基于改進Bow-tie 模型的煤礦瓦斯爆炸事故分析與研究

侯瑋，林倩，馬潤澤，徐子怡

（河北工程大學礦業(yè)與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

近年來，我國仍處于工業(yè)化快速發(fā)展階段，在復雜的國際環(huán)境下，煤炭在我國能源安全穩(wěn)定供應中起到了兜底保障作用。然而隨著礦井深度的增加，風險變高，再加上環(huán)境的雜亂，危險物品和設備的大量存在，使得開采時的事故更加難以進行預防和控制。而根據(jù)張培森[1]等人的研究以及析煤礦安全網(wǎng)和國家煤礦安全監(jiān)察局通報數(shù)據(jù)統(tǒng)計的2012—2021 年的煤礦事故起數(shù)，可知煤礦瓦斯爆炸事故約占事故總起數(shù)的20%，死亡人數(shù)更是高達33%。因此，對煤礦瓦斯爆炸事故進行深入分析和研究，對煤礦的安全管理具有十分重要的意義。

目前，針對煤礦事故安全運行評價的方法主要有模糊綜合評價法、灰色理論法、秩和比法等。通過對國內(nèi)外學者的文獻進行梳理和分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外學者對于事故分析較為書面并不直觀，且研究的重點多在于造成事故的原因上，對于事故發(fā)生后的預防措施和消減措施的研究有待進一步深入。探究影響煤礦瓦斯爆炸事故的預防措施和消減措施，并更加圖像化地表現(xiàn)出來，不僅利于參與人員的采納和吸收，更便于管理人員決定發(fā)生事故后所采取的關(guān)鍵措施，對減少或避免煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實意義。

1 改進Bow-tie 模型簡介

Bow-tie 模型分析法是一種可以圖像化地進行風險分析的管理方法，通過對造成頂上事件發(fā)生的危險性因素進行分析提出相應的預防措施，對頂上事件造成的事故結(jié)果進行分析提出相應的消減措施[2]，Bow-tie 模型示意圖如圖1 所示。

而改進Bow-tie 模型則是把事故原因從人、物、環(huán)、管4 個方面進行分析，能夠更加清晰地對導致頂上事件發(fā)生的原因進行分類，從而直觀形象并可以更加突出重點地制定預防措施，從根源上防止發(fā)生事故；把事故后果分為安全、經(jīng)濟、環(huán)境和社會4 個方面，在事故發(fā)生后制定相應的消減措施，來降低危害的程度[3]。改進Bow-tie 模型從危險源、頂級事件和后果的相互作用關(guān)系幾個方面來對風險進行分析，同時還可以通過屏障思維[4]描述該項目采取何種措施來控制風險，比起一般的Bow-tie 模型更加利于原因分類分析，簡單方便，如圖2 所示。

圖2 改進Bow- t ie 模型示意Fig.2 Improved Bow-tie model

在此基礎(chǔ)上，通過查閱大量相關(guān)文獻和報道探究煤礦事故發(fā)生的原因，進一步構(gòu)建瓦斯事故爆炸Bow-tie 模型，并基于事故的原因?qū)κ鹿式Y(jié)果進行層次分析，對事故結(jié)果的重要度進行比較，為煤礦瓦斯爆炸事故進行安全屏障的搭建[5]。

2 瓦斯事故評價模型構(gòu)建

運用改進Bow-tie 模型分析時，直接以煤礦瓦斯爆炸事故為頂事件，從人為因素、物為因素、管理因素以及環(huán)境因素4 個角度出發(fā)進行分析和研究。

2.1 事故原因及屏障分析

造成煤礦瓦斯爆炸的原因有很多，根據(jù)2012—2021 年的瓦斯事故統(tǒng)計分析，從4 個角度出發(fā)分析瓦斯事故原因。

2.1.1 人為因素

在處理事故和預防事故時，人是最不易控制的因素，由于人是直接參與施工的操作者、組織者和指揮者，當其狀態(tài)不好、反應能力差等情況發(fā)生時均可能導致事故發(fā)生。尤其隨著發(fā)展，大量農(nóng)民工參與項目，由于其安全意識薄弱，使得危險性驟增。特別是對于井下作業(yè)而言，造成事故的人的原因有很多，例如瓦斯檢測失誤或漏檢、焊接起火、帶電維修設備、違章爆破等。而工人們有時無意識地井下吸煙行為，更加大大提高了事故發(fā)生的可能[6]。

2.1.2 物為因素

由于煤礦內(nèi)環(huán)境復雜空間狹小，因此物品擺放較為混亂也易發(fā)生設備損傷。如設備防爆失效、無瓦斯監(jiān)測報警裝置或裝置失靈、電氣設備或設施短路、風扇未運行或故障電氣設備漏電等原因均有可能導致事故放生。

