，

(1.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，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 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590)

通過對煤礦瓦斯事故類型進行統(tǒng)計分析，認為瓦斯爆炸是瓦斯災害的主要事故類型。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，首先運用最小割集和最小徑集對瓦斯爆炸事故原因進行定性分析，得出各基本原因事件的結構重要度。在此基礎上，利用層次分析方法，以瓦斯爆炸事故作為目標層，事故樹各基本原因事件為指標層，進一步確定各基本事件的重要度排序。最后依照FTA-AHP分析結果，結合我國煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)相關政策法規(guī)，從理論和實踐角度提出防治煤礦瓦斯爆炸事故的對策及建議，以期為有效預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；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

煤炭是我國的“第一能源”，煤炭工業(yè)的快速蓬勃發(fā)展支撐了我國國民經(jīng)濟的高速增長[1]。同時，煤炭行業(yè)的生產(chǎn)條件十分復雜，可能受到水、火、瓦斯、煤塵、頂板等多種自然災害的威脅，從而使得災害防控成為煤礦安全生產(chǎn)的重中之重[2]。2014—2016年全國共發(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%?？梢娡咚故鹿室自斐扇核廊簜?，危害程度較大，因此，加強對瓦斯災害的防控是煤礦安全生產(chǎn)中需要解決的突出問題。

事故樹分析法(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。實踐證明，用FTA描述事故的因果關系直觀明了，可以較全面地找出導致事故的各種危險、有害因素。但由于通過FTA研究各基本原因事件對頂上事件的影響程度，得到的各基本事件結構重要度較為宏觀，會出現(xiàn)各基本事件結構重要度相等的情況，難以確定這些基本原因事件對頂上事件產(chǎn)生的具體影響程度。因此，引入層次分析方法[4](AHP)來改進事故樹的定量分析，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]，對這3種類型進行統(tǒng)計分析，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，瓦斯爆炸事故為主要的事故類型。這是因為瓦斯爆炸事故具有突發(fā)性特征，難以預測，不僅容易造成即時的群死群傷，而且容易引起一系列次生災害。因此，研究掌握瓦斯爆炸事故的原因及預兆，能夠為研究制定有效預防措施、降低煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生，進而為保證煤礦安全生產(chǎn)持續(xù)向好的趨勢提供參考。

2 瓦斯爆炸事故樹分析

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。

通過對“硯石臺煤礦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分析，總結出導致瓦斯爆炸事故產(chǎn)生的主要致因因素繪出瓦斯爆炸事故樹分析圖，如圖2所示，圖中序號所表示的基本事件名稱如表1所示。

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

用布爾代數(shù)化簡如圖2所示的事故樹為：

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)過計算得出該瓦斯爆炸事故樹的最小割集為162個，結合事故樹的結構，可以看出導致瓦斯爆炸事故的基本原因有162個。可見引發(fā)煤礦瓦斯爆炸的因素有很多，這些因素相互組合都會導致事故的發(fā)生，因此瓦斯爆炸的危險性必須引起足夠的重視。而由求出的最小割集可知，每個最小割集中都有X21，X22，由此可知，瓦斯只要達到爆炸濃度，且與火源相遇，勢必會導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 瓦斯爆炸成功樹圖Fig.3 Success tree of gas explosion

用布爾代數(shù)化簡如圖3所示的瓦斯爆炸成功樹如下：

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)計算可得出最小徑集有7個，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基本事件不同時發(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發(fā)生，則掘進工作面和采煤工作面都不會產(chǎn)生積聚瓦斯，這樣瓦斯爆炸事故就不會發(fā)生。

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

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

4)P6中只有一個基本事件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，杜絕一切火源。

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

2.3 結構重要度分析

結構重要性分析是事故樹定性分析的一種，就是從事故樹結構上分析各個基本事件的重要程度[8]。根據(jù)最小割集來判斷結構重要度順序，是進行結構重要度分析的近似判斷方法。

根據(jù)最小割集判斷結構重要度順序為：

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(達到爆炸濃度)事件結構重要度最大，則其重要性在系統(tǒng)中占居首位，其次是X9(沒有按時檢測)、X10(警報斷電儀失靈)和X11(警報儀位置不當)。因此在制定預防瓦斯爆炸事故的措施時，要嚴格控制瓦斯?jié)舛取⒎乐雇咚古c引爆火源相遇，同時加強對瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測與監(jiān)控[9]，從而預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模型及構造判斷矩陣

