周小祥，陳海英

(重慶交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

近年來(lái)，全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向清潔能源轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)十分明顯，但在未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)化石能源仍是能源消費(fèi)絕對(duì)主力。煤炭開(kāi)采作為一個(gè)巨復(fù)雜系統(tǒng)，瓦斯、頂板、火災(zāi)、透水等安全事故頻發(fā)，造成了極大的社會(huì)不良影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)煤礦安全事故進(jìn)行危險(xiǎn)源分析，建立事故致因模型，構(gòu)建評(píng)價(jià)預(yù)警體系，是煤礦安全管理中的重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，瓦斯事故占煤礦事故總數(shù)的35%以上，在重特大瓦斯爆炸事故中，瓦斯礦井的瓦斯爆炸事故占瓦斯爆炸事故總數(shù)的42%以上[1]。目前，針對(duì)瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)事故，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、專(zhuān)家系統(tǒng)、多因素算子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、事故致因理論、危險(xiǎn)源理論、安全行為管理學(xué)理論等出發(fā)對(duì)煤礦瓦斯爆炸事故做了細(xì)致深入的分析[2-6]。但煤礦瓦斯爆炸事故受諸多危險(xiǎn)源的影響并且具有很大的不確定性，各因素間存在一定的層次性和模糊性，傳統(tǒng)的安全檢查表法、可靠性分析法對(duì)于全面客觀分析煤礦瓦斯爆炸事故影響機(jī)理及危害存在一定的局限性，而魚(yú)骨圖作為一種發(fā)現(xiàn)問(wèn)題“根本原因”的方法，運(yùn)用不遺漏、不重疊原則將問(wèn)題層層進(jìn)行分析，用這種方法分析事故，可以使復(fù)雜的原因系統(tǒng)化、條理化[7]，構(gòu)建起事故發(fā)生的因果鏈。

文章利用改進(jìn)的對(duì)吻魚(yú)骨圖進(jìn)行瓦斯爆炸事故致因分析，同時(shí)利用模糊數(shù)學(xué)原理解決專(zhuān)家評(píng)價(jià)主觀上的不完備性和模糊性，將兩者結(jié)合，建立起煤礦瓦斯爆炸事故鏈對(duì)吻魚(yú)骨全息模型，定量分析各個(gè)因素的影響權(quán)重，在此基礎(chǔ)上可對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)管理，并采取針對(duì)性的預(yù)警措施，從而提高煤礦安全管理水平。

1 瓦斯爆炸事故機(jī)理分析

魚(yú)骨圖(Fish Bone Fig)又名魚(yú)刺圖或特性因素圖，因形狀與魚(yú)的骨架相似而得名，是日本東京大學(xué)的ISHIKAWA教授設(shè)計(jì)的一種找出問(wèn)題潛在影響因素的方法[7]。魚(yú)骨圖廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)質(zhì)量管理領(lǐng)域，主要關(guān)注于找出潛在可能的問(wèn)題。在安全風(fēng)險(xiǎn)管理領(lǐng)域，魚(yú)骨圖能夠詳細(xì)分層地分析安全事故發(fā)生的各種因素，找出風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生事故鏈，但一般應(yīng)用中僅分析了風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)損失及其影響缺乏關(guān)注，筆者嘗試在進(jìn)行事故分析時(shí)將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的機(jī)理即風(fēng)險(xiǎn)三要素“風(fēng)險(xiǎn)因素—風(fēng)險(xiǎn)事件—風(fēng)險(xiǎn)損失”統(tǒng)籌加以考慮并以圖示進(jìn)行表示，從而全面深入地查找引發(fā)事件的原因，展示因果關(guān)系和風(fēng)險(xiǎn)事件作用過(guò)程及其影響，形成改進(jìn)的對(duì)吻魚(yú)骨圖。

1.1 瓦斯爆炸條件分析

從化學(xué)上看，瓦斯爆炸是一種熱-鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)爆炸混合物吸收能量達(dá)到一定條件后，反應(yīng)分子斷裂離解成2個(gè)或2個(gè)以上的自由基。此類(lèi)游離基因化學(xué)活性強(qiáng)成為反應(yīng)活化中心并持續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，最后可能發(fā)展為燃燒或爆炸式的氧化反應(yīng)。因此，瓦斯爆炸就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，是一定濃度的甲烷和空氣中的氧氣在一定溫度作用下產(chǎn)生的激烈氧化反應(yīng)。雖然煤礦瓦斯爆炸事故影響因素眾多，但就本質(zhì)來(lái)看，瓦斯事故的發(fā)生必須具備一定濃度的瓦斯、火源及氧氣3個(gè)基本要素[1]。

瓦斯?jié)舛冗_(dá)到閾值：研究表明，空氣中的瓦斯?jié)舛确秶?%～16%，就可能引起瓦斯爆炸，其中9.5%爆炸威力最強(qiáng)，7%～8%最易發(fā)生爆炸。造成瓦斯積聚的原因主要有通風(fēng)不良、冒頂區(qū)瓦斯積聚、盲巷瓦斯積聚以及采掘面瓦斯積聚等。

高溫火源的存在：一般而言，當(dāng)火源的溫度大于瓦斯燃點(diǎn)溫度650～750 ℃并能持續(xù)一定時(shí)間就容易引發(fā)劇烈反應(yīng)(瓦斯最小點(diǎn)燃能量為0.28 mJ)。煤礦井下高溫火源主要有明火、摩擦撞擊火花、靜電、爆破火焰、電氣火花和煤炭自燃等。

氧氣充足：瓦斯爆炸另一必備條件要求就是空氣中的氧氣含量不低于12%。根據(jù)礦井通風(fēng)的相關(guān)規(guī)定，井下空氣中氧濃度都必須在20%以上，因此，在分析煤礦瓦斯爆炸事故中，一般忽略氧氣含量這個(gè)基本要素。

1.2 瓦斯爆炸的發(fā)生機(jī)理及危害

瓦斯爆炸即可燃物瓦斯局部被點(diǎn)燃到燃燒快速傳播，短時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇的氧化反應(yīng)，釋放大量能量，并對(duì)人員、設(shè)備及財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生重大危害。

瓦斯一旦局部點(diǎn)燃即形成火焰鋒面，火焰鋒面一邊釋放熱量(熱量又加速反應(yīng)進(jìn)行)一邊傳播發(fā)展，速度也越來(lái)越快，從正常燃燒速度到爆轟式傳播速度，并伴隨高溫(焰面溫度可高達(dá) 2 000℃以上)。焰面經(jīng)過(guò)之處，造成人體皮膚和呼吸器官受損，電器設(shè)備也同時(shí)被燒壞，巷道內(nèi)的可燃物被點(diǎn)燃以致發(fā)生火災(zāi)，進(jìn)而造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

瓦斯爆炸還產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波。沖擊波由于速度大于音速，其鋒面壓力由幾個(gè)大氣壓到20個(gè)大氣壓，加之前向沖擊波疊加和反射作用導(dǎo)致氣壓更強(qiáng)。沖擊波所到之處造成人員創(chuàng)傷、設(shè)施設(shè)備損壞、冒頂、巷道損壞坍塌等，并可造成二次傷害。

瓦斯燃爆還將導(dǎo)致井下空氣成分發(fā)生變化，生成大量有害氣體(主要是一氧化碳)，成為瓦斯爆炸事故人員大量傷亡的主要因素之一。

1.3 瓦斯爆炸事故對(duì)吻魚(yú)骨圖

以大同煤礦集團(tuán)四臺(tái)煤礦為例，分析瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)事故鏈機(jī)理，結(jié)合對(duì)瓦斯爆炸鏈鎖反應(yīng)的本質(zhì)分析和文獻(xiàn)[9-12]，構(gòu)建了瓦斯爆炸事故對(duì)吻魚(yú)骨圖事故鏈全息模型，如圖1所示。從圖中可以看出，煤礦瓦斯爆炸事故受多種因素影響，同時(shí)也產(chǎn)生火焰鋒面、沖擊波和有害氣體等危害，一旦事故發(fā)生將造成重大損失。

2 瓦斯爆炸危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)定量分析模型

為利用層次分析法確定基本權(quán)重，引入九級(jí)標(biāo)度法進(jìn)行度量標(biāo)度，提高兩兩比較形成初始互補(bǔ)判斷矩陣Rij，見(jiàn)表1。并利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)不確定性因素處理的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步得到模糊判斷矩陣。

圖1 煤礦瓦斯爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)對(duì)吻魚(yú)骨圖

表1 九級(jí)標(biāo)度

Rij=(rij)n×n,rij=1-rji

(1)

步驟1 求取模糊一致性矩陣

(2)

(3)

先對(duì)初始互補(bǔ)判斷矩陣求行的和，然后利用公式(3)進(jìn)行改造，求取模糊一致性矩陣，此種改造解決了判斷矩陣一致性問(wèn)題，符合實(shí)際中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)多因素的邏輯處理，最大限度地避免了主觀因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)判斷結(jié)果的不利影響。

步驟2 求取各因素權(quán)重

(4)

(5)

利用公式(2)得到瓦斯爆炸危險(xiǎn)源評(píng)價(jià)各指標(biāo)的權(quán)重，并根據(jù)不同層指標(biāo)的權(quán)重利用公式(5)最終得出相對(duì)于目標(biāo)層的各個(gè)權(quán)重值。得出權(quán)重值后，可對(duì)單個(gè)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行排序，從而找到系統(tǒng)關(guān)鍵核心指標(biāo)，進(jìn)而采取有針對(duì)性的管控舉措。

3 實(shí)例分析

以大同煤礦集團(tuán)四臺(tái)煤礦為例，應(yīng)用上述模型和方法對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行全面分析。分別邀請(qǐng)一線工人、安全管理人員、行業(yè)專(zhuān)家對(duì)危險(xiǎn)源因素進(jìn)行分析，并對(duì)危險(xiǎn)源不可靠度進(jìn)行打分和比較，得出該礦瓦斯爆炸事故影響因素及其事故樹(shù),如圖2所示。因?yàn)榇蚍志哂兄饔^性和模糊性，因此采用第2部分建立的模糊層次分析法確定權(quán)重，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表2。

從表2可以看出，瓦斯檢測(cè)不準(zhǔn)確X19、瓦斯排放施工人員不足X23、冒頂區(qū)瓦斯?jié)舛瘸轝11、瓦斯排放不符合規(guī)定X22、掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛却骕13、瓦斯監(jiān)測(cè)員不足X21等風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)權(quán)重位居前列，是該礦瓦斯安全管理的核心和關(guān)鍵要素，需要特別有針對(duì)性地采取措施：加強(qiáng)對(duì)瓦斯抽放、檢測(cè)相關(guān)人員業(yè)務(wù)知識(shí)和安全知識(shí)的培訓(xùn)考核，做到保障到位、按章操作、責(zé)任心強(qiáng)；加強(qiáng)對(duì)儀器設(shè)備的校準(zhǔn)和維護(hù)，確保儀器設(shè)備正常運(yùn)行和精度準(zhǔn)確，提升設(shè)備的可靠性；加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域如冒頂區(qū)、掘進(jìn)工作面的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)和排放處理，確保井下作業(yè)環(huán)境的作業(yè)安全。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合對(duì)事故最底層危險(xiǎn)源(X1,X2,…,X38)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性、危險(xiǎn)源重要程度以及事故損失，可以將上述危險(xiǎn)源分為4個(gè)等級(jí)來(lái)進(jìn)行管理和控制，見(jiàn)表3，風(fēng)險(xiǎn)值排序越靠前，等級(jí)越高，表示越需優(yōu)先控制。

圖2 瓦斯爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)事故鏈模型

表2 各指標(biāo)含義及綜合權(quán)重

4 結(jié)論

(1)通過(guò)建立煤礦瓦斯爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)對(duì)吻魚(yú)骨圖全息模型，能夠比較直觀地展示瓦斯爆炸事故機(jī)理，即瓦斯爆炸危險(xiǎn)源—風(fēng)險(xiǎn)事件—風(fēng)險(xiǎn)損失，為后續(xù)開(kāi)展量化研究和有針對(duì)性的預(yù)警措施奠定了基礎(chǔ)。對(duì)吻魚(yú)骨圖具有直觀性、系統(tǒng)性、層次性、綜合性等基本特點(diǎn)，對(duì)于全面分析事故原因和其影響以及事故發(fā)生過(guò)程是一種較好的分析方法。

(2)模糊數(shù)學(xué)方法能夠較為方便地用于處理煤礦瓦斯爆炸事故多因素影響定量評(píng)價(jià)，并在一定程度上克服了人員主觀評(píng)價(jià)的局限性，特別是通過(guò)模糊一致性改造，避免了矩陣計(jì)算過(guò)程中判斷矩陣不一致問(wèn)題，較好地保證了權(quán)重系數(shù)的準(zhǔn)確性和客觀性，實(shí)際計(jì)算中具有簡(jiǎn)便性和實(shí)用性特點(diǎn)。

表3 瓦斯爆炸事故危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

(3)通過(guò)定性定量分析，可以將煤礦瓦斯爆炸危險(xiǎn)源進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)管理，從而制定有針對(duì)性的管控和預(yù)警措施，對(duì)于煤礦現(xiàn)場(chǎng)安全管理具有一定的借鑒意義。