＊王俊波 梅歡

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司 湖北 430074）

引言

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)目前是以煤、石油、天然氣等化石能源為主，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占比依然較大。在煤礦開采現(xiàn)場(chǎng)，由于各煤層地質(zhì)條件與瓦斯賦存條件不同，且受開采設(shè)備、開采技術(shù)等因素影響，瓦斯爆炸等事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅人礦井安全開采及作業(yè)人員的生命安全[1]。只有找出引發(fā)事故的根源，才能從根本上防范甚至杜絕事故的發(fā)生。因此，有必要對(duì)瓦斯爆炸事故的原因進(jìn)行分析，找出事故發(fā)生的途徑，最終實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

事故樹分析（FTA）是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，它是運(yùn)用邏輯推理對(duì)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行辨識(shí)和評(píng)價(jià)，既可定性分析，又可定量分析，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因[2]，從而找出各因素內(nèi)在規(guī)律，進(jìn)而采取相應(yīng)的防范措施，防范乃至杜絕事故的發(fā)生，本文將采用事故樹分析方法對(duì)瓦斯爆炸事故進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果找出切斷事故鏈的辦法和途徑，為礦井防治瓦斯爆炸的發(fā)生提供對(duì)策。

1.事故原因

爆炸的因素有三個(gè)，缺一不可，分別是：達(dá)到爆炸極限的可燃物、足夠溫度的引火源、足夠的氧氣濃度[3]。本文將從引發(fā)瓦斯爆炸事故的三要素逐條進(jìn)行分析，列出發(fā)生瓦斯爆炸事故的條件（即原因事件），構(gòu)造事故樹，并分析找出阻止事故發(fā)生的途徑。

(1)爆炸性瓦斯

一定濃度范圍內(nèi)的積聚性瓦斯是瓦斯爆炸事故發(fā)生的根源[4]。凡是濃度高于爆炸上限或者低于爆炸下限，其瓦斯混合物與引火源接觸時(shí)火焰無(wú)法自行傳播，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，瓦斯爆炸濃度范圍通常為5%～16%[4]。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%時(shí)，過(guò)量的惰性介質(zhì)氣體空氣參與燃燒反應(yīng)，起到冷卻作用，阻礙火焰的自行傳播；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，氧氣和瓦斯完全反應(yīng)，其爆炸威力最大；當(dāng)瓦斯?jié)舛雀哂?6%時(shí)，燃燒物過(guò)剩，導(dǎo)致阻燃物空氣中的氧氣量不足，化學(xué)反應(yīng)不完全，阻礙了火焰自行傳播，失去爆炸性，但遇火仍會(huì)燃燒。

產(chǎn)生瓦斯積聚的原因主要有通風(fēng)故障問(wèn)題、瓦斯積存問(wèn)題、瓦斯控制失誤等三大方面原因。

①通風(fēng)故障

通風(fēng)故障一般由以下幾個(gè)方面：斷電導(dǎo)致停風(fēng)，設(shè)計(jì)風(fēng)量低、供風(fēng)設(shè)備老舊等原因?qū)е鹿╋L(fēng)能力不足，串聯(lián)通風(fēng)、局扇打循環(huán)風(fēng)。

②瓦斯積存

地質(zhì)條件變化導(dǎo)致瓦斯量變大進(jìn)而產(chǎn)生較高濃度的積聚性瓦斯，盲巷、老塘等區(qū)域瓦斯積存，上隅角瓦斯積聚，放炮后瓦斯積存。

③控制措施適當(dāng)

瓦斯漏檢，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確知悉瓦斯?jié)舛?，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯積聚；瓦斯排放不到位導(dǎo)致瓦斯積聚；巷道貫通后應(yīng)進(jìn)行而未及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)導(dǎo)致瓦斯積聚。

(2)足夠能量的引火源

達(dá)到引爆能量的引火源存在，是引發(fā)瓦斯爆炸的必要條件之一。引火源溫度不低于650℃，能量大于0.28MJ，持續(xù)時(shí)間大于爆炸感應(yīng)器。在煤炭開采過(guò)程中可能產(chǎn)生的火源比較容易滿足，達(dá)到引爆能量的引火源主要是由以下幾方面原因造成：煤炭自燃、放炮火源、摩擦撞擊造成的火花、抽煙等明火、電火花等；其中，放炮火源一般包括炸藥變質(zhì)不合格、短間隔放炮、放明炮等；電氣火花包括電器失爆、電纜設(shè)備短路、電機(jī)車火花、靜電火花等。