為了進一步確定瓦斯爆炸事故致因因素權重，將瓦斯爆炸事故樹分析得到的各基本原因事件作為指標層的各影響因素[10]，瓦斯?jié)舛雀摺⑼咚孤z和火源作為層次分析結構體系的準則層，瓦斯爆炸事故作為目標層，構建瓦斯爆炸事故層次結構體系如圖4所示。

圖4 瓦斯爆炸事故層次分析結構體系Fig. 4 Analytic hierarchy process of gas explosion accident

由專家對瓦斯爆炸事故層次分析結構模型中瓦斯?jié)舛雀?、瓦斯漏檢、火源三個準則層中各因素的重要性進行判斷，根據(jù)專家意見構造判斷矩陣S1、S2、S3，判斷矩陣各因素的數(shù)值采用1～9標度法[11]確定，標度及其含義如表2所示。

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

3.2 權重計算和一致性檢驗

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

表3 判斷矩陣S各項指標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，因此可以認為層次分析排序的結果有滿意的一致性。由最大特征根計算出瓦斯爆炸事故致因因素的權重如表5所示。

表4 判斷矩陣S各項指標Tab. 4 Index of judgment matrix S

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

從表5可以看出，風扇未運行>局部通風機停電>通風系統(tǒng)短路>局扇安裝位置不對>采空區(qū)瓦斯?jié)舛却?采空區(qū)瓦斯涌出>風量不足>風速較低；沒有按時檢測>警報儀位置不當>警報斷電儀失靈；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 結果分析

從AHP分析結果來看，通風設備出現(xiàn)問題是導致瓦斯?jié)舛雀叩闹饕?。在實際的煤礦開采過程中，通風設備經(jīng)常因為惡劣的環(huán)境條件而發(fā)生故障，如果加大安全投入，建立嚴格的通風設備使用管理制度，確保設備的可靠性，保證局部通風機的正常運行，則瓦斯爆炸事故會得到有效遏制。

沒有按時檢測是導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，沒有按規(guī)定檢查瓦斯。因此，要認真落實瓦斯檢查制度，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。

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

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、掘進工作面等地點，完善礦井通風系統(tǒng)，加強局部通風管理[13]，做到風流強度穩(wěn)定、系統(tǒng)控制合理可靠。同時加強采掘工作面的現(xiàn)場安全管理和技術調(diào)控，杜絕無風、威風、魂環(huán)風和串聯(lián)風作業(yè)。加大煤礦的安全投入，提高煤礦機械化水平，提高礦井抵抗瓦斯災害能力，防止瓦斯積聚。

2) 加強瓦斯檢查力度

切實加強瓦斯管理工作，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。定期檢驗并維修警報斷電儀，確保設備儀器的正常工作和合理布置，積極引進先進的瓦斯預測預警儀器，加強瓦斯的監(jiān)測與監(jiān)控。

3) 控制火源的產(chǎn)生

嚴禁能引爆瓦斯的火源產(chǎn)生，堅持“一炮三檢”，加強火區(qū)的檢查與管理[14]。加強對電氣設備以及電路的監(jiān)控和檢查，定期對機電設備進行檢修，嚴禁使用失爆的機電設備[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 結論

1) 通過對2014—2016年煤礦瓦斯事故類型進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸事故是瓦斯災害的主要事故類型，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) 對瓦斯爆炸運用事故樹分析，探討事故發(fā)生的深層原因，從最小割集中看出導致瓦斯爆炸事故的基本原因有162個，從最小徑集中看出預防瓦斯爆炸的發(fā)生有7種途徑，并通過最小徑集找出了預防瓦斯爆炸事故的辦法。

3) 通過層次分析方法對瓦斯爆炸事故進行定量分析，研究各基本原因事件對瓦斯爆炸事故的影響程度，可以清楚地認識到預防瓦斯爆炸事故的發(fā)生必須加強對通風設施的管理，及時檢測瓦斯?jié)舛?，杜絕一切火源，尤其控制放炮火源及電火花的產(chǎn)生。

[1]陳曉坤,蔡燦凡,肖旸.2005—2014年我國煤礦瓦斯事故統(tǒng)計分析[J].煤礦安全,2016,47(2):224-226. CHEN Xiaokun,CAI Canfan,XIAO Yang.Statistical analysis of China’s coal mine gas accidents between 2005 and 2014[J].Safety in Coal Mines,2016,47(2):224-226.

