煤礦采空區(qū)頂板災(zāi)害事故樹分析研究

馬文婷

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730030）

地下礦山開采屬于高風(fēng)險行業(yè)，安全事故時有發(fā)生。今年來，政府相關(guān)部門加大安全生產(chǎn)的管理力度，采取了諸多安全管理和處罰措施，極大改變了煤礦等地下礦山的安全生產(chǎn)狀況，主要表現(xiàn)為煤礦安全事故和傷亡人數(shù)有一定程度的下降。但是，總體而言，煤礦安全事故仍處于多發(fā)狀態(tài)，仍是制約相關(guān)企業(yè)發(fā)展的重要因素。由于煤礦采空區(qū)頂板需要承受較大的應(yīng)力，因此成為煤礦事故的高發(fā)區(qū)，加強(qiáng)采空區(qū)頂板災(zāi)害分析與評價，對提高煤礦的安全生產(chǎn)水平具有十分重要的意義和作用。

1 事故樹分析法簡介

事故樹分析法最早由華特蓀在美國民兵洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)安全分析時提出，是安全系統(tǒng)工程領(lǐng)域的重要分析方法。該方法的基本思想是將涉及研究對象的事故條件及相應(yīng)的災(zāi)害后果進(jìn)行分析，并依照先后順序和因果關(guān)系繪制出事故樹圖，以直觀形象地表示各個事故因素之間的先后順序與邏輯關(guān)系，然后通過相應(yīng)的計算和分析對事故的概率和結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行判斷，并據(jù)此提出相應(yīng)的安全措施。其主要步驟如下：

（1）確定頂上事件。頂上事件也就是指事故或故障，屬于事故樹分析法的研究分析對象。頂上事件的分析調(diào)查要以事故調(diào)查的事實情況作為基礎(chǔ)，通過對多元化事故調(diào)查內(nèi)容進(jìn)行有效篩選，最終得出某分析對象以及某事故的發(fā)生規(guī)律。

（2）全面知悉系統(tǒng)。頂上事件的發(fā)生必須要有生產(chǎn)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)條件，需要針對生產(chǎn)系統(tǒng)中的設(shè)備、人員、管理條款、環(huán)境基礎(chǔ)等因素進(jìn)行透徹的分析以及深入的探究。

（3）事故原因調(diào)查。從上述四大方面的因素入手，探求其中的缺陷以獲得構(gòu)成事故的原因。在這些原因中不僅要重視因果關(guān)系，還應(yīng)該重視關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（4）明確控制對象。根據(jù)全面分析所得出的事故發(fā)生概率以及事故可能會導(dǎo)致的影響，進(jìn)一步確定在控制事故過程中所影響的概率目標(biāo)。

（5）構(gòu)建事故樹。在上述分析的基礎(chǔ)上，以演繹推理為基礎(chǔ)，對事故的原因進(jìn)行逐級推求和分析，并將各種事件的邏輯關(guān)系明確表達(dá)出來，最終獲取完善的故事樹。

（6）定性分析。根據(jù)此前所得出的故事樹，以調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，得出降低事故概率的最小徑集，構(gòu)成事故的最小割集，最終得到和主要的對象相關(guān)的重要性排列。

（7）定量分析。以基本事件的概率值為基礎(chǔ)，推求頂上事件的概率，并了解基本事件的概率和臨界重要度。

（8）充實安全對策。根據(jù)事故樹的分析內(nèi)容、數(shù)據(jù)結(jié)果，分析降低事故發(fā)生概率的最優(yōu)方案，達(dá)到提高安全水準(zhǔn)的現(xiàn)實目的。

2 煤礦采空區(qū)頂板災(zāi)害事故樹分析

2.1 事故樹的建立

對我國1990 年-2015 年間發(fā)生的228 起較為典型的煤礦采空區(qū)意外事故情況進(jìn)行全面分析，從類型上來看，發(fā)生的主要頂板事故可分為冒落、塌陷兩種類型。由此，可將頂板事故進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)分，構(gòu)成事故樹（可見圖1）。