(3)合適的氧氣濃度

當(dāng)氧氣濃度＞12%時(shí)，瓦斯燃燒爆炸反應(yīng)方可持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)氧氣濃度＜12%時(shí)，該化學(xué)反應(yīng)不可持續(xù)，瓦斯氣體失去爆炸性。一般巷道、掘進(jìn)面和采面等工作面的氧氣濃度一般＞12%，而井下封閉區(qū)域、裂隙處等區(qū)域因有氧消耗或無(wú)供氧，可能會(huì)出現(xiàn)氧氣濃度＜12%的情況。故而，掘進(jìn)面、采面等工作面的瓦斯積聚情況是分析瓦斯爆炸事故發(fā)生的重要內(nèi)容。

通過(guò)以上分析，梳理并列出原因事件，具體詳見(jiàn)表1。

表1 瓦斯爆炸事故原因事件匯總表

2.瓦斯爆炸事故的事故樹繪制與分析

本文的主要分析對(duì)象為瓦斯爆炸事故，故而以瓦斯爆炸事故為頂上事件。通過(guò)第1節(jié)分析得出瓦斯爆炸事故的基本原因事件，然后根據(jù)導(dǎo)致瓦斯爆炸的條件和可能造成的原因及邏輯關(guān)系畫出事故樹，如圖1所示。

圖1 瓦斯爆炸事故樹圖

由事故樹圖寫出其布爾表達(dá)式為：

(1)最小割集

最小割集表示的是系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，它是引起頂上事件發(fā)生的基本事件的集合，即每一組最小割集，就是一種事故發(fā)生的模式，最小割集越多，說(shuō)明系統(tǒng)的危險(xiǎn)性越大[5]。事故樹頂事件的發(fā)生，必然是某個(gè)最小割集中基本事件同時(shí)發(fā)生的結(jié)果。一旦發(fā)生事故，就可以方便地知道所有可能發(fā)生事故的途徑，較快地查出本次事故的最小割集，這就是導(dǎo)致本次事故的基本事件的集合。同時(shí)最小割集為降低系統(tǒng)的危險(xiǎn)性提出了控制方向和預(yù)防措施。每個(gè)最小割集都代表了一種事故模式，由事故樹的最小割集可以直觀的判斷哪種事故模式最危險(xiǎn)，哪種次之，哪種可以忽略，以及如何采取措施使事故發(fā)生概率降低。

通過(guò)計(jì)算得出該事故樹的最小割集一共有110個(gè)，分別為：X2·a·X1·X12·b～X2·a·X1·X22·b，X3·a·X1·X12·b～X3·a·X1·X22·b…X11·a·X1·X12·b～X11·a·X1·X22·b，即引起瓦斯爆炸的可能途徑有110種。由此可見(jiàn)，瓦斯爆炸事故的危險(xiǎn)性是非常大的。

(2)最小徑集

最小經(jīng)集表示的是系統(tǒng)的安全性，當(dāng)最小經(jīng)集中所包含的基本事件都不發(fā)生，就可防止頂事件發(fā)生；即每一組最小經(jīng)集，就是一種阻止事故發(fā)生的模式。最小徑集有利于選取確保系統(tǒng)安全的最佳方案。每一個(gè)最小徑集都是防止頂事件發(fā)生的一個(gè)方案，可以根據(jù)最小徑集中所包含的基本事件個(gè)數(shù)的多少、技術(shù)上的難易程度、耗費(fèi)的時(shí)間以及投入的資金數(shù)量，來(lái)選擇最經(jīng)濟(jì)、最有效的控制事故的方案。

通過(guò)計(jì)算得出，該事故樹的最小經(jīng)集共有5個(gè)，分別為：P1={a},P2={X1},P3=,P4={X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11},P5={X12、X13、X14、X15、X16、X17、X18、X19、X20、X21、X22}。可知，使瓦斯爆炸事故不發(fā)生的可能途徑有5種，當(dāng)以上任意一組最小經(jīng)集內(nèi)的全部基本事件都不發(fā)生，則瓦斯爆炸事故必然不會(huì)發(fā)生。而一般在井下，氧氣濃度通常超過(guò)12%，引火源也能達(dá)到引爆能量，即條件X1和b都是滿足的，故而重點(diǎn)防范事故發(fā)生的模式主要為防范P1、P4和P5的發(fā)生。