[2]景國勛.2008—2013年我國煤礦瓦斯事故規(guī)律分析[J].安全與環(huán)境學報,2014,14(5):353-356. JING Guoxun.Law of coal-gas mining accidents in China from 2008 to 2013[J].Journal of Safety and Environment,2014,14(5):353-356.

[3]劉德民,吳立云,楊玉中.“三軟”煤層煤與瓦斯突出事故樹分析[J].安全與環(huán)境學報,2015,15(3):33-36. LIU Demin,WU Liyun,YANG Yuzhong.Research on the safety evaluation of coal mine production logistics based on AHP-entropy method[J].Journal of Safety and Environment,2015,15(3):33-36.

[4]鄧雪,李家銘,曾浩健.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數(shù)學的實踐與認識,2012,42(7):93-100. DENG Xue,LI Jiaming,ZENG Haojian.Research on computation methods of AHP weight vector and its applications[J].Mathematics in Practice and Theory,2012,42(7):93-100.

[5]馮陽,施龍青,牛超，等.2001—2013年中國煤礦瓦斯事故分析[J].煤礦安全,2015,46(6):231-234. FENG Yang,SHI Longqing,NIU Chao,et al.Analysis of coal mine gas accidents in China from 2001 to 2013[J].Safety in Coal Mines,2015,46(6):231-234.

[6]李新春,劉全龍,裴麗莎.基于模糊事故樹的煤礦瓦斯爆炸事故危險源分析[J].煤炭工程,2014,46(5):93-96. LI Xinchun,LIU Quanlong,PEI Lisha.Analysis on danger sources of mine gas explosion based on fuzzy fault tree[J].Coal Engineering,2014,46(5):93-96.

[7]李潤求,施式亮,念其鋒，等.近10年我國煤礦瓦斯災害事故規(guī)律研究[J].中國安全科學學報,2011,21(9):143-151. LI Runqiu,SHI Shiliang,NIAN Qifeng,et al.Research on coal mine gas accident rules in China in recent decade[J].China Safety Science Journal,2011,21(9):143-151.

[8]張麗麗,李誠玉.采煤工作面瓦斯爆炸的事故樹分析[J].煤炭技術,2012,31(6):115-117. ZHANG Lili,LI Chengyu.Analysis of gas explosion accident tree at coal mining face[J].Coal Technology,2012,31(6):115-117.

[9]李程昊.煤礦生產(chǎn)中瓦斯事故防治的幾項對策措施[J].煤炭技術,2003,22(5):74-75. LI Chenghao.Some measures of preventing gas accidents in coal mine production[J].Coal Technology,2003,22(5):74-75.

[10]張村峰,卞奇侃,蔣軍成.基于“事故樹-層次分析法”的高校學生宿舍火災風險分析[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2011,7(10):100-105. ZHANG Cunfeng,BIAN Qikan,JIANG Juncheng,et al.Fire risk analysis on university dormitory based on accident tree analysis and analytic hierarchy process[J].Journal of Safety Science and Technology,2011,7(10):100-105.

[11]易燦南,胡鴻,廖可兵，等.FTA-AHP方法研究及應用[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2013,9(11):167-173. YI Cannan,HU Hong,LIAO Kebing,et al.Research on FTA-AHP and its application[J].Journal of Safety Science and Technology,2013,9(11):167-173.

[12]閆敏慧,姚秀萍,王蕾，等.用層次分析法確定氣象服務評價指標權重[J].應用氣象學報，2014,25(4):470-475. YAN Minhui,YAO Xiuping,WANG Lei,et al.Determining weight coefficients of meteorological service evaluation criteria with AHP[J].Journal of Applied Meteorological Science,2014,25(4):470-475.

[13]朱月敏.煤礦安全事故統(tǒng)計分析[D].阜新:遼寧工程技術大學,2012:38-39.

[14]于紅,吳金剛.煤礦瓦斯爆炸防治技術研究[J].煤炭技術,2010,29(10):85-87. YU Hong,WU Jingang.Analysis on the causes and countermeasures of coal mine gas accidents[J].Coal Technology,2010,29(10):85-87.

[15]呂亞.云南煤礦事故統(tǒng)計分析及預防對策研究[D].長沙:湖南科技大學,2014:32-33.

(責任編輯：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

國家自然科學基金項目(U1261205,51574158)

柳茹林(1993—)，女，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事礦井災害預測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，主要從事礦井災害預測與防治等方面的科研工作.本文通信作者. E-mail：he_yyb@163.com