2.1.3 管理因素

盡管社會在進步和發(fā)展，我國的煤礦企業(yè)仍然存在很多不應該發(fā)生的現(xiàn)象，安全管理人員數(shù)量較少，且有少部分管理人員的專業(yè)水平并不高，使得其安全意識不足，上級管理人員在安全防護設施上投入的限制，安全自評、自檢、自控等管理工作的形式化，都是造成井下作業(yè)瓦斯爆炸事故的根源因素。同時由于建筑施工行業(yè)的流水性，導致施工人員經(jīng)常會面臨不同的環(huán)境、設施和條件，使得安全培訓的難度大大提高。再加上許多企業(yè)的安全責任制形同虛設，安全管理制度和操作規(guī)程不完善，技術(shù)交底不到位，安全教育不到位，員工沒有經(jīng)過足夠的安全教育直接上崗，這些都會極易造成事故的發(fā)生。

2.1.4 環(huán)境因素

由于井下作業(yè)環(huán)境復雜且操作空間較小，因此環(huán)境原因產(chǎn)生的影響有很多，如采面供風不足、上隅角風速低、采空區(qū)瓦斯?jié)舛却蟮扔性斐墒鹿实陌l(fā)生。此外，煤炭自燃以及摩擦撞擊產(chǎn)生火花的情況也應引起注意。

2.2 事故后果及屏障分析

在井下作業(yè)發(fā)生瓦斯爆炸事故后，現(xiàn)場的工作人員和管理人員應立即采取措施減少損失，避免導致其他更加不良后果的出現(xiàn)。

2.2.1 安全后果

由于井下空間狹小再加上瓦斯爆燃會產(chǎn)生高溫，造成煤礦起火，使人員受傷或死亡；粉塵爆炸也會產(chǎn)生大量對人體有傷害的氣體[5]。因此在發(fā)生瓦斯爆炸事故時人員傷亡會十分嚴重，當發(fā)生爆炸事故時，醫(yī)務人員應立刻攜帶醫(yī)療急救器材，到事故現(xiàn)場搶救受傷人員。當現(xiàn)場的機械設備有所損壞時，要及時停止作業(yè)查找原因，以便排除隱患，避免除爆炸事故之外其他事故的發(fā)生。

2.2.2 經(jīng)濟后果

如果事故造成一定的設備設施損壞，要承擔相應的修復費用以免再次出現(xiàn)其他影響，如果事態(tài)嚴重甚至要承擔停產(chǎn)費用。因此應做好工傷保險工作，及時搶救傷員和設備設施，以減少治療費用和物質(zhì)財產(chǎn)損失并在一切處理得當后盡早恢復生產(chǎn)，減少日工損失。

2.2.3 社會后果

積極應對事故，加快處理時間及力度，以最快的速度解決問題，并及時對接安撫傷患及其家屬，以減少社會影響。

2.2.4 環(huán)境后果

爆炸產(chǎn)生的粉塵以及巷道塌陷都會嚴重影響作業(yè)人員的身心健康，嚴重者甚至造成環(huán)境污染，影響周邊居民的正常生活。

2.3 構(gòu)建改進Bow-tie 模型圖

用改進Bow-tie 分析法對煤礦瓦斯爆炸事故的致因和后果進行全面分析，并對不同人員的職責進行區(qū)分，使分析結(jié)果更加直觀，從而更加便于管理人員進行預防和管控，且通過該模型圖，可以對分析結(jié)果進行進一步研究，確認每個預防或消減措施的應用是否，來查驗相應安全管理的程度[2]。結(jié)合以上分析的結(jié)果，構(gòu)建煤礦瓦斯爆炸事故Bow-tie圖，如圖3 所示。

圖3 瓦斯爆炸事故改進Bow- t ie 模型Fig.3 Improved Bow-tie model of gas explosion accident

2.4 聯(lián)系度及評價等級確定

根據(jù)Bow-tie 模型中的原因并結(jié)合文獻[6-8]進行權(quán)重分析，運用層次分析法建立煤礦瓦斯爆炸事故原因的遞階層次模型，如圖4 所示。

圖4 煤礦瓦斯爆炸事故原因遞階層次模型Fig.4 Cause hierarchical model of coal mine gas explosion accident

由遞階層次模型構(gòu)造判斷矩陣W、W1、W2、W3、W4，W表示以第一層為準則，從第二層4 個因素即B1、B2、B3和B4的角度建立比較矩陣，W1、W2、W3和W4分別表示Cj(j= 1，2……，16)與Bi(i=1，2，3，4)之間的比較矩陣[9]。

