3 Success tree of gas explosion

用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)如圖3所示的瓦斯爆炸成功樹(shù)如下：

T=A1’+A2’+X21’ =(A3’+A4’+X22’)+(A5’+A6’)+X21’ =(A7’·A8’)+(X9’·X10’·X11’)+X22’+ (X12’·X13’·X14’·X15’·X16’·X17’·X18’·X19’·X20’)+X21’

=(X1’·X2’·X3’·X4’·X5’·A9’)+(X9’·X10’·X11’)+X22’)+ (X12’·X13’·X14’·X15’·X16’·X17’·X18’·X19’·X20’)+X21’

=X1’·X2’·X3’·X4’·X5’·(X6’+X7’+X8’)+(X9’·X10’X11’)+X22’+ (X12’·X13’·X14’·X15’·X16’·X17’·X18’·X19’·X20’)+X21’

(2)

經(jīng)計(jì)算可得出最小徑集有7個(gè)，分別為：P1=(X1,X2,X3,X4,X5,X6)；P2=(X1,X2,X3,X4,X5,X7)；P3=(X1,X2,X3,X4,X5,X8)；P4=(X9,X10,X11)；P5=(X12,X13,X14,X15,X16,X17,X18,X19,X20)；P6=(X21)；P7=(X22)。

這說(shuō)明杜絕瓦斯爆炸事故有7種可能途徑，只要使任一最小徑集中的各個(gè)基本事件不同時(shí)發(fā)生，就可以防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

1)P1、P2和P3中的基本事件不同時(shí)發(fā)生，則掘進(jìn)工作面和采煤工作面都不會(huì)產(chǎn)生積聚瓦斯，這樣瓦斯爆炸事故就不會(huì)發(fā)生。

2)P4中的基本事件不同時(shí)發(fā)生，就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理瓦斯積聚，則瓦斯爆炸事故也不會(huì)發(fā)生。

3)P5中的9個(gè)基本事件，都是導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的引爆火源，只要能保證這9個(gè)基本事件不同時(shí)發(fā)生，即可保證瓦斯不被引燃，瓦斯爆炸事故就不會(huì)發(fā)生。

4)P6中只有一個(gè)基本事件X21，即瓦斯與火源相遇，要想杜絕瓦斯爆炸事故，就要確保在可能積聚瓦斯的地點(diǎn)，杜絕一切火源。

5)P7中只有一個(gè)基本事件X22，即瓦斯達(dá)到爆炸濃度，要采取措施防止掘進(jìn)工作面和采掘工作面的瓦斯積聚，及時(shí)檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，確保瓦斯?jié)舛鹊陀诒O限。

2.3 結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要性分析是事故樹(shù)定性分析的一種，就是從事故樹(shù)結(jié)構(gòu)上分析各個(gè)基本事件的重要程度[8]。根據(jù)最小割集來(lái)判斷結(jié)構(gòu)重要度順序，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析的近似判斷方法。

根據(jù)最小割集判斷結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋?/p>

I[X21]=I[X22] >I[X9]=I[X10]=I[X11]>I[X1]=I[X2]=I[X3]=I[X4]=I[X5]>I[X12]=I[X13]=I[X14]=I[X15]=I[X16]=I[X17]=I[X18]=I[X19]=I[X20]>I[X6]=I[X7]=I[X8]

可以看出，X21(相遇)、X22(達(dá)到爆炸濃度)事件結(jié)構(gòu)重要度最大，則其重要性在系統(tǒng)中占居首位，其次是X9(沒(méi)有按時(shí)檢測(cè))、X10(警報(bào)斷電儀失靈)和X11(警報(bào)儀位置不當(dāng))。因此在制定預(yù)防瓦斯爆炸事故的措施時(shí)，要嚴(yán)格控制瓦斯?jié)舛?、防止瓦斯與引爆火源相遇，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)與監(jiān)控[9]，從而預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