圖1 煤礦頂板事故樹

2.2 事故樹定性分析

煤礦采空區(qū)頂板事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

因此，煤礦頂板事故樹的最小割集有15 個，分別為：

計算事故樹的各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，公式如下：

根據(jù)計算結(jié)果，獲得如下的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)以及排列順序：

由事故樹及上述分析結(jié)果可知，在煤礦采空區(qū)，能夠?qū)е马斏鲜录l(fā)生的基本事件的個數(shù)有17 個，均為安全工作管理的重點防范對象。從定性分析結(jié)果來看，共有15 個最小割集，說明導(dǎo)致頂板事故的可能最小路徑共有15 條，為事故分析提供了必要依據(jù)。從結(jié)構(gòu)重要度的定量計算結(jié)果可知，所有17 個基本事件中，結(jié)構(gòu)重要度最大的是未按設(shè)計開采；其次為未封堵、封堵質(zhì)量差和未填充；最小結(jié)重要度對應(yīng)的因素為，采空區(qū)積水未排除、地下水賦存量過多、地下水進(jìn)入采空區(qū)。

3 基于事故樹分析結(jié)果的安全管理建議

上文對煤礦頂板事故進(jìn)行了事故樹分析，結(jié)果顯示：需以最高標(biāo)準(zhǔn)來降低意外事故的發(fā)生概率，同時采取多元化的預(yù)防措施，提高安全管理水平。同時，應(yīng)該著重做好如下幾方面的工作：

3.1 選擇合理的開采方法

既往煤礦頂板事故的預(yù)防經(jīng)驗表示，煤礦生產(chǎn)技術(shù)落實不合理，規(guī)章制度未遵守是導(dǎo)致頂板安全事故的重要原因。因此，在煤礦開采設(shè)計中，應(yīng)該采用具有安全性好、工藝簡單、回采強(qiáng)度高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效果的開采方法。例如，根據(jù)近年來煤礦開采實踐，伴隨煤礦巷道深度不斷增加，巷道所承受的地應(yīng)力也在不斷提高，傳統(tǒng)的分步回采方法出現(xiàn)了諸多問題，當(dāng)前應(yīng)積極落實機(jī)械化措施來豐富煤礦生產(chǎn)方式，從而在保證填充質(zhì)量的同時，控制好頂板的高度，對減少頂板事故，保證安全生產(chǎn)具有重要作用。

3.2 強(qiáng)化頂板管理，重視支護(hù)和維修

在煤礦開采過程中，經(jīng)常會遇到松軟巖層，如果處理不當(dāng)，極易誘發(fā)頂板事故。因此，在面對巖層強(qiáng)度不理想開采面時，必須要在巷道中架設(shè)永久性支架，同時永久性支架的架設(shè)要及時，避免造成上部巖層在卸荷之后產(chǎn)生大變形。一般來說，綜掘面和永久支架的距離必須要控制在3m 以內(nèi)，若是頂板的穩(wěn)定性不符合要求，綜掘面和永久性支架之間的距離還需要進(jìn)一步縮短，同時還要根據(jù)實際情況增加支架。此外，要定期檢查所有井巷的支護(hù)情況，如有問題應(yīng)該及時進(jìn)行維修或更換。