表1 判斷矩陣標度Table 1 Judgment matrix scale

根據(jù)評價模型，按照公式（1） 求得各評價因素權(quán)重向量近似值：

按照公式（2） 將各評價因素權(quán)重向量作歸一化處理：

按照公式（3） 根據(jù)第二層各評價因素權(quán)重向量計算矩陣最大特征值λmax：

最后對結(jié)果進行一致性檢驗：

式中：n為矩陣的階數(shù)。

如果求得的檢驗指標CI=0，那么就證明權(quán)重向量通過了一致性檢驗；如果求出的檢驗指標CI≠0，則需要計算隨機一致性比率：

式中：RI為平均隨機一致性，取值見表2。

表2 隨機一致性指標值Table 2 Random consistency index values

若CR≤0.1，表明該權(quán)重向量通過了一致性檢驗；若CR＞0.1，那么表明該權(quán)重向量沒有通過一致性檢驗，則需要從根本上解決，即改變判斷矩陣，之后再進行上述運算步驟，直至CR≤0.1。

3 實例應用

本文基于對邯鄲礦業(yè)集團云駕嶺礦安全評價項目，以云駕嶺煤礦發(fā)生瓦斯爆炸的危險性為評價對象，擇取了2 位煤礦領(lǐng)域的安全專家對對圖4 中風險指標的重要度進行打分，為方便專家打分，打分采用指標兩兩對比的原則。首先由專家對同一層次內(nèi)的指標兩兩比較，按照重要程度對比可分為①極端不重要、②明顯不重要、③同等重要、④明顯更重要、⑤極端更重要5 個等級，構(gòu)建專家打分矩陣W。

以評價模型第二層各因素為例進行分析得:

根據(jù)式（1） 計算求得各評價因素權(quán)重向量近似值：

根據(jù)公式（2） 可得第二層各評價因素權(quán)重向量：W={0.255，0.05，0.581，0.114}

根據(jù)第二層各評價因素權(quán)重向量計算矩陣最大特征值可得λmax=4.078 75。

對其進行一致性檢驗，得到:

一致性檢驗查表得RI=0.90

則CR = CI/RI=0.049/0.90=0.029＜0.10

同理對C1,C2,C3,C4進行層次分析:

結(jié)合式（1）、式（2） 對C1,C2,C3,C4的權(quán)重向量作歸一化處理可得第三層各評價因素權(quán)重向量：

經(jīng)計算CR均小于0.1，滿足要求。

各個指標的權(quán)重及排序見表3 ～表7。

表3 Bi 指標權(quán)重及排序Table 3 Bi index weight and ranking

由表3 可知，管理體系欠缺和人的不安全行為是導致高處墜落事故發(fā)生的主要原因。因此，在安全投資有限的情況下，預防事故的重點的工作應集中于人本身，加強安全管理并規(guī)范相關(guān)人員的行為。

由表4 ～表7 可知，管理方面隱患排查治理不到位以及無開采資質(zhì)或組織方案不完善違章操作；人因方面違章爆破；物因方面電氣設備故障等是導致瓦斯爆炸事故發(fā)生的主要原因，但事故發(fā)生根源原因還是在人，無論人失誤還是人管理。管理體系欠缺是整個企業(yè)對“安全第一”的觀念沒有得到落實，才會導致人員違章操作，最終導致事故的發(fā)生[10]。

表4 人為因素指標權(quán)重及排序Table 4 Weight and ranking of human factors index

表5 物為因素指標權(quán)重及排序Table 5 Object as factor index weight and ranking

表6 環(huán)境因素指標權(quán)重及排序Table 6 Weight and ranking of environmental factors

表7 管理因素指標權(quán)重及排序Table 7 Index weight and ranking of management factors

4 結(jié)論

（1） 通過對往年事件的分析和研究，運用改進Bow-tie 模型，從人因、物因、管理、環(huán)境4 個方面半定量分析了煤礦瓦斯爆炸事故的致因和危害，從而列出相應的預防措施來進行分級管控，并針對安全、經(jīng)濟、社會和環(huán)境后果列出相應的消減措施，來對事故危險性進行研究。此后在Bow-tie模型分析結(jié)果的基礎(chǔ)上采用層次分析法從人、物、管、環(huán)4 個方面進行定量分析，使分析結(jié)果和針對對象更加明確。

（2） 改進Bow-tie 模型圖通過梳理煤礦瓦斯爆炸事故的原因，明確了責任人及相關(guān)人員，依據(jù)屏障思維理論將危險因素與事故后果圖像化，便于操作人員和管理人員更加直觀清晰理解該類事故的處理辦法，有效指導了煤礦瓦斯爆炸事故的風險控制和管理，有利于將事故損失和影響降到最低，提升煤礦企業(yè)的安全效益。