3 瓦斯爆炸事故層次分析

3.1 建立AHP模型及構(gòu)造判斷矩陣

為了進(jìn)一步確定瓦斯爆炸事故致因因素權(quán)重，將瓦斯爆炸事故樹(shù)分析得到的各基本原因事件作為指標(biāo)層的各影響因素[10]，瓦斯?jié)舛雀摺⑼咚孤z和火源作為層次分析結(jié)構(gòu)體系的準(zhǔn)則層，瓦斯爆炸事故作為目標(biāo)層，構(gòu)建瓦斯爆炸事故層次結(jié)構(gòu)體系如圖4所示。

圖4 瓦斯爆炸事故層次分析結(jié)構(gòu)體系Fig. 4 Analytic hierarchy process of gas explosion accident

由專家對(duì)瓦斯爆炸事故層次分析結(jié)構(gòu)模型中瓦斯?jié)舛雀摺⑼咚孤z、火源三個(gè)準(zhǔn)則層中各因素的重要性進(jìn)行判斷，根據(jù)專家意見(jiàn)構(gòu)造判斷矩陣S1、S2、S3，判斷矩陣各因素的數(shù)值采用1～9標(biāo)度法[11]確定，標(biāo)度及其含義如表2所示。

表2 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Tab. 2 Scale and meaning of judgment matrix

3.2 權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)

根據(jù)判斷矩陣，計(jì)算判斷矩陣S的最大特征根，一致性指標(biāo)CI值及一致性比率CR值如表3所示。

表3 判斷矩陣S各項(xiàng)指標(biāo)Tab.3 Index of judgment matrix S

由表3可以看出，判斷矩陣S1，S2，S3的一致性比率CR值均小于0.10，因此可以認(rèn)為層次分析排序的結(jié)果有滿意的一致性。由最大特征根計(jì)算出瓦斯爆炸事故致因因素的權(quán)重如表5所示。

表4 判斷矩陣S各項(xiàng)指標(biāo)Tab. 4 Index of judgment matrix S

表5 瓦斯爆炸事故基本原因事件權(quán)重Tab. 5 Weight of the basic cause of gas explosion

從表5可以看出，風(fēng)扇未運(yùn)行>局部通風(fēng)機(jī)停電>通風(fēng)系統(tǒng)短路>局扇安裝位置不對(duì)>采空區(qū)瓦斯?jié)舛却?采空區(qū)瓦斯涌出>風(fēng)量不足>風(fēng)速較低；沒(méi)有按時(shí)檢測(cè)>警報(bào)儀位置不當(dāng)>警報(bào)斷電儀失靈；違章放炮>帶電作業(yè)>電氣短路>撞擊摩擦火花>產(chǎn)生電弧>電纜線失爆>吸煙>煤電鉆失爆。

3.3 結(jié)果分析

從AHP分析結(jié)果來(lái)看，通風(fēng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題是導(dǎo)致瓦斯?jié)舛雀叩闹饕颉Ｔ趯?shí)際的煤礦開(kāi)采過(guò)程中，通風(fēng)設(shè)備經(jīng)常因?yàn)閻毫拥沫h(huán)境條件而發(fā)生故障，如果加大安全投入，建立嚴(yán)格的通風(fēng)設(shè)備使用管理制度，確保設(shè)備的可靠性，保證局部通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，則瓦斯爆炸事故會(huì)得到有效遏制。

沒(méi)有按時(shí)檢測(cè)是導(dǎo)致瓦斯漏檢的主要原因。這是由于瓦斯檢查員配備不足或瓦斯檢查員失職，經(jīng)常出現(xiàn)空班，沒(méi)有按規(guī)定檢查瓦斯。因此，要認(rèn)真落實(shí)瓦斯檢查制度，做好瓦斯檢查工作，從組織制度上減少瓦斯漏檢現(xiàn)象的發(fā)生。