3.3 做好頂板的鑒定與分級管理

為了做好頂板的管理，使管理工作更有針對性和有效性，需要對所有掘進(jìn)面的頂板進(jìn)行鑒定，并根據(jù)鑒定結(jié)果進(jìn)行分級。頂板分級的依據(jù)主要是頂板部位巖體的穩(wěn)固程度、是否存在斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造、開采面的跨度、地下水賦存情況以及是否有透水性等。具體的分級標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）一級頂板。其標(biāo)準(zhǔn)為滿足下列條件之一：頂板的巖石屬于軟巖類型，且存在比較發(fā)達(dá)的節(jié)理，表現(xiàn)為明顯的壓碎狀態(tài)；頂板巖層存在較大的斷層，或者在穿越斷層時形成三角形巖體；采場較大已經(jīng)超過關(guān)于跨度的規(guī)定，或者在進(jìn)行最后一個分層開采時出現(xiàn)了頂板透水問題。（2）二級頂板。頂板巖層的持力性交叉，且內(nèi)部節(jié)理若相對發(fā)育，斷層的數(shù)量比較少，部分位置存在中型亦或者小型的三角巖體，或者頂板的局部存在滲水或透水現(xiàn)象。（3）頂板巖體具有良好的穩(wěn)定性和整體性，頂板巖層節(jié)理發(fā)育不明顯，不存在突出的斷層，采用少量的支柱頂板便可保持良好穩(wěn)定性。

3.4 及時處理采空區(qū)

煤礦安全生產(chǎn)的理論和實踐均表明，對采空區(qū)進(jìn)行及時、科學(xué)的處理對防止采空區(qū)頂板事故的發(fā)生具有十分重要的意義和價值，同時也是最合理與最有效的手段。目前，處理煤礦采空區(qū)的主要方法有三種，分別是對采空區(qū)進(jìn)行充填、封閉以及崩落。其中，對采空區(qū)進(jìn)行徹底充填是最為徹底的處理方式，但是需要針對采空區(qū)特征建立相應(yīng)的充填系統(tǒng)，需要較高的成本投入。針對采空區(qū)進(jìn)行崩落處理無疑是較為簡單的處理方式，同時成本投入也較低，其不利之處是往往會造成地表的破壞，因此地表存在建筑、農(nóng)田、河流的情況下并不適合該方法；相對而言，封閉采空區(qū)是三種處理方式中最為簡單和成本最低的處理方式，但是僅適用于相對比較孤立，遠(yuǎn)離作業(yè)面的小型采空區(qū)。因此，在煤礦生產(chǎn)過程中，必須要對各個采空區(qū)進(jìn)行深入的調(diào)查、研究和分析，處理好采煤工作面與采空區(qū)處理之間的關(guān)系，制定出適合采空區(qū)處理的最佳技術(shù)方案。

3.5 加強(qiáng)頂板浮石的檢查與處理

目前，水平分層充填采礦法仍舊是我國煤礦生產(chǎn)過程中采用的主要方法之一。在該作業(yè)方法下，生產(chǎn)人員基本要在采空區(qū)下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，因此浮石掉落就成為影響人員和設(shè)備安全的重要因素，同時也是高發(fā)性因素。因此，在生產(chǎn)過程中務(wù)必要對浮石進(jìn)行全方位的檢查以及處理，尤其是在爆破處理完成后，安全人員需要根據(jù)實際情況進(jìn)行復(fù)查，在確保安全之后，再音帶其他人員進(jìn)場。同時，各煤礦應(yīng)該加大設(shè)備和技術(shù)的投入力度，例如引進(jìn)現(xiàn)代化的頂板服務(wù)臺車，提高頂板的安全檢查和問題處理的效率和質(zhì)量，保證作業(yè)過程中的人員和設(shè)備安全。

4 結(jié)語

事故樹分析法是進(jìn)行生產(chǎn)事故分析的重要工具和有效工具，該方法的使用可以尋求造成事故發(fā)生的誘因及其相關(guān)關(guān)系，由此可以掌握事故發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理和表現(xiàn)形式，為獲取預(yù)防事故發(fā)生的最佳方法提供強(qiáng)有力的支持。本文以煤礦頂板事故為例，探討了和分析了事故樹分析法在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用價值和方法。研究結(jié)果對指導(dǎo)煤礦頂板事故的預(yù)防工作具有重要的理論價值和實踐意義。當(dāng)然，煤礦安全生產(chǎn)工作是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，不僅需要研究方法和安全管理技術(shù)方面的支撐，更需要各級管理部門的重視，通過有效的部門和人員合作，將煤礦安全生產(chǎn)事故水平降到最低。