(3)結(jié)構(gòu)重要度

根據(jù)事故樹的最小割集或最小徑集，一般按照以下準(zhǔn)則定性判斷基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：

①單事件最小割（徑）集中的基本事件結(jié)構(gòu)重要度最大；②僅在同一最小割（徑）集中出現(xiàn)的所有基本事件結(jié)構(gòu)重要度相等；③兩個(gè)基本事件僅出現(xiàn)在基本事件個(gè)數(shù)相等的若干最小割（徑）集中，這時(shí)在不同最小割（徑）集中出現(xiàn)次數(shù)相等的基本事件其結(jié)構(gòu)重要度相等；出現(xiàn)次數(shù)最多的結(jié)構(gòu)重要度大，出現(xiàn)次數(shù)少的結(jié)構(gòu)重要度小。

根據(jù)所計(jì)算結(jié)果，采用所求最小徑集來(lái)判斷各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，可得出各基本事件結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋篒(a)=I(X1)=I(b)＞I(X2)=I(X3)…=I(X11)＞I(X12)=I(X13)=…=I(X22)。由此可見(jiàn)，瓦斯達(dá)到爆炸濃度、濃度在引爆范圍內(nèi)的氧氣和達(dá)到引爆能量火源的結(jié)構(gòu)重要度最高；其次是瓦斯漏檢，瓦斯排放失誤和巷道貫通后未及時(shí)通風(fēng)，斷電停風(fēng)，供風(fēng)能力不足，局扇打循環(huán)風(fēng)，串聯(lián)通風(fēng)，地質(zhì)變化瓦斯積聚，盲巷、老塘等瓦斯積聚和放炮后瓦斯積存；最后是炸藥變質(zhì)不合格，短間隔放炮，放明炮，抵抗線不足，摩擦撞擊火花，煤炭自燃，明火，電器失爆，電纜設(shè)備短路，電機(jī)車火花和靜電火花。

3.事故預(yù)防措施

根據(jù)第二節(jié)的分析可知，瓦斯爆炸事故發(fā)生的模式有110種，而防止瓦斯爆炸事故發(fā)生的模式有5種，即P1至P5中的任一個(gè)事件不發(fā)生，則事故就不發(fā)生。而P2和P3通常都是滿足的，故而預(yù)防措施要使P1、P4和P5中的任意一個(gè)或多個(gè)事件不發(fā)生，即可避免瓦斯爆炸事故的發(fā)生。采取措施如下：

（1）使P1（即a條件）不發(fā)生，即使瓦斯積聚無(wú)法達(dá)到爆炸濃度?？刹扇∪缦骂A(yù)防措施：加強(qiáng)通風(fēng)管理，保證通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，防止停電停風(fēng)事故造成的瓦斯聚集；消除串聯(lián)通風(fēng)、循環(huán)風(fēng)；及時(shí)處理局部積存的瓦斯等。

（2）使P4不發(fā)生，即使X1、X2……X13等同時(shí)不發(fā)生，則瓦斯無(wú)法積聚。主要通過(guò)技術(shù)措施和管理措施，減少因技術(shù)及操作失誤等引發(fā)的瓦斯泄露和積聚，為此則需采取具體措施有：保證供風(fēng)量，加強(qiáng)盲巷管理；局部通風(fēng)機(jī)必須做到“三專兩閉鎖”“雙風(fēng)機(jī)，雙電源”，做到風(fēng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)臺(tái)，電源自動(dòng)切換，以降低、防止瓦斯事故發(fā)生。對(duì)瓦斯量檢測(cè)做到“應(yīng)檢必檢”避免漏檢等，并根據(jù)其他基本事件，采取相應(yīng)的防范措施。

（3）使P5不發(fā)生，即使X14、X15……X29等都不發(fā)生，則不出現(xiàn)引火源。采取的措施主要是加強(qiáng)對(duì)各類火源的管理和控制，如禁止攜帶火種下井、井下禁止穿化纖類衣服等，尤其要注意電火花和放炮火源。

綜上，采取（1）～（3）中的一種或其組合方式的預(yù)防措施，即可有效預(yù)防瓦斯爆炸事的發(fā)生。