放炮火源為最常見(jiàn)的火源，其次為電火花。由于礦井供電系統(tǒng)管理不嚴(yán)，造成機(jī)電設(shè)備不符合規(guī)定，電氣設(shè)備管理混亂以及工人未按規(guī)定放炮。因此，要堅(jiān)持“一炮三檢”和“三人連鎖”制度，井下作業(yè)時(shí)要對(duì)火藥和雷管進(jìn)行嚴(yán)格管理，加強(qiáng)礦井用電安全管理。

4 煤礦瓦斯爆炸事故防治策略

1) 防止瓦斯積聚

在易于積聚瓦斯的采煤、掘進(jìn)工作面等地點(diǎn)，完善礦井通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)局部通風(fēng)管理[13]，做到風(fēng)流強(qiáng)度穩(wěn)定、系統(tǒng)控制合理可靠。同時(shí)加強(qiáng)采掘工作面的現(xiàn)場(chǎng)安全管理和技術(shù)調(diào)控，杜絕無(wú)風(fēng)、威風(fēng)、魂環(huán)風(fēng)和串聯(lián)風(fēng)作業(yè)。加大煤礦的安全投入，提高煤礦機(jī)械化水平，提高礦井抵抗瓦斯災(zāi)害能力，防止瓦斯積聚。

2) 加強(qiáng)瓦斯檢查力度

切實(shí)加強(qiáng)瓦斯管理工作，配備足夠數(shù)量的瓦斯檢查員，發(fā)現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，立即撤出人員。定期檢驗(yàn)并維修警報(bào)斷電儀，確保設(shè)備儀器的正常工作和合理布置，積極引進(jìn)先進(jìn)的瓦斯預(yù)測(cè)預(yù)警儀器，加強(qiáng)瓦斯的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控。

3) 控制火源的產(chǎn)生

嚴(yán)禁能引爆瓦斯的火源產(chǎn)生，堅(jiān)持“一炮三檢”，加強(qiáng)火區(qū)的檢查與管理[14]。加強(qiáng)對(duì)電氣設(shè)備以及電路的監(jiān)控和檢查，定期對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢修，嚴(yán)禁使用失爆的機(jī)電設(shè)備[15]，保證礦井用電安全。 禁止井下吸煙，使用明火，防止摩擦撞擊火花等一切火源的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)2014—2016年煤礦瓦斯事故類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸事故是瓦斯災(zāi)害的主要事故類型，瓦斯爆炸事故發(fā)生最多為22起，占總事故起數(shù)的52.38%，所造成的死亡人數(shù)最多為223人，占總死亡人數(shù)的65.20%。

2) 對(duì)瓦斯爆炸運(yùn)用事故樹(shù)分析，探討事故發(fā)生的深層原因，從最小割集中看出導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的基本原因有162個(gè)，從最小徑集中看出預(yù)防瓦斯爆炸的發(fā)生有7種途徑，并通過(guò)最小徑集找出了預(yù)防瓦斯爆炸事故的辦法。

3) 通過(guò)層次分析方法對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行定量分析，研究各基本原因事件對(duì)瓦斯爆炸事故的影響程度，可以清楚地認(rèn)識(shí)到預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生必須加強(qiáng)對(duì)通風(fēng)設(shè)施的管理，及時(shí)檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋沤^一切火源，尤其控制放炮火源及電火花的產(chǎn)生。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

AnalysisofCoalMineGasExplosionAccidentsBasedonFTA-AHPMethod

LIU Rulin1,2, YU Yanbin1,2

(1. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

TD714.3

A

1672-3767(2017)06-0081-09

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.012

2017-01-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1261205,51574158)

柳茹林(1993—)，女，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，主要從事礦井災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治方面的研究工作. E-mail:ct8836119@163.com 于巖斌(1986—)，男，山東乳山人，講師，博士，主要從事礦井災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治等方面的科研工作.本文通信作者. E-mail：he_yyb